Warmwasser mit Solarstrom erzeugen

Rund 12 % des gesamten Energieverbrauchs eines Haushalts werden laut Angaben des Umweltbundesamts für die Aufbereitung von Warmwasser benötigt. Um auf lange Sicht Umwelt und Geldbeutel zu schonen, können regenerative Energien in das Heizkonzept eingebunden werden. So lassen sich Kosten und CO₂ sparen. Eine Solaranlage nutzt die Kraft der Sonne, um das Haus mit Warmwasser zu versorgen – eine umweltfreundlichere Alternative zur Warmwasserbereitung verglichen z.B. mit einem Heizkessel, in dem fossile Energieträger verbrannt werden. Während mittels Solarthermie das Wasser direkt im Kollektor von der Sonne erwärmt wird, geschieht dies bei der Photovoltaik über den "Umweg" der Elektrizität.

Photovoltaik oder Solarthermie für die Warmwasser-Aufbereitung?

Solaranlagen lassen sich in zwei verschiedene Techniken unterteilen: in Solarthermieanlagen und in Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen). Während eine Solarthermie die Wärme zur Warmwasserbereitung und zur Heizungsunterstützung direkt in den Solarkollektoren gewinnt, wird mit einer Photovoltaikanlage das Sonnenlicht erst in Strom umgewandelt, der für die Erwärmung von Wasser z.B. mit einem Heizstab genutzt werden kann.

Noch vor wenigen Jahren war es für Hausbesitzer undenkbar, ihr Warmwasser über den Solarstrom der Photovoltaikanlage zu erzeugen. Dafür gab es wirtschaftlichere Lösungen. Doch mit einer niedrigen Einspeisevergütung ist es zunehmend attraktiver geworden, den eigenen Solarstrom möglichst vollständig selbst zu nutzen. Die Warmwasserbereitung ist eine gute Möglichkeit, den Eigenverbrauch des Haushalts und damit auch die Rendite der Photovoltaikanlage zu erhöhen.

Technische Voraussetzungen für Warmwasseraufbereitung mit Solarstrom

Hausbesitzer, die eine Photovoltaikanlage mit der Warmwasserbereitung kombinieren möchten, haben drei verschiedene Möglichkeiten:

1. Einsatz eines Heizstabs
2. Installation einer Warmwasser-Wärmepumpe
3. Nutzung von Durchlauferhitzern und Boilern mit integriertem Speicher

Egal für welche Variante man sich entscheidet; das Warmwasser kann so bei einem Stromüberschuss aus der PV-Anlage besonders günstig bereitgestellt werden. Um nicht teuren Netzstrom einsetzen zu müssen, sollte die Auslegung der Anlage so geschehen, dass genügend Überschüsse vorhanden sind. 

Warmwassererzeugung mit einem Heizstab

Eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Möglichkeit, mit der Photovoltaikanlage Warmwasser zu erzeugen, besteht im Einsatz eines Heizstabs bzw. einer Heizpatrone. Diese Variante eignet sich für alle Heizungsanlagen, die mit einem Warmwasserspeicher arbeiten. Ein Steckplatz für die Montage des Heizstabs ist bei den meisten Speichern bereits ab Werk vorhanden.

Im Prinzip funktioniert ein Heizstab wie ein Tauchsieder: Durch die elektrische Energie heizt sich eine Heizwendel auf. Die Energie wird dann auf das Wasser im Wärmespeicher übertragen. Je nach Heizungssystem kann das Warmwasser direkt (z.B. zum Waschen) und/oder zur Heizungsunterstützung genutzt werden.

Es gibt verschiedene Varianten von Heizstäben: einfache Modelle, die nur an- und ausgeschaltet werden können sowie Modelle, die sich stufenweise oder gar stufenlos regeln lassen. Letztere haben den Vorteil, dass sich ihre Leistung individuell an den Wärmebedarf und den aktuellen Energieüberschuss anpassen lässt.

Empfehlenswert ist der Einsatz eines Energiemanagers, der dafür sorgt, dass bei einem Stromüberschuss die Energie zum Heizstab fließt. Hier spricht man vom PV-optimierten Heizen, bei dem sich aufgrund der relativ geringen Leistungen der Heizstäbe auch kleine Überschüsse nutzen lassen. Reicht der Solarstrom einmal nicht aus, springt der konventionelle Wärmeerzeuger ein. In den Sommermonaten ist der Heizstab in der Lage, den kompletten Wärmebedarf zu decken. Die Heizungsanlage kann dann abgeschaltet bleiben. Das spart nicht nur Kosten, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Heizung.

Ein Vorteil der Nutzung von Heizstäben im Vergleich zur Solarthermie besteht darin, dass das System keinen wassergeführten Kreislauf benötigt. Es sind weder Pumpen, Rohre noch Wärmetauscher erforderlich, was den Aufwand bei Montage und Wartung verringert. Ein Heizstab eignet sich zudem auch gut für eine Nachrüstung.

Warmwasser-Wärmepumpe mit Solarstrom betreiben

Eine Warmwasser- bzw. Brauchwasser-Wärmepumpe nutzt die Wärmeenergie der Umgebung, um Warmwasser zu produzieren. Meist ist ein kleiner Speicher mit einem Volumen von 200–300 l integriert, der die Wärme über mehrere Stunden hält. Warmwasser-Wärmepumpen erwärmen ausschließlich das Brauchwasser. Sie eignen sich damit nicht zur Heizungsunterstützung.

Während des Betriebs überträgt die mit Strom betriebene Wärmepumpe die Wärme der Umgebungsluft auf ein Trägermedium. Dazu wird die Warme Luft zum Verdampfer gepumpt. Darin befindet sich ein Kältemittel, das bereits bei geringen Temperaturen verdampft. Das Gas gelangt dann zum Verdichter, wo es unter Druck gesetzt wird. Dadurch steigen die Temperaturen. Die Wärmeenergie wird schließlich auf den integrierten Warmwasserspeicher übertragen. Das Kältemittel kühlt sich ab und wird wieder flüssig.

Bei einer hohen Wasserentnahme – zum Beispiel wenn Gäste im Haus sind – kann es vorkommen, dass die Leistung der Warmwasser-Wärmepumpe nicht ausreicht. Dann übernimmt ein Heizstab die Wärmeerzeugung.

Wie jede andere Wärmepumpe lässt sich auch eine Warmwasser-Wärmepumpe mit Photovoltaik koppeln, d.h. mit Solarstrom betreiben. Produziert die PV-Anlage einen Energieüberschuss, wird die Wärmepumpe aktiviert. Da ihre Leistungsaufnahme niedrig ist, genügt auch ein geringer Solarstromertrag in den Wintermonaten, damit sie anspringt. Bei optimaler Auslegung liefert die Systemkombination ganzjährig warmes Wasser.

Warmwasser-Wärmepumpen, die sich für den Betrieb mit Photovoltaik eignen, sind mit dem SG-Ready-Label gekennzeichnet (SG steht für Smart Grid, also das intelligente Stromnetz). Inzwischen gibt es auch Solar-Komplettanlagen zur Warmwasserbereitung. Sie bestehen aus einer Photovoltaikanlage, einer Warmwasser-Wärmepumpe, einem Wechselrichter und einem Energiemanager. Der Vorteil: Alle Komponenten sind perfekt aufeinander abgestimmt.

Durchlauferhitzer und Boiler mit integriertem Speicher

Eine weitere Möglichkeit, mit Solarstrom Warmwasser zu erzeugen, ist die Nutzung von Boilern mit integriertem Speicher. Es gibt sowohl kompakte Modelle, die unter dem Waschtisch oder unter der Spüle installiert werden können, als auch größere Geräte, die beispielsweise im Flur Platz finden. Entscheidend ist das Fassungsvermögen des Speichers. Wie viele Liter dieser haben sollte, hängt vom konkreten Warmwasserbedarf des Haushaltes ab. 

Der Wasserspeicher fängt Leistungsschwankungen ab und sorgt dafür, dass jederzeit warmes Wasser zur Verfügung steht. In den Mittagsstunden, wenn in der Regel besonders viel Strom produziert wird, kann die Energie für die Legionellenschaltung genutzt werden. Das Wasser im Speicher wird dann auf 65 °C erwärmt, wodurch Keime und Krankheitserreger abgetötet werden.

Auch Durchlauferhitzer können mit Solarstrom betrieben werden. Allerdings hat eine direkte Erwärmung des Brauchwassers hohe Verbrauchsspitzen zur Folge. Dazu kommt: Die meiste Wärme wird in den Morgen- und Abendstunden benötigt, gerade dann, wenn die Photovoltaikanlage die geringsten Erträge liefert. Die zur Verfügung stehende Leistung genügt daher nicht immer, den Bedarf zu decken. Um keinen zusätzlichen Strom aus dem Netz beziehen zu müssen, empfiehlt sich die Kombination mit einem Stromspeicher.

Es gibt auch Solaranlagen, die sowohl Warmwasser als auch Strom produzieren. Hierbei kommen spezielle Hybridmodule zum Einsatz. Im Gegensatz zu herkömmlichen Photovoltaikmodulen nutzen sie auch mittels Kollektoren die Wärmeenergie, die entsteht, wenn die Sonne auf ihre Oberfläche trifft. Das geschieht über eine Kühlflüssigkeit, die auf der Rückseite zirkuliert. Sie transportiert die Wärme zum Trinkwasserspeicher. Positiver Nebeneffekt: Durch den Abzug der Wärmeenergie sinkt die Temperatur der Solarzellen, wodurch sich ihr Wirkungsgrad erhöht.

Der Einsatz von Hybridmodulen lohnt sich vor allem dort, wo auch im Sommer viel warmes Wasser benötigt wird. Im privaten Bereich ist das System deshalb lediglich für einen Haushalt mit Pool oder sehr großem Wärmespeicher interessant. Hybridmodule sind im Vergleich zu anderen Lösungen jedoch relativ teuer.

Warmwasser lässt sich mit Solarthermie oder Photovoltaik erzeugen. Allerdings konkurrieren Kollektoren und und Module auf dem Dach meist um den vorhandenen Platz. Mit welchem Verfahren sich im Vergleich mehr Nutzen stiften lässt, muss daher im Detail berechnet werden. Für die PV-Anlage spricht, dass der Strom universell einsetzbar ist. Ist ein Solarspeicher vorhanden, lässt sich auch dann Warmwasser bereiten, wenn keine Sonne scheint. Auch kann der Haushalt mit Strom aus dem Netz heizen, wenn keine Überschüsse vorhanden sind. Hinzu kommt: Die Montage der Kollektoren und Leitungen für die Solarthermie ist aufwändiger.
 

Hausbesitzer, die Solarstrom nutzen, um damit Warmwasser zu erzeugen, können ihre Eigenverbrauchsquote deutlich erhöhen. Zudem wird der Verbrauch fossiler Energien reduziert. Für die Umwelt lohnt sich die Warmwasserbereitung mit Solarstrom in jedem Fall. Ob es sich auch wirtschaftlich rechnet, Warmwasser mit Solarstrom zu erzeugen, hängt von der Größe der Photovoltaikanlage und vom Wasserverbrauch im Haushalt ab.