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Schema, wie das Zusammenspiel aus Wärmepumpe, PV und sonnenBatterie funktioniert
Blog | Juli 2022

Wärmepumpe mit Photovoltaik nutzen – Erfahrungen mit einem sanierten Altbau

Alternativen zum Heizen mit Gas und Öl werden immer beliebter. Insbesondere Wärmepumpen werden immer häufiger eingesetzt. Doch woher kommt der dafür benötigte Strom? Hier bietet sich eine Photovoltaikanlage mit Stromspeicher an, so dass der Strom sauber dort produziert wird, wo er genutzt wird sowie Tag und Nacht zur Verfügung steht.

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sonnen GmbH
Content Team

Heizen ohne Gas oder Öl und ohne lokale Feinstaub-Emissionen. Das geht bekanntlich mit einer Wärmepumpe. Rund dreiviertel der benötigten Energie werden aus der Umgebungstemperatur gewonnen, nur für den Rest wird elektrische Energie benötigt. Am sinnvollsten ist es natürlich, selbst erzeugten Solarstrom dafür zu nutzen. Das ist nicht nur nachhaltig, sondern hilft auch der Stromrechnung.

Wie das genau aussieht, wollen wir uns mit einem konkreten Fallbeispiel aus der Praxis anschauen, welches das Zusammenspiel von Solarstromerzeugung, Stromspeicher und Wärmepumpe zeigt. Es geht dabei lediglich um ein einfaches Grundlagen-Beispiel, um das Prinzip zu erklären. Die etwas komplexeren Themen Vernetzung oder gezielter Betrieb mit PV-Überschuss spielen hier erstmal eine untergeordnete Rolle.

Wärmepumpe mit Photovoltaik und Stromspeicher im Altbau

Bei dem Haus handelt es sich um ein nach KfW-55-Standard renoviertes Altbau-Einfamilienhaus im Allgäu mit einer bewohnten Fläche von 120 qm. Die PV-Anlage hat eine Leistung von 5,5 kWp, ist nach Süden ausgerichtet und erzeugt rund 6.600 kWh Energie im Jahr. Die verfügbare Dachfläche ist damit vollständig ausgereizt. Ansonsten wäre eine größere PV-Anlage durchaus sinnvoll.

Dazu kommt die sonnenBatterie 10 mit einem Speichervermögen von 11 Kilowattstunden und – was mindestens genauso wichtig ist – einer Leistung von 4,6 kW. Bei der Wärmepumpe handelt es sich um eine Erdwärmepumpe mit Tiefenbohrung. Sie hat eine Gesamtleistung von 14 kW und benötigt in der Spitze etwa 3,5 kW elektrische Leistung. Der angeschlossene Warmwasserkessel hat ein Volumen von 820 Liter. Da das Haus saniert wurde, war die Installation einer Flächenheizung (Boden + Decke) kein Problem. Eine Flächenheizung ist jedoch nicht immer notwendig. Hier lohnt sich das Gespräch mit dem Heizungs-Installateur, ob evtl. die alten Heizkörper verwendet werden können.

Der Stromverbrauch des Hauses liegt insgesamt bei ungefähr 5.000 kWh im Jahr inkl. Strom und Heizung. Mit der PV-Anlage und der sonnenBatterie können etwa 3.100 kWh selbst erzeugt werden, 1.900 kWh müssen noch bezogen werden, was einem Autarkiegrad von rund 62 % entspricht. Diese Werte können natürlich von Jahr zu Jahr schwanken. Und: Mit einer größeren PV-Anlage wäre dieser Wert noch etwas höher, da zum Beispiel gerade in lichtschwachen Zeiten der Ertrag aus der Photovoltaikanlage höher wäre.

Wie groß sollten PV-Anlage, Stromspeicher und Wärmepumpe sein?

Der Leistungsbereich von PV-Anlage (5,5 kWp), sonnenBatterie (4,6 kW) und Wärmepumpe (3,5 kW) ist in unserem Beispiel recht homogen und ergänzt sich daher gut. Die PV-Anlage aber auch die sonnenBatterie können den Leistungsbedarf der Wärmepumpe komplett abdecken, soweit genügend Energie bereitsteht. Dazu ein Beispiel: Wäre die Leistung des Speichers zu gering und läge z.B. bei 3 kW, dann könnte die Wärmepumpe mit 3,5 kW nicht vollständig versorgt werden, obwohl genügend Energie im Speicher wäre.

Wie das ganze dann aussieht, zeigt der Screenshot aus dem Kundenportal my sonnen. Bei diesem Beispiel sind Wärmepumpe, PV-Anlage und Speicher nicht aufeinander abgestimmt. Man sieht also recht gut, wie sich die Wärmepumpe in so einer Grundeinstellung verhält.

Solarstrom, Hausverbrauch, Strom aus der sonnenBatterie und Verbrauch der Wärmepumpe im Tagesverlauf.

Der Screenshot aus der App my sonnen zeigt einen Tagesverlauf Anfang März. Der Hausverbrauch (blau und hellblau) von 19 kWh kann komplett mit eigenem Solarstrom (gelb) gedeckt werden. Die drei längeren Heizphasen der Wärmepumpe sind gut zu erkennen, sie dauern etwa eine Stunde. Wichtig: Die Wärmepumpe ist hier nicht gesteuert, sondern folgt lediglich ihren Temperatureinstellungen. Die grüne Kurve zeigt den Ladestand der sonnenBatterie.

Der Energieverbrauch der Wärmepumpe ist von vielen Faktoren abhängig – wie der Außentemperatur, der eingestellten Zimmertemperatur, der Warmwassernutzung oder der gewählten Heiztemperatur für das Wasser. In dem Beispiel ist sie fest auf 50 °C eingestellt.

Intelligentes Abstimmen der Wärmepumpe mit Photovoltaikanlage und Stromspeicher erhöht die Effizienz

Aufgrund ihrer einzelnen Heizphasen bietet sich eine Wärmepumpe natürlich perfekt als steuerbare Last an, um sie z.B. mit der Stromerzeugung der PV-Anlage in Einklang zu bringen. Gerade in der Heiz-Zeit ist es sinnvoll, wenn die Wärmepumpe möglichst tagsüber betrieben wird und der Speicher so voll wie möglich ist, um z.B. den Abend, die Nacht und den nächsten Morgen abzudecken.  

Eine wichtige Größe, mit der sich das Verhalten der Wärmepumpe steuern lässt, ist die Heiz-Temperatur. Einfach gesagt, sollte die Wärmepumpe besonders hoch heizen, wenn genügend Solarstrom vorhanden ist, um mit dieser hohen Temperatur in der Nacht möglichst wenig nachzuheizen. Das zeigt auch unser Beispiel, bei dem die Heiz-Temperatur in der Nacht bei 45 °C lag und tagsüber bei 52°C.

Solarstrom, Hausverbrauch, Strom aus der sonnenBatterie und Verbrauch der Wärmepumpe im Tagesverlauf mit abgesenkter Heiztemperatur.

Bei dem Beispiel Anfang März wurde die Heiztemperatur über Nacht auf 45 °C abgesenkt, so dass in dem Zeitraum kaum geheizt werden musste. Wenn am Morgen PV-Anlage + sonnenBatterie gemeinsam genügend Energie bereitstellen können, erhöht sich die Temperatur auf 52 °C. Damit verlängert sich zwar die Heizphase von 1 auf 1,5 Stunden, dafür wird aber nur Solarstrom verwendet. Die zweite Heizphase gab es dann am Nachmittag, so dass der Energiebedarf am Abend und in der Nacht gering war.

Der Stromspeicher als ideale Ergänzung zur Wärmepumpe mit Photovoltaikanlage

Ein Stromspeicher wie die sonnenBatterie hat eine grundlegende Funktion. Er sorgt dafür, dass Energie-Überschüsse vom Tag auch am Abend und in der Nacht zur Verfügung stehen. Zum anderen gleicht der Batteriespeicher aber auch tagsüber Lücken aus, in denen die PV-Anlage nicht genügend Energie liefern kann. Das kann zum Beispiel am Morgen der Fall sein, wenn noch nicht genügend Energie vorhanden ist, aber die Heizung trotzdem laufen muss, um die eingestellte Mindesttemperatur zu erreichen. Oder auch wenn Wolken durchziehen und die Energie der PV-Anlage schwankt.

Grundsätzlich zeigt sich, dass die Größe des Speichers besonders in der Übergangszeit und im Winter relevant ist. Im Sommer werden die 11 kWh selten voll genutzt, da die Tage sehr lang sind und lediglich Warmwasser benötigt wird. In der Heizperiode zwischen Oktober und Mai wird diese Größe jedoch weitgehend ausgenutzt. Und gerade dann ist es wichtig, das geringere Tageslicht optimal zu nutzen und jede kWh selbst zu verbrauchen oder zu speichern. Über 70 % des jährlichen Gesamtverbrauchs fallen bei dem Beispiel in diese Zeit. Es empfiehlt sich also, bei der Auslegung der Speichergröße diese Zeit zu berücksichtigen. Ob dies auch wirtschaftliche Vorteile bietet, hängt wie so oft vom Einzelfall ab.

Solarstrom, Hausverbrauch, Strom aus der sonnenBatterie und Verbrauch der Wärmepumpe im Tagesverlauf bei wechselhafter Bewölkung.

Ein Ausschnitt vom Vormittag und Mittag an einem Tag mit wechselhafter Bewölkung. Die Sonne schafft es nicht, stabile Energie zu liefern, da Wolken durchziehen. Diese Lücken füllt die sonnenBatterie mit der zuvor gespeicherten Energie (blau). Ohne Speicher müsste diese Energie aus dem Netz bezogen werden.

Im Winter ist der Autarkiegrad am niedrigsten, da die Photovoltaik-Anlage den geringsten Ertrag liefert, während der Energiebedarf am höchsten ist. Ein Grund also, warum das vorhandene Licht optimal genutzt werden und die Technik so effizient wie möglich sollte. In dem hier vorgestellten Beispiel lag der Autarkiegrad in den drei Wintermonaten Dezember, Januar und Februar bei etwas mehr als 40 %. Jedoch ist dieser Wert etwas anders zu sehen als im Sommer, da der Strombedarf in dem Beispiel im Winter deutlich höher ist. Bereits im März machte sich die Sonne wieder deutlich bemerkbar. Der Autarkiegrad lag bei 88 %, obwohl der Stromverbrauch noch auf dem Niveau der Wintermonate lag.

Eine zusätzliche Heizung wie etwa mit einem Ofen war zu keinem Zeitpunkt im Jahr notwendig. Durch die Dämmung blieb es auch an kälteren Sommertagen warm genug, obwohl die Wärmepumpe zwischen Anfang Mai und Anfang Oktober komplett aus war.

Wärmepumpe mit Photovoltaik und Stromspeicher im Vergleich zu anderen Heizformen

Bei unserem Beispiel müssen noch ca. 1.900 kWh Strom im Jahr bezogen werden. Der Einfachheit wegen rechnen wir mit einem Referenzwert von 37,14 Cent/kWh, den der BDEW im April 2022 für Haushalte aufführt. Der Wert des Stroms entspricht dabei rund 705 Euro im Jahr. Damit wären alle Strom- und Heizkosten abgedeckt. Rechnet man noch die klassische EEG-Vergütung von 25 Euro im Monat mit ein, bleiben unter dem Strich rund 405 Euro Energiekosten im Jahr.

Was den laufenden CO2-Ausstoß betrifft, eignen sich die die aktuellsten Zahlen des Umweltbundesamtes für den deutschen Strommix 2020. Der lag bei 366 g CO2/kWh, für die 1.900 kWh fallen damit knapp 700 kg CO2 im Jahr an.

Wärmepumpe ohne PV-Anlage und Speicher im Vergleich zu Gas- oder Ölheizung

Die folgenden Beispiele sind unverbindlich und haben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Außerdem zeigen sie nur den Moment, in dem die jeweiligen Preise aktuell waren. Diese können sich jederzeit ändern. Sie dienen nur der Orientierung.

Betrachten wir also die Konstellation mit der Wärmepumpe ohne Photovoltaik-Anlage und sonnenBatterie, der Haushalt müsste also den kompletten Strom aus dem Netz beziehen. Dann lägen die Stromkosten etwa bei 1.860 Euro im Jahr. Der CO2-Ausstoß beträgt in dem Fall 1,75 Tonnen.

Rechenbeispiel mit Gasheizung

Und wie viel fossile Energie lassen sich dabei sparen? Der Vergleichsanbieter Verivox schlägt für 100 qm und 12.000 kWh und für 150 qm 18.000 kWh Gas vor. Mit 120 qm liegt man also bei rund 15.000 kWh. Im günstigsten Fall wären das für Neukunden bei dem Vergleich Gaskosten zum Heizen von rund 3.000 Euro im Jahr.* Dazu kämen noch die Stromkosten, die sich aber nicht genau beziffern lassen, da bei unserem Beispiel nur der Gesamtstromverbrauch bekannt ist. Sicher sind es aber noch einige hundert Euro. Was die CO2-Bilanz betrifft, würde allein für das Heizen mit Gas rund 3,3 Tonnen anfallen.

*Abruf am 04. Juli 2022 und ohne Boni

Rechenbeispiel mit Ölheizung

Beim Heizöl werden verschiedenen Quellen zufolge rund 15 l / qm als Richtwert angegeben. Für das Beispiel wären das 1.800 Liter pro Jahr zum Heizen. Bei heizöl24 wird ein Preis von rund 150 Euro/100 l** angegeben, das ergäbe rund 2.600 Euro pro Jahr** allein für das Heizen und eine CO2-Bilanz von rund 5,2 Tonnen.

Es lässt sich also sagen, dass die Kombination von Wärmepumpe, PV-Anlage und Speicher die Energiekosten extrem stark senken kann und auch den CO2-Ausstoß des Haushalts im Vergleich zu anderen Energieträgern deutlich reduziert. Die Umstellung auf alternative Lösungen bringt enorme Vorteile und Ersparnisse bei den Verbrauchskosten.

** Abruf am 04. Juli 2022