Hans Dürig AG – Blog

Oft wird von Anbietern von Photovoltaik-Anlagen vorgeschlagen, dass selbst produzierte Elektrizität in einem Elektroeinsatz (z.B. für den Warmwasserboiler) in Wärme umgewandelt wird. Damit kann der Eigenverbrauch erhöht werden. Doch ist dies die richtige Lösung?

Energiefluss Solarstrom – Elektroeinsatz

sehen wir uns den Energiefluss von der Solareinstrahlung bis zur produzierten Wärme in untenstehendem Energiefluss-Diagramm an:

• Aus der Ummwandlung von Solarenergie in einer Photovolatik-Anlage (PV-Anlage) entsteht ca 15% Elekrizität. Der Wirkungsgrad der Photovolaik-Zelle ist dabei abhängig von deren Temperatur: bei hohen Temperaturen nimmt der Wirkungsgrad merklich ab. Die Herstellerangabe bezieht sich auf eine Einstrahlung von 1000 W/m2 in der Kollektorebene und einer Zellentemperatur von 25°C. Im Frühling und Sommer bei höheren Aussentemperaturen werden die PV-Kollektoren jedoch 40 bis 60°C warm. Dementsprechend sinkt deren Wirkungsgrad.
• werden die 15% Elektrizität in einem Elektroeinsatz in Wärme umgewandelt, entsteht praktisch verlustfrei Wärme (aus 1kWh Elektrizität entsteht 1kWh Wärme).
• im Energieflussdiagramm ist dies grafisch dargestellt (Verluste nach der Umwandlung in Elektrizität sind nicht berücksichtigt): aus 100% Solarenergie entstehen 15% Wärmeenergie

Energiefluss Solarstrom – Wärmepumpe

Wird der Solarstrom nicht in einem Elektroeinsatz in Wärme umgewandelt, sondern in eine Wärmepumpe eingespiesen, kann zusätzlich zur Nutzung der elektrischen Energie mit jeder ‚investierten‘ kWh Elektrizität zusätzlich 2 bis 3 kWh Umweltwärme genutzt werden. Der entsprechende Energiefluss sieht jetzt wie folgt aus:

• durch den Einsatz der elektrischen Energie in einer Wärmepumpe können jetzt noch zusätzlich 45% Umweltenergie (aus der Luft oder aus dem Boden mit dem Einsatz einer Erdsonde) genutzt werden. Wie hoch dieser Anteil ist, hängt von der Effizienz der Wärmepumpe ab. In der obigen Darstellung hat die Wärmepumpe eine Effizienzzahl (Arbeitszahl) von 4 (60 / 15 = 4).
• Damit ist klar ersichtlich: Wenn die selbst produzierte Elektrizität nicht in einem Elektroeinsatz in Wärme umgewandelt wird, sondern mit dem Einsatz einer Wärmepumpe, ist der Nutzen 4 x grösser ! Aus 1 kWh Elektroenergie entstehen in der Wärmepumpe 3 – 5 kWh Wärme (je nach Wärmequelle und je nach Betriebstemperaturen).

Weshalb wird trotzdem PV-Strom in Elektroheizeinsätzen in Wärme umgewandelt?

• involvierte Fachleute empfehlen diese Lösung dem Endkunden, weil es ihnen nicht bewusst ist, dass die Wärmepumpe effizienter ist. Offenbar lässt sich der maximale Eigenverbrauch -auch wenn er mit einer ineffzienten Energieumwandlung erreicht wird- dem Kunden besser verkaufen
• spezielle Elektroeinsätze können so angesteuert werden, dass gerade so viel Elektritzität verbraucht wird, wie es dem aktuellen Überschuss entspricht. Dies kann dann publikumswirksam als maximale Eigenstromverbrauchsnutzung dem Besitzer und Betreiber verkauft werden
• tatsächlich ist es so, dass mit einem Elektroeinsatz der Eigenstromverbrauch gesteigert werden kann. Aber dies ist nur so, weil die elektrische Energie ineffizient eingesetzt wird: wenn wie oben beschrieben, für die Produktion der gleichen Menge Wärmeenergie mit der Wärmepumpe nur 25% der elektrischen Energie notwendig ist, kann natürlich der Eigenverbrauch mit der Wärmepumpe nicht in gleichem Masse erhöht werden. Trotzdem und gerade deshalb ist der Eigenstromverbrauch mit einer Wärmepumpe unbedingt zu bevorzugen, da nur so die maximale Gesamteffizenz erreicht wird
• es wird argumentiert, dass die Lebensdauer der Wärmepumpe abnimmt, wenn diese via PV-Anlage betrieben wird. Tatsache ist: es gibt keine wesentliche Verkürzung der Lebensdauer, wenn beachtet wird, dass a) das Einschaltverhalten der Wärmepumpe stimmt (Mindestlaufzeit, keine dauernden Ein- und Ausschaltungen) und b) die Ladetemperatur der Wärmepumpe nicht an die maximale Einsatzgrenze gelegt wird. Eine Temperatur von 50 bis 55°C können die meisten Wärmepumpen problemlos erreichen. Die maximal mögliche Temperatur (je nach Modell 60 bis 65°C) sollte nicht mit der PV-Nutzung in der Wärmepumpe angestrebt werden.

Kostenreduktion mit Eigenverbrauchsnutzung

Oftmals wird argumentiert, dass sich das Einspeisen mit tiefen Einspeisetarifen nicht lohne und deshalb selbst produzierte Elektrizität besser in einem Elektroeinsatz vor Ort in Wärme umgewandelt werden sollte. Dass dies nicht effzient ist wurde vorangehend bereits ausgeführt, doch wie sieht es mit den Kosten aus: gibt es einen Kostenvorteil? Die folgende Grafik zeigt die Resultate einer Berechnung mit folgenden zugrundeliegenden Daten:

• Einspeisetarif 2 Rp/kWh (es wurde bewusst ein sehr tiefer Einspeisetarif gewählt)
• Strombezug zu 19.86 Rp/kWh (Niedertarif EnergyGrey, BKW: bewusst der günstigste Stromtarif)
• Effizienz Wärmepumpe (Jahresarbeitszahl Warmwasser): 2.8 (je nach Wärmepumpe und Boilersystem sind deutlich höhere Jahresarbeitszahlen erreichbar)
• Wärme-Energie für die Warmwasseraufbereitung: 4’000 kWh/a (dies entspricht in etwa dem Jahres-Wärmebedarf für das Brauchwarmwasser einer 4 köpfigen Familie).

Variante 1 (elektrisch direkt beheizt mit PV-Nutzung): der Boiler wird direkt und zu 100% elektrisch beheizt. Wird PV-Elektrizität für die Beheizung genutzt, so wird diese zum PV-Einspeisetarif berechnet. Je nach Höhe des Eigenstromverbrauchs (auf der horizontalen Achse in % dargestellt), sinken die Kosten für die Warmwasseraufbereitung.

Variante 2 (Warmwasseraufbereitung 100% mit der Wärmepumpe): es ist klar ersichtlich, dass die Warmwasseraufbereitung deutlich günstiger ist. Dies ist auch so, wenn der Anteil der PV-Direktnutzung bei der Nutzung mit der Wärmepumpe tief ist: im Vergleich zu einem elektrisch beheizten Boiler mit einem wesentlich höheren PV-Direktnutzungsanteil liegt die Wärmepumpe immer tiefer bei den Kosten. Dies ist so, weil in der Wärmepumpe elektrische Energie sehr effizient eingesetzt wird (siehe auch die Ausführungen oben).

Variante 3 (Wärmepumpe mit Warmwasser + Anteil elektrisch): bei dieser Variante werden 200kWh Elektro-Direktheizungsanteil für die wöchentliche Erhöhung der Warmwassertemperatur >60°C eingerechnet. Dieser Elektroanteil ist mit Netzstrom in die Kostenberechnung eingesetzt. Mit einer geeigneten Steuerung wäre für diese Funktion auch der Einsatz von selbst produzierter Elektrizität denkbar. Es ist sichtbar, dass auch bei dieser Variante die Kosten deutlich günstiger sind, als beim 100% elektrisch beheizten Boiler.

Fazit zur Optimierung des Eigenstromverbrauchs

• Elektrizität soll nur mit einer Wärmepumpe in Wärme umgewandelt werden.
• mit einer Photovolatik-Anlage selbst produzierte Elektrizität darf nicht in einem Elektroeinsatz (Warmwasserboiler) „verheizt“ werden. Eine massive Reduzierung der Gesamteffizienz ist die Folge. Zwar sind die Betriebskosten eines Elektroboilers mit PV-Nutzung tiefer als bei einem Elektroboiler, der rein mit Netzstrom betrieben wird. Im Vergleich zur effizienten Lösung mit einer Wärmepumpe sind die Betriebskosten aber immer höher.
• nur mit dem sinnvollen Einsatz elektrischer Energie und der Elimination von bestehenden Elektroheizungen (Substitution durch Wärmepumpen) können die Ziele von Kanton und Bund hin zu einer effizienten Energieversorgung erreicht werden.
• Jede und jeder Einzelne (Bauherren, Fachleute, Hersteller…) ist verantwortlich, dass die richtigen Lösungen zur Anwendung kommen.