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Photovoltaik-Heizstab: Technik und Produkte im Marktüberblick

Für Anlagenbetreiber wird der Eigenverbrauch des auf dem eigenen Dach produzierten Solarstroms immer lukrativer. Um den Solarstrom gezielt in Wärme umzuwandeln, werden spezielle Photovoltaik-Heizstäbe angeboten. In Zeiten hoher Stromproduktion, geringem Verbrauch und evtl. vollem Stromspeicher sind Solar-Heizstäbe eine smarte Ergänzung zur Erhöhung des Eigenverbrauchs sowie zur Heizkostensenkung. energie-experten.org hat sich verschiedene Photovoltaik-Heizstäbe näher angeguckt.

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Anwendungsbereiche von PV-Heizstäben

Matrix-Übersicht der Einbindungs- und Verschaltungsmöglichkeiten eines Heizstabes innerhalb einer Photovoltaik-Anlage (Grafik: energie-experten.org)
Matrix-Übersicht der Einbindungs- und Verschaltungsmöglichkeiten eines Heizstabes innerhalb einer Photovoltaik-Anlage (Grafik: energie-experten.org)

Erfolgt die Erwärmung des Brauchwassers mit Hilfe z. B. eines Ölkessels oder einer Gastherme, arbeiten diese während der Sommermonate mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad. Deutlich kostengünstiger lässt sich das Brauchwasser während dieser Zeit mit einem elektrischen Heizstab und einer Photovoltaikanlage erzeugen. Bei günstiger Anlagenauslegung kann das Brauchwasser auch während der Wintermonate auf diese Weise erzeugt werden.

Besonders interessant ist ein Heizstab für neue Photovoltaik-Anlagen, die nur noch eine relativ geringe Einspeisevergütung erhalten sowie für Anlagen die im Zeitraum zwischen dem 01.01.2009 und 31.03.2012 in Betrieb genommen wurden und eine zusätzliche Vergütung für den Eigenverbrauch des selbst erzeugten Solarstroms erhalten.

Ein Photovoltaik-Heizstab u.U. auch in Kombination mit einem dezentrale Stromspeicher und können bei geeigneter Steuerung für eine Erhöhung des Eigenverbrauchs und eine Entlastung der Stromnetze sorgen. "Power-to-Heat", d. h. die direkte, lokale Stromerzeugung und dessen Umwandlung in Wärme plus Wärmespeicherung, stellen dabei eine sehr kostengünstige Option im Wärmemarkt dar, um fossile durch erneuerbare Energie zu ersetzen und Treibhausgas-Emissionen zu reduzieren.

Technische Möglichkeiten zur Leistungsregelung des Heizstabes

Schematische Darstellung der Photovoltaik-Stromversorgung eines Heizstabes mit Hilfe eines Zweirichtungszählers und dem Steuergerät Cloudy103 (Grafik: Yellowstone Soft GmbH)
Schematische Darstellung der Photovoltaik-Stromversorgung eines Heizstabes mit Hilfe eines Zweirichtungszählers und dem Steuergerät Cloudy103 (Grafik: Yellowstone Soft GmbH)

Auf dem deutschen Markt gibt es daher bereits diverse Anbieter, die Lösungen zur Wärmeerzeugung mittels eines Solar-Heizstabes anbieten. Zu beachten ist, dass die Leistungsaufnahme des Heizstabes regelbar ist, um die Leistungsaufnahme an den aktuellen Solarstrom-Überschuss anzupassen. Dies wird notwendig, da der Solarstrom-Überschuss häufig niedriger ist als die Heizstableistung von etwa 2 bis 5 kW. Ist der Heizstab nicht regelbar, muss er in Zeiten eines nicht ausreichenden Photovoltaik-Stromüberschusses ausgeschaltet bleiben oder die Stromlücke durch Netzstrombezug ausgeglichen werden, was wiederum dem Sinn des Photovoltaik-Heizstabes entgegensteht.

Ist der Heizstab regelbar, so wird häufig eine Phasenanschnittsteuerung ähnlich wie bei einem Dimmer genutzt. Da deren Einsatz bei Heizstäben laut Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Netzbetreiber gemäß Punkt 10.2.7 nur bis zu einer maximalen Anschlussleistung von 200 Watt angewandt werden darf und Heizstäbe darüber liegen, ist unklar ob eine Phasenanschnittsteuerung überhaupt erlaubt ist. Bei einer Stufenregelungen des Photovoltaik-Heizstabes muss zudem beachtet werden, dass diese sich umso energieeffizienter regeln lassen, je kleiner die Stufen sind. Wer seinen Solarstrom allerdings nur zum Heizen nutzen will, kann auf den Wechselstromteil verzichten und die PV-Module direkt an den Heizstab anschließen.

Marktüberblick über Heizstäbe für kleine Photovoltaikanlagen

SENEC.Heat

Die SENEC.Heat-Box steuert den Heizstab der Photovoltaik-Anlage und kann bei Heizstäben mit interner Temperaturabschaltung ohne externe Temperatursensoren betrieben werden. (Foto: Deutsche Energieversorgung GmbH)
Die SENEC.Heat-Box steuert den Heizstab der Photovoltaik-Anlage und kann bei Heizstäben mit interner Temperaturabschaltung ohne externe Temperatursensoren betrieben werden. (Foto: Deutsche Energieversorgung GmbH)

Für SENEC-Speicher gibt es jetzt SENEC.Heat. Diese Lösung vom deutschen Speicher-Hersteller Deutsche Energieversorgung GmbH ist eine separat erhältliche Kompaktbox zur Steuerung von Heizstäben. Im Zusammenspiel mit SENEC.Home oder SENEC.Business Energiespeichern wird so überschüssiger Strom zur Warmwasseraufbereitung genutzt und somit in Form von Wärmeenergie gespeichert.

SENEC.Heat ist geeignet für alle Kunden mit SENEC-Speicher, die einen Warmwasserspeicher oder Wärmepumpenspeicher mit separatem Heizstabanschluss besitzen. Aufgrund der einfachen Wandmontage und der kompakten Größe lässt sich SENEC.Heat schnell in ein bestehendes System integrieren. Da die meisten Heizstäbe eine interne Temperaturabschaltung besitzen, ist der Betrieb in diesen Fällen sofort und ohne externe Temperatursensoren möglich. Außerdem ist die Verteilung des erzeugten Photovoltaik-Stroms auf Strom- und Wärmespeicher individuell konfigurierbar. Die intelligente Heizstabsteuerung bietet darüber hinaus Überstrom- sowie Überspannungsschutz und lässt sich im erweiterten Online-Monitoring mobil überwachen.

sonnenBatterie

Erweiterbare 2 kWh Lithium-Eisenphosphat sonnenBatterie (Foto: sonnen GmbH)
Erweiterbare 2 kWh Lithium-Eisenphosphat sonnenBatterie (Foto: sonnen GmbH)

Die sonnenBatterie von sonnen ist ein intelligentes Speichersystem, das automatisch dafür sorgt, dass Hausbesitzer den maximalen Anteil ihres selbst erzeugten Stroms auch selbst verbrauchen. Die sonnenBatterie merkt sich zum Beispiel den Stromverbrauch im Haushalt und kombiniert dieses Verhalten mit aktuellen Wetterdaten. Anhand dieser Informationen kann die sonnenBatterie den Solarstrom optimal im Haus verteilen. Außerdem ist sie in der Lage, gezielt elektrische Geräte wie Waschmaschine oder einen Heizstab zu aktivieren und hilft so, den Solarstrom gezielt im Haus zu verwenden.

Dazu wird einfach nur ein Elektro-Heizstab an die Sonnenbatterie angeschlossen, der das Wasser in einem Pufferspeicher erhitzt und auf diese Weise das Haus zusätzlich mit Wärme versorgt. Hierzu ist sonnen u.a. mit der Energiesysteme RENNERGY Systems AG eine Kooperation eingegangen. Die Photovoltaik-Heizgeräte Premium, Prestige und ECO Line von RENNERGY lassen sich sehr gut mit den acht Modellen der Sonnenbatterie kombinieren und so den Photovoltaik-Heizstab optimal nutzen.

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Westech Solar Energiemanager

Westech Solar Energiemanager-System (Foto: Westech-Solar Energy GmbH)
Westech Solar Energiemanager-System (Foto: Westech-Solar Energy GmbH)

Der Westech Solar Energiemanager inkl. einem 2,5 kW Heizstab sorgt dafür, die von Ihrer Photovoltaik-Anlage erzeugte überschüssige Energie zur Erhitzung des Wassers in Ihrem Brauchwasserspeicher oder Pufferspeicher zu nutzen. Der Westech Energiemanager leitet den Solarstrom, der sonst ins Netz eingespeist werden würde, automatisch stufenlos auf den Photovoltaik-Heizstab oder Wärmetauscher von 1 bis 3 kW um, sobald mehr Elektrizität erzeugt als benötigt wird. Dazu wird er normalerweise zwischen eine 16A abgesicherte Leitung und den Heizstab geschaltet. Er empfängt dann drahtlos Daten vom Sender, der die Energieerzeugung überwacht und den Westech Energiemanager aktiviert, sobald überschüssige Energie produziert wird und passt den Energiefluss proportional an, so dass tatsächlich nur die überschüssige Energie zur Wassererhitzung genutzt wird.

Der Westech Solar Energiemanager kann mithilfe einer programmierbaren Zeitschaltuhr so eingestellt werden, dass er zur gewünschten Zeit die volle Energie des Stromnetzes nutzt, um so einen normalen Betrieb ohne Photovoltaik-Ertrag zu gewährleisten. Ein zusätzlicher Boosterknopf dient dazu, durch einen einfachen Knopfdruck für 15 Minuten bis zu zwei Stunden mehr Wasser zu erhitzen. Es kann dabei für jede Phase ein Energiemanager verwendet werden so dass sich die Leistung mit 3 Photovoltaik-Heizstäben auf bis zu 9 kW erhöhen lässt. Der Westech Energiemanager kann zudem in Verbindung mit speziell erhältlichen Durchlauferhitzern, die an jeden herkömmlichen Brauchwasser- oder Pufferspeicher ohne großen Aufwand angeschlossen werden können, genutzt werden.

NectarSUN

Das NectarSUN-System besteht im Wesentlichen aus Photovoltaik-Solarmodulen, der NectarSUN Regelung, einem Heizstab und einem Warmwasserspeicher. Die Regelung wird direkt mit dem Heizstab verbunden und wandelt bis zu 99% der von den Solarmodulen gewonnenen Energie in nutzbare Wärme um. Die MPPT Funktion des Reglers sorgt dabei für maximalen Solarertrag. Diese hohe Effizienz ermöglicht es, schon mit wenigen Modulen die Kosten zur Brauchwassererwärmung um bis zu 70% zu reduzieren.

Die Zuleitungen von den Photovoltaikmodulen zum Photovoltaik-Heizstab erfolgt über zwei normale 4mm2 Solarkabel mit wenigen Millimetern Durchmesser. Somit entfallen aufwendige Solarrohr-Installationen, wie sie bei herkömmlichen Solarthermieanlagen erforderlich sind. Auch kann das Kabel bei Bedarf auch außerhalb der Haushülle ohne Verlust verlegt werden, ohne die Decken durchlöchern zu müssen.

Um auch bei geringer Sonneneinstahlung eine konstante Brauchwassertemperatur zu gewährleisten, schaltet die Regelung in einem solchen Fall den Heizstab automatisch auf regulären Netzstrom, bis wieder genügend Solarstrom zur Verfügung steht. Die Entscheidung, ab wann und bis zu welcher Temperatur das Netz genutzt werden soll, erfolgt komfortabel über das Display der NectarSUN Regelung.

CaCuSol PV-Heater

Photovoltaik-Heizstab "PV Heater" und CaCuSol-Solarmanager (Fotos: Thermic Energy RZ GmbH)
Photovoltaik-Heizstab "PV Heater" und CaCuSol-Solarmanager (Fotos: Thermic Energy RZ GmbH)

Der Photovoltaik-Heizstab "PV Heater" des CaCuSol-Solarmanagers nutzt direkt den Strom der Photovoltaikanlage, um den Warmwasser-Speicher zu erhitzen. Das Gerät kann an einer separaten Photovoltaik-Anlage und einer bestehenden Heizungsanlage nachgerüstet werden. CaCuSol darf jedoch nur in Verbindung mit dem mitgelieferten Thermic Energy CaCuSol-Einschraubheizkörper verwendet werden.

Durch seinen Aufbau eignet sich der Einschraubheizkörper sowohl für den Einsatz in Heizungswasserspeichern als auch in emaillierten Trinkwasserspeichern, die mit einem 1,5 Zoll Schraubanschluss ausgestattet sind und dieser Schraubanschluss mittels eines Adapters für die Revisionsöffnung bereitgestellt wurde. Der Einschraubheizkörper ist für den Einsatz in drucklosen wie in druckbehafteten hydraulischen Systemen ab 80 Liter Fassungsvermögen bis zu einem maximalen Betriebsdruck von 10 bar zugelassen.

Laut Hersteller Thermic Energy darf der Sanitärinstallateur oder der Betreiber den Heizstab allerdings selbst verkabeln, da der PV Heater mit einer Gleichspannung von weniger als 50 Volt arbeitet.

Yellowstone Soft Cloudy103

Das Steuergerät Cloudy103 schaltet den Heizstab entsprechend des Photovoltaikstromangebotes an oder aus. (Grafik: Yellowstone Soft GmbH)
Das Steuergerät Cloudy103 schaltet den Heizstab entsprechend des Photovoltaikstromangebotes an oder aus. (Grafik: Yellowstone Soft GmbH)

Yellowstone Soft bietet ein Komplettpaket zur Brauchwasserbereitung mit einem Heizstab und der Cloudy103 Steuerung an. Das System kostet 647,00 Euro und funktioniert unabhängig vom Wechselrichter und kann auf einfache Weise auch in Bestandsanlagen nachgerüstet werden.

Für Photovoltaik-Anlagen mit vorhandenem Zweirichtungszähler wird das Steuergerät direkt im Zählerschrank neben dem elektrischen Zweirichtungszähler montiert. Hierfür genügt eine Hutschiene mit 70 mm freiem Platz, die normalerweise immer vorhanden ist. Für Anlagen ohne vorhandenem Zweirichtungszähler oder Anlagen im europäischen Ausland muss ein zusätzlicher Hutschienenzähler zwischen vorhandenem Zähler und der Unterverteilung montiert werden.

Die Datenverbindung zum Zähler erfolgt mit einem optischen Lesekopf, der magnetisch am Zähler befestigt wird. Für die Installation des Heizstabes ist eine 1½ Zoll Einbauhülse am Brauchwasserspeicher und ein 230V AC Anschluss erforderlich. Das Steuergerät und der Heizstab werden über eine vieradrige Steuerleitung miteinander verbunden.

Das Steuergerät Cloudy103 erhält von diesem elektronischen Zähler alle 10 Sekunden die aktuelle Leistung und die Information ob Energie aus dem Netz des EVU bezogen oder ins Netz geliefert wird. Wird für eine gewisse Zeit Energie geliefert, so wird der Elektroheizstab vom Steuergerät eingeschaltet und somit das Brauchwasser erwärmt. Steht nicht mehr genügend selbst erzeugte Energie zur Verfügung, wird der Heizstab automatisch wieder abgeschaltet. Hat das Brauchwasser die gewünschte Temperatur erreicht, wird der Heizstab ebenfalls abgeschaltet. Für eine effektive Funktionsweise wird der Heizstab in drei Leistungsstufen geschaltet und arbeitet somit auch bei geringer Sonneneinstrahlung. Die Parametrierung des Steuergerätes erfolgt einmalig mit einem interaktiven Windows-Programm.

ELWA von my-PV

Der ELWA-Heizstab wird direkt im Warmwasserspeicher montiert und erwärmt das Wasser primär über den Photovoltaik-Strom der hauseigenen Anlage. Lange Warmwasserleitungen entfallen. (Foto: my-PV GmbH)
Der ELWA-Heizstab wird direkt im Warmwasserspeicher montiert und erwärmt das Wasser primär über den Photovoltaik-Strom der hauseigenen Anlage. Lange Warmwasserleitungen entfallen. (Foto: my-PV GmbH)

Die my-PV GmbH bietet das Photovoltaik-Heizstabsystem ELWA zur elektrischen Warmwasserbereitung an. Der Warmwasserspeicher wird dazu mit einem z. B. netzgekoppelten AC ELWA Heizstab ausgestattet, der über die Photovoltaik-Anlage angesteuert wird. Der von der netzgekoppelten PV-Anlage erzeugte Strom wird zunächst zum Aufheizen des einzelnen Warmwasserspeichers verwendet. Überschüssiger Strom wird durch Infrarot-Paneele zur Gebäudeheizung genutzt. Erst im dritten Schritt wird Reststrom ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Ein zentrales System des Energie-Management-Herstellers Loxone übernimmt die intelligente Steuerung. So wurden in der Praxis bereits ein PV-Eigenverbrauch von 78% und ein solarer Warmwasser-Deckungsgrad von 86% erreicht. Zudem werden somit keinerlei Rohre mehr für die Wärmeverteilung benötigt.

DeltaTherm °PV von RESOL

Heizstabregler DeltaTherm °PV (Foto: RESOL - Elektronische Regelungen GmbH)
Heizstabregler DeltaTherm °PV (Foto: RESOL - Elektronische Regelungen GmbH)

RESOL hat speziell für die Nutzung überschüssigen Stroms aus PV-Anlagen den Heizstabregler DeltaTherm °PV entwickelt. Der Regler ist für alle Speicher mit Heizstab nachrüstbar und einfach zu installieren. Er erkennt überschüssigen Strom zuverlässig und ermittelt die zur Verfügung stehende Energie. Diese wird an eine stufenlos regelbare Elektroheizung bis 3 kW weitergeleitet, die den Speicher erhitzt. Auf diese Weise wird die Überschussleistung der PV-Anlage in Wärmeenergie umgewandelt und als regenerative Energie gespeichert. Durch die intelligente Regelung wird der Eigenverbrauch an regenerativem Photovoltaik-Strom erhöht und die Kosten für die konventionelle Heizung gesenkt. Der Strombedarf des Haushaltes behält dabei selbstverständlich immer den Vorrang und die Netzkonformität bleibt gewährleistet.

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"Photovoltaik-Heizstab: Technik und Produkte" wurde am 18.06.2016 verfasst und am 23.02.2017 das letzte Mal aktualisiert.