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Photovoltaik und Wärmepumpe
Schon jetzt gibt es einen Nachfrageboom bei Wärmepumpen, der vergleichbar ist mit dem in der Photovoltaikbranche. Dieses große Interesse der Endkunden ist berechtigt, denn sowohl Photovoltaik als auch Wärmepumpen nutzen Umweltenergie. Wie genau das funktioniert, erklären wir hier.
Die Basics im Überblick
Wärmepumpen sind schon lange im Markt angekommen: Sie werden seit dem 19. Jahrhundert genutzt und seither stetig weiterentwickelt. Laut dem Bundesverband Wärmepumpe e.V. wurden im Jahr 2022 236.000 Heizungs-Wärmepumpen auf den Markt gebracht – eine Zunahme um 53 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Und es sollen deutlich mehr werden. Beim Wärmegipfel im November 2022 bekräftigten Vertreterinnen und Vertreter von Bundesregierung, Wirtschaft und Industrie: Ziel ist, ab 2024 jährlich 500.000 Wärmepumpen neu zu installieren. Schon jetzt gibt es auf dem Markt einen Nachfrageboom, der vergleichbar ist mit dem in der Photovoltaikbranche.
Dieses große Interesse der Endkunden ist berechtigt, denn Photovoltaik und Wärmepumpen nutzen Umweltenergie; zusammen haben sie ein enormes Potenzial für die Wärmeversorgung unserer Zukunft. Die Wärmepumpe benötigt elektrischen Strom, um die Umgebungswärme auf ein für uns nutzbares Temperaturniveau zu bringen. Wird sie mit einer Photovoltaikanlage eingesetzt, produzieren beide zusammen CO₂-neutral Heizungswärme und Warmwasser aus kostenloser, regenerativer Umweltenergie. Besser geht's nicht.
Ein großer Vorteil von Wärmepumpen ist, dass sie dabei sehr effizient arbeiten: In einer Studie[1] ermittelte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE 2018/2019 ein Jahr lang Arbeitszahlen von Wärmepumpen in bestehenden, zwischen 15 und 150 Jahre alten, Gebäuden. Das Ergebnis: Luft-Wasser-Wärmepumpen machten im Schnitt aus 1 kWh Strom 3,1 kWh nutzbare Wärmeenergie, bei Sole-Wasser-Wärmepumpen lag der Mittelwert bei 4,1 kWh.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Die Technik, mit der Wärmepumpen arbeiten, ist uns allen vertraut, denn im Prinzip funktioniert eine Wärmepumpe wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt. Das Herz der Wärmepumpe ist der Kältekreis: In einem nach außen geschlossenen System zirkuliert ein Kältemittel, das während des Kreislaufs seinen Aggregatzustand immer wieder ändert – von flüssig zu gasförmig und wieder zu flüssig usw. Hier das Funktionsprinzip anschaulich:
Und der Clou ist: Erst beim absoluten Nullpunkt von – 273 °C ist unserer Umwelt jegliche Energie entzogen. Mit den in den Wärmepumpen eingesetzten Kältemitteln liefern Wärmepumpen auch im Winter bei Minustemperaturen Wärme.
Welche unterschiedlichen Wärmepumpen gibt es?
Die folgende Grafik zeigt, warum wir hauptsächlich über Luft-Wasser-Wärmepumpen sprechen: Sie machen den Hauptanteil des Wärmepumpen-Marktes aus.
[2]
Die Bezeichnung der unterschiedlichen Wärmepumpen orientiert sich an ihren Wärmequellen.
Luft-Wasser-Wärmepumpen
nutzen als Energiequelle Luft. Dass sie überall zur Verfügung steht, macht ihren Einsatz so einfach. Allerdings verursacht die Wärmepumpe dabei Geräusche, die bei der Wahl des Aufstellortes berücksichtigt werden müssen. Durch moderne Technologie, intelligente Gehäusekonstruktionen mit Schalldämmung oder mit Nacht- und Silent Mode-Modus werden die Luft-Wasser-Wärmepumpen jedoch immer leiser.
Sole-Wasser-Wärmepumpen
nutzen Erdwärme. Eine Flüssigkeitssole wird ins Erdreich gepumpt und erwärmt sich dort. Dafür kommen entweder Erdkollektoren in großer Fläche und geringer Tiefe oder aber einzelne Erdsonden mit Tiefenbohrungen zum Einsatz. Allerdings sind diese baulichen Maßnahmen nicht überall möglich und der Aufwand sowie die hohen Investitionskosten schrecken die Bauherren oft ab. Deshalb haben Sole-Wasser-Wärmepumpen einen geringeren Marktanteil, obwohl sie am effizientesten arbeiten.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen
werden hier der Vollständigkeit halber erwähnt. Sie nutzen die Energie von Grund- und Abwasser. Sie werden allerdings so gut wie nie in Wohngebäuden oder kleineren Gewerbebetrieben eingesetzt.
Außerdem unterscheiden sich Wärmepumpen noch in ihrer Arbeitsweise, ihren Ausführungen und ihrem Funktionsumfang:
- Für die Zusammenarbeit mit Photovoltaikanlagen ist wichtig: Es gibt On-Off-Geräte und solche mit Inverter-Technologie. Bei On-Off-Geräten arbeitet der Verdichter immer mit voller Leistung und wird über die Einschaltzeiten geregelt. Bei Wärmepumpen mit Inverter-Technologie wird im Idealfall die Leistung des Verdichters sowohl an unterschiedliche Photovoltaik-Leistungen als auch an den Verbrauch angepasst. Die Wärmeerzeugung wird so flexibler und effizienter – also besser und kostengünstiger.
- Einige Wärmepumpen werden im Inneren des Gebäudes, andere im Außenbereich aufgestellt. Es werden auch Splitgeräte angeboten, bei denen ein Teil außen und ein Teil im Gebäude platziert wird.
- Ob Heizung, Warmwasser, Kühlung oder Lüftung: Je nach Ausstattung übernehmen Wärmepumpen mehrere Funktionen.
Qualitätsmerkmal JAZ
Eine hohe Jahresarbeitszahl (JAZ) ist eines der Qualitätsmerkmale einer Wärmepumpe: Die JAZ steht für die Effizienz eines Heizsystems mit einer Wärmepumpe. Sie sagt aus, wie viel Wärme (thermische Energie) mit der eingesetzten elektrischen Energie in einem Jahr an das Gebäude abgegeben wird. Zum Beispiel: Eine JAZ von 3 bedeutet, mit 1 kWh Strom kommen 3 kWh Wärme oder Warmwasser ins Haus.
Je höher die JAZ, desto besser arbeitet das Gesamtsystem.
Eine reale Arbeitszahl kann man nur in einer bestehenden Anlage messen, deshalb wird die JAZ mit einem normierten Berechnungsverfahren ermittelt. Die JAZ macht den Vergleich verschiedener Wärmepumpen einfacher, die zu erwartenden Kosten abschätzbar und ist ein Kriterium für die staatliche Förderung.
Photovoltaik und Wärmepumpe
Grundsätzlich können Photovoltaikanlage und Wärmepumpe unabhängig voneinander arbeiten. Aber je besser sie miteinander kommunizieren, desto effizienter ist das Gesamtsystem. Denn ob Sommer und Winter oder Tag und Nacht: Das Erzeugerprofil der Photovoltaikanlage entspricht nicht automatisch dem Lastprofil der Wärmepumpe samt Heizungssystem. Deshalb wird das System mit einem Batterie- und/oder einem Warmwasserspeicher flexibler und kann mit einem intelligenten Energiemanager erweitert werden.
Vorstellen möchten wir hier zwei Möglichkeiten der Kommunikation zwischen Photovoltaik und Wärmepumpe:
SG-READY
SG (Smart Grid)-Ready ist eine ganz simple Steuermöglichkeit mit zwei Kontakten und vier Schaltzuständen, die heute fast jede Wärmepumpe zur Verfügung stellt. Geräte, die diese Steuermöglichkeit nutzen, erkennt man ganz einfach am SG-Ready-Label. SG-Wärmepumpen können von einem Wechselrichter oder dem Batteriesystem der Photovoltaikanlage gesteuert werden. Stellt die PV-Anlage viel Strom zur Verfügung, bekommt die Wärmepumpe ein SG-Ready-Signal für den verstärkten Betrieb (Betriebszustand 3). Sie produziert dann mehr Wärme, die zwischengespeichert wird – zum Beispiel im Pufferspeicher oder in einer erhöhten Raumtemperatur.
Intelligentes Energiemanagement
Mehr Komfort und mehr Effizienz bietet ein intelligentes Energiemanagement, das das Gesamtsystem optimiert. Dabei werden alle Systemkomponenten rund um Strom und Wärme eingebunden, sofern sie miteinander kommunizieren können – Wärmepumpe, Photovoltaikanlage, Speichersysteme, smarte Verbraucher im Haushalt und Elektroautos. Manche Energiemanager berücksichtigen auch das Verbraucherverhalten und die Wetterprognose. Bietet der Energiemanager dann noch über eine App Zugriff auf alle Komponenten, kann das System auf die Bedürfnisse angepasst und mit allen Betriebsdaten auf einem gemeinsamen Portal überwacht werden.
Vorlauftemperatur und Heizungssystem
Je geringer die Vorlauftemperatur ist, die von einer Wärmepumpe ins Heizungssystem übergeben werden muss, desto effizienter arbeitet sie. Deshalb sind, wenn man die Wahl hat, Flächenheizsysteme wie Fußboden-, Wand- oder Deckenheizungen vorzuziehen. Da Wärmepumpen heute aber Vorlauftemperaturen von 60-65 Grad – manche sogar bis 75 Grad – erreichen, können sie auch mit Heizkörpern eingesetzt werden. Also auch bei Renovierungen. Aber: Je höher die Vorlauftemperatur, desto höher der Stromverbrauch.
MEHR INFORMATIONEN?
- Viele weitergehende Informationen, Praxisratgeber und auch eine Übersicht über die staatlichen Förderprogramme sind auf der Internetseite des Bundesverbands Wärmepumpe unter www.waermepumpe.de zu finden.
- Über Wärmepumpen im Bestand informiert das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in seinem Blog Innovation4E. Die lesenswerte Blog-Serie ist zu finden unter blog.innovation4e.de/2021/02/10/waermepumpen-im-bestand-eine-serie-in-12-folgen/
[1] https://blog.innovation4e.de/2021/03/03/wie-gut-funktionieren-waermepumpen-im-gebaeudebestand/
