Mehr als heiße Luft

Kategorie: 01 / 2012, Forschung & Entwicklung Michael Fuhs

Solarwärme: Mit Photovoltaik lässt sich Brauchwasser inzwischen günstiger erhitzen als mit thermischen Kollektoren. Das ist der erste Schritt zu einer nachhaltigen Lösung, die der Photovoltaik einen großen Markt verspricht.

Heizen im Winter mit Strom? Mit einer üblichen Photovoltaikanlage lassen sich 90 Prozent des Brauchwassers auf die nötige Temperatur bringen.
Foto: Familie Wolf

Centrosolar hat den Anfang gemacht. Das Unternehmen bietet eine Drei-Kilowatt-Photovoltaikanlage zusammen mit einer Wärmepumpe an.
Foto: Centrosolar


Grafik: Solarpraxis AG/Harald Schütt

Alle reden von Kosten. Josef Wrobel auch. Dabei hat er genau das Gegenteil im Sinn. „Ich will davon wegkommen, dass die Kosten pro Watt Peak eine so große Bedeutung haben“, sagt der Vertriebs- und Marketingvorstand bei Centrosolar. „Ich habe mehr das Gesamtsystem im Blick.“ Dazu hat Centrosolar ein System auf den Markt gebracht, das mit Photovoltaikstrom den Wärmespeicher für das Brauchwasser lädt.

Die Idee ist bestechend, denn sie umgeht das Problem, dass sich Strom bisher nur zu verhältnismäßig großen Kosten speichern lässt. Stattdessen wird damit Wärme erzeugt, die einen Wärmespeicher auflädt. Und sie stellt die Regel auf den Kopf, dass Strom die höherwertige Energie ist und man alles vermeiden sollte, was sie zu geringerwertiger Wärmeenergie verwandelt, die sich nur unter hohen Verlusten wieder zu Strom machen lässt.

Das Wichtigste aber dürfte sein, dass die Photovoltaik damit nicht mehr ein Fremdkörper auf dem Dach ist, der regelmäßig das Haushaltskonto füllt, sondern ein Teil der Haustechnik wird. Der Heizungsinstallateur kann das Paket für solares Brauchwasser verkaufen – dem Kunden dürfte egal sein, ob sich darin Photovoltaik oder Solarthermie verbirgt – Hauptsache, das Wasser ist warm. Mit dem neuen System gerät die Photovoltaik für manche Kundenbedürfnisse in direkten Wettbewerb zur Solarthermie.Centrosolar bietet über den Großhandel dafür jetzt das Paket Cenpac plus mit einer Drei-Kilowatt-Photovoltaikanlage und einer Dimplex-Wärmepumpe an. Sie hat eine Arbeitszahl von 2,8. Das bedeutet, gemittelt über den Betrieb eines ganzen Jahres erzeugt sie aus einer Kilowattstunde Strom 2,8 Kilowattstunden Wärme für Brauchwasser. Die zusätzliche Energie holt sie sich aus der Umgebung, die im Gegenzug abkühlt.

Ein Energiemanagementsystem regelt, wann der Solarstrom die Wärmepumpe und andere elektrische Geräte betreiben soll. „Es soll zu einem möglichst hohen Eigenverbrauch führen“, sagt Wrobel. Eingespeichert ist das Lastprofil H0 des VDEW, das den typischen Verlauf desStromverbrauches für einen Haushalt beschreibt. Wenn die Erzeugung die Last um einen bestimmten Wert überschreitet, schaltet die Wärmepumpe ein.

Für einen typischen Haushalt, der im Jahr rund 3.000 Kilowattstunden zur Brauchwassererwärmung verbraucht, lassen sich nach Angaben von Centrosolar mit dem Drei-Kilowatt-System knapp 90 Prozent der notwendigen Wärme für das Brauchwasser erzeugen. Im Sommer produziert die Anlage viel mehr Strom, als Wärme benötigt wird. Er kann zum normalen Tarif eingespeist werden. Im Winter reicht der Solarstrom nicht vollständig aus. Wie bei jedem entsprechend dimensionierten Solarthermiesystem muss dann zugeheizt werden.

Drei Systeme im Vergleich

An dieser Stelle ist dann doch der Kosten-Berechner in Wrobel gefragt. Er vergleicht an einer Minianlage, welche Art Solarheizung, die 50 Prozent der Brauchwasserwärme erzeugt, die günstigste ist (siehe Tabelle nächste Seite). Er betrachtet dazu drei Systeme: erstens ein Photovoltaiksystem mit Wärmepumpe, das allerdings deutich kleiner ist als das Cenpac plus. Zweitens eine Photovoltaikanlage, die direkt – also ohne Wärmepumpe – den Heizkessel heizt. Das geschieht über eine Elektroheizpatrone, eine Art Tauchsieder, der ohne viel Aufwand in viele Heizkessel eingebaut werden kann. Das dritte System ist eine Solarthermieanlage. Alle Systeme nutzen die Sonne, erzeugen gleich viel Brauchwasserwärme und ersparen im Jahr rund 100 Euro für Öl oder Gas. Sie unterscheiden sich also fast nur in ihren Investitions- und Betriebskosten.

Ohne die Vergütung von selbst verbrauchtem Strom zu berücksichtigen, amortisiert sich das System mit Wärmepumpe 30 Prozent schneller als die Solarthermieanlage und liegt in dem Kostenvergleich vorne, wie die Tabelle zeigt. Mit Eigenverbrauchsvergütung amortisiert sie sich noch schneller, nämlich in knapp der halben Zeit. Noch besser ist dann allerdings das System ohne Wärmepumpe. Es belegt jedoch eine fast

Drei solare Brauchwasserheizungen im Vergleich

Solarthermie

Photovoltaik

ohne Wärmepumpe

mit Wärmepumpe

Brauchwasserheizbedarf(4-Personen- Haushalt)

2.928

kWh/a

2.928

kWh/a

2.928

kWh/a

Anlagengröße

5

m2

1,7

kWp

0,6

kWp

Flächenbedarf

5

m2

11,9

m2

4

m2

Ertrag

1.464

kWh/a

1.464

kWh/a

523

kWh/a

Genutzte Solarwärme

1.464

kWh/a

1.464

kWh/a

1.464

kWh/a

Solarer Anteil an der Wärmebereitstellung

50

%

50

%

50

%

Finanzierung

spezifische Modulkosten

700

€/m2

2.200

€/kWp

2.200

€/kWp

Modulkosten

3.500

3.740

1.336

Warmwasserspeicher

675

675

Elektroheizpatrone

125

Wärmepumpe

2.500

Installation

3.100

2100

750

Summe Investitionskosten

6.600

6.640

5.261

Betriebskosten Pumpe

13

€/a

Eingesparte Brennstoffkosten(Brennstoffkosten 0,0641 €/kWh, Jahresarbeitszahl 0,87)

108

€/a

108

€/a

108

€/a

Vergleich zur fossilen Heizung ohne Eigenverbrauchsförderung

Vorteil Solaranlage absolut

95

108

108

Vorteil Solaranlage pro Kilowattstunde Solarleistung

6,48

€/kWh

7,37

€/kWh

20,63

€/kWh

Amortisationszeit

70

Jahre

62

Jahre

49

Jahre

Vergleich zur fossilen Heizung mit Eigenverbrauchsförderung

Vorteil absolut

95

271

166

Vorteil Solaranlage pro Kilowattstunde Solarleistung

6,48

ct/kWh

18,53

ct/kWh

31,79

ct/kWh

Amortisationszeit

70

Jahre

24

Jahre

32

Jahre

Anhand von drei Minianlagen, die die gleiche Wärmemenge bereitstellen, lassen sich die drei Systemtypen vergleichen. Die Berechnung erfolgt nach den Angaben von Centrosolar zu Kosten und Erträgen. In dieser Rechnung sind die Kosten relativ hoch angesetzt, und eine Kostensteigerung der Gaspreise ist nicht eingerechnet. Beides verringert die Amortisation, so dass man bei den angegebenen Amortisationszeiten keinen Schreck bekommen darf. Die Zahlen erlauben aber trotzdem einen Vergleich der Systeme. Außerdem ist ein Vorteil des Wärmepumpensystems nicht erfasst: Es macht unter Umständen die Investition in eine Zusatzheizung überflüssig.

dreimal größere Dachfläche als das Wärmepumpensystem.

Allerdings kommt auch noch etwas anderes aus den Rechnungen heraus. Wenn man schon eine mit Öl oder Gas betriebene Heizung hat, rechnet sich ökonomisch keines der Systeme, da die Amortisationszeiten zwischen 24 und 70 Jahren liegen. Die Rechnung berücksichtigt zwar nicht, dass die Gaspreise steigen, und setzt vergleichsweise hohe Investitionskosten an. Doch selbst wer optimistischer rechnet, kommt auf lange Amortisationszeiten. „Es gibt viele Kunden, die möchten das Brauchwassertrotzdem solar erzeugen, und dafür kann ich zeigen, dass sich die Photovoltaik mehr rechnet als Solarthermie“, sagt Wrobel. Solche Kunden möchte er mit seinem Angebot gewinnen.

Verbrauchen oder Einspeisen?

Außerdem stellt sich die Frage, ob es nicht lukrativer ist, den Solarstrom zum Heizen zu verwenden als ihn einzuspeisen. Für eine gute Wirtschaftlichkeit reicht es nämlich nicht aus, Eigenverbrauchsquoten von 100 Prozent zu erreichen. Eigenverbrauch rechnet sich vor allem durch die eingesparten Stromkosten von zurzeit rund 24 Cent pro Kilowattstunde. Nutzt man den Solarstrom direkt zum Heizen, spart man ohne Wärmepumpe aber nur die gut sechs Cent fossilen Brennstoffkosten ein. Da lohnt sich der Eigenverbrauch nicht, Volleinspeisung wäre rentabler.

Mit Wärmepumpe spart man durch Eigenverbrauch immerhin das 2,8-Fache der Brennstoffkosten. Die genauere Rechnung in der Tabelle zeigt, dass man durch Vergütung und Einsparung fossiler Rohstoffe 31,79 Cent pro Kilowattstunde erzeugten Solarstrom erwirtschaftet. Mit den sieben Cent Differenz zur Einspeisevergütung muss man die Investition in die Wärmepumpe finanzieren, was kaum möglich sein dürfte. Wer nicht viel Wert darauf legt, sein Brauchwasser solar zu erzeugen, und stattdessen auf Rendite optimieren will, muss deshalb den Strom aus den Photovoltaikanlagen einspeisen und vergüten lassen. Das wird sich erst ändern, wenn die Brennstoffkosten steigen oder man mit der Wärmepumpe eine Investition in eine konventionelle Heizung überflüssig macht.

Rentabel durch Heizungsersatz

Denn wenn – aus welchen Gründen auch immer – eine neue Brauchwasserheizung angeschafft werden muss, ändert sich die ökonomische Perspektive. Bei der solarthermischen Anlage und bei der Photovoltaikanlage ohne Wärmepumpe benötigt man für die Wintermonate eine zusätzliche Heizung, zum Beispiel elektrisch betriebene Durchlauferhitzer oder eine fossil betriebene Brauchwasserheizung. Bei dem System mit Wärmepumpe entfällt diese Zusatzinvestition, da die Wärmepumpe auch mit Netzstrom betrieben werden kann. Das dürfte in diesem Fall die günstigste Lösung sein.

Auf die naheliegende Idee, Photovoltaik und eine Wärmepumpe zu kombinieren, kamen daher nicht nur die Experten von Centrosolar. Der Wechselrichterhersteller Mastervolt hat vor Kurzem eine „neue gemeinsame Lösung“ mit dem Wärmepumpenhersteller Stiebel Eltron angekündigt. Einen ähnlichen Ansatz – mit einem kleinen, aber wichtigen Unterschied – hat auch Elektroinstallateur Rudolf Baier mit seiner Firma Solartechnik Baier. Der Tüftler aus Bayern hat ein Gerät mit dem Namen Thermacon entwickelt, das ebenfalls den Eigenverbrauch in die Höhe treibt, indem der Solarstrom zum Heizen verwendet wird. Der Unterschied zu den anderen Systemen ist, dass es dafür niemals Netzstrom zieht. „Das ist mir besonders wichtig, da sonst nicht nur die Rentabilität sinken, sondern das System auch nicht mehr ökologisch arbeiten würde“, sagt er.

Kampf der Technologien?

Ist nun angesichts der Entwicklungen der Kampf zwischen den Solarthermikern und Photovoltaikern ausgebrochen? Hans-Martin Henning, den stellvertretenden Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und Abteilungsleiter für die thermischen Energiesysteme, stört an der gegenwätigen Diskussion, dass über die Eigenverbrauchsförderung die Photovoltaik gegenüber der Solarthermie bevorzugt wird. Das Argument könnte man allerdings auch umdrehen und eine höhere Förderung für die Solarthermie fordern.

Außerdem kritisiert er die hohen Kosten, die Centrosolar für die Solarthermie ansetzt. Das Unternehmen hat sie zwar nach eigenen Angaben aus Endkundenangeboten ermittelt. Dazu gibt es aber auch andere Aussagen. Zum Beispiel finden sich in einer Aufstellung der Zeitschrift Ökotest mehrere Systeme, die für 25 Prozent geringere Kosten einen um 25 Prozent höheren Ertrag versprechen. Wer solche Systeme für diesen Preis bekommt, wäre nach der Rechnung ähnlich rentabel wie mit einem Photovoltaiksystem.

Henning sieht aber auch, dass die Kosten für solarthermische Anlagen sinken müssen, um „auch längerfristig konkurrenzfähig“ zu sein. „Wenn der Endkundenpreis nicht sinkt, wird es schwierig“, sagt er. Das sei auch durchaus möglich. Er rät außerdem davon ab, die betriebswirtschaftlichen Beispiele der kleinen Brauchwasserheizungen zu verallgemeinern. Es stellt sich nicht nur die Frage, was die billigste Lösung im Einzelfall ist, sondern wie eine nachhaltige Energieversorgung aufgebaut werden kann.

Vor allem Wärmepumpen lassen in dieser Hinsicht viele Ökofreunde schaudern. „In Deutschland steht man dem Heizen mit Strom immer noch skeptisch gegenüber“, sagt Marek Miara, ein Mitarbeiter von Henning, der Feldtests an Wärmepumpen betreut. „Wird dafür jedoch eine Wärmepumpe verwendet, kann das Heizen in dieser Form durchaus sinnvoll sein.“ Wenn sie gut geplantwerde, erreiche sie Kohlendioxidbilanzen, die besser seien als von Öl- und Gasheizungen. Das gelte für den heutigen Enegiemix im Stromnetz. Das gilt umso mehr, wenn die Wärmepumpen zu 90 Prozent mit Photovoltaikstrom betrieben werden.

Marek Miara gibt jedoch zu bedenken,, dass die Luft-Wasser-Wärmepumpen, wie Centrosolar sie vorsieht, im Haus installiert werden. Sie arbeiten dadurch effizienter, als wenn sie die kältere Außenluft verwenden. Doch sie kühlen die Umgebung ab. „Dies führt oft zu einem thermischen Kurzschluss“, sagt er. Wenn man sie innerhalb der thermischen Gebäudehülle betreibt – also zum Beispiel Kellerluft als Wärmequelle verwendet –, verliert man die Wärme, die die Wärmepumpe erzeugt, an anderer Stelle und muss entsprechend mehr heizen.

Eine Wärmepumpe gehört also entweder außerhalb des Hauses, was aufwendig ist und Geld kostet. Oder der Innenraum, in dem sie steht, benötigt einen Luftschacht, der die Wärmepumpe mit Außenluft versorgt. Bei einem Neubau mag das gehen. Bei Altbauten ist die Installation jedoch aufwendig, was wiederum die Kosten erhöht.

Am Ende zählt jedoch sowieso der Blick über den Zaun um das eigene Grundstück hinaus. Es ist absehbar, dass sich die Stromnetze zu sogenannten Smart Grids entwickeln werden, die die elektrische Energie nicht nur verteilen, sondern Verbrauch und Erzeugung steuern. Dann könnten Heizungen mit Wärmepumpen sehr interessant werden, da sie sich zentral ein- und ausschalten lassen, je nach dem aktuellen Stromangebot. Allerdings müssen die Wärmepumpen unter Umständen auch betrieben werden, wenn kein Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht. Hier können Häuser mit Mikro-Kraftwärmekopplungsanlagen eine wichtige Rolle spielen.

Sie lassen sich aber vielleicht besser mit solarthermischen Heizungen als mit solarelektrischen Heizungen verbinden. Wie der zukünftige Energiemix aussieht, ist also auch an dieser Stelle offen.

Wird ein System wie das von Centrosolar zu diesem Mix gehören? Marek Miara sieht nur in wenigen Fällen den Bedarf für eine reine Brauchwasserheizung. So sind auch bereits mehr als ein Drittel aller neu installierten Solarthermieanlagen Kombianlagen, die sowohl der Brauchwassererwärmung als auch der Unterstützung der Raumheizung dienen. „In der Regel ist es deshalb sinnvoll, Raumheizung und Brauchwasserheizung zusammen zu planen und zu optimieren“, sagt er.

Großer Markt in Haustechnik

Der Schritt, das Centrosolar-System dahingehend weiterzuentwickeln, scheint allerdings nicht groß zu sein. Das liegt jedoch an der Anwendung. Alte Heizungsysteme in Altbauten haben vergleichsweise hohe Vorlauftemperaturen. Wenn man diese mit Wärmepumpen erzeugen will, sinkt deren Effizienz. „Dort ist dann unter Umständen die Solarthermie besser geeignet“, sagt Miara. Doch zum Beispiel für Passivhäuser könnte die Kombination einer Wärmepumpe mit einer Photovoltaikanlage sehr sinnvoll sein.

Das sind Überlegungen, die nach Ansicht von Volker Quaschning in die richtige Richtung gehen. „In einigen Jahren wird es das EEG nicht mehr geben, da die Netzbetreiber nicht mehr wissen, was sie mittags mit dem vielen Solarstrom anfangen sollen“, sagt der Professor für Regenerative Energiesysteme an der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin. Er hat deshalb verschiedene Szenarien entwickelt, wie sich Photovoltaikanlagen trotzdem rechnen können (siehe Grafik links). Ab dem Jahr 2015 sieht er ein Marktpotenzial von 35 Gigawatt für Photovoltaikanlagen, die kleiner als zwei Kilowatt sind und einen elektrischen Speicher haben. Die Anlagen rechnen sich für den Betreiber alleine dadurch, dass sie Stromkosten sparen. Im Jahr 2020 lassen sich mit diesem Geschäftsmodell schon Fünf-Kilowatt-Anlagen bauen. Sie finanzieren sich ähnlich wie das System von Centrosolar teilweise über die eingesparten Brennstoffkosten für die fossile Heizung. Das Marktpotenzial beziffert er auf 90 Gigawatt.

Das Gute an diesen Szenarien ist, dass Politik und Stromkonzerne den Zubau gar nicht verhindern können. Das Schlechte, dass die Solarindustrie noch einige Jahre warten muss, bis sie an diesem Punkt angelangt ist.

Deshalb weist das System von Centrosolar in die Zukunft. Denn mit Wärmepumpen, die Volker Quaschning noch nicht eingerechnet hat, lässt sich die Wirtschaftlichkeit eventuell etwas früher erreichen.


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Mehr zu Technologien, Finanzierung und praktischer Umsetzung erfahren Sie auf der Konferenz Energy Storage am 13. und 14. März in Düsseldorf. Sie wird organisiert von der Solarpraxis AG, Mitherausgeberin der photovoltaik, und der Messe Düsseldorf.

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