Solarstrom und Wärmepumpe kombinieren

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Ratgeber: Was bringt es, Solarstrom und Wärmepumpe zu kombinieren?

Die staatliche Einspeisevergütung für selbst erzeugten und ins öffentliche Netz eingespeisten Solarstrom sinkt stetig. Wer deshalb versucht, den regenerativen Strom selbst zu verbrauchen, reduziert die Strommenge, die vom Stromanbieter gekauft werden müsste, um den Haushalt elektrisch zu betreiben. Je höher der Eigenverbrauch ist, desto weniger teurer Netzstrom muss gekauft werden. Ein Stromverbraucher im Haushalt könnte eine Wärmepumpe sein, die den Strom in nutzbare Wärme für Warmwasser und/oder Heizung umwandelt. Lesen Sie hier, was die Kombination aus Solarstrom und Wärmepumpe Ihnen bringt.

Wer die Vor- und gegebenenfalls Nachteile einer Kombination aus Solarstrom und Wärmepumpe verstehen will, muss wissen, welche Technik und Technologie hier miteinander kombiniert werden.

Solarstromanlage plus Wärmepumpe – die technischen Grundlagen

Wie macht eine Solarstromanlage Strom?

Eine Solarstromanlage (kurz: Solaranlage) erzeugt aus Sonnenenergie elektrische Energie, also Strom. Dazu wandeln ihre Solarzellen einen Teil der Sonnenstrahlung in Elektrizität um. Die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie wird Photovoltaik (Technologie) und die entsprechende technische Anlage wird Photovoltaik-Anlage (Technik), kurz: PV-Anlage, kürzer: PVA, genannt.

Haus und Carport mit Solaranlage © arsdigital, fotolia.com
Die Solarstromanlage wandelt Solarenergie in nutzbaren Solarstrom um. Der selbst erzeugte regenerative Strom ist nicht nur effizient gemacht, sondern inzwischen auch deutlich günstiger als herkömmlicher Netzstrom: Die Sonne schickt keine Rechnung! © arsdigital, fotolia.com

Die Solarzellen werden in Reihen verschaltet zu Solarmodulen zusammengesetzt, die als kleinste zu unterscheidende Bausteine der Solarstromanlage gelten. Auch diese werden verbunden, so dass sich die typischen Modul-Flächen ergeben. Die kommen auf eine Unterkonstruktion und werden optimal gen Sonne ausgerichtet auf das Hausdach, Carportdach oder auf eine Freifläche installiert. Dort werden die Module von Sonnenlicht getroffen und wandeln dieses in Gleichstrom um.

Ein Wechselrichter übernimmt es, den Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umzuwandeln, der entweder

  • ins öffentliche Netz (bei netzgekoppelten Anlagen)
  • und/oder ins Stromversorgungsnetz des Haushaltes

eingespeist werden kann. Bestenfalls gehört ein Stromspeicher (Akku, Batterie) zum Haushalt, der den Solarstrom, der von der elektrisch betriebenen Haustechnik sowie den Elektro-Geräten des Haushaltes aktuell nicht verbraucht wird, zwischenspeichert, um ihn zeitversetzt zur Verfügung zu stellen (siehe unten).

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Wie macht eine Wärmepumpe Wärme?

Erdkollektor Wärmepumpe © arahan, fotolia.com
Eine Erdwärme-Wärmepumpe nimmt die mit den Kollektoren im Erdreich gespeicherte Solarwärme auf und erhöht deren Temperatur weiter, um Ihnen Wärme für Warmwasser und Heizung zu liefern © arahan, fotolia.com

Eine Wärmepumpe ist eine technische Maschine (Technik). Sie verrichtet technische Arbeit, indem sie die gespeicherte thermische Energie (Wärme) der Sonne aus einem Reservoir (meist: die Umgebung, darin die Energiequellen: Luft, Grundwasser, Erdboden) mit vergleichsweise niedriger Temperatur abgreift, diese noch weiter erhitzt und sie schließlich einem System (Raumheizung, Warmwasserbereitung) zuführt, das eine vergleichsweise höhere Temperatur innehat und das es zu beheizen gilt. Die Technologie dahinter ist prinzipiell ein umgekehrter Wärme-Kraft-Vorgang und lässt sich als die Umkehr dessen beschreiben, was ein Kühlschrank tut.

Wärmepumpen Funktionsschema © arahan, fotolia.com
Die Grafik zeigt schematisch, wie eine Wärmepumpe arbeitet und dabei aus der Umgebungswärme (in Erdreich, Grundwasser oder Luft gespeicherte Solarwärme) nutzbare Wärme für Warmwasser und Heizung erzeugt. © arahan, fotolia.com

Unabhängig von den technischen Varianten, die es bei Wärmepumpen gibt, lässt sich ihre Funktionsweise mit folgenden Schritten beschreiben:

  • Der Verdampfer der Wärmepumpe enthält flüssiges Kältemittel. Das hat die Eigenschaft, bei vergleichsweise geringer Temperatur zu verdampfen. So reicht dazu unter anderem schon die Wärme aus dem Erdboden (alternativ aus Luft und Grundwasser), die von den dort verlegten Flächenkollektoren an die Wärmepumpe und von ihr auf das Kältemittel übertragen wird.
  • Das so von flüssig in gasförmig umgewandelte Kältemittel verdichtet (komprimiert) ein Kompressor. Infolgedessen erhöhen sich Druck und Temperatur des Kältemittels.
  • Als Nächstes kommt das komprimierte Kältemittel in einen Kondensator (Verflüssiger), wo es verflüssigt wird. Die dabei frei werdende Kondensationswärme wird auf das Heizungssystem des Gebäudes übertragen.
  • Noch steht das Kältemittel unter Druck. Es wird dann durch ein sogenanntes Expansionsventil (Entspannungsventil) geführt und so wieder auf sein ursprüngliches geringes Druckniveau gebracht.
  • Anschließend gelangt das Kältemittel wieder zum Verdampfer, wo der Vorgang erneut startet.

Im Ergebnis sorgt die Wärmepumpe so für Ihre warme Heizung und Ihr Warmwasser, gleichwohl sie die Erdwärme aus dem Erdboden hinter Ihrem Haus „pumpte“, der unter einer kalten Schneedecke liegt.

Wärmepumpe © Stiebel Eltron
Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Außeneinheit © Stiebel Eltron

Für den Betrieb braucht eine Wärmepumpe Strom. Kommt der aus der haushaltsüblichen Steckdose,

  • entweder als herkömmlicher Strom
  • oder als Ökostrom,

ist er in 2017 mit etwa 0,29 Euro pro Kilowattstunde (kWh) teuer und zudem von großer Ineffizienz gekennzeichnet. Herkömmlicher Strom wird Großteils aus fossilen Brennstoffen oder Kernenergie erzeugt und zu Ihnen transportiert, was mit großen Energieverlusten und einer Menge CO2-Emissionen verbunden ist. Die Klimabilanz von Ökostrom aus Wind, Wasser oder Biomasse ist zwar deutlich besser, Transportverluste sind jedoch auch hier unvermeidbar.

Und wer jetzt auf seinen Wärmepumpenstrom-Tarif pocht, den er von seinem Stromerzeuger geliefert bekommt, sollte beachten, dass sich der preislich immer mehr an den normalen Haushaltsstrom annähert – die Tendenz ist für beide demnach steigend.

Anders sieht es aus, wenn Sie Ihren selbst erzeugten, regenerativen Solarstrom benutzen, um damit die Wärmepumpe zu betreiben:

Solaranlage auf einem Hausdach © smileus, fotolia.com
Die Solarstromanlage auf dem Dach erzeugt regenerativen Strom, den Sie zum Betreiben der Wärmepumpe nutzen können, um Heizkosten, Wärmepumpen-Betriebskosten und CO2-Emissionen zu sparen. © smileus, fotolia.com

Solarstrom hilft, den Strombedarf der Wärmepumpe zu decken

Mit der Kombination aus Solarstromanlage und Wärmepumpe verbinden Sie zwei regenerative Energien,

  • Solarstrom
  • und Umweltwärme (die wohlbemerkt in Luft, Erdreich oder Grundwasser gespeicherte Solarwärme ist),

die die Sonne (Energiequelle) Ihnen gratis anliefert – und zwar buchstäblich bis an Ihre Haustür.

Mit Ihrer Entscheidung für eine Wärmepumpe setzen Sie demnach auf erneuerbare Energie. Das heißt, Sie verbrauchen zum Heizen weniger fossile Energie und heizen stattdessen mit der in Ihrer Umgebung gespeicherten Solarwärme. Damit sparen Sie neben den aus der Energieersparnis resultierenden Heizkosten auch CO2-Emissionen.

Kommt jetzt auch noch der Betriebsstrom für Ihre Wärmepumpe von der Solarstromanlage, reduziert das deren Verbrauch an Strom aus dem Netz und die daraus resultierenden Stromkosten, also: die Betriebskosten der Wärmepumpe.

Wärmepumpe © Martin Winzer, fotolia.com
Die Wärmepumpe im Haus erzeugt Wärme aus der Umgebungswärme und verbraucht dabei Strom. Daraus resultierende Betriebskosten lassen sich mit eigens erzeugtem Solarstrom senken © Martin Winzer, fotolia.com

Mit der Kombi aus Solarstrom und Wärmepumpe sparen Sie also:

  • Heizenergie und damit Heizkosten
  • Betriebsstrom der Wärmepumpe und damit Betriebskosten
  • CO2-Emissionen

Wie viel Strom braucht eine Wärmepumpe und welchen Anteil daran deckt eine Photovoltaik-Anlage?

Der Stromverbrauch einer modernen Wärmepumpe lässt sich grob mit dieser Verhältnismäßigkeit beschreiben: Sie stellt Ihnen

  • drei Viertel bis vier Fünftel Energie (also 75 bis 80 Prozent) als kostenlose Umweltenergie zum Heizen und für Warmwasser zur Verfügung
  • und verbraucht ein Fünftel bis ein Viertel (20 bis 25 Prozent) Strom als Antriebsenergie.

Wobei sich der Stromverbrauch der Wärmepumpe typbedingt und in Abhängigkeit von den Bedingungen vor Ort unterscheidet.

Prinzipiell verbrauchen Erdwärmepumpen und Wasser-Wärmepumpen weniger Betriebsstrom als Luft-Wärmepumpen. Die Kosten, die sich aus dem Stromverbrauch der Wärmepumpen ergeben, lassen sich mit Hilfe von geräte- und haushaltsspezifischen Kennwerten berechnen. Die Formel lautet:

Heizleistung durch (Jahresarbeitszahl; JAZ) mal Heizstunden mal Wärmepumpentarif) = Stromkosten WP/a

Die JAZ  spiegelt das Verhältnis davon wider, wie viel Energie die Wärmepumpe im Jahr an die Heizung abgibt und wie viel elektrische Energie sie aufnimmt. Sie ist damit ein Kennwert der Wärmepumpe, der Ihnen über deren Qualität und Effizienz Auskunft gibt. JAZ-Werte zwischen 3,5 und 4 gelten als gut.

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sagt,

  • dass Sie mit der Kombi aus einer kleineren Solarstromanlage und einer Wärmepumpe Ihren Eigenverbrauch an Solarstrom von 30 auf 45 Prozent steigern können.
  • Setzen Sie zudem einen geeigneten Solarstromspeicher ein, können Sie mit der Wärmepumpe demnach sogar etwa 70 Prozent des Photovoltaik-Stroms selbst verbrauchen.

Stromspeicher im Haus hilft, Eigenverbrauch zu maximieren

Nun liefert eine Solarstromanlage dann Sonnenstrom, wenn die Sonne direkt oder indirekt strahlt. Das Angebot an Strom deckt sich nicht immer mit der Nachfrage der Stromverbraucher im Haushalt. Ein geeigneter Solarstromspeicher kann hier Abhilfe schaffen, indem er dann, wenn alle Verbraucher versorgt sind, den überschüssigen Solarstrom speichert. Diesen gibt er nach Nachfrage zeitversetzt ab: an die Verbraucher, darunter auch die Wärmepumpe.

Ist auch ein Warmwasserspeicher Teil der Heizungsanlage, ließe sich überschüssige Wärme für Warmwasser und Heizung darin speichern – und damit sogar ein weiterer Teil des überschüssigen Solarstroms.

Fazit

Wer bereits eine Wärmepumpe oder eine Solarstromanlage betreibt, kann auf die Kombi aus beiden setzen und sich die jeweils fehlende Anlage dazu holen. Denn: Die Kombi arbeitet wirtschaftlich, das heißt, sie rechnet sich. Zumal Sie für die Wärmepumpe und die Photovoltaikanlage auch mit staatlichen Förderungen rechnen können.

Tipp: Wissen sollten Sie jedoch, dass sich Strom- und Wärmeversorgung noch regenerativer und wirtschaftlicher gestalten lassen: zum Beispiel mit einer Solarthermie-Anlage in Kombi mit einem Langzeitwärmespeicher und einer Solarstromanlage mit einem Stromspeicher.
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