Wärmepumpe mit Photovoltaik nutzen – Erfahrungen mit einem sanierten Altbau

Heizen ohne Gas oder Öl und ohne lokale Feinstaub-Emissionen. Das geht bekanntlich mit einer Wärmepumpe. Besonders beliebt sind die nachhaltigen Heizsysteme in Neubauten, da diese einen hervorragenden Baustandard haben und gut gegen äußere Wettereinflüsse isoliert sind. Doch auch Altbauten wie in unserem Beispiel eignen sich für eine Wärmepumpenheizung, wenn man bestimmte Faktoren prüft und optimiert.

Bei Wärmepumpen werden 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. Diese Lösung ist nicht nur nachhaltig, sondern hilft auch die Stromrechnung zu reduzieren.

Wie das Heizen mit Photovoltaik funktioniert, wollen wir uns anhand eines konkreten Fallbeispiels in einem Altbau anschauen. Es zeigt das Zusammenspiel von Solarstromerzeugung, Stromspeicher und Wärmepumpe. Es geht dabei um ein einfaches Grundlagen-Beispiel, um das Prinzip zu erklären. Die komplexeren Themen Vernetzung oder gezielter Betrieb mit PV-Überschuss spielen hier eine untergeordnete Rolle.

Wärmepumpe mit Photovoltaik und Stromspeicher im Altbau

Bei dem Altbau handelt es sich um ein nach KfW-55-Standard renoviertes Einfamilienhaus im Allgäu. Die bewohnte Fläche beträgt 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 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 der Altbau saniert wurde, war die Installation einer Flächenheizung (Boden + Decke) kein Problem. Eine Flächenheizung ist nicht immer notwendig, kann aber die Effizienz der Wärmepumpe steigern. Hier lohnt sich das Gespräch mit dem Installateur, ob die alten Heizkörper weiter 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 von Jahr zu Jahr schwanken. Und: Mit einer größeren PV-Anlage wäre dieser Wert noch etwas höher, da sich zum Beispiel der Ertrag in lichtschwachen Zeiten erhöht.

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

Wenn Sie mit Photovoltaik heizen und Ihre Wärmepumpe effizient betreiben wollen, sollten alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sein. Beginnen Sie mit ihrem Stromverbrauch ohne Wärmepumpe und addieren Sie den geschätzten jährlichen Verbrauch der Wärmepumpe dazu. Wie viel Energie eine Wärmepumpe benötigt, hängt vom gewählten System ab. Außerdem spielt die gewünschte Leistung eine Rolle.

Als nächstes sollten Sie in Betracht ziehen, ob Sie sich mittelfristig ein oder mehrere E-Autos anschaffen möchten. Auch hier spielen mehrere individuelle Parameter eine Rolle, wie die jährliche Fahrleistung sowie Reichweite und Leistung der Autobatterie.

Haben Sie Ihren zukünftigen Stromverbrauch geschätzt, sollte als erstes die Größe der PV-Anlage geplant werden. Hier ist es von Vorteil, die Hilfe eines Profis in Anspruch zu nehmen, da viele Parameter berücksichtigt werden müssen. Die Fläche des Dachs, die Sonnenstunden in ihrer Region, sowie der Neigungswinkel der Dachfläche sind in jedem Fall zu bedenken. 

Im nächsten Schritt sollten Hausbesitzer über den passenden Speicher nachdenken. Die Kapazität des Speichers wird in Kilowattstunden gemessen, die Leistung in Kilowatt. Je höher die Kapazität des Stromspeichers ist, desto höher wird der Autarkiegrad sein. Der Autarkiegrad gibt an, wie hoch der genutzte Anteil an selbst erzeugter Energie im Haushalt ist. In unserem Wissensbereich finden Sie mehr Informationen zur richtigen Dimensionierung von PV-Anlage und Stromspeicher und eine Erklärung der gängigsten Begriffe. 

Unser Beispiel, der Altbau im Allgäu, hat einen jährlichen Stromverbrauch von 5.000 kWh. Dieser Verbrauch fällt für den Haushaltsstrom und die Erdwärmepumpe an. 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 gut. Die PV-Anlage und die sonnenBatterie können den Leistungsbedarf der Wärmepumpe komplett abdecken, soweit genügend Energie bereitsteht. Dazu ein Beispiel: Wäre die Leistung des Speichers zu gering, könnte die Wärmepumpe nicht vollständig versorgt werden, obwohl genügend Energie im Speicher wäre. Dies wäre der Fall, wenn der Speicher z.B. nur 3 kW Leistung hätte und die Wärmepumpe 3,5 kW Leistung benötigt. 

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 recht gut, wie sich die Wärmepumpe in so einer Grundeinstellung verhält.

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. Die Außentemperatur, die eingestellte Zimmertemperatur, die Warmwassernutzung oder die gewählten Heiztemperatur für das Wasser spielen eine Rolle. 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.

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.

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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 Erdwärmepumpe im besagten Altbau zwischen Anfang Mai und Anfang Oktober komplett aus war.
 

Erdwärmepumpe 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

Laut Umweltbundesamt entfallen über ein Fünftel der persönlichen CO2-Bilanz auf das Heizen. Dahinter birgt sich demnach auch ein großes Potential zum Einsparen, wenn man nachhaltige Energie wie z.B. das Heizen mit einer Wärmepumpe in Betracht zieht. 

Allerdings eignen sich Wärmepumpen nur für Häuser mit einer guten Wärmeisolierung. Daher sind sie vor allem für Neubauten und sanierte Altbauten interessant. Ist die Bausubstanz nicht ausreichend, verringert sich die Effizienz der Wärmepumpe erheblich. Daher sollte man vor der Investition in eine neue Heizung mit Wärmepumpe den Baustandard des Altbaus prüfen und ggf. verbessern. Entscheidend ist dabei eine niedrige Vorlauftemperatur des Heizsystems. Neben der bereits erwähnten guten Dämmung hilft eine Flächenheizung wie z.B. eine Fußbodenheizung. 

Ob sich Ihr Altbau mit einer niedrigen Vorlauftemperatur gut heizen lässt, können Sie im Winter selbst testen. Stellen Sie an einem kalten Wintertag die Vorlauftemperatur ihres Heizsystems auf 45-50 Grad ein. Die Thermostate an den Heizkörpern können Sie voll aufdrehen. Wird es nun im Haus ausreichend warm, eignet sich der Altbau für das Heizen mit einer Wärmepumpe. Wird es nicht warm, können Sie mit Hilfe eines Heizungsinstallateurs herausfinden, welche Maßnahme helfen könnten, um die zu ändern. Oft hilft schon eine Maßnahme wie die Modernisierung der Fenster, um eine Verbesserung zu erreichen. 

Ein weiterer Punkt, der vor der Anschaffung einer Wärmepumpe geprüft werden muss, ist der vorhandene Platz. Je nach System braucht man ausreichend Stellfläche im Außen- oder Innenbereich. Bei Altbauten gibt es häufiger auch Auflagen bezüglich des Denkmal- oder Bestandsschutzes zu beachten. 

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

Wärmepumpe im Vergleich zu fossilen Energieträgern

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination von Erdwärmepumpe, PV-Anlage und Speicher in einem Altbau die Energiekosten stark senken kann. Auch der CO2-Ausstoß des Haushalts im Vergleich zu anderen Energieträgern wurde deutlich reduziert. Die Umstellung auf alternative Lösungen bringt enorme Vorteile und Ersparnisse bei den Verbrauchskosten.