Passt das?

Die Diskussion um die Wärmepumpenheizungen ist alt. Doch einige Parameter haben sich in den letzten Jahren geändert. Der Energiemix im Stromsystem ist deutlich grüner geworden. Da die Wärmepumpe mit Strom betrieben wird, verbessert das ihre Klimabilanz. Nach Abschätzungen des Fraunhofer ISE ist sie bereits besser als die von Gas-Brennwertheizungen (siehe www.pv-magazine.de, Webcode 9839). Noch besser wird die Klimabilanz, wenn man möglichst viel eigenen Solarstrom zum Betrieb nutzt.

Zu welchem Anteil das geht, hängt von den Dimensionierungen ab. Nach Abschätzungen der HTW Berlin liegt der Solarstromanteil am Gesamtstromverbrauch eines Haushalts im modernisierten Altbau inklusive Wärmepumpe für Heizung und Brauchwarmwasser ohne Batteriespeicher zwischen 15 und 35 Prozent, je nach Dimensionierung der Solaranlage. Nutzt man die vorhandene SG-Ready-Schnittstelle zusammen mit einem Energiemanager, kann der Autarkiegrad um fünf bis zehn Prozentpunkte erhöht werden. Klar ist, dass ein Batteriespeicher hilft, diesen Anteil nochmals weiter zu erhöhen. In einem Beispiel, das Andreas Piepenbrink, Geschäftsführer von E3/DC in einem pv magazine Webinar zu diesem Thema vorrechnete, steigt der Anteil des Solarstroms an der Energie für die Wärmepumpe von 38 auf 61 Prozent (siehe Grafik).

Batteriespeicher hilft in den Übergangszeiten

Dabei ist es nachvollziehbar, dass der Speicher vor allem in den Übergangszeiten hilft. Dann wird Wärme benötigt, und es steht bilanziell genug Solarstrom zur Verfügung, nur zur falschen Zeit am Tag und nicht mit ausreichender Leistung, um die Wärmepumpe ohne Batteriespeicher zu betreiben. Im Sommer hat man immer genug Solarleistung, im Winter reicht sie bilanziell nicht. In beiden Fällen hilft ein Speicher nicht, um den Solarstromanteil am Wärmepumpenstrom zu erhöhen.

Ob das ökonomisch sinnvoll ist und besser als die Alternative, statt eines Batteriespeichers einen größeren Wärmespeicher einzusetzen, steht auf einem anderen Blatt. „Größere Wasserspeicher sind Dauerverbraucher“, sagt Andreas Piepenbrink. Die Verluste eines Wärmespeichers seien größer als die Selbstentladungsverluste beim Lithium-Ionen-Batteriespeicher. Beim Batteriespeicher lägen diese bei ungefähr 20 Prozent innerhalb eines Jahres, im betrachteten Zeitraum seien sie also zu vernachlässigen. Die Verluste beim Ein- und Ausspeichern seien in der Regel durch die reale Ausbeute der Solaranlage (kWh pro kWp) am Standort bereits berücksichtigt, da darin die Verluste eines Solarwechselrichters enthalten sind, so Piepenbrink.

Wärmepumpenansteuerungen sehr heterogen

Bei den Ansteuerungen der Wärmepumpen gibt es Unterschiede. Der SG-Ready-Eingang ist inzwischen weitgehend Standard. Er erlaubt aber nur die Voreinstellung von vier Betriebsmodi. Damit ist nicht die Leistung steuerbar, die die Wärmepumpe aufnehmen darf. Das ist dann problematisch, wenn im Haushalt nicht genügend Leistung aus Solaranlage und Speicher zur Verfügung steht, weil beispielsweise der Speicher entladen ist oder weil andere Verbraucher laufen.

Tjarko Tjaden von der Solarspeicherforschungsgruppe der HTW Berlin hat sich die SG-Ready-Eingänge verschiedener Wärmepumpen genauer angesehen. Er weist darauf hin, dass die Parameter für die vier verschiedenen Betriebsmodi sehr unterschiedlich sein können. „Während man bei einigen Geräten mit dem SG-Ready-Eingang den Eigenverbrauch tatsächlich sinnvoll erhöhen kann, kann es bei anderen Geräten sogar kontraproduktiv sein“, sagt er. Das liege unter anderem daran, dass Wärmepumpen weniger effizient arbeiten, wenn die Vorlauftemperatur höher ist. Schaltet eine Wärmepumpe also zu oft auf zu sehr erhöhte Vorlauftemperaturen, kostet das Wirkungsgrad und führt nur zu unnötigen Verlusten.

Das ist im Übrigen auch ein Grund dafür, warum es sich ökologisch lohnen könnte, die Energie in einem Batterie- statt in einem Wärmespeicher zu speichern. Dabei hängt es sehr vom Wirkungsgrad des Batteriespeichers ab, wie groß der Vorteil ist. Je größer der Batteriespeicher, umso weniger wichtig werden allerdings die Wärmepumpen-Betriebsstrategien. „Wichtig ist ja vor allem, dass der Mittagspeak entweder gespeichert oder zum Betrieb der Wärmepumpe benutzt werden kann“, sagt Tjarko Tjaden.

Steuerungen über SG-Ready hinaus

Ein Schritt zur Erhöhung des Solarstromanteils ist der Weg, den Stiebel Eltron und SMA eingeschlagen haben. „Über eine sogenannte ISG-Schnittstelle kommuniziert der Sunny Home Manager mit der Wärmepumpe von Stiebel Eltron“, erklärt Elke Dehlinger, die beim Großhändler Baywa r.e. das Thema betreut. Die Wärmepumpe kann dem Sunny Home Manager mitteilen, wie viel Energie die Heizung an diesem Tag vermutlich noch benötigen wird. Dieser ist ein selbst lernendes Energiemanagementsystem und kann dadurch besser planen, ob bei Überschussstrom der Speicher geladen oder die Wärmepumpe angeschaltet wird. „Das Ziel muss sein, dass die Wärmepumpe möglichst oft direkt mit Solarstrom betrieben wird, ohne dass dieser erst im Batteriespeicher zwischengespeichert wird“, so Elke Dehlinger. Bei dem Plusenergie-Solarhaus-Musterhaus von Baywa r.e. hat solch eine Regelung dazu geführt, dass die Wärmepumpe im Dezember 2015 zu 52 Prozent direkt mit Solarstrom und zu 20 Prozent mit in der Batterie zwischengespeichertem Solarstrom betrieben wurde.

Damit die Leistungsaufnahme steuerbar ist, ist es im Übrigen nicht ausreichend, dass die Wärmepumpe mit einem Inverter geregelt ist. Die Inverterregelung passt lediglich die Leistungsaufnahme der Temperaturdifferenz im Primär- und Sekundärkreis der Wärmepumpe an. Diese Geräte sind dadurch effizienter als nicht geregelte Wärmepumpen. Inzwischen gibt es Wärmepumpen, die es erlauben, wirklich die Leistung vorzugeben. Zum Beispiel die von Waterkotte. Die Kommunikation findet über ein Modbus-Protokoll statt, das das E3/DC-System versteht. Dabei ist es übrigens deshalb sinnvoll, die Wärmepumpe genau zu steuern, da bei drei Kilowatt maximaler Ladeleistung und beispielsweise fünf Kilowatt Solarleistung noch zwei Kilowatt übrig sind, mit denen die Wärmepumpe betrieben werden sollte, und nicht mit mehr.

Kasten I: pv magazine Webinare

Die zweite Serie kostenfreier Webinare mit E3/DC als Initiativpartner startet am 7. März. Die vergangenen drei Webinare, Informationen zu den neuen Webinaren und zur Anmeldung finden Sie hier:www.pv-magazine.de/webinare 1. Infrarotheizung, Photovoltaik und Batteriespeicher Montag, 7. März, 15:00

2. Versteckte Fallen bei Batteriespeichern Freitag, 18. März, 15:00

3. Wie BMW, Daimler und VW die Photovoltaik- und Batteriespeicherwelt verändern werden Dienstag, 5. April, 15:00

Kasten II: Fragen und Antworten aus dem pv magazine Webinar im November

Sowohl den Batteriespeicher als auch den größeren Wärmespeicher kann man ersetzen, indem man die Raumtemperatur etwas erhöht und die Gebäudemassen als Speicher benutzt. Warum braucht man trotzdem einen Batteriespeicher?

Andreas Piepenbrink: Die Frage ist, was man will. Wir von E3/DC haben uns für das Ziel entschieden, den Primärenergiebedarf zu reduzieren. Wenn Sie mithilfe der Raumtemperaturanhebung Energie speichern wollen, müssen Sie das Gebäude gut dämmen, sonst erhöhen Sie vor allem den Primärenergieverbrauch. Die Dämmung ist aber die schlechteste Option. Eine technische Sanierung, eine sogenannte aktive Sanierung, sieht vor, den fossilen Brennstoffverbrauch zu verringern, indem aktive Elemente (Batterie, Wärmepumpe, Photovoltaik) zeitlich angepasst die richtige Energiemenge dynamisch liefern.

In vielen Fällen wird für eine Heizungs-Wärmepumpe ein separater Zähler installiert. Wie lässt sich dann der Strom aus der Solaranlage zum Wärmepumpenbetrieb nutzen?

Andreas Piepenbrink: Überhaupt nicht. Wenn die Wärmepumpe in ihrem eigenen Tarif läuft, können Sie auch keinen Strom dafür selbst erzeugen.

Haben Sie einen Tipp für die Auslegung einer Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher und Wärmepumpen?

Andreas Piepenbrink: Ja. Der Wärmebedarf in elektrischen Kilowattstunden wird einfach auf den Hausverbrauch addiert und der Batteriespeicher sowie die Photovoltaikanlage für den gemeinsamen Stromverbrauch ausgelegt. Die Auslegung erfolgt grob mit Erzeugung (kWh elektrisch) = 1,3 x Gesamtverbrauch (kWh). Speicherung (kWh) = Gesamtverbrauch / 1.000 (kWh).

Führt nicht der großflächige Einsatz der Kombination Wärmepumpe und Photovoltaik dazu, dass für die Wintertage mit hohem Wärmebedarf und geringer Solarstrahlung konventionelle Kraftwerke als Reserve vorgehalten werden müssen?

Andreas Piepenbrink: Nein. Es gibt zudem achtmal so viel Windstrom wie Solarstrom. Im ganzjährigen Mittel steht genug erneuerbare Energie zur Verfügung. Man müsste konsequenterweise die Batteriespeicher auch so nutzen, dass sie bei hohem Windstromaufkommen geladen werden und sie im Winter helfen, die Erzeugung an den Verbrauch anzupassen. An solchen Konzepten arbeiten wir.

Der SG-Ready-Eingang der Wärmepumpe erlaubt ja lediglich, ihr vier verschiedene Betriebszustände mitzuteilen. Ist es richtig, dass E3/DC-Batteriespeicher und Waterkotte-Wärmepumpen nicht über den SG-Ready-Eingang der Wärmepumpe miteinander kommunizieren, sondern über ein ausgefeilteres System?

Andreas Piepenbrink: Korrekt. Über Modbus TCP werden noch weitere Funktionen bereitgestellt.

Bei dieser Kombination kann der Energiemanager des Batteriespeichers dem Wärmepumpenmanager mitteilen, über welchen Zeitraum voraussichtlich welche Energie zur Verfügung steht (was über SG-Ready nicht möglich ist)?

Andreas Piepenbrink: Ja. Das Protokoll (RSCP) von E3/DC liegt auch offen.

Wie findet die Kommunikation des E3/DC-Batteriespeichers mit der Waterkotte-Wärmepumpe konkret statt und was bedeutet das für den Installateur?

Andreas Piepenbrink: Über Modbus TCP. Der Installateur muss das Ethernetkabel einstecken und die Option von Waterkotte für die Wärmepumpe benutzen.

Kann man mit einer Luft-Wärmepumpe den Wärmebedarf eines Haushalts so decken, dass eine Öl- oder Gasheizung ersetzt werden kann? Gibt es eine Luft-Wärmepumpe mit einer Arbeitszahl größer als 4,5? Wie groß darf der Temperaturunterschied zwischen Außenluft und Raumluft maximal sein, damit die Luft-Wärmepumpe im Winter noch sinnvoll betrieben werden kann?

Claus-Rainer Fischer: Luftwärmepumpen können Öl- und Gasheizungen ersetzen. Der COP bei Luftmaschinen ist stark von der Außentemperatur abhängig. Deswegen werden bei der Ermittlung verschiedene Normpunkte dargestellt. Waterkotte-Maschinen erreichen bei A7/W35 einen COP von 4,81, bei A2/W35 einen Wert von 4,2. Hierzu ist zu sagen dass 80 Prozent der Jahresheizarbeit bei Außentemperaturen über null Grad Celsius aufgewendet werden. Die zuvor dargestellte Wärmepumpe kann bei einer Außentemperatur von minus 15 Grad noch mit einem COP von 2,63 betrieben werden. (Michael Fuhs)