Wärmepumpe mit Photovoltaikstrom nutzen

Rund jeder dritte Neubau wird heute mit einer Wärmepumpe ausgestattet. Nicht ohne Grund: Wärmepumpen sind umweltfreundlich, energieeffizient, platzsparend und machen ein Brennstofflager obsolet. Zudem erfüllen Bauherren mit der Nutzung eines solchen Heizsystems die Vorgaben des Gebäudeenergiegesetzes (GEG).

Für den Betrieb benötigen Wärmepumpen Strom, den sie normalerweise aus dem öffentlichen Netz beziehen. Koppelt man die Wärmepumpe stattdessen mit einer eigenen Photovoltaikanlage, lassen sich die Betriebskosten stark senken. In diesem Beitrag wird verraten, wie eine gelungene Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaikanlage aussehen kann.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen gewinnen Wärme aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Im Prinzip funktioniert das wie bei einem Kühlschrank – nur in umgekehrter Weise. Über ein Kältemittel wird der Umwelt Wärme entzogen. Die Temperaturen genügen auch im Winter dafür, dass das Kältemittel verdampft. Dieser Dampf wird in einem Kompressor verdichtet. Mit zunehmendem Druck steigt auch die Temperatur des Gases.

Die so entstehende Wärme wird über einen Wärmetauscher auf das Heizsystem übertragen. Dabei kühlt das Kältemittel wieder ab. In seiner ursprünglichen, flüssigen Form fließt es in den Verdampfer zurück, wo der Kreislauf von Neuem beginnt.

Viele Wärmepumpen können im Sommer ebenso gut zur Gebäudekühlung eingesetzt werden. Dabei läuft der Prozess in entgegengesetzter Richtung ab.

Generell gilt: Je kleiner der Unterschied zwischen der Umwelttemperatur und der gewünschten Raumtemperatur ist, desto weniger Arbeit wird der Wärmepumpe abverlangt. Ideal ist daher die Kombination mit einer Fußbodenheizung: Dank ihrer großen Fläche benötigt sie nur geringe Vorlauftemperaturen dafür, einen Raum mit Wärme zu versorgen.

Aber auch die Wärmedämmung des Hauses ist entscheidend: Je weniger Wärme durch die Gebäudehülle nach außen entweicht, desto weniger Energie muss aufgewendet werden, um das Haus zu beheizen. Die Vorlauftemperatur kann also niedriger eingestellt werden.

Grundsätzlich gilt: Jedes eingesparte Grad, das eine Wärmepumpe nicht bewirken muss, steigert ihre Effizienz um etwa 6 %.

Wie hoch ist der Stromverbrauch einer Wärmepumpe?

Wie viel Strom eine Wärmepumpe verbraucht, also wie effizient sie arbeitet, hängt von der Art der Wärmepumpe ab. So muss eine Luftwärmepumpe im Vergleich mehr Energie aufwenden, da die Temperatur der Umgebungsluft in der Heizperiode meist niedriger ist als die des Erdreichs oder des Grundwassers. Nicht zuletzt spielen auch die Größe und Heizleistung der Wärmepumpe eine Rolle für den Stromverbrauch.

Eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Effizienz einer Wärmepumpenanlage ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie gibt an, in welchem Verhältnis die zugeführte elektrische Energie und die erzeugte Wärme (über das Jahr gerechnet) zueinander stehen. Dabei werden auch Temperaturschwankungen der jeweiligen Wärmequelle im Jahresverlauf einbezogen. Eine JAZ von 3 sagt aus, dass aus 1 kWh eingesetztem Strom 3 kWh Nutzwärme resultieren. Dabei gilt: Je höher der Wert ist, desto besser. Als wirtschaftlich sinnvoll gilt eine JAZ von mindestens 4.

Hersteller geben auch gerne die Leistungszahl, den sogenannten COP-Wert (Coefficient of Performance), einer Anlage an. Der COP-Wert wird unter konstanten Betriebsbedingungen im Labor ermittelt. Da in der Praxis jedoch wechselnde Bedingungen vorherrschen, ist er nur bedingt aussagekräftig.

Der Stromverbrauch einer Wärmepumpe lässt sich über eine einfache Formel berechnen:

Stromverbrauch = (Heizleistung / JAZ) x Heizstunden

Für Wärmepumpen gibt es spezielle Stromtarife, die günstiger sind als der Preis für normalen Haushaltsstrom. Die verbrauchte Energie wird dabei durch einen eigenen Stromzähler gemessen. Der Wärmepumpentarif ist meist an bestimmte Bedingungen geknüpft, die von Versorger zu Versorger variieren.

Eine Wärmepumpe lässt sich auch mit Photovoltaik (PV) kombinieren. Produziert eine PV-Anlage einen Stromüberschuss, wird die Wärmepumpe mit kostenloser Antriebsenergie versorgt. Sie nutzt also nur den Strom, der aktuell nicht im Haus benötigt wird.

Voraussetzung dafür ist, dass die Wärmepumpe an das Hausstromnetz angeschlossen ist. Damit verzichten Anlagenbetreiber aber grundsätzlich auf den vergünstigten Wärmepumpentarif eines Stromversorgers: Gibt es keinen Energieüberschuss, etwa an trüben Regentagen, dann wird der Antriebsstrom über das öffentliche Netz zum Normaltarif bezogen.

Dennoch ist das Modell attraktiv: Zum einen nähert sich der Wärmepumpentarif den normalen Stromkosten immer mehr an; zum anderen lässt sich durch die Kombination der Eigenverbrauch an Strom aus der PV-Anlage steigern, was letztendlich die Rendite einer Photovoltaikanlage erhöht.

Die Vorteile der Systemkombination im Überblick

• Senkung der Betriebskosten der Wärmepumpe
• Verbesserung der Ökobilanz
• Steigerung des Solarstrom-Eigenverbrauchs
• Erhöhung der Rendite der PV-Anlage

Stellschrauben zur Steigerung der Effizienz

Der Solarstromüberschuss eines Haushalts reicht im Allgemeinen nicht aus, darüber eine Wärmepumpe ausschließlich zu betreiben. Die meiste Energie benötigt Letztere in der Heizperiode, also von Oktober bis April. In dieser Zeitspanne liefern die Photovoltaikmodule hierzulande aber nur rund ein Drittel ihres Jahresertrags. Deshalb muss ein Teil der Energie zum Betrieb einer Wärmepumpe über das öffentliche Stromnetz bezogen werden.

Wie groß der Anteil ist, hängt zum einen vom Stromverbrauch der Wärmepumpe und zum anderen von der Leistung der Photovoltaikanlage ab. Über das gesamte Jahr betrachtet, lassen sich mit Solarstrom rund 30 % des Energiebedarfs einer Wärmepumpe decken. Die Zusammenarbeit von Wärmepumpe und PV-Anlage kann jedoch über verschiedene Stellschrauben optimiert werden.

Wärmepumpe und Solaranlage optimal aufeinander abstimmen

Soll eine Wärmepumpe mit Solarstrom betrieben werden, sollte sie als zusätzlicher Verbraucher unbedingt von Anfang an in der Auslegung der Photovoltaikanlage berücksichtigt werden. In der Praxis hat es sich bewährt, die PV-Anlage hier lieber größer zu dimensionieren anstatt zu klein.

Aber auch bei der Wärmepumpe kommt es auf die richtige Größe an: Ihre Heizleistung sollte gut auf die Heizlast des Gebäudes abgestimmt sein. Oftmals sind Wärmepumpen zu groß ausgelegt, wodurch sie nicht mit größtmöglicher Effizienz arbeiten.

Die Heizlast bezieht sich dabei stets auf ein Szenario, in dem die größtmögliche Heizleistung benötigt wird – etwa in einem extrem kalten Winter. Normalerweise wird also während der kalten Jahreszeit einige „Luft nach oben“ sein. Deshalb sollte man auch eher die kleinere Ausführung wählen, falls die ermittelte Heizlast genau zwischen den Leistungsstufen zweier Wärmepumpenmodelle liegt.

Wärmepumpen mit variabler Leistung

Inverter- bzw. modulierende Wärmepumpen sind speziell auf die Kombination mit Photovoltaikanlagen ausgelegt. Im Gegensatz zu standardisierten Wärmepumpen arbeiten sie mit einer variablen Drehzahl, wodurch sie ihre Leistung dem Heizwärmebedarf anpassen können.

Eine Wärmepumpe mit konstanter Drehzahl bezieht dagegen ihre Energie schubweise: Zuerst heizt die Wärmepumpe einige Minuten unter Volllast, ganz egal wie kalt es draußen ist. Dann schaltet sie für eine bestimmte Zeit ab. In solchen Pausen wird der Stromüberschuss aus einer PV-Anlage größtenteils in das öffentliche Netz eingespeist, wenn er nicht gerade von den Hausbewohnern verbraucht wird. Springt die Wärmepumpe wieder an, kann der plötzliche Energiebedarf jedoch nicht vollständig durch den Solarstrom gedeckt werden. Teurer Netzstrom wird hinzugenommen.

Inverter-Wärmepumpen passen sich der benötigten Heizleistung an, indem sie ständig die Drehzahl des Verdichters regulieren. Dadurch sinkt der Energiebedarf, was den Deckungsanteil durch die Photovoltaikanlage erhöht und die erforderliche Netzstrommenge mindert. Weiterer Vorteil: Wärmepumpen mit Inverter besitzen eine höhere Lebensdauer, da sie einer geringeren Belastung ausgesetzt sind.

Thermische oder elektrische Energie für die Wärmepumpe speichern

Als sinnvolle Ergänzung zum System aus Wärmepumpe und Photovoltaik bieten sich Wärmespeicher an (Warmwasser-, Puffer- oder Kombispeicher). Sie nehmen bei einem Stromüberschuss produzierte Wärme in Form von Heißwasser auf und geben sie bei Bedarf – etwa in den Abendstunden oder in sonnenarmen Zeiten – wieder ab. Je größer der Speicher ist, desto mehr Wärme kann bevorratet werden.

In Häusern mit Fußboden- oder Wandheizung kann unter Umständen auf einen Pufferspeicher verzichtet werden: Bei einem entsprechend hohen Wasservolumen des Rohrsystems dient die Flächenheizung dann selbst als Wärmespeicher.

Noch weiter lässt sich die Eigenverbrauchsquote des Solarstroms durch die Anbindung eines Stromspeichers steigern. Er versorgt die Wärmepumpe auch dann mit elektrischer Antriebsenergie, wenn die Sonne gerade nicht scheint.

Kommunikation zwischen Wärmepumpe und PV-Anlage

Die Anbindung einer Wärmepumpe an eine Photovoltaikanlage erfolgt meist über die sogenannte „SG Ready“-Schnittstelle (Smart Grid). Die Verbindung lässt sich auf mehreren Wegen herstellen.

Die einfachste Variante ist die direkte Verbindung der Wärmepumpe mit dem Wechselrichter der Solaranlage. Immer dann, wenn die Photovoltaikanlage eine bestimmte Leistung erreicht, erhält die Wärmepumpe ein Signal. Der Schwellenwert kann individuell eingestellt werden. Dabei sollten der Bedarf anderer wichtiger Abnehmer im Haushalt berücksichtigt werden (z. B. Beleuchtung, Kühlschrank, Geräte im Stand-by-Betrieb).

Die Wärmepumpe lässt sich aber auch durch spezielle elektronische Stromzähler, sogenannte Smart Meter, ansteuern. Auch sie schalten bei einer bestimmten Leistung. Der Vorteil: Es wird nicht die Gesamtstromproduktion gemessen, sondern der tatsächliche Überschuss an Strom – also nur jener Teil, der nach der Versorgung der Haushaltsgeräte übrig bleibt.

Sehr komfortabel und wirtschaftlich ist die Kommunikation über ein Energie-Management-System. Es steuert die Energieerzeugung, die Energiespeicherung und den Energieverbrauch der gesamten Anlage zentral. Dabei bezieht es auch Wetterdaten aus dem Internet ein. Anhand des aktuellen Ertrags und der Prognose errechnet das System, wann welcher Verbraucher eingeschaltet wird.

Wärmepumpe und Solarthermie

Wärmepumpen lassen sich nicht nur mit Photovoltaik-, sondern auch mit Solarthermie-Anlagen kombinieren. Letztere nutzen die Wärmeenergie der Sonne dafür, die Wärmepumpe bei der Beheizung des Hauses und der Warmwasserbereitung zu unterstützen.

Auch eine Kombination aller drei Technologien – Wärmepumpe, Photovoltaik und Solarthermie – ist denkbar. Dank des Wärmeertrags der Solarthermie-Anlage muss die Wärmepumpe weniger leisten, was u. a. den Eigenverbrauch an Solarstrom senkt. Ob sich die höheren Investitionskosten unter diesem Gesichtspunkt rentieren, ist für jedes Gebäude individuell zu prüfen. Zudem stehen Photovoltaik und Solarthermie in Konkurrenz um den verfügbaren Platz auf dem Dach.

Fazit: Wärmepumpe mit Solarstrom betreiben

Angesichts der Stromkostenentwicklung ist es derzeit besonders lukrativ, möglichst viel vom eigenen Solarstrom selbst zu verbrauchen und dadurch kaum oder gar nicht auf das öffentliche Stromnetz angewiesen zu sein. Die Anbindung der Wärmepumpe an die Photovoltaikanlage ist eine interessante Möglichkeit, den Eigenverbrauch zu erhöhen.

Wie wirtschaftlich die Systemkombination ausfällt, hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Stromverbrauch der Wärmepumpe
• Größe der Photovoltaikanlage
• Wärmedämmung des Gebäudes
• Vorhandensein eines Wärme- oder Stromspeichers
• Nutzung eines Wärmeverteilsystems
• Art der Anbindung der Wärmepumpe an die PV-Anlage
• Höhe der Einspeisevergütung
• Attraktivität eines Wärmepumpentarifs

Vor allem in Neubauten und in Bestandsgebäuden, die umfassend energetisch saniert wurden oder werden, kann sich die Verbindung der beiden Technologien durchaus rechnen.