Photovoltaik und Warmwasser

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Mit Photovoltaik warmes Brauch- und Trinkwasser erzeugen

Um die Energie der Sonne für die Brauchwassererwärmung zu nutzen, wird normalerweise eine Solarthermie-Anlage installiert. Ist das Hausdach bereits mit einer ausreichend großen Photovoltaikanlage ausgestattet oder besteht die Möglichkeit, diese zu erweitern, kann das Trinkwasser auch mit selbst erzeugtem Strom erwärmt werden. Der große Vorteil in beiden Fällen: Die Heizungsanlage bleibt außerhalb der Heizperiode meistens ausgeschaltet. Wir stellen die Alternativen vor und erklären, wie das Aufheizen von Trinkwasser mit Photovoltaik funktioniert.

Warmwasser: Wohlig warmes Wasser beim Duschen © torwaiphoto, stock.adobe.com
Wohlig warmes Wasser mit Photovoltaik-Strom erzeugen © torwaiphoto, stock.adobe.com

Wie rechnet sich die Erzeugung von Warmwasser mit PV-Strom?

Duschen, spülen, Hände waschen – täglich läuft viel warmes Wasser aus unseren Leitungen. Die Statistik besagt: Gemessen am gesamten Energieverbrauch der privaten Haushalte in Deutschland benötigt die Bereitstellung von Warmwasser durchschnittlich 12 Prozent. Wird das Wasser elektrisch erhitzt, macht dies rund ein Viertel des Stromverbrauchs in einem Haushalt aus. (Quelle: Umweltbundesamt) Wie schön, wenn die Sonne ihren Beitrag zur Warmwassererwärmung leistet.

Tipp: Beim Duschen eine Wassersparbrause (Sparduschkopf) einsetzen! Diese reduzieren den Wasserdurchfluss von 12-15 auf 6-9 Liter pro Minute. Laut Umweltbundesamt kann ein Zwei-Personen-Haushalt damit durchschnittlich 20.000 Liter Wasser pro Jahr einsparen (berechnet von der unabhängigen Forschungs- und Beratungseinrichtung Öko-Institut e.V.). Auch mit einer speziellen Waschtischgarnitur lässt sich sparen – wenn bei mittiger Position des Hebels nur kaltes Wasser fließt. Z.B. Linie „ColdStart“ von hansgrohe.
Sparen beim Warmwasserverbrauch
Sparen beim Warmwasserverbrauch

Ob sich die Erzeugung von Warmwasser mit PV-Strom rechnet, hängt nicht zuletzt vom Datum der Inbetriebnahme ab. Bei älteren Anlagen mit einer attraktiven Einspeisevergütung ist von der Wärmeerzeugung mit Photovoltaik abzuraten. Anders sieht es aus bei sehr jungen Anlagen und solchen, die aufgrund ihres Alters nur noch die reduzierte Einspeisevergütung bekommen. Hier ist es sinnvoller, den eigenen Solarstrom selbst zu nutzenfür die Warmwasserbereitung allerdings nur dann, wenn ein Überschuss an Strom produziert wird.

drei Arten der Warmwasserbereitung:

  • Elektrische Warmwassergeräte
  • Heizstab mit Warmwasserspeicher
  • Warmwasser-Wärmepumpe

Diese schauen wir uns jetzt einmal näher an:

Elektrische Geräte zur Warmwasserbereitung

Zwei der bekanntesten Heizmedien werden ausschließlich mit Strom betrieben: Boiler und Durchlauferhitzer. Beide halten ständig warmes Wasser bereit. Mit einem Unterschied: Im Boiler wird Wasser erwärmt und im Temperaturbereich zwischen 35 und 85 °C warmgehalten. Der Durchlauferhitzer speichert kein warmes Wasser, sondern erhitzt immer nur das durchfließende Wasser auf die eingestellte Temperatur (meist zwischen 30 und 60 °C).

Das hat folgende Auswirkungen:

Boiler mit Speicher müssen das Wasser auf einer permanent gleichmäßigen Temperatur halten und verbrauchen daher relativ viel Energie. Um die Energieverluste etwas zu reduzieren, wird empfohlen, Kleinmengenwasserspeicher zwischendurch auszuschalten. Die Geräte heizen sehr schnell wieder hoch. Gegen Legionellen hilft ein intervallmäßiges Aufheizen.

Durchlauferhitzer heizen lediglich das durchlaufende Wasser auf, sodass keine Speicherverluste auftreten können. Der Energieverbrauch ist entsprechend niedriger. Gradgenau einstellbar hat das Wasser zudem immer die gewünschte Temperatur. Da kein Warmwasser vorgehalten wird, besteht keine Gefahr von Legionellenbildung.

Unterschied zwischen Boiler und Durchlauferhitzer
Unterschied zwischen Boiler und Durchlauferhitzer

Angeboten werden die Geräte auch unter folgenden Namen:

  • Kleinspeicher: Boiler mit einem Fassungsvermögen von 5 bis 15 Litern
  • Untertischgerät: Kleinspeicher, manchmal auch Durchlauferhitzer, die unter dem Waschtisch oder Spültisch montiert werden
  • Untertisch-Boiler: Kleinspeicher, die unter dem Waschtisch oder Spültisch montiert werden
  • Warmwasserspeicher/Warmwasserboiler: Boiler jeder Größe. Zu den Kleinspeichern gesellen sich auch große Wasserspeicher mit einem Fassungsvermögen von 200 bis 300 Litern. Sie dienen der Wasserversorgung eines ganzen Einfamilienhauses.
  • Kleindurchlauferhitzer: Durchlauferhitzer für geringe Wassermengen. Die Geräte sind nicht kleiner – schließlich entfällt ein Speicher –, sie müssen aber nicht an das Starkstromnetz angeschlossen werden.
Elektronischer Durchlauferhitzer
Elektronischer Durchlauferhitzer
Tipp: Die Verbraucherzentrale rät zu elektronischen Durchlauferhitzern der Energieeffizienzklasse A+ und einer Leistung von „um 21 kW“. Ein Hinweis gilt auch den Betriebskosten eines strombetriebenen Geräts: Strom sei teurer als beispielsweise Öl und Gas und Durchlauferhitzer daher selten die kostengünstigste Art der Wassererwärmung. Vorteilhaft seien sie, wenn die Zapfstellen in der Wohnung oder im Haus weit auseinander liegen oder der Wasserverbrauch wie in einem Ferienhaus gering ist.

Damit der Eigenstrom auch für die direkt-elektrische Warmwassergewinnung ausreicht, muss die PV-Anlage schon ziemlich üppig dimensioniert sein. Alternativ kann sich ein Stromspeicher, der die produzierte Energie eine Weile vorhält, lohnen. Doch wie groß muss dieser sein? Als Richtwert gilt: Pro 1.000 kWh Jahresverbrauch sollte eine Batteriekapazität von 1 kWh einkalkuliert werden. Dies betrifft jedoch nur den „normalen“ Stromverbrauch im Haushalt. Kommen Elektroauto und/oder Systeme zur Heizungswasser- bzw. Warmwassererzeugung hinzu, besteht natürlich deutlich mehr Bedarf. Den Energiespeicher richtig zu dimensionieren, gehört zu den entscheidenden Planungsfaktoren. Pauschale Angaben helfen hier nur wenig, ein ortsansässiger Solarteur kann die individuelle Situation am besten einschätzen.

Richtig dimensioniert wirkt der Batteriespeicher am besten
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Heizstab für die Erwärmung von Trinkwasser nutzen

Konventionelle Heizungsanlagen werden im Sommer nur zur Brauchwassererwärmung benötigt. Um ihren Wirkungsgrad zu steigern/ sie nicht übers ganze Jahr parallel betreiben zu müssen, können die beiden Systeme für Heizung und Trinkwasser auch entkoppelt werden. Heizwasser wird dann im Pufferspeicher, Trinkwasser im Warmwasserspeicher erwärmt.

Der Heizstab funktioniert im Prinzip wie ein Tauchsieder
Der Heizstab funktioniert im Prinzip wie ein Tauchsieder
Der Heizstab funktioniert im Prinzip wie ein Tauchsieder
Photovoltaik und Heizen mit Heizstab

Mit einem Heizstab das Heizwasser im Pufferspeicher erwärmen Mit einem regelbaren Brenner ausgestattete Öl- und Gasheizungen benötigen keinen Pufferspeicher. Andere… weiterlesen

Was ist ein Warmwasserspeicher und wie groß sollte er sein?

Erwärmtes Trinkwasser bzw. Brauchwasser wird gemeinhin als Warmwasser bezeichnet – in Abgrenzung zum Heizungswasser oder Heizwasser. Letzteres ist das Wasser fürs Heizungssystem, das durch die Heizungsrohre dorthin und in einem Kreislauf wieder zurück läuft. Gespeichert wird es im Pufferspeicher.

Im Warmwasserspeicher wird das zum Verbrauch bestimmte Trinkwasser gespeichert. Nach der Nutzung fließt es natürlich nicht in den Speicher zurück, sondern verschwindet in der Kanalisation. Die erforderliche Speichergröße richtet sich nach der Anzahl der Personen im Haushalt und deren Verbrauchsgewohnheiten. Als Richtwert werden pro Person 40 Liter Volumen angesetzt. Wird das Wasser mit Solarenergie aufgeheizt, sollte das Fassungsvermögen bei ca. 80 Litern pro Person liegen. Für die Warmwasserspeicherung kann ein bestehender Pufferspeicher durch einen Kombispeicher ersetzt oder um eine Station für die Trinkwasserbereitung ergänzt werden.

Hinweis: Anders als im Pufferspeicher können sich im Warmwasserspeicher für Trinkwasser gefährliche Legionellen bilden. Ein regelmäßiges Aufheizen auf 60 °C verhindert dies.

Trinkwasser im Frischwasserspeicher erwärmen

Die einfachste Methode, mit Photovoltaik-Strom das Wasser im Speicher zu erhitzen, ist die Verwendung eines Heizstabs. Heizstäbe, auch Heizpatronen, sind elektrische Heizelemente, die ähnlich wie ein Tauchsieder funktionieren. In einen Trinkwasserspeicher eingebaut, heizen sie das darin vorhandene Wasser elektrisch auf. Durch die nur geringen Energieverluste ist der Wirkungsgrad hoch.

Das Prinzip ist nicht anders als bei einem Heizstab für Pufferspeicher. Wichtig ist, dass eine Steuerungseinheit den Einsatz der PV-Anlage für die Warmwassererzeugung intelligent regelt, d.h. den Heizstab nur dann aktiviert, wenn ein Überschuss an Photovoltaikstrom produziert wird.

Vorteile eines Heizstabs im Vergleich zur Solarthermie-Anlage

Über PV-Anlagen gespeiste Heizstäbe arbeiten sehr effektiv. Abhängig von der Größe der Solaranlage und des Warmwasserbedarfs im Haushalt können 80 Prozent und mehr des Warmwassers mit Solarstrom gedeckt werden. In den Sommermonaten sind sogar bis zu 100 Prozent möglich. Das Gute daran: Die Heizungsanlage kann außerhalb der Heizperiode komplett ausgeschaltet werden.

Zielt man auf die solare Wassererwärmung, ist eine Solarthermie-Anlage zunächst einmal naheliegender als eine Photovoltaik-Anlage. Für die Solarthermie-Anlage spricht vor allem, dass der Energieertrag je Quadratmeter höher ist als bei einer PV-Anlage. Im weiteren Vergleich jedoch kann die Photovoltaik mehr Vorteile aufweisen:

  • Die technische Ausrüstung ist weniger umfangreich. So sind z.B. kein Wärmetauscher und kein gedämmtes, vom Keller bis zum Dach zu verlegendes Rohrsystem erforderlich.
  • PV-Anlagen benötigen keine Anlauftemperatur und erzeugen auch bei Bewölkung Strom.
  • Niedrige Außentemperaturen bedeuten nicht zugleich eine niedrige Stromproduktion – wohl aber Einbußen beim solarthermischen Aufheizen von Wasser.
  • Eine Erweiterung ist bei Fotovoltaikanlagen unkomplizierter.
  • Der Wirkungsgrad eines elektrisch betriebenen Heizstabs ist besser, weil er das Wasser nicht durch Temperaturaustausch, sondern durch direkt abgegebene Heizenergie erwärmt.

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Warmwasser-Wärmepumpe mit PV betreiben

Warmwasser-Wärmepumpen gewinnen die Energie auf die gleiche Weise wie Heizungswasser-Wärmepumpen: Sie entziehen sie der Umgebung und wandeln die Umweltenergie mittels Kompression in Wärme um. Angetrieben werden sie mit Strom – entweder aus dem öffentlichen Netz oder der eigenen Solaranlage.

Während klassische Wärmepumpen für die Heizungsunterstützung ausgelegt sind, erhitzen Warmwasser-Wärmepumpen ausschließlich das Trinkwasser. In der Regel hält ein 200 bis 300 Liter fassender Speicher das Wasser einige Stunden auf Temperatur. Ist das System optimal ausgelegt, liefert die Warmwasser-Wärmepumpe ganzjährig warmes Wasser. Die Leistungsaufnahme ist so gering, dass selbst die schwache Winterstrahlung der Sonne genug Energie erzeugen kann.

Tipp: Reicht die Leistung der Warmwasserwärmepumpe in Spitzenzeiten manchmal nicht aus, empfiehlt sich die Ergänzung eines Heizstabs. Dieser wird dann bei kurzzeitig höherem Warmwasserbedarf hinzugeschaltet.

Nicht jede Warmwasser-Wärmepumpe eignet sich für den Betrieb mit Photovoltaik. Die Kennzeichnung mit einem „Smart Grid ready“-Label (kurz „SG ready“) des Bundesverbands Wärmepumpe gibt jedoch Sicherheit. Smart Grid steht für die Einbindung in ein intelligentes Stromnetz. SG-fähige Warmwasserwärmepumpen verfügen über einen Regler, der die Solltemperatur des Warmwassers automatisch steuert. Und: Er signalisiert, wenn günstiger Strom bereitsteht, das kann ein Nachttarif des Stromlieferanten oder die eigene Solaranlage sein.

Tipp: Bei Komplettanlagen sind alle Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt. Solar-Komplettpakete zur Warmwassererzeugung bestehen aus Photovoltaikanlage, Wechselrichter, Energiemanager und Warmwasser-Wärmepumpe.

Clevere Idee für Poolbesitzer: Hybrid-Module

Hybridmodule produzieren sowohl Strom als auch Warmwasser. Sie nutzen nicht nur die Lichtenergie, sondern ebenso die Wärmeenergie der Sonne. Dazu zirkuliert auf der Rückseite der Hybrid-Module eine Kühlflüssigkeit, die über ein Rohrsystem die gewonnene Wärme zum Trinkwasserspeicher transportiert. Es gibt sogar einen positiven Nebeneffekt: Weil die Wärmeenergie aus den Solarmodulen abgeführt wird, sinkt die Temperatur im Inneren und der Wirkungsgrad der Solarzellen erhöht sich.

Die Technik ist allerdings kostenintensiv, was hybride Module vergleichsweise teuer macht. Daher lohnt sich ihre Installation nur dort, wo gerade im Sommer viel warmes Wasser benötigt wird. Liefert die Sonne besonders große Strommengen, interessiert das beispielsweise Hausbesitzer mit einer Poolanlage. Für sie kommen Hybridmodule durchaus in Betracht.

Fazit

Mit einer Photovoltaikanlage lässt sich auf jeden Fall die Eigenverbrauchsquote erhöhen – und damit Stromkosten einsparen. Auf der Haben-Seite steht ebenfalls ganz klar die Reduzierung des CO2-Ausstoßes durch den Verzicht auf fossile Energieträger. Die Warmwasserversorgung kann sowohl mit einem Heizstab als auch mit einer Warmwasser-Wärmepumpe ganzjährig sichergestellt werden. Das schont die Heizungsanlage, weil sie im Sommer komplett ausgeschaltet bleiben kann.

Ob sich ein System auch finanziell lohnt, hängt ganz vom Warmwasserverbrauch der Hausbewohner ab. Denn dieser bestimmt natürlich die Größe der zu installierenden PV-Anlage und des Wasserspeichers. Dass Duschen – und mehr noch Baden – dabei der bestimmende Faktor ist, liegt auf der Hand.

Wie groß ist der Wasserverbrauch beim Baden und Duschen?

Eine Badewanne fasst 150 bis 180 Liter Wasser. Der Wasserverbrauch beim Duschen hängt vom Wasserdurchfluss und der Duschdauer ab. Wir Deutschen verbrauchen bei einem durchschnittlichen 6-Minuten-Duschgang ca. 44 Liter Trinkwasser. (Quelle: Statista)

Der Großteil des Energieverbrauchs wird durch Heizung und Warmwasser verursacht
Photovoltaik und Wärme

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