Warmwasser mit Solarstrom

Über die Vorteile der Strom/Wärme-Kopplung und praktische Erfahrungen im SMA Smart Home

Ein wichtiger Schritt für die kostensparende Energieversorgung von Wohnungen und Eigenheimen ist die intelligente Verbindung von Solarstrom- und Wärmeerzeugung: Solarstrom kostet in Deutschland heute kaum halb so viel wie Netzstrom, doch der Schwerpunkt des jährlichen Energiebedarfs liegt bis auf wenige Ausnahmen eindeutig auf der Wärmeseite. Hinzu kommt, dass sich Wärme in Form von heißem Wasser vergleichsweise einfach und kostengünstig speichern lässt.

Der Wärmepumpen-Vorteil

Eine zentrale Rolle bei der Verbindung von Strom- und Wärmewelt spielen Wärmepumpen. Im Gegensatz zu elektrischen Heizelementen, die elektrische Energie nahezu eins zu eins in thermische Energie wandeln, erzeugen Wärmepumpen aus einer elektrischen Kilowattstunde typischer Weise drei bis fünf Kilowattstunden Wärme – je nach Jahresarbeitszahl (JAZ)[1]. Tatsächlich liefert eine Wärmepumpe also mehr Energie, als sie in Form von Strom verbraucht. Das ist möglich, weil sie die Wärme nicht durch Umwandlung der zugeführten elektrischen Energie gewinnt, sondern kostenlose Umweltenergie aus der Umgebung (Luft oder Boden) einsammelt und in konzentrierter Form bereitstellt. Ähnlich funktioniert übrigens jeder handelsübliche Kühlschrank, nur dass hier die im Inneren stattfindende Abkühlung der „Energie-Einsammelstelle“ im Fokus steht, während die konzentrierte Wärme an der Geräterückseite verpufft.

[1] Das Verhältnis von abgegebener Wärme zu aufgenommener Energie ist die so genannte Arbeitszahl. Praxisrelevant ist vor allem der Jahreswert, die so genannte Jahresarbeitszahl (JAZ). Der stattdessen oft angegebene COP-Faktor (Coeffizient of Performance) beschreibt dagegen das Verhältnis von abgegebener und aufgenommener Leistung unter günstigen Betriebsbedingungen und liegt daher etwas höher.

Das Jahreszeitenproblem und seine Lösung

Durch die Vervielfachung der eingesetzten Energiemenge ist das „Verheizen“ von Strom mit Wärmepumpen prinzipiell hochattraktiv, gerade auch in Kombination mit einer Solarstromanlage. Das Grundproblem der solaren Wärmeerzeugung ist jedoch die oft schlechte jahreszeitliche Korrelation von Energieertrag und thermischem Energiebedarf – das betrifft übrigens sowohl die Solarthermie als auch die Photovoltaik. Kurz: In Regionen mit ausgeprägten Jahreszeiten reicht die Energie im Winter oft nicht zum Heizen, im Sommer gibt es dagegen viel mehr Energie, als benötigt wird. Die Photovoltaik hat zwar den Vorteil, dass ein sommerlicher Stromüberschuss sich gegebenenfalls auch zur Kälteerzeugung nutzen lässt, doch zumindest in unseren Breiten ist der vergleichsweise geringe Winterertrag nicht wegzudiskutieren. Der Trend zu besser gedämmten Häusern kann dieses Problem aber deutlich entschärfen – bis hin zu modernen Passivhäusern, die mit lediglich 1,5 kW Heizleistung auskommen und ansonsten nur einen geringen elektrischen Energiebedarf für die Lüftungsanlage haben. In jedem Fall sinnvoll ist jedoch die solarstromgestützte Brauchwasserbereitung mit einer Wärmepumpe, denn warmes Wasser wird das ganze Jahr über benötigt.

Realisierung im SMA Smart Home (I)

Seit der Firmware Version 1.07 des Sunny Home Managers befinden sich im Verbraucher-Konfigurationsmenü zwei Brauchwasser-Wärmepumpen, die sich per Funksteckdose in das SMA Smart Home einbinden lassen: Die WWK 300 von Stiebel Eltron und die TTA 300 von Tecalor. Beide verfügen über einen Brauchwasserspeicher von 300 Litern, die elektrische Leistungsaufnahme beträgt jeweils 400 W bei einer thermischen Leistungsabgabe von 1,6 kW. Der tägliche Warmwasserbedarf pro Person entspricht erfahrungsgemäß etwa zwei kWh Wärme, für einen Vierpersonenhaushalt liegt er somit bei acht thermischen kWh. Für deren Erzeugung benötigen die oben beschriebenen Wärmepumpen aufgrund ihrer JAZ rund zwei kWh elektrische Energie. Angesichts ihrer Leistungsaufnahme muss die Pumpe täglich also vier bis fünf Stunden laufen, um den Haushalt mit warmem Wasser zu versorgen.
Im SMA Smart Home besteht das Ziel natürlich darin, die Wärmepumpe so weit wie möglich mit günstigem und CO₂-neutralen Solarstrom zu betreiben. Da der Sunny Home Manager durch laufend aktualisierte Prognosen zu jedem Zeitpunkt die voraussichtliche Solartrom-Erzeugung und den voraussichtlichen Stromverbrauch des Haushalts kennt, kann er die Betriebszeiten der Wärmepumpe optimal einplanen. Auf der anderen Seite stellt die Wärmepumpe in Sachen Laufzeit gewisse Anforderungen, damit zu den vom Nutzer gewünschten Zeiten auch genug warmes Wasser zur Verfügung steht.

Realisierung im SMA Smart Home (II)

Wesentliche Parameter wie Leistungsaufnahme, minimale Ein- und Ausschaltdauer sowie geeignete Zeitfenster sind für die beiden Wärmepumpentypen von Stiebel Eltron und Tecalor bereits voreingestellt, so dass ein korrekter Betrieb gewährleistet ist. Ein Zeitfenster beginnt um 2:30 Uhr in der Nacht und endet um 6 Uhr morgens, wobei die Pumpe fast durchgehend mit Strom versorgt werden muss. Ein zweites Zeitfenster beginnt direkt im Anschluss und erstreckt sich bis zwei Uhr Nachts, in dieser Zeit muss der Sunny Home Manager die Wärmepumpe mindestens neun Stunden lang mit Strom versorgen. Wann und für wie lange sie tatsächlich anspringt, entscheidet die Wärmepumpe jedoch eigenständig anhand der Temperatur im Brauchwasserspeicher, wobei die weiter oben genannte Gesamtbetriebsdauer von täglich vier bis fünf Stunden realistisch ist.

Spannend ist vor allem die Frage, inwieweit die Warmwasserbereitung im Jahresschnitt mit Solarstrom erfolgt, also wie hoch die jährliche Autarkiequote der Wärmepumpe ist. Denn nicht an jedem Tag ist der Solarstrom-Ertrag groß genug, hinzu kommt der zuweilen notwendige Betrieb zu Zeiten ohne Solarstrom-Ertrag. Auch die vorausschauende Planung des Sunny Home Managers löst nicht alle Probleme, da die Genauigkeit der Erzeugungsprognose begrenzt ist und der Stromverbrauch des Haushalts natürlich jederzeit von den tagesspezifischen Erfahrungswerten abweichen kann. Und nicht zuletzt führt die Mindestlaufzeit zur Vermeidung von häufigen Start-Stopp-Vorgängen dazu, dass die Wärmepumpe trotz vorausschauender Planung auch tagsüber bisweilen mit Netzstrom läuft.

Überzeugender Praxistest

Ein gemeinsam mit Stiebel Eltron initiierter Praxistest in einem von vier Personen bewohnten Einfamilienhaus zeigt nach zwölf Betriebsmonaten ein sehr vielversprechendes Ergebnis: In dem mit einer 5 kWp Solarstrom-Anlage, Sunny Home Manager und einer WWK 300 ausgestatteten Haus in der Nähe von Hildesheim wurden in 12 Monaten 705 elektrische kWh zur Warmwasserbereitung verbraucht. Knapp 60 Prozent davon stammten als günstiger und umweltfreundlicher Solarstrom aus der eigenen Anlage. Der finanzielle Vorteil gegenüber reinem Netzstrombetrieb summiert sich in 20 Jahren selbst bei einem moderaten Strompreisanstieg auf rund 2.200 EUR, was in etwa dem Kaufpreis der Wärmepumpe entspricht. Dieser Vorteil entsteht wohlgemerkt ohne jegliche Komforteinbußen, allein durch das Vorhandensein von Solarstromanlage und Sunny Home Manager. Deren Wirtschaftlichkeit wird durch den überdurchschnittlichen Solarstrom-Eigenverbrauch der Wärmepumpe sogar noch gestärkt.

Vergleich von Kosten und CO₂-Ausstoß

Entscheidender dürfte jedoch der auf Basis der Betriebsdaten erstellte Kostenvergleich mit einer konventionellen, ölbetriebenen Warmwasserbereitung sein. Die netzstrombetriebene Brauchwasser-Wärmepumpe liefert die Kilowattstunde Wärme für etwa 7 ct (Bezugsstromkosten geteilt durch JAZ). In Kombination mit der Solarstromanlage und dem im Praxistest ermittelten Energiemix sinkt der Wert auf lediglich 5 ct. Bei älteren Ölheizungen ist dagegen mit mindestens 9 ct für eine Kilowattstunde Wärme zu rechnen – wohlgemerkt im Jahresschnitt, im Sommerhalbjahr sind es deutlich mehr. Ursache ist der im Teillastbetrieb meist sehr schlechte Nutzungsgrad[2], der in vielen Fällen kaum 50 Prozent erreicht. Hinzu kommt noch der kontinuierliche Stromverbrauch konventioneller Heizungssysteme, der sich bei 20 bis 30 Watt Verbrauchsleistung auf gut eine halbe Kilowattstunde pro Tag summieren kann – immerhin ein Viertel des elektrischen Energiebedarfs der Wärmepumpe. Nicht zu vernachlässigen ist auch das erhebliche Kostensteigerungsrisiko fossiler Energieträger aufgrund der weltweit knapper werdenden Ressourcen und der zunehmenden Abhängigkeit von wenigen Lieferländern. Ein Anstieg der Strompreise wirkt sich aufgrund des begrenzten Netzstromanteils dagegen weit weniger stark aus.
Das zweite Vergleichskriterium neben den Betriebskosten ist der jährliche CO₂-Ausstoß für die im Testhaushalt benötigte Brauchwasserwärme. Gegenüber einem Ölbrenner liegt die Wärmepumpenlösung auch hier deutlich vorn und spart schon bei reinem Netzstrombetrieb rund 70 Prozent CO₂ ein – nicht zuletzt aufgrund des mit 25 Prozent schon heute erheblichen Ökostromanteils im deutschen Strommix. In Kombination mit einer Solarstromanlage halbiert sich der verbleibende Rest noch einmal, so dass beinahe 90 Prozent des CO₂-Ausstoßes vermieden werden. Die absolute Einsparung von 860 Kilogramm entspricht dabei etwa 6.500 gefahrenen Kilometern mit einem modernen Mittelklasse-PKW – wohlgemerkt jedes Jahr. Der CO₂-Vorteil durch den restlichen, nicht zur Brauchwasserbereitung eingesetzten Solarstrom kommt noch hinzu.

[2] Während der Wirkungsgrad eines Kessels das Verhältnis von abgegebener Heizleistung und in Form von Brennstoff zugeführter Feuerungsleistung im laufenden Betrieb (und bei Nennleistung) beschreibt, stellt der der Nutzungsgrad die während eines definierten Zeitraums nutzbar gewordener Wärmeenergie der zeitgleich in Form von Brennstoff zugeführten Energiemenge gegenüber. Der Nutzungsgrad berücksichtigt also auch die schlechteren Wirkungsgrade im Teillastbetrieb, die Bereitstellungsverluste der Heizungsanlage sowie die Wärmeverluste beim An- und Ausschalten des Brenners.

Fazit

Die Kombination von Solaranlage, Energiemanagement-System und moderner Brauchwasser-Wärmepumpe spart gegenüber konventionellen Systemen rund 40 Prozent der Energiekosten ein, verringert das Risiko von künftigen Kostensteigerungen und reduziert den CO₂-Ausstoß um bis zu 90 Prozent. Dabei kann man sich auch unter den hiesigen Bedingungen (Klima, jahreszeitliche Schwankung der Einstrahlung) zu knapp 60 Prozent unabhängig von einer externen Energieversorgung machen. Wer ein geeignetes Dach besitzt, sollte sich hierzu entsprechende Gedanken machen – erst recht, wenn die konventionelle Heizung nicht mehr dem neuesten Stand entspricht.

Wärmepumpen ins SMA Smart Home integrieren? Hier findet ihr mehr Infos.