Heizen mit Photovoltaik und Wärmepumpe

Wovon hängt es ab, ob es sinnvoller ist, mit Solarthermie oder mit Photovoltaik zu heizen?

Tjarko Tjaden: Zunächst kommt es hauptsächlich darauf an, wie günstig oder teuer eine Kilowattstunde Wärme ist. Dementsprechend lag die Motivation meiner Masterarbeit darin, die Performance und Kosten von solarthermischen Heizungskonzepten und Photovoltaik in Kombination mit Wärmepumpen auf gleicher Fläche unter gleichen Randbedingungen simulativ zu berechnen.

Was für Fälle mit gleichen Randbedingungen haben Sie betrachtet?

Tjaden: Bei allen Fällen habe ich die gleichen Wetterdaten zugrunde gelegt. Das waren stündlich aufgelöste, gemessene Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes aus 15 verschiedenen Testreferenzregionen. Dann habe ich mit einem Gebäudemodell für eine Vielzahl von Gebäuden, vom Passivhaus bis zum unsanierten Altbau, thermische Lastprofile erstellt. Aus diesen thermischen Lastprofilen resultieren die nötigen Vor- und Rücklauftemperaturen der Heizungssysteme. Somit konnte gewährleistet werden, dass das solarthermische System mit Gasbrennwertkessel und die Luft-Wasser-Wärmepumpe die gleichen Anforderungen zu meistern hatten.

Welche konkreten Heizungssysteme haben Sie sich angesehen?

Tjaden: Beide Systeme verfügen über einen Schichten-Pufferspeicher, aus dem zum einen überschüssige Wärme zwischengespeichert wird und zum anderen im Frischwasserprinzip über einen Wärmetauscher das Trinkwarmwasser zur Verfügung gestellt wird. Dies ist natürlich, wie in der Heizungsbranche üblich, nur ein konkretes System von vielen möglichen.

Würden Sie zu anderen Ergebnissen kommen, wenn Sie ein anderes Heizungssystem annehmen würden?

Tjaden: Natürlich gibt es Abweichungen nach oben und unten. Die Solarthermie hat einen Vorteil, wenn es einen Schichten-Pufferspeicher gibt. Ohne diesen stünde die Solarthermie in Relation zur PV-Wärmepumpe schlechter dar. Darüber hinaus sind natürlich auch Systeme denkbar, wo die Solarthermie noch besser dasteht. Das ist der Fall, wenn man der Solarthermie erlauben würde, ihre Wärme direkt auf den Vorlauf der Heizung zu geben. Das ist aber nur bei sehr wenigen auf dem Markt erhältlichen Systemen der Fall. Noch eine mögliche Variation: Ich habe immer mit einem auf die Endenergieeinsparung optimierten Low-Flow-System gerechnet. Es gibt auch Matched-Flow-Systeme, bei denen der solarthermische Kollektor durch eine drehzahlgeregelte Pumpe temperaturoptimiert betrieben wird. Das wäre ebenfalls für die Solarthermie noch etwas besser, entspräche jedoch nicht einer üblichen Standard-Anlage.

In Ihre Rechnung gehen auch Installationskosten ein. Wie haben Sie diese abgeschätzt?

Tjaden: Für die Solarthermie ist dies relativ transparent. In der Solaratlas-Datenbank kann man die Preise aller geförderten Solarthermieanlagen einschließlich des Speichers einsehen.

Da man den Speicher sowohl bei der Thermie als auch bei der Photovoltaik-Wärmepepumpe braucht, habe ich die Kosten für den Speicher, angenommen mit 20 Prozent der Systemkosten, von den Solaratlas-Daten abgezogen. Wie sind Sie für die Photovoltaik vorgegangen und welche Anlagengröße haben Sie angenommen?

Tjaden: Insgesamt wurden für energetische Bewertungen Simulationen von Solarsystemen mit 5 Quadratmeter bis hin zu 45 Quadratmeter genutzter Dachfläche durchgeführt. Die Anlagengröße in den von mir erstellten ökonomischen Berechnungen ist für das Solarthermie- und für das PV-Wärmepumpen-System identisch: 15 Quadratmeter, was in etwa 2,7 Kilowattpeak Photovoltaik entspricht. Die Kosten der Photovoltaik stammen dabei aus den aktuellen Quartalszahlen des BSW. Für die Wärmepumpe wurde ein doppelter Preis gegenüber einem Gasbrennwertgerät gleicher Leistung angenommen.

Was ist Ihr Ergebnis?

Tjaden: Wenn man keine exorbitanten Steigerungsraten beim Gaspreis annimmt, ist nach wie vor ein Heizungssystem, das ausschließlich monovalent mit einem Gaskessel heizt, noch günstiger als ein Solarthermie-Gas-System und günstiger als ein PV-Wärmepumpen-System. Spannender ist aber Folgendes: Zunächst entscheide ich mich als Endkunde entweder für einen Gaskessel oder ich entscheide mich für eine Wärmepumpe. Fällt die Entscheidung auf die Wärmepumpe, sollte auch aus ökonomischer Sicht heute bereits eine Photovoltaikanlage mitgebaut werden. Refinanziert wird diese dann teilweise über Einsparungen im Wärmepumpenstrombezug, aus den Erlösen der Einspeisung von Photovoltaikstrom und natürlich aus der Einsparung von Haushaltsstrombezug. Das sorgt dafür, dass die Photovoltaikanlage nicht zu einem ökonomischen Nachteil wird und bei genauer Betrachtung sogar heute schon finanzielle Vorteile bedeutet; beispielsweise in Mehrfamilienhäusern oder Gebäuden mit hohem sommerlichen Trinkwarmwasserbedarf.

Wenn ich nur eine Gastherme installiere, ist das also günstiger als PV plus Wärmepumpe?

Tjaden: Genau, in vielen Fällen schon. Unter der Annahme, dass der mittlere Gaspreis zehn Cent pro Kilowattstunde nicht überschreitet und der mittlere Strompreis im Betrachtungszeitraum 30 Cent pro Kilowattstunde Strom nicht übersteigt. Das sind jedoch sehr moderate Annahmen. Bei höheren Gas- und Strompreisen verschiebt sich der Vorteil dann kontinuierlich hin zu den Solarsystemen.

Sie haben verschiedene Häusertypen untersucht. Kommen Sie bei den verschiedenen Typen zu unterschiedlichen Ergebnissen?

Tjaden: Ja. Es gibt einen sehr spannenden Unterschied zwischen den beiden solaren Heizungskonzepten. Der besteht darin, dass tendenziell mit verbesserten Gebäudestandards, also energetisch besseren Gebäuden, auch Photovoltaik-Wärmepumpen-Kombinationen tendenziell besser dastehen als Solarthermieanlagen mit Gaskessel. Es liegt daran, dass mit Verschiebung der Heizgrenze hin zu niedrigeren Temperaturen die Performance der Solarsysteme in der Übergangs- und Winterzeit wichtiger wird. Hierbei kommt die Kombination von PV und Wärmepumpe auf höhere Laufzeiten als die Thermie.

Warum unterscheiden sich diesbezüglich Solarthermie und Photovoltaik plus Wärmepumpe?

Tjaden: Ein Solarthermiesystem kann bei diffuser Beleuchtung und an wechselhaften Tagen selten die geforderten Vorlauftemperaturen erreichen. Die Photovoltaikanlage kann unabhängig von der Einstrahlungsart, also auch bei wenig direkter Strahlung und bei wechselhaften Bedingungen, immer Strom produzieren. Zusammen mit der Wärmepumpe kann somit auch immer die gewünschte Vorlauftemperatur erzielt werden, zur Not bei extremen Bedingungen auch über einen Heizstab.

Oft geht das Argument andersherum: Mit der Wärmepumpe kann keine ausreichend hohe Temperatur erreicht werden, um die Legionellen zu zerstören.

Tjaden: Ja, das hört man häufig. In dem von mir betrachteten System ist das aber kein Problem, weil ich eine Frischwasserstation genutzt habe. Das setzt sich meines Erachtens auch in den Kompaktgeräten immer weiter durch, in den Mehrfamilienhausgebäuden sowieso. Falls die Leitungslängen in einem Gebäude sehr groß sind, kommt man allerdings um die hohen Vorlauftemperaturen für eine Legionellenschaltung nicht mehr herum. Ich habe daher eine Wärmepumpe betrachtet, die bis zu 75 Grad Vorlauftemperatur über den Wärmepumpenbetrieb bereitstellen kann. Solche Geräte sind aber eher die Ausnahme. Ansonsten muss man über eine Heizpatrone weiter zuheizen und genauer untersuchen, wie nachteilig sich das auf das Ergebnis auswirkt.

Haben Sie mit den Kosten dieser besonderen Wärmepumpe oder mit denen eines Standardgeräts gerechnet?

Tjaden: Die Kosten wurden aus verschiedenen Quellen ermittelt. Man landet ungefähr bei Installationskosten, die doppelt so hoch sind wie für ein Gasbrennwertgerät. Für die Wärmepumpe habe ich mit 800 Euro pro Kilowatt Heizleistung gerechnet. Diese konkrete Wärmepumpe liegt ungefähr bei 850 bis 900 Euro pro Kilowatt. So groß ist der Unterschied also nicht.

Schauen wir uns einen Einzelfall an. Wenn ich ein neues Haus baue und Photovoltaik plus Wärmepumpe vergleiche mit Solarthermie plus Gas. Was ist da günstiger?

Tjaden: Unter diesen Umständen würde ich die Photovoltaikanlage und Wärmepumpe klar vorne sehen und dabei die Photovoltaikanlage noch größer dimensionieren als die 15 Quadratmeter, schließlich gibt es noch eine Einspeisevergütung. Im Gegensatz dazu macht es keinen Sinn, das Solarthermiesystem noch größer zu bauen, solange keine kostengünstigen und praktikablen saisonalen Speicher verfügbar sind.

Sie haben für den Vergleich angenommen, dass die Wärmepumpe im Winter mit Netzstrom betrieben wird. Es gibt ja nicht zusätzich eine Gastherme. Ist das ökologisch sinnvoll?

Tjaden: Volkswirtschaftlich betrachtet ist dies für die Wärmepumpensysteme zugegebenermaßen der limitierende Faktor. Wenn es kalt ist, ist es überall in Deutschland kalt, und dann wären alle Wärmepumpen in Betrieb. Man sieht die Effekte im Nachbarland Frankreich sehr gut. Der Strom würde in Deutschland aktuell zu einem großen Teil aus Kohlekraftwerken kommen. Das macht die ökologische Bewertung eines solchen Systems natürlich schlechter, wobei nur sehr schwer zu differenzieren ist, wie die Stromzusammensetzung in den nächsten 20 Jahren im Winter dann wirklich aussehen wird. Tendenziell ist der Winter ja auch sehr windreich. Ich halte es für wichtig, dass man sich in Deutschland einigen muss, wie viel Temperatursensibilität des Stromnetzes wir zulassen wollen. Dabei gehe ich davon aus, dass ein Anteil von 30 Prozent Wärmepumpen in einem 100-Prozent-Erneuerbare-Energien-Wärme-Szenario durchaus realistisch sein könnte.

Photovoltaik muss man ja nicht mit einer Wärmepumpe kombinieren. Man kann sie ja auch mit einer Gastherme kombinieren und den Speicher mit dem Solarstrom über eine Elektroheizpatrone laden.

Tjaden: Genau, von den Investitionskosten ist dies natürlich auch weitaus günstiger. Es geht aber vielleicht noch etwas besser, was auch ein Trend auf dem Wärmemarkt zeigt. Auf den Berliner Energietagen wurde extra eine kleine Sonderveranstaltung für Hybridheizungen veranstaltet. So gibt es bereits Geräte, die als elektrische Wärmepumpe in Kombination mit Photovoltaik arbeiten, solange es sinnvoll ist. An den kalten Tagen des Jahres ist das ökonomisch nicht vorteilhaft, weil die Wärmepumpe dann sehr ineffizient arbeitet. Stattdessen springt dann ein Gasbrennwertmodul an. Das ist eine Kombination, die ich mittelfristig als Kompaktgeräte für Ein- und Zweifamilienhäuser sehr spannend finde. Man kann damit zudem automatisch sehr flexibel auf Schwankungen der Strom- und Gaspreise reagieren.

Das Gespräch führte Michael Fuhs.

Auf www.pv-magazine.de finden Sie unter „Themen“ (Webcode 0651) weitere Artikel zu Tücken beim Anschluss von Wärmepumpen, zur Brauchwassererwärmung mit Photovoltaik und zur Rolle von Solarthermie und Photovoltaik bei der Strom- und Wärmeversorgung aus 100 Prozent erneuerbaren Energiequellen.

Masterarbeit zum Herunterladen Die Masterarbeit von Tjarko Tjaden mit dem Titel „Techno-ökonomischer Vergleich von Solarthermieanlagen mit Photovoltaik-Wärmepumpen-Systemen mittels dynamischer Simulation“ können Sie sich kostenfrei von der Homepage der HTW Berlin herunterladen. Dort finden Sie unter anderem im Detail die Annahmen zu Preisen und eine Beschreibung der Modelle für die hinterlegten Heizungssysteme. Sie kommen direkt zu dem Link, wenn Sie im Suchfeld unserer Website den Webcode 0650 eingeben. www.pv-magazine.de