Effizientes Trio: Wärmepumpe profitiert von PV-Anlage plus Speicher

Eine Wärmepumpe erreicht in Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage plus Speicher unter bestimmten Bedingungen eine höhere Jahresarbeitszahl (JAZ). Das belegten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) mit einer aktuellen Studie. Zugleich erhöht das Geräte-Trio den solaren Eigenverbrauch erheblich.

Eine Wärmepumpe läuft mit Strom. Wer wie für alle anderen Stromverbraucher:innen im Haushalt auch den Betriebsstrom für die Wärmeerzeugerin  aus dem Netz zieht, muss dafür die netzüblichen Strompreise bezahlen. Ende Mai lag der durchschnittliche Strompreis bei 37 Cent pro Kilowattstunde (kWh).

Sparsam kombiniert: Wärmepumpe plus PV-Anlage

Mit einer Photovoltaik-Anlage auf dem Dach eures Hauses könnt ihr Solarstrom selbst erzeugen. Der lässt sich ins Hausnetz einspeisen und direkt verbrauchen. Weil die Stromgestehungskosten des Solarstroms vom eigenen Dach sehr viel niedriger sind als Netzstrom, spart jede kWh Solarstrom, die eine kWh Netzstrom ersetzt, Stromkosten. Es gilt: Je mehr Solarstrom und je weniger Netzstrom ihr im Haushalt verbraucht, desto höher fällt die Stromkostenersparnis aus. 

Noch sparsamer kombiniert: Wärmepumpe plus PV-Anlage plus Speicher

Kommt zudem noch ein Stromspeicher zum Einsatz, lässt sich der Eigenverbrauchsanteil an Solarstrom noch einmal deutlich erhöhen. Denn der Stromspeicher speichert Strom zwischen, der nicht sofort verbraucht wird. Anstatt den überschüssigen Strom von der PV-Anlage gegen eine geringe Einspeisegebühr ins öffentliche Netz abzugeben, könnt ihr ihn puffern und zeitversetzt im Haushalt nutzen – insbesondere in Zeiten, wo die Sonne nicht scheint.

Die 10 Vorteile, die euch die Kombi aus PV-Anlage und PV-Speicher bringt, haben wir euch kürzlich erst ausführlich hier auf dem Blog vorgestellt. Schaut gerne in unseren entsprechenden Blogbeitrag!

So profitiert die Wärmepumpe von einer Kombi mit PV-Anlage plus Speicher

Die folgende Grafik stammt aus der Studie “Analysis of the performance and operation of a photovoltaic-battery heat pump system based on field measurement data” vom Fraunhofer ISE. Diese findet ihr hier im Internet.

Das Balkendiagramm links zeigt euch übers Jahr den monatlichen Energieverbrauch und den Photovoltaik-Anteil (SF) der Wärmepumpe (links). Vom Tortendiagramm rechts könnt ihr den prozentualen Anteil der verschiedenen Stromquellen am jährlichen Stromverbrauch der Wärmepumpe ablesen. 

Die Forschenden des Fraunhofer ISE haben für ihre Studie die Leistung intelligenter, auch smart genannter, netzfähiger Wärmepumpen (Smart-Grid-Ready) in Einfamilienhäusern untersucht, die sie mit Photovoltaik-Anlagen auf dem Dach und Stromspeichern, auch PV-Speicher oder Batteriespeicher genannt, kombinierten.

Dabei kamen sie unter anderem zu dem Ergebnis, dass sowohl eine PV-Anlage als auch ein Speicher die Leistung der Wärmepumpen unter bestimmten Bedingungen deutlich verbessern können.

Exkurs I: Was sind intelligente, netzfähige Wärmepumpen?

Bei hoher Netzlast können Netzbetreiber:innen intelligente, netzfähige Wärmepumpen direkt steuern, zum Beispiel ihre Leistung drosseln oder sie ganz abschalten. Gut zu wissen: Besitzt ihr eine derart steuerbare Wärmepumpe, erhaltet ihr einen Rabatt auf den Strompreis – je nach Netzbetreiber:in entweder pauschal oder anteilig pro Kilowattstunde (kWh). Intelligente, netzfähige Wärmepumpen sind darüber hinaus von Vorteil, weil sie den Photovoltaik-Eigenverbrauch maximieren, indem sie ihren Betrieb an den verfügbaren Sonnenstrom anpassen. So bedienen sie sich am Solarstrom dann, wenn davon besonders viel verfügbar ist.

Exkurs II: Was bedeutet Smart-Grid-Ready?

Damit ist die Funktion gemeint, dank der die Wärmepumpe in Abhängigkeit vom verfügbaren Strom gesteuert wird. Der Smart-Grid-Ready-Modus werde laut den Forschenden vom ISE aktiviert, wenn die Batterie voll geladen sei oder mit maximaler Leistung geladen werde und es dennoch einen Überschuss an Solarstrom gebe. Ebenso, wenn die aktuelle Photovoltaik-Leistung für mindestens zehn Minuten unter dem Gesamtbedarf des Einfamilienhaushalts liege.

Exkurs III: Was sind Smart-Grid-Ready-Strategien?

In der Studie heißt es, dass sich der Betrieb der Wärmepumpe, die in der Lage sei, mit dem häuslichen Energiesystem zu kommunizieren, mit intelligenten Regelungsstrategien so steuern und optimieren lasse, dass sich der häusliche PV-Stromverbrauch maximiere oder die Wärmepumpe netzorientiert arbeite, je nach verwendeter Regelstrategie. Im Zuge dessen würde eine PV-Anlage den Betrieb der Wärmepumpe beeinflussen, um den überschüssigen verfügbaren Strom zu nutzen. Diese Beeinflussung erfolge laut den Studienautor:innen mit Strategien wie verstärkter Wärmepumpenbetrieb, erhöhte Speichersolltemperaturen oder dank Verschiebung des Wärmepumpenbetriebs in Abhängigkeit vom verfügbaren PV-Strom. Wichtig zu wissen sei demnach, dass diese Strategien einen Einfluss auf die Betriebseffizienz von Wärmepumpen hätten. 

Über die Studie Wärmepumpe plus PV-Anlage plus Speicher

Für ihre Studie haben die Forschenden vom ISE die Leistung einer smart-grid-ready-gesteuerten Kombi aus Wärmepumpe, PV-Anlage und Speicher in einem Freiburger Einfamilienhaus (Baujahr 1960) unter Verwendung einminütiger, hochauflösender Feldmessdaten untersucht. Zum Einfamilienhaus müsst ihr das: Dank seines Energiebedarfs von 84,3 kWh pro Quadratmeter Wohnfläche gelte es schon als energiesparend. Die zu beheizende Wohnfläche des Hauses betrage 256 Quadratmeter und sei somit größer als in einem durchschnittlichen Einfamilienhaus hierzulande.

Das Geräte-Trio

Für ihre Studie kombinierten die ISE-Forscher:innen die folgenden Geräte:

1. Eine Erdwärmepumpe, die Wärme zum Heizen der Räume und zur Warmwasserbereitung erzeugte. Ihre Leistung lag bei 13,9 Kilowatt (kW).
2. Eine PV-Anlage mit einer Leistung von 12,3 kW. Diese wurde in einem Neigungswinkel von 30 Grad gen Süden installiert. Ein 12-kW-Wechselrichter kam zudem zum Einsatz.
3. Ein DC-gekoppelter Stromspeicher mit einer Speicherkapazität von 11,7 kWh. Wofür DC steht, das könnt ihr ausführlich in unserem oben bereits verlinkten Beitrag zur Kombi PV-Anlage und Speicher nachlesen.

Wissen solltet ihr, dass diese Kombi aus Erdwärmepumpe plus PV-Anlage plus PV-Speicher zu Forschungszwecken vergleichsweise groß ausgelegt (dimensioniert) ist. Das heißt: Ihre Anschaffung ist entsprechend teuer.

Ergebnisse: Wärmepumpen-JAZ steigt in bestimmten Fällen

Konkret wurde für die Studie untersucht, was die smarte Steuerung des PV-Anlage-plus-Speicher-Systems mit der Leistung der Wärmepumpe macht. Dazu zogen die Forscher:innen vom ISE relevante Leistungskennzahlen heran, darunter den Eigenverbrauchsanteil, den Photovoltaik-Anteil, die saisonale Leistungszahl und die Heizkurve.

Demnach könne es auch durchaus sinnvoll sein, dass man die Leistung der Wärmepumpe lediglich für den Netzstrom bewerte. Denn der eigens erzeugte PV-Strom koste die Hausbesitzer:innen praktisch nichts. In der Studie heißt es dazu: Lasse man die Investitions-, Wartungs- und etwaigen Versicherungskosten außer Acht, sei der Strom aus der PV-Anlage und der Batterie für Nutzer:innen quasi kostenlos, während der Bezug von Netzstrom laufende Kosten verursache. Berücksichtige man die  Stromeinsparungen dank des PV- und Speicherstroms, könne der Leistungsfaktor nur für den Netzstrom berechnet werden, der der Wärmepumpe bei gleicher Wärmeleistung zugeführt werde.

Im zwölfmonatigen Erhebungszeitraum der Messdaten sei es laut den Studienergebnissen zu einem durchschnittlichen Eigenverbrauchsanteil von 43 Prozent gekommen – mit Höchstwerten im Winter. Der Grund: Die dann vergleichsweise niedrige Strommenge konnte komplett von der Wärmepumpe genutzt werden. Im Sommer ergaben sich dagegen Überschüsse, da Wärmepumpe und Speicher den Solarstrom nicht komplett verbrauchten.

Wichtig: Der überschüssige Solarstrom könnte ins Netz eingespeist werden und die Anlagenbetreiber:innen könnten dafür die zugehörige Einspeisevergütung einstreichen.

Aber: Ein Mehr an Stromspeicherplatz würde den Eigenverbrauch zwar noch weiter erhöhen, bedeute laut den ISE-Forscher:innen jedoch auch, dass die Speicherkapazität in den Wintermonaten mit begrenztem PV-Stromüberschuss großteils ungenutzt bliebe.

Der solare Anteil der Wärmepumpe habe mehr als ein Drittel (36 Prozent) betragen – ermöglicht auch dank höherer Solltemperaturen für Raumheizung und Warmwasserbereitung.

Die Jahresarbeitszahl (JAZ), die Aussagen zur Effizienz der Wärmepumpe zulässt, sei um 4 Prozent bei der Raumheizung und um 5,7 Prozent bei der Warmwasserbereitung gesunken.

Die kombinierte saisonale Leistungszahl für das Wärmepumpensystem sei jedoch von 4,2 auf 6,7 gestiegen, vorausgesetzt, man berücksichtige nur den aus dem Netz bezogenen Strom und lasse den vor Ort von PV-Anlage plus Speicher erzeugten außer Acht.

Wie die Studie ergab, habe sich die saisonale Leistungszahl von 4,2 auf 5,2 erhöht, wenn Strom von einer in die Wärmepumpe eingespeist worden sei. Wurde die Wärmepumpe dagegen von der Kombi PV-Anlage plus Speicher mit Strom beschickt, sei die Jahresarbeitszahl sogar auf 6,7 gestiegen.

Aber: Die ISE-Forscher:innen weisen auch darauf hin, dass höhere Vorlauftemperaturen bei intelligenten Systemen einen negativen Einfluss auf die Effizienz der Wärmepumpe haben könnten. Denn je größer die Vorlauftemperatur sei, desto mehr Strom müsse die Wärmepumpe verbrauchen, um diese zu erzeugen. Gebäude mit Heizsystemen mit niedrigerer Vorlauftemperatur hätten demnach immer einen Effizienzvorteil.

Fotos: Paradigma, Grafik: Studie des Fraunhofer ISE