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Experten-Ratgeber: Photovoltaik & Wärmepumpe ideal kombinieren

Wie wird eine Wärmepumpe mit Photovoltaik-Strom versorgt? In welchem Umfang kann dadurch der Eigenverbrauch erhöht werden? Lohnt es sich, Photovoltaik-Strom für Wärmepumpen zu nutzen?

Neben dem Speichern von Stromüberschüssen gibt es auch noch die Möglichkeit, überschüssigen Strom zur Wärmeproduktion zu nutzen und so die Eigenverbrauchsquote zu optimieren. Dafür ist ein Wärmespeicher erforderlich, der bei vielen Heizungsanlagen bereits vorhanden ist. Mithilfe einer Wärmepumpe erwärmt der Solarstrom das Wasser für Dusche und Heizung und spart so Brennstoffe wie Heizöl oder Erdgas ein. Dadurch lässt sich die Einspeisung von Überschüssen zu Erzeugungsspitzen deutlich reduzieren. Eine weitere Steigerung des Eigenverbrauchs an Photovoltaik-Strom mit einer Wärmepumpe lässt sich mit einem Stromspeicher realisieren.

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Für Besitzer von neuen Photovoltaikanlagen lohnt es sich, den eigenen Solarstrom selbst zu nutzen. Technische Hilfsmittel können den Eigenverbrauch signifikant erhöhen, dazu gehören gesteuerte Verbraucher und Stromspeicher. Welche Eigenverbrauchspotenziale Hausbesitzern mit Wärmepumpen und Batterien offen stehen, haben wir im folgenden Beitrag erklärt.

Übersicht über die Ratgeber-Inhalte

Steuerung einer Photovoltaik-Wärmepumpen-Anlage

Der Markt bietet bereits mehrere technische Möglichkeiten für die Kommunikation zwischen der Photovoltaik-Anlage und einer Wärmepumpenheizung. Seitens der Wärmepumpe ist das Prinzip bei den meisten Herstellern identisch. Der „SG-Ready-Eingang“ (SG = Smart Grid) dient als Schnittstelle der Wärmepumpe, damit sie auf einen Überschuss an Solarstrom reagieren kann. Die Schnittstelle kann auf verschiedene Arten angesteuert werden.

Stiebel Eltron bietet invertergeregelte Heizungswärmepumpen (hier: Integralsystem LWZ 504 zum Heizen, Warmwasserbereiten, Lüftung mit Wärmerückgewinnung und Kühlen) für einen optimalen Betrieb mit PV-Anlagen. (Foto: STIEBEL ELTRON GmbH & Co. KG)
Stiebel Eltron bietet invertergeregelte Heizungswärmepumpen (hier: Integralsystem LWZ 504 zum Heizen, Warmwasserbereiten, Lüftung mit Wärmerückgewinnung und Kühlen) für einen optimalen Betrieb mit PV-Anlagen. (Foto: STIEBEL ELTRON GmbH & Co. KG)

Relais-Schaltung nach Leistung

Eine einfache, elektrotechnische Variante besteht darin, die Wärmepumpe über eine Leitung direkt mit dem Wechselrichter zu verbinden. Die meisten Wechselrichter verfügen über ein Relais mit potentialfreien Kontakten, welches dafür genutzt werden kann. Das Relais schaltet immer dann, wenn eine bestimmte PV-Leistung erzeugt wird. Dieser Wert kann individuell eingestellt werden. Wird er auf die elektrische Anschlussleistung der Wärmepumpe eingestellt, z.B. 2 kW Heizleistung, steuert der Wechselrichter den SG-Ready-Eingang an, wenn eben diese Leistung erzeugt wird.

Der erzeugte Solarstrom wird im Haus aber nicht nur von der Wärmepumpe, sondern auch anderweitig genutzt. Um das zu berücksichtigen, sollte zur Anschlussleistung der Wärmepumpe ein Aufschlag für die Grundlast des Hauses (Licht, Kühlschrank, Geräte im Stand-By-Betrieb, …) addiert werden, z. B. 500 W. Wird als Schaltleistung für das Relais nun 2,5 kW gewählt, wird gewährleistet, dass die Wärmepumpe hauptsächlich dann läuft, wenn wirklich genug Solarstrom für sie übrig ist.

Steuerung über Smart Meter

Anstelle des Wechselrichters, können auch spezielle elektronische Stromzähler, sogenannte Smart-Meter, die Wärmepumpe über eine Leitung ansteuern. An ihnen wird ebenfalls die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe eingestellt und gilt als Schaltkriterium. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass nicht der produzierte PV-Strom gemessen wird, sondern nur der, der nach Versorgung aller anderen Stromverbraucher im Gebäude übrig ist. Sind große Verbraucher wie Backofen oder Waschmaschine in Betrieb, wird der forcierte Betrieb somit vermieden.

Steuerung per Energie-Management-System

Über diese beiden Möglichkeiten hinaus, kann die Kommunikation von einem Energie-Management-System (wie z. B. dem Sunny Homer Manager von SMA) übernommen werden. Vor allem von Wechselrichterherstellern werden diese seit einigen Jahren angeboten, da sie neben der Visualisierung der Energieflüsse auch eine Steigerung des Eigenverbrauchs ermöglichen.

Innerhalb eines Energie-Management-Systems können einzelne Stromverbraucher (Spülmaschine, Waschmaschine etc.) mit ihrem Betriebsverhalten hinterlegt und über z. B. Funksteckdosen eingeschaltet werden. Mit Online-Wetterdaten können dann Ertragsprognosen erstellt und selbstständig errechnet werden, wann welcher Verbraucher eingeschaltet werden soll. Auch Wärmepumpen können so mittlerweile eingebunden werden und liefern dem System sogar Informationen über den zu erwartenden Leistungsverlauf.

GridSense sammelt Informationen über den Netzzustand, den Stromverbrauch, das Benutzerverhalten sowie die Stromerzeugung der Photovoltaik-Anlage und berechnet auf dieser Basis den idealen Zeitpunkt, um elektrische Großverbraucher wie Wärmpumpen, Elektroboiler oder auch Elektroautos zu- oder abzuschalten. GridSense kann als Plug-On-Lösung an die Hauselektrik montiert werden. (Foto: Alpiq)
GridSense sammelt Informationen über den Netzzustand, den Stromverbrauch, das Benutzerverhalten sowie die Stromerzeugung der Photovoltaik-Anlage und berechnet auf dieser Basis den idealen Zeitpunkt, um elektrische Großverbraucher wie Wärmpumpen, Elektroboiler oder auch Elektroautos zu- oder abzuschalten. GridSense kann als Plug-On-Lösung an die Hauselektrik montiert werden. (Foto: Alpiq)

Umfang der Steigerung des Photovoltaik-Eigenverbrauchs durch Wärmepumpen

Wärmepumpen-Eigenverbrauch bei kleineren Photovoltaik-Anlagen

Laut des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) steigt bei kleineren Solar-Anlagen mit einer Wärmepumpe der selbst genutzte Solarstrom von 30 auf 45 Prozent. Wird zusätzlich eine Batterie installiert, können rund 70 Prozent des Photovoltaik-Stroms selbst verbraucht werden:

  • Eine vierköpfige Familie mit einer Photovoltaikanlage, die 4000 kWh Ökostrom pro Jahr erzeugt, kommt ohne den zielgerichteten Einsatz von Stromverbrauchern auf einen Eigenverbrauch von 1200 kWh. Das sind 30 Prozent.
  • Mit einer Wärmepumpe und einem thermischen Puffer-Speicher steigt der profitable Eigenverbrauch auf 1800 kWh.
  • Mit einer Solar-Batterie mit 5 kWh genutztem Energieinhalt sind es 2800 kWh. Voraussetzung ist eine intelligente Steuerung der Wärmepumpe und eine optimierte Batteriebeladung.

Wärmepumpen-Eigenverbrauch bei größeren Photovoltaik-Anlagen

Entscheidet sich die Familie für eine größere Photovoltaikanlage, die 7000 kWh liefert, kann sie ohne Speicher bereits 1400 kWh selbst nutzen. Das sind 200 kWh mehr als bei der kleinen Photovoltaik-Anlage. Der prozentuale Anteil sinkt auf 20 Prozent, da die Eigenstromnutzung nicht proportional zur Anlagengröße wächst.

Mit einer Wärmepumpe verbessern die Bewohner den Verbrauch für eigene Zwecke auf 2400 kWh. Mit einer zusätzlichen Batterie erhöht sich der Wert auf 3500 kWh, 700 kWh mehr als im Fall der kleineren PV-Anlage. 50 Prozent Eigenverbrauch des Solarstroms sind mit einer solchen Wärmepumpen-Einbindung möglich.

Größenverhältnis von Wärmepumpe und Photovoltaikanlage

Wie das ideale Größenverhältnis von Wärmepumpe und Photovoltaikanlage aussieht, um eine möglichst große Eigenverbrauchssteigerung des Photovoltaik-Stroms durch die Wärmepumpe zu erzielen, kann man pauschal nicht beurteilen, da andere Faktoren wie etwa der Heizleistungsbedarf der Wärmepumpe und daraus resultierend der Stromverbrauch der Wärmepumpe als auch das Nutzerverhalten beim Haushaltsstrom je nach Anwendungssituation individuell beurteilt werden müssen.

Bei einer Wärmepumpe mit 2 kW Heizleistung und einer Photovoltaik-Anlage mit aktueller PV-Leistung von 1 kW würde die Wärmepumpe nur bei Wärmebedarf laufen und bezieht etwa 50 % ihrer Antriebsenergie vom eigenen Dach und 50 % aus dem Netz. Ist die aktuelle Photovoltaik-Leistung höher z. B. 3 kW würde die Wärmepumpe vom Wechselrichter angesteuert werden und zu 100 % autark mit Photovoltaik-Strom laufen und die Wärme für einen späteren Verbrauchszeitpunkt zwischenspeichern ("puffern").

Laut EnergieAgentur.NRW ist die ideale Anlagengröße mit einer intelligent eingebunden Wärmepumpe jedoch in jedem Fall größer, als wenn nur Stromverbraucher im Haushalt versorgt werden. Es hat sich in der Praxis bewährt, in diesen Fällen die Photovoltaikanlage so groß wie möglich zu dimensionieren.

Es lassen sich jedoch Aussagen über den Abdeckungsgrad des gesamten häuslichen Energieverbrauchs treffen. Im Fall der vierköpfigen Familie mit 7.000 kWh Solar-Stromproduktion im Jahr und der Nutzung von beiden Speichersystemen ist der Energiebedarf für Strom und Wärme zu 50 % abdeckbar. Bedingung ist ein moderner energetischer Standard des Wohngebäudes. Der Bedarf liegt hier bei 7000 kWh pro Jahr, 4000 kWh für die Haushaltsgeräte und 3000 für die Wärmepumpe.

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Photovoltaik-Stromversorgung von Warmwasser-Wärmepumpen

Eine einfache Möglichkeit, den Eigenverbrauch von Photovoltaik-Strom mit Hilfe einer Wärmepumpe zu steigern, bietet die Warmwasser-Wärmepumpe. Diese nutzt die warme Luft des Heizungskellers und ersetzt die Brauchwassererwärmung durch die Zentralheizung.

Warmwasser-Wärmepumpen mit einem dementsprechenden Regelungsmodul können die Nutzung von Eigenstrom aus einer Photovoltaikanlage optimieren helfen, indem sie die Anhebung oder Reduzierung des Warmwassersollwertes durch einen Wechselrichter ermöglichen. Bei ausreichender Stromlieferung durch die Photovoltaikanlage schaltet das Regelungsmodul die Warmwasser-Wärmepumpe ein und betreibt diese mit einer für die Photovoltaikanlage optimierten Regelungsfunktion.

Die Warmwasser-Wärmepumpe WWK electronic von Stiebel Eltron kann im Zusammenspiel mit einem Energiemanagementsystem wie dem Sunny Home Manager von SMA ideal für die Steigerung des Eigenverbrauchs eingesetzt werden. (Foto: Stiebel Eltron)
Die Warmwasser-Wärmepumpe WWK electronic von Stiebel Eltron kann im Zusammenspiel mit einem Energiemanagementsystem wie dem Sunny Home Manager von SMA ideal für die Steigerung des Eigenverbrauchs eingesetzt werden. (Foto: Stiebel Eltron)

Außerdem können viele so geregelte Warmwasser-Wärmepumpen über eine Energie-Managementfunktion Heizkessel oder auch einen Elektro-Heizstab automatisch hinzuschalten. Ist eine Solarthermie-Anlage vorhanden, verbessert das Regelungsmodul den Solarthermieertrag, indem die Brauchwasser-Wärmepumpe ausgeschaltet wird, sobald die am Wärmespeicher der Wärmepumpe angeschlossene Solarthermieanlage Wärme liefert.

Warmwasser-Wärmepumpen lohnen sich insbesondere dann, wenn ein über dem Durchschnitt liegendes Lufttemperaturniveau genutzt werden kann. Daher sind Warmwasser–Wärmepumpen eine gute Lösung zur Brauchwasserbereitung in Heizungskellern, die durch den Betrieb einer Öl-, Gas- oder Holzheizung entstehende Abwärme erwärmt werden. So funktioniert die Warmwasserwärmepumpe mit einer ganzjährig hohen Jahresarbeitszahl (JAZ). Will man nun den Eigenverbrauch an Photovoltaik-Strom optimieren, so bietet es sich an, gezielt eine SmartGrid-fähige Warmwasser-Wärmepumpe hinzu zu schalten.

Wärmepumpen mit Inverter ideal für Photovoltaik-Versorgung

Bei Wärmepumpen, bei denen der Verdichter (Kompressor) mit einer konstanten Drehzahl läuft, heizt die Wärmepumpe für wenige Minuten mit voller Leistung, worauf ein Stillstand folgt. Ein solcher Stop-and-Go-Betrieb bringt Wärmeverluste mit sich, da sich das System ständig aufheizt und wieder abkühlt, und auch die Lebensdauer der Wärmepumpe wird durch ein häufiges Takten reduziert.

Wärmepumpen mit Inverter-Technik hingegen können ihre Heizleistung an den tatsächlichen Wärmebedarf anpassen. Dazu regulieren sie permanent und stufenlos die Drehzahl des Verdichters. Man spricht dabei von Inverter-Technik oder auch von modulierenden Wärmepumpen.

Leistungsverlauf von Wärmepumpen mit und ohne Inverter-Technik (Grafik: energie-experten.org)
Leistungsverlauf von Wärmepumpen mit und ohne Inverter-Technik (Grafik: energie-experten.org)

Durch die Leistungsregelung der Wärmepumpe sinkt mit reduzierter Drehzahl auch die elektrische Leistungsaufnahme. Während eine Wärmepumpe mit starrer Drehzahl dann pausieren würde und ein Großteil des Photovoltaik-Stroms ins Netz eingespeist wird, läuft eine Inverter-Wärmepumpe mit reduzierter Leistungsaufnahme weiter. So kann diese Leistung dann schon eher durch die PV-Anlage gedeckt werden, sodass dadurch insgesamt ein höherer Eigenverbrauch an Photovoltaik-Strom und ein höherer Autarkiegrad vom Stromnetz resultiert.

Wirtschaftlichkeit von PV-Wärmepumpen-Systemen berechnen

Ob eine Kombination einer Wärmepumpe mit einer Photovoltaikanlage aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten Sinn macht, sollte unbedingt getrennt voneinander beurteilt werden. Dabei muss darauf geachtet werden, nur einem der beiden Techniken die Vorteile der jeweils anderen Technik zuzuordnen. So sollte entweder der günstigere Strombezug je nach Eigenverbrauchsquote in die Wirtschaftlichkeitsanalyse der Wärmepumpe eingehen oder der Photovoltaikanlage der höhere Erlös des Eigenverbrauchs im Vergleich zur Einspeisevergütung zugerechnet werden.

Wird sowohl der Wärmepumpenkalkulation der günstigere Strompreis als auch der Photovoltaik-Anlage die höhere Stromvergütung im Verhältnis zum normalen Wärmepumpentarif angerechnet, so rechnet man sich die Entscheidung für oder gegen eine solche Kombination im wahrsten Sinne des Wortes "schön". Eine belastbare Aussage über die Wirtschaftlichkeit ist damit nicht mehr möglich.

Kapitalwert von Photovoltaik-Anlage und Wärmepumpe berechnen

Betreibt man bereits eine Photovoltaikanlage und möchte z. B. seine alte Ölheizung gegen eine Erdwärmeheizung tauschen, so sollte man zunächst die Menge an Photovoltaik-Strom schätzen, die die Wärmepumpe pro Jahr aufnehmen könnte. Dann sollte man diese Strommenge in der Wirtschaftlichkeitskalkulation der Photovoltaikanlage zu Selbstkosten und in der Wirtschaftlichkeitsberechnung der Erdwärmeheizung in Höhe der eingesparten Stromkosten entsprechend des alternativ nutzbaren Wärmepumpentarifs ansetzen.

Dann sollte man in beiden Wirtschaftlichkeitsberechnung eine dynamische Investitionskostenrechnung anstellen, auf den jeweiligen Barwert abzinsen und die verbleibenden Kapitalwerte zusammenrechnen. Ist diese Summe positiv, so ist eine Kombination aus Erdwärmeheizung und Photovoltaikanlage auch wirtschaftlich sinnvoll. Ein ebensolches Vorgehen sollte auch zur Beurteilung einer Investition in eine Luftwärmepumpe angewendet werden.

Wirtschaftlichkeit einer Brauchwasser-Wärmepumpe mit Photovoltaik

Das hört sich zurecht etwas kompliziert an. Etwas einfacher wird es, wenn man nicht die komplette Heizung austauschen möchte, sondern nur zusätzlich zur bestehenden Öl- und Gasheizung eine Warmwasser-Wärmepumpe als Stromverbraucher für den Solartstrom einsetzen möchte. Da eine solche Brauchwasser-Wärmepumpe nicht sehr kostenintensiv ist und gerade bei Abwärmenutzung fossil betriebener Öl- oder Gasheizungen eine gute Arbeitszahl von 3,5 bis 4 aufweist, ist nur mehr oder weniger der Brauchwasserbedarf zu schätzen.

Ist ein großer Warmwasserbedarf ganzjährig bereitzustellen, so kann man durchaus von einer lohnenswerten Investition sprechen. Wird das Haus z. B. nur von zwei Personen genutzt, die tagsüber berufstätig sind, so kann die Investition in eine Warmwasserwärmepumpe nicht unbedingt wieder eingespielt werden. Nur bei zukünftig stark steigenden Strompreisen, ließe sich auch in solchen Anwendungsfällen eine wirtschaftliche Ausnutzung erzielen.

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Fazit: Lohnt sich der Betrieb einer Wärmepumpe mit Photovoltaik-Strom?

Beurteilung der Effizienz

Durch den forcierten Betrieb der Wärmepumpe dann, wenn die Photovoltaik-Anlage Strom produziert, fällt die Jahresarbeitszahl etwas schlechter aus, da zur Wärmebevorratung höhere Temperaturen erzeugt werden und dementsprechend mehr Strom genutzt wird. Die Effizienz der Wärmepumpenanlage nimmt also augenscheinlich ab.

Die Wirtschaftlichkeit aber steigt hingegen an, da das Mehr an Strombedarf von der Photovoltaikanlage erzeugt wurde. Sind Wärmepumpe und Photovoltaikanlage gekoppelt, kann die Effizienz der Wärmepumpenanlage daher nicht allein durch die Jahresarbeitszahl ausgedrückt werden.

Je weiter zudem die Änderungen im Stromnetz voranschreiten, je besser das Netz also auch saisonal schwankende Stromerzeugung aufnehmen und verteilen kann, desto weniger wichtig wird die Zeitgleichheit von Erzeugung und Verbrauch. Die energetische Bewertung einer Wärmepumpe fällt auch unter diesem Gesichtspunkt zunehmend besser aus.

CO2-Ausstoß und Klimaschutz

Dennoch gibt es aber auch Bedenken, die bei der Verwendung von Photovoltaik-Strom zum Betrieb einer Wärmepumpe angeführt müssen. Denn dem Klimaschutz ist grundsätzlich dann am meisten gedient, wenn Solarstrom fossile Stromerzeugungsquellen ersetzt. Dies ist auch grundsätzlich bei einer Kombination von Photovoltaik mit einer Wärmepumpenheizung erfüllt.

Da aufgrund des hohen Anteils an Stein- und Braunkohle im deutschen Strommix der CO2-Ausstoß einer durchschnittlichen Kilowattstunde Strom gut doppelt so hoch ist wie der CO2-Ausstoß einer Kilowattstunde Wärme, ist es deshalb aus Sicht des Klimaschutzes notwendig, Wärmepumpen mit einem möglichst hohen COP mit Photovoltaik-Strom zu versorgen, sodass insgesamt eine Reduzierung der CO2-Emissionen erzielt werden.

Lastausgleich im Stromnetz

Werden Wärmepumpen mit einer Photovoltaik-Anlage betrieben, so wird weniger Strom aus dem Netz bezogen. Dies führt jedoch nicht gleichzeitig zu einer Verbesserung der Netzauslastung. Auf lokaler Ebene kann dieser Effekt aber innerhalb eines Smart Grids dann erreicht werden, wenn die Wärmepumpen dann Wärme produzieren, wenn andernorts Photovoltaik-Strom erzeugt wird. Auch netzbedingte Abschaltungen von Photovoltaik-Anlagen lassen sich hierdurch reduzieren.

Je nach Systemkonfiguration ist dabei die Erzeugung des gesamten täglichen Warmwasserbedarfs eines Haushalts z. B. in der Mittagszeit denkbar, wenn lokale Angebotsüberhänge aus Photovoltaikanlagen ins Stromnetz eingespeist werden müssten. Zukünftig kann diese Funktion einer Wärmepumpe noch an Bedeutung gewinnen, da in Neubauten der Anteil der Warmwasserbereitung stetig zunimmt und häufig bereits bei über 50 Prozent des Wärmebedarfs eines Gebäudes liegt.

Abwägung der Wirtschaftlichkeit

Die Eigennutzung des Photovoltaik-Stroms durch eine Wärmepumpe verbessert grundsätzlich dann die Amortisation der PV-Anlage, wenn die Differenz zwischen Einspeisevergütung und Wärmepumpen-Strompreis kleiner ist als die zwischen den Gestehungskosten der PV-Anlage und dem Heizstromtarif für die Wärmepumpe.

Aus wirtschaftlicher Sicht lohnt sich eine Anschaffung einer Heizungswärmepumpe nur aufgrund der Maximierung der Eigenbedarfsdeckung jedoch nicht. Ist aber sowieso eine Neuanschaffung oder ein Heizungstausch geplant, können die Zusatzkosten geringer sein als der Mehrertrag durch den Eigenverbrauch.

Anders sieht es hingegen aus, wenn man bereits eine Wärmepumpe besitzt. Dann kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, sich eine Photovoltaik-Anlage auch zum Zwecke der Wärmepumpenversorgung anzuschaffen.

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"Photovoltaik & Wärmepumpe ideal kombinieren" wurde am 16.02.2017 das letzte Mal aktualisiert.