PV-Heizstab: heizen mit Solarstrom

Neben der direkten Nutzung des Stroms aus einer Photovoltaikanlage können Haushalte den Solarstrom auch für die Warmwasserbereitung und die Heizung verwenden.

Eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Variante, über Photovoltaik (PV) Wärme zu erzeugen, ist die Installation eines Heizstabs, der oft auch als Heizpatrone oder Einschraubheizkörper bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um ein elektrisches Heizelement. Experten sprechen hier auch vom direktelektrischen Heizen.

Ein Heizstab eignet sich für alle Heizungsanlagen, die einen Warmwasserspeicher – als Pufferspeicher für die Heizung oder als Trinkwasserspeicher – verwenden. Die Nachrüstung eines Heizstabs ist in der Regel unkompliziert: Das Gerät einfach einstecken oder einschrauben und schon kann das Wasser im Speicher elektrisch erwärmt werden. Viele Pufferspeicher sind bereits ab Werk mit entsprechenden Steckplätzen für Heizstäbe ausgestattet, bei schraubbaren Modellen muss lediglich die Gewindegröße beachtet werden. 

Heizstäbe kommen oft bei Wärmepumpen-Anlagen als Zusatzheizung zum Einsatz: Sie springen ein, wenn die Wärmepumpe den Wärmebedarf nicht decken kann. Meist sind sie bereits vorinstalliert und besitzen eine Leistung von wenigen Kilowatt. Aber auch Pellet- und Scheitholzheizungen sowie thermische Solaranlagen werden des Öfteren mit Heizstäben zur Überbrückung von Versorgungslücken kombiniert.

Funktionsweise eines (mit Solarstrom) betriebenen Heizstabs

Im Prinzip funktioniert ein Heizstab wie ein Tauchsieder: Er besteht aus einer Heizwendel, die elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt. Tauchsieder und Heizstab besitzen einen hohen ohmschen Widerstand - werden sie von Strom durchflossen, erhöht sich ihre Temperatur. Die erzeugte Wärme überträgt sich auf das Wasser im Pufferspeicher. Je nach Heizsystem und Speicherart wird das erhitze Wasser entweder im Haushalt  als Warmwasser verbraucht und/oder zur Heizungsunterstützung verwendet.

Dies kann ein Heizstab leisten:

• kurzfristige Abdeckung von Bedarfsspitzen und Schonung des Heizungssystems
• Ausgleich von Schwankungen in der Wärmeversorgung
• Einspringen als Notheizung, wenn der Heizkessel defekt ist
• Warmhalten des Wassers im Pufferspeicher und Verhinderung von Frostschäden

Besonders umweltfreundlich und kostengünstig lässt sich ein Heizstab mit Solarstrom aus der hauseigenen PV-Anlage betreiben. Immer dann, wenn ein Stromüberschuss vorhanden ist und Bedarf besteht, erwärmt er das Wasser im Warmwasserspeicher.

In der Regel werden Heizstäbe für den Warmwasserspeicher an das elektrische Hausnetz angeschlossen: Kleinere Geräte mit einer Leistung von bis zu 3 kW können dabei über eine normale Steckdose laufen. Größere Heizstäbe benötigen eine höhere Spannung von 400 V. Sie werden vom Fachmann ans Hausstromnetz angebunden. Es gibt auch Heizstäbe, die direkt an die Photovoltaikanlage angeschlossen werden.

Lohnt sich die Kombination aus PV-Anlage und Heizstab?

Doch ist es überhaupt sinnvoll, das Warmwasser mit einem Heizstab, der per Photovoltaikanlage mit Strom versorgt wird, aufzubereiten? Diese Frage stellt sich insbesondere angesichts des Umstandes, dass die PV-Anlage gerade im Winter die geringsten Stromerträge hat – also gerade dann, wenn besonders viel Wärme im Haus benötigt wird.

Richtig ist: Die Kombination aus Photovoltaikanlage, Heizstab und Warmwasserspeicher kann das Haus ganzjährig nicht völlig autark mit Warmwasser versorgen. Der Solarstrom reicht unter den klimatischen Bedingungen in Deutschland aber oftmals dafür aus, zumindest einen beträchtlichen Teil des Wärmebedarfs zu decken. Von April bis Oktober kann das konventionelle Heizsystem sogar meist komplett ausgeschaltet bleiben. Insgesamt kann die Warmwassererzeugung mit PV-Anlage und Heizstab eine Kostenersparnis von rund 40 % bringen.

Weitere Gründe, die für die Kombination sprechen: Heizstäbe für den Pufferspeicher sind vergleichsweise kostengünstig. Sie lassen sich leicht nachrüsten, können aber auch gleich bei der Neuinstallation einer PV-Anlage berücksichtigt werden.

Im Gegensatz zur Solarthermie besitzt das System zur Erwärmung des Wassers keinen wasserführenden Kreislauf. Für den Betrieb werden weder zusätzliche Pumpen noch Rohre oder Wärmetauscher benötigt, was nicht nur die Anschaffungskosten niedrig hält, sondern auch den Wartungsaufwand und damit die Betriebskosten verringert.

Die Vorteile eines Heizstabs bei der Warmwasserbereitung im Überblick

• schnelle und zuverlässige Erwärmung des Wassers
• Deckung des Wärmebedarfs in den Sommermonaten
• Nutzung regenerativer Energien zur Wärmeerzeugung
• Reduzierung der Heizkosten
• Senkung des Verbrauchs von Strom aus fossilen Energieträgern
• Steigerung des Eigenverbrauchs von Solarstrom
• geringer Wartungsaufwand
• leichte Installation, auch für die Nachrüstung geeignet
• vergleichsweise geringe Anschaffungskosten (Die Spanne reicht von ca. 100 € bis 1.000 €, je nach Ausstattung)

Es gibt zwei verschiedene Arten von Heizstäben, ungeregelte und geregelte Modelle. Erstere kennen nur zwei Zustände: Entweder sie sind ausgeschaltet oder sie laufen unter Volllast. Ist kein genügend großer Überschuss an Solarstrom vorhanden, um den Heizstab in Gang zu setzen, muss teurer Netzstrom dazugekauft werden. Oder der Heizstab bleibt in diesem Fall aus. Die Kombination eines ungeregelten Heizstabs mit einer PV-Anlage ist daher kaum zu empfehlen.

Damit der Heizstab den überschüssigen Strom einer PV-Anlage optimal nutzen kann, sollte er sich regulieren lassen – am besten stufenlos. Alternativ können aber auch Heizstäbe mit Stufen-Regelung mit einer Photovoltaikanlage gekoppelt werden. Je kleiner dabei die Stufen sind, desto besser lässt sich die Wärmeproduktion an den aktuellen Stromüberschuss anpassen.

Ein Beispiel: Bei einem Gerät, das sich nur in 500-W-Stufen regeln lässt, werden Stromüberschüsse, die unter 500 W oder zwischen den einzelnen Stufen liegen, ungenutzt eingespeist. Ein stufenlos regelbarer Heizstab springt auch dann an, wenn der Stromüberschuss niedriger als seine Gesamtleistung ist. So geht so viel Energie wie möglich in die Wärmeproduktion ein.

Noch effizienter kann der Solarstrom genutzt werden, wenn ein intelligentes Energiemanagementsystem eingebunden ist. Die Steuerung überwacht die Stromproduktion der Photovoltaikanlage, den Stromverbrauch im Haushalt und den zusätzlichen Strombezug aus dem Netz. Bei einer hohen Stromproduktion leitet sie den Überschuss bei entsprechender Programmierung an den Heizstab, der daraufhin das Wasser im Warmwasserspeicher erwärmt. Reicht der Stromüberschuss nicht dafür aus, den Wärmebedarf zu decken, springt der konventionelle Wärmeerzeuger ein. 

Ein wesentlicher Vorteil bei der Einbindung eines stufenlos regelbaren Heizstabes in das Energiesystem besteht darin, das der auch kleine Überschüsse sinnvoll einsetzen und so den Eigenverbrauch erhöhen kann. Genügt der PV-Strom z.B. nicht für den Betrieb der Wärmepumpe, kann mit dem Heizstab dennoch Wärme erzeugt werden. Überschreitet der Überschuss die Schaltschwelle für die Wärmepumpe, wird diese zu- und der Heizstab abgeschaltet. So wird der Solarstrom vom Dach möglichst effizient genutzt.

Wärme nach Wunsch: Einbindung eines Stromspeichers

Lücken in der Stromversorgung lassen sich mithilfe eines Stromspeichers für die PV-Anlage überbrücken: Er speichert die überschüssige elektrische Energie, welche die Solaranlage in Spitzenzeiten produziert, so lange, bis sie im Haushalt gebraucht wird. Damit ist die Wärmeversorgung auch in sonnenarmen Zeiten und bei Nacht gewährleistet.

Die Kombination eines Heizstab für den Warmwasserspeicher mit einer bestehenden Photovoltaikanlage ist eine einfache und kostengünstige Variante, den Eigenverbrauch an Solarstroms zu erhöhen. In den Sommermonaten kann das Duo mitunter den kompletten Bedarf an warmem Wasser decken. Damit das möglichst effizient geschieht, sollte der Heizstab über eine Regelung verfügen. 

Auch im Winter kann der Heizstab einen erheblichen Beitrag zur Wärmeversorgung leisten. Das Zusammenspiel beider Techniken lässt sich durch verschiedene Stellschrauben optimieren, etwa durch die Einbindung eines intelligenten Energiemanagementsystems oder eines Stromspeichers.