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Mit der Kombination von Heizungs-Wärmepumpe und eigener Photovoltaik-Anlage ist ein großer Teil der Wärmewende vorgezeichnet. Doch welchen Anteil vom Strombedarf der Wärmepumpe kann eigener Solarstrom decken?
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Elektrisch angetriebene Wärmepumpen sind ein Schlüsselfaktor für die Wärmewende im Gebäudebestand. In der Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage kann Antriebsstrom für den Betrieb der Wärmepumpe vor Ort erzeugt und bereitgestellt werden.
■ Bei einem typischen Einfamilienhaus (117 m2 beheizte Wohnfläche, 3 Personen) und einer Kombination der Heizungs-Wärmepumpe mit 15-kWp-Photovoltaik-Leistung und einem 15-kWh-Heimspeicher lassen sich je nach Energieeffizienzklasse des Gebäudes zwischen 36 und 73 % des Strombedarfs direkt über die eigene Photovoltaik-Anlage decken.
Vor dem Hintergrund der Gaskrise steht der Energiebedarf zum Beheizen von Gebäuden wie lange nicht mehr im Mittelpunkt zahlreicher Diskussionen. Dabei ist eigentlich schon länger klar: Der Ersatz fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Pendants ist in den nächsten Jahren allenfalls punktuell sinnvoll. Bei der Dekarbonisierung des Gebäudesektors kommt elektrisch angetriebenen Wärmepumpen in Bestandsgebäuden eine tragende Rolle zu.
Klar ist auch: Mit pragmatischen Modernisierungsmaßnahmen zur Reduktion der Heizlast können Wärmepumpen meistens auch in Bestandsbauten ohne den vorherigen Wechsel der Wärmeübergabe auf eine Flächenheizung nachgerüstet werden.
Ein schon immer vorhandener und mit dem schnellen Wärmepumpenhochlauf an Relevanz zunehmender Kritikpunkt ist allerdings, dass der Strombedarf jeder zugebauten Wärmepumpe überwiegend über fossile Kraftwerke gedeckt werden muss.
Dem liegt vereinfacht zugrunde, dass sich eine netzgekoppelte Wärmepumpe zwar physikalisch aus dem Strommix mit hohem und steigendem Anteil erneuerbarer Energien bedient, dieser Anteil sich aber im Jahres- und Tagesverlauf deutlich verändert und jeder zusätzliche Stromverbrauch weitgehend über ein regelbares Kraftwerk gedeckt werden muss.
Daraus ergibt sich einerseits aus der Sicht auf das Stromsystem und andererseits auch aus der Sicht eines Wärmepumpenbetreibers die Frage: Welchen Anteil des Stromverbrauchs für den Betrieb einer Wärmepumpe kann eine zusätzlich installierte Photovoltaik-Anlage auf dem Hausdach liefern?
Dies hat der Markt- und Wirtschaftsforscher EUPD Research im Auftrag des Heimspeicher- und Ladetechnikanbieters E3/DC untersucht und kommt zu dem Ergebnis: Bis zu 73 % des notwendigen Strombedarfs für den Betrieb der Wärmepumpe lässt sich je nach Energieeffizienzklasse des Gebäudes mit Solarstrom vom Einfamilienhausdach decken.
Viele Wohngebäude sind noch nicht energieeffizient
EUPD Research
Moderne Neubauten, die heute in der Gebäude-Energieeffizienzklasse A+ errichtet werden, weisen einen Heizenergiebedarf unter 30 kWh/(m2 ∙ a) nach Gebäudeenergiegesetz auf. Wird der energetische Aufwand für die Heizenergie auf unter 15 kWh/(m2 ∙ a) gesenkt, spricht man von Passivhäusern (wobei die Berechnung der Bedarfswerte nicht mit dem gleichen Verfahren erfolgt). Ab Effizienzklasse D steigt der durchschnittliche Heizenergiebedarf auf über 100 kWh/(m2 ∙ a). In der Klasse H liegt der Energieverbrauch sogar bei über 250 kWh/(m2 ∙ a).
Die EUPD-Research-Analyse für E3/DC zum Bestand an Ein- und Zweifamilienhäusern in Deutschland legt offen, dass das Gros dieser Häuser eine relativ schlechte Energieeffizienz aufweist. Über die Hälfte (55 %) der 16,1 Mio. Ein- und Zweifamilienhäuser werden den Energieeffizienzklassen F bis H zugeordnet. 24 % bzw. 3,9 Mio. Ein- und Zweifamilienhäuser weisen die geringste Energieeffizienzklasse H auf. Der Wärmebedarf aller Ein- und Zweifamilienhäuser in Deutschland summiert sich der Untersuchung nach auf 337 TWh.
Die Wärmewende muss im Gebäudebestand stattfinden
2021 waren Wärmepumpen mit einem Anteil von 54 % erstmals für mehr als die Hälfte aller Heizungen neu gebauter Ein- und Zweifamilienhäusern verantwortlich. Dies bedeutet gleichzeitig, dass der Großteil der insgesamt 154 000 Heizungs-Wärmepumpen des Jahres 2021 in Bestandsgebäuden installiert worden ist. Auf dem 2. Wärmepumpengipfel am 16. November 2022 wurde für 2022 ein Wachstum von ca. 40 % prognostiziert, das würde rund 216 000 Geräten entsprechen.
Um von dieser Basis auf das inzwischen gemeinsame Ziel der Bundesregierung und der Akteure rund um den Wärmepumpenhochlauf – ab 2024 über 500 000 neu installierte Heizungs-Wärmepumpen pro Jahr – zu kommen, müsste in den Jahren 2023 und 2024 der Geräteabsatz um jeweils über 52 % steigen.
Zum Vergleich: Im Jahr 2021 sind in Deutschland insgesamt rund 103 000 neu errichtete Wohngebäude fertiggestellt worden, in 50,6 % dieser Gebäude ist eine Wärmepumpe die primäre Heizenergiequelle. Die Zahlen zeigen: Nicht nur aus energetischen Gründen muss die Wärmewende im Gebäudebestand stattfinden, auch weil der überwiegende Anteil neu eingebauter Wärmeerzeuger hier installiert wird.
EUPD Research
Strombedarf variiert stark
Die Installation einer Wärmepumpe in ein älteres Gebäude weist eine höhere Komplexität auf. Eine grundsätzliche Herausforderung besteht darin, die notwendige Vorlauftemperatur der Wärmeübergabe soweit zu senken, dass sie mit einer Wärmepumpe energieeffizient bedient werden kann. Deshalb wird der Einsatz von Wärmepumpen im Altbau häufig mit einer energetischen Modernisierung in Verbindung gebracht. Doch häufig passt sogar unsaniert oder mit geringfügigen Änderungen bei der Wärmeübergabe die Vorlauftemperatur.
Je nach Energieeffizienz des Gebäudes variiert der jährliche Strombedarf für den Betrieb der Wärmepumpe eines typischen Einfamilienhauses (117 m2 beheizte Wohnfläche, 3 Personen) um den Faktor 10 zwischen ca. 1300 kWh/a in der Effizienzklasse A+ und bis zu 13 000 kWh/a in der Klasse H.
36 bis 73 % des Strombedarfs kann die eigene PV-Anlage decken
Die Installation einer Wärmepumpe-Photovoltaik-Kombination inklusive Stromspeicher kann dazu beitragen, diesen Strombedarf anteilig mit selbsterzeugtem Solarstrom zu decken. Bei einer Kombination der Wärmepumpe mit 15-kWp-Photovoltaik-Leistung und einem 15-kWh-Heimspeicher lassen sich je nach Energieeffizienzklasse des Gebäudes zwischen 36 und 73 % des Strombedarfs direkt (also ohne „das öffentliche Netz als Stromspeicher“) über die eigene Photovoltaik-Anlage decken.
Dr. Martin Ammon, Geschäftsführer der EUPD Research: „Ein Umbau des Wärmesektors von fossilen Brennstoffen zu CO2-neutralen Technologien kann nachhaltig nur gelingen, wenn die Erzeugungsseite des zusätzlich benötigten Stroms gleichzeitig mitgeplant wird. Photovoltaik-Anlagen in Kombination mit Heimspeichern und intelligentem Energiemanagement bieten sich hier als verbrauchsnahe Stromerzeugung an und können zusätzlich dazu beitragen, Belastungen der Stromnetze zu reduzieren.“
„Die Kombination aus Wärmepumpe, Photovoltaik-Anlage und Heimspeicher macht es je nach Anlagendimensionierung möglich, den Stromverbrauch bis zu drei Viertel mit Solarstrom zu decken. Der Einsatz von solarem Eigenstrom liefert einen signifikanten Beitrag zur Ökologie des Wärmepumpenbetriebs und ist insbesondere im Kontext stark steigender Strompreise wirtschaftlich äußerst attraktiv“, ergänzt Dr. Andreas Piepenbrink, Geschäftsführer der HagerEnergy GmbH.
Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier Wärmepumpe
Zukunftsfähiger Wärmepumpenhochlauf
Für einen zukunftsfähigen Umbau im Gebäudesektor von fossilen Wärmeerzeugern zu 100 % erneuerbaren Energien haben zwölf Experten aus dem Bereich Solar- und Wärmepumpensysteme in einem Eckpunktepapier regulatorische und fördertechnische Rahmenbedingungen zur Flankierung des „Aufbauprogramms Wärmepumpe“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz vorgeschlagen.
Zum einen sprechen sie sich dafür aus, dass die Effizienzvorgaben für Wärmepumpen unabhängig von Erneuerbare-Energien-Anteil im Stromnetz und unabhängig vom Wärmepumpentyp festgelegt werden. Zudem soll Technologieoffenheit gewährleisten, dass das Potenzial Innovationen, beispielsweise von PVT-Wärmepumpenkollektoren, ohne Hürden genutzt werden kann. Weiterhin empfiehlt das Eckpunktepapier, das direktelektrische Heizen zu beschränken und enthält konkrete Vorschläge, um den Strombedarf für den Wärmepumpenbetrieb an die Stromerzeugung aus Photovoltaik anzugleichen.
Die Experten raten: Im Rahmen des Aufbauprogramms Wärmepumpe sollte sichergestellt werden, dass für den zusätzlichen Strombedarf mindestens die entsprechende Menge erneuerbaren Stroms produziert wird, und zwar so weit wie möglich zu den Zeiten, zu denen der Bedarf erhöht wird – also nicht basierend auf einer Jahres-, Monats- oder Wochenbilanz. Hierfür enthält das Eckpunktepapier drei sich ergänzende Ansätze.
Als Regellösung werden PV- bzw. PVT-Anlagen vorgeschlagen, wenn Wärmepumpen installiert werden. Dafür könnte die von der Bundesregierung geplante und in einigen Bundesländern bereits beschlossene Solardachpflicht nicht nur bei Neubauten oder grundlegender Dachsanierung greifen, sondern auch beim Einbau einer Wärmepumpe. Übergangsfristen würden eine gegebenenfalls vorher erforderlich Dachsanierung ermöglichen. Ziel sollte sein, dass der selbst produzierte Strom auf Basis einer Monatsbilanz im ungünstigsten Monat mindestens 20 bis 25 % des von der Wärmepumpe verbrauchten Stroms betragen muss.
Ein weiterer Ansatz des Eckpunktepapiers sieht vor, dass regional der Verbrauch und die Produktion der benötigten erneuerbare Strommenge während der Heizsaison vom Energieversorger im Gleichgewicht gehalten werden. Ein dritter Ansatz schlägt Anreize für größere Objekte mit einem Wärmebedarf von z. B. mehr als 150 MWh/a zur Installation von Hybridanlagen, bestehend aus Solarthermie- bzw. PVT-Anlage, Wärmepumpenanlage und KWK-Anlage in Kombination mit möglichst teilsaisonalen thermischen Energiespeichern, vor.
Das gesamte Eckpunktepapier wird ausführlich in TGA+E 11-2022 von Ulrich Leibfried und Harald Drück erläutert: Aufbauprogramm für Wärmepumpen. Den Wärmepumpenhochlauf zukunftsfähig ausgestalten
