Der richtige Speicher für meine Photovoltaik-Anlage?

Installiert man eine 5 kWp PV bzw. Photovoltaikanlage auf ein durchschnittliches Einfamilienhaus, so kommt man in der Regel auf einen Eigenverbrauch von rund 30%. Interessierte Bewohner passen unter Umständen ihre Lebensgewohnheiten an die Sonnenstromproduktion an, waschen ihre Wäsche oder Geschirr gezielt in einer Sonnen-Optimalen Zeit und erreichen somit ein paar Prozentpunkte mehr an Eigenverbrauch. Spätestens mit einer ernüchternden Abrechnung der eingespeisten Energie durch den Energieversorger erwachen viele Photovoltaikanlagenbesitzer und fragen sich, wie kann man auf einfache Art und Weise seinen Eigenverbrauch erhöhen?

Die Anpassung der Lebensgewohnheiten bringt nur mäßigen Erfolg. Für eine deutliche Erhöhung des Eigenverbrauches kommt man um eine Speicherlösung nicht herum. Wir haben für Sie die Möglichkeiten dafür geprüft.

Als Grundlage haben wir eine 5 KWp Anlage mit einer Süd-Ausrichtung und 15° Neigung im südbayrischen Raum herangezogen. Das Gebäude ist ein klassisches Einfamilienhaus und wird von 4 Personen, 2 Erwachsenen und 2 Kindern, bewohnt.

Welche Optionen der Energiespeicherung gibt es?

Grundsätzlich stehen heute 2 Varianten der Energiespeicherung zur Verfügung. Entweder kann die Energie in einem Batteriespeicher oder in einer Power-To-Heat Lösung also im Warmwasser oder als Heizwärme im Gebäude gespeichert werden.

Der Batteriespeicher:

Ein Batteriespeicher speichert direkt die elektrische Energie. Bei den Batteriespeichern gibt es neben der Lebensdauer (Ladezyklen), die wir hier nicht betrachten, vor allem 3 Kennzahlen, die wichtig für die Erhöhung des Eigenverbrauches sind.

Die Lade- bzw. Entladeleistung: Diese gibt an, wie rasch die Energie in den Speicher geparkt werden kann. Sie gibt sinngemäß an, wie „dick“ die Leitung zum Speicher ist.

PV-Ertrag 5 kWPu2kw

Ein handelsüblicher Batteriespeicher kann mit ca. 2 kW geladen und entladen werden ohne zu überhitzen. Steht in einer Photovoltaik-Phase deutlich mehr Leistung an, kann diese nicht dem Speicher zugeführt werden. In der oben angeführten Grafik sehen wir bei unserem Musterhaus, dass ein Gesamtüberschuss von 3587 kWh/a zur Verfügung steht. Fast 90% dieses Überschusses sind unter 2 kW. Eine Ladeleistung von 2 kW ist somit ausreichend.

Die Speicherkapazität: Diese gibt an, wie viele kWh Energie im Speicher geparkt werden kann. Eine übliche Größe liegt hier bei ca. 5 kWh bis 7 kWh.

PV-Ertrag 5 kWP-5-7

Die Balken im obigen Diagramm zeigen den Gesamtüberschuss und den Überschuss kumuliert je Tag unter 5 kWh und unter 7 kWh. Je nach Größe des Batteriespeichers kann somit ein Überschuss von 1444 kWh/a bzw. von 1905 kWh/a zusätzlich gespeichert und der Eigenverbrauch erhöht werden. Zu beachten gilt, dass ein Speicher Umwandlungsverluste und Standbyverluste hat. In der Regel liegen diese bei ca. 10%.

Es ergibt sich somit folgende Situation:

Eigenverbrauch Prozent
Ohne Batteriespeicher 1467 kWh/a 29%
Batteriespeicher 5 kWh 2911 kWh/a 55%
Batteriespeicher 7 kWh 3035 kWh/a 63%

Bei Kosten von ca. 6.000 € für einen fertig installierten und in Betrieb genommenen Batteriespeicher wie der Tesla Powerwall  von 5 kWh und einer Erhöhung des Eigenverbrauches von 1444 kWh/a rechnet sich dieser nach rund 19 bis 30 Jahren. Man  benötigt somit einen gewissen Idealismus.

PV-Speicherung im Warmwasser und im Heizsystem:

Das Warmwasser und das Heizsystem stellen einen idealen Speicher für die PV-Anlage dar. Es können große Energiemengen gespeichert werden. Wie man bereits bei dem Batteriespeicher gesehen hat, sind jedoch für eine zeitnahe Amortisation neben den Einspareffekten vor allem auch die Investitionskosten von Bedeutung.  Wir haben daher zur Bewertung der Speicherlösung eine innovative, günstige und kompakte Wärmepumpen-Warmwasser-PV-Speicherlösung herangezogen. Diese Kompaktwärmepumpe stellt zur Zeit die Wärmepumpe mit dem größten integrierten Speicher dar.

Power-To-Heat-Speicherlösung von OVUM Heiztechnik mit folgenden Eckdaten:

  • Kompaktwärmepumpe NHWP06S+
    Integrierter Wasserspeicher: 500 ltr, 20 kWh
    Integriertes Frischwassersystem in der Wärmepumpe
    Heizkreisabgang für bis zu max. 9,5 kW bzw. ca. 270 m² Wohnfläche
    Stufenlos modulierende Wärmepumpe für einen PV-Bereich von 500W bis 3500W
    Automatischen Anpassen der Heizleistung an das Angebot der Photovoltaikanlage
    Elektroheizstab für Spitzen-PV-Angebote: 4 kW
    Steckerfertige Lösung inkl. Lade- und Entladetechnik

Dieses Produkt sorgt für warmes Wasser für bis zu 8 Personen und kann eine Wohnfläche von bis zu 270 m² monovalent beheizen. Die Besonderheit an diesem Produkt liegt daran, dass es eine komplette fertige Lösung darstellt. Die Wärmepumpe OVUM NHWP erkennt von selbst, wann kostenloser Überstrom zur Verfügung steht, nützt diesen und speichert bis zu 20 kWh Wärme ab. Auch das Entlademanagement ist enthalten, wodurch es eine einfache Plug&Play-Lösung darstellt.

Wir haben für dieses Produkt nun berechnet, wie viel kostenlose überschüssige Energie tatsächlich für das Warmwasser und die Heizung genutzt werden kann, und sind zu folgendem Ergebnis gekommen.

PV-Ertrag 5 kWP12_3

Die blaue Fläche stellt hier den Eigenverbrauch des Hauses dar. Darüber hinaus stellt die gelbe Fläche den Verbrauch des kostenlosen Überstromes dar, den die kompakte PV-Wärmepumpenlösung NHWP nutzen kann. Die orange Fläche stellt den restlichen Überstrom dar, der eingespeist wird. Zu beachten ist hier, dass in den Wintermonaten die NHWP sehr schön den gesamten PV-Überstrom nutzt.

Eigenverbrauch Prozent
Ohne Wärmepumpe NHWP 1467 kWh/a 29%
Mit Wärmepumpe NHWP 3240 kWh/a 64%

Vergleicht man nun die Werte mit dem Batteriespeicher stellt man fest, dass mit dieser kompakten Wärmepumpenlösung der Eigenverbrauch auf das Niveau einer Anlage mit einem 7 kWh Batteriespeicher angehoben werden.

Interessehalber wollten wir noch wissen, wie wichtig die Speichergröße bei einer Power-To-Heat Lösung ist. Die NHWP hat einen 500 Liter- Speicher und hat somit einen Speicher, der für 24 h von einer Sonnen-Periode in die nächste Sonnen-Periode reicht. Wir haben geprüft, wie es sich auswirkt, wenn man einen 2-Tages-Speicher installiert. In diesem Fall spricht man von einem 1000 Liter-Speicher. Alternativ haben wir noch geprüft, wie es sich auswirkt, wenn man nur einen 200 Liter-Speicher installiert.

Es ergaben sich folgende Ergebnisse:

2-Tagesspeicher, 1000ltr: Dieser Speicher kann grundsätzlich einen Schlechtwettertag überbrücken. Er kann mehr Energie speichern, weißt jedoch auch höhere Stillstandsverluste auf. Wenn ein Folgetag auch schönes Wetter hat, hat ein größerer Speicher keinen Vorteil , da ja wieder kostenloser Strom zur Nachladung zur Verfügung stehen würde. Gerade in den Wintermonaten gibt es auch Tage, an denen ein großer Speicher nicht mehr geladen werden kann, ein kleiner jedoch schon. (Siehe Diagramm Oktober bis März)

200 ltr. Speicher in einer alternativen Wärmepumpe: Viele Kompaktwärmepumpen weisen einen kleinen Warmwasserspeicher von rund 200 Liter auf. Neben Problemen beim Komfort kann so ein Speicher praktisch nicht zur PV-Speicherung herangezogen werden. Speicher in dieser Größe müssen nach jedem Zapfvorgang nachgeladen werden, um für den nächsten Zapfvorgang ausreichend Warmwasser zu haben. Um dennoch etwas Speicherkapazität zu erreichen  haben wir  für diesen Speicher eine Temperaturerhöhung von 50°C auf 55 °C angesetzt. Hier gilt jedoch zu beachten, dass oftmals die Speicher auf Grund von Wassermangel bereits in Normalbetrieb auf dem maximalen Temperaturniveau betrieben werden und somit oft gar keine Möglichkeit zur Speicherung bieten.

PV-Ertrag_4

Die blaue Linie stellt die Autonomie mit einem Tagesspeicher dar (OVUM NHWP). Die orange Linie hingegen stellt die Autonomie mit einem 2-Tages-Speicher dar. Es ist hier deutlich zu sehen, dass ein Tagesspeicher in der PV-schwachen Zeit Vorteile bringt. Lediglich in der PV-Hochzeit (AUGUST) kann der 2-Tages-Speicher besser abschneiden.

WW-Autonomie 5 kWp WW-Autonomie 10 kWp
NHWP 80% 91%
1000 Ltr. Speicher 74% 91%
200 Ltr. Speicher 11% 12%

Amortisation:

Ein 7 kWh Batteriespeicher kostet rund 6.000 €.  Die Wärmepumpe NHWP stellt ein vollwertiges Heizsystem dar und erfüllt neben der Speicherfunktion noch die Funktionen der Warmwasserbereitung, Heizung und Kühlung. Wir setzen daher für die NHWP von OVUM die Mehrkosten gegenüber einem herkömmlichen Heizsystem von rund 1.500 € an.

Mehr Investition Erhöhung Eigenverbrauch Amortisation
Batteriespeicher 7 kWh 6.000 € 1568 kWh/a 19 Jahre
NNHWP-Speicherlösung 1.500 € 1773 kWh/a 4 Jahre

(Bild: NHWP, OVUM Heiztechnik GmbH)Messeplanen Intersolar-druck_Seite_2

Zusammenfassung:

Batteriespeicher stellen zwar eine innovative Lösung dar, sind jedoch noch zu teuer. Eine Power-To-Heat-Lösung (das heißt PV-Strom im Warmwasser und der Heizung speichern) sind hierbei aus den oben benannten Gründen die sinnvollere Lösung. Der Warmwasserspeicher sollte jedoch in jedem Fall eine Periode von 24 h überbrücken können und ein Volumen von >450 Ltr. aufweisen. Größere Speicher für eine Überbrückung des Warmwasserbedarfes von bis zu 48h bringen hierbei keinen Vorteil, da sie in der Übergangszeit nicht optimal geladen werden können und höhere Verluste aufweisen.

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7 Punkte die Sie bei einer Kombination von Wärmepumpe und PV-Anlage beachten sollten!

Beschäftigt man sich heute als stolzer Hausbesitzer oder angehender Bauherr mit regenerativen Energieformen landet man unweigerlich bei dem Thema PV-Anlagen sprich Photovoltaikanlagen und Wärmepumpen. Auf der einen Seite haben sich in den letzten Jahren die Investitionskosten für eine PV-Anlage massiv reduziert, auf der anderen Seite bekommt man immer weniger Geld für überschüssigen PV-Strom den man in das öffentliche Netz einspeisen möchte.

Die Lösung ist ein möglichst hoher sinnvoller Eigenverbrauch oder die Speicherung der kostenlosen Energie vom Dach. Heizenergie und Energie für Warmwasser stellen in der Energiebilanz eines Einfamilienhauses die größten Teile dar. Was liegt also näher als den kostenlosen PV-Strom für diese Bereiche zu nutzen.

Bilanz

Ist die Wärmepumpe der perfekte Partner der PV-Anlage?

Eine Wärmepumpe nutzt Strom um kostenlose Wärme aus dem Boden, der Luft oder dem Grundwasser in das Haus zu pumpen. Sie macht dies sehr effizient. Mit 1 kWh Strom können durch den Betrieb der Wärmepumpe bis zu 5 kWh Wärme in das Haus oder das Warmwasser „gepumpt“ werden. Verheizt man den Strom direkt mit einem Heizstab oder Elektroboiler kann man mit 1 kWh Strom nur 1 kWh Wärme erzeugen. Die Wärmepumpe vervielfacht den Energieertrag wodurch sie für das Heizen und Warmwasserbereiten ein unschlagbarer Partner wird.

Für eine effiziente, langlebige Wärmepumpenanlage gibt es einige Punkte die man beachten sollte welche nachfolgend angeführt sind.

Die Modulation

Wärmepumpen werden entweder nach dem EIN/AUS-Prinzip betrieben oder moderne Anlagen, stufenlos modulierend. Bei modulierenden Anlagen passt sich die Leistung der Wärmepumpe in der Regel dem Bedarf des Gebäudes oder des Warmwassers an.  Kostenloser PV-Überstrom ist nicht konstant. Er variiert je nach Jahreszeit, Bewölkung und Tageszeit. Modulierende Wärmepumpen sind hier ideal da diese in der Lage sind Ihre Leistungsabgabe und somit auch Ihre Leistungsaufnahme zu verändern. Ideal ist somit eine modulierende Wärmepumpe die Ihre Leistung nicht nur an den Bedarf anpassen kann sondern auch an das momentane PV-Angebot. Womit wir beim nächsten Punkt wären.

Tiefe Integration der PV-Überstromnutzung in die Wärmepumpensteuerung:

Für eine optimale Nutzung des kostenlosen Photovoltaik-Überstroms mit der Wärmepumpe ist eine tiefe Integration dieser Funktion in der Wärmepumpensteuerung erforderlich. Nur die Wärmepumpe weiß wo Wärme benötigt wird oder wo Wärme gespeichert werden kann. Nur sie kann entscheiden ob die Drehzahl (Leistung) der Wärmepumpe ohne Komfortverlust erhöht oder reduziert werden kann. Externe Optimierungssteuerungen führen hier in der Regel zu keinem Erfolg. Bei einer tiefen Integration dieser Funktion in der Wärmepumpe kann das kostenlose PV-Angebot durch Temperatur- und Drehzahlanpassungen optimal genutzt werden.

Kompatibilität von Wärmepumpe und Photovoltaikanlage:

Die Wärmepumpe und die PV-Anlage sollten voneinander unabhängig funktionieren. Die Wärmepumpe sollte mit allen PV-Anlagen und Wechselrichtern zusammenarbeiten können. Kann die Wärmepumpe nur mit einem oder mehreren bestimmten Wechselrichtern (Photovoltaikanlagen) zusammen arbeiten besteht das Risiko, dass bei einer Änderung der Anlagenzusammenstellung (z.B. nach 10 Jahren) keine Kompatibilität mehr besteht.

Die richtige Größe des Warmwasserspeichers:

Ein durchschnittlicher 4-Personenhaushalt benötigt pro Tag ca. 180-200 Ltr Warmwasser. Diese Menge muss in solch einem Haushalt ständig vorgehalten werden damit immer ausreichend Warmwasser zur Verfügung steht. Will man nun das Warmwasser mit kostenlosen PV-Überstrom bereiten ist dies nur möglich, wenn man einen Warmwasserspeicher mit der 2-2,2-fachen Bedarfsmenge installiert hat. In diesen Fall ca. 500 Ltr. Der 500 ltr. Speicher kann somit zu Mittag mit kostenlosen Strom geladen werden, am Nachmittag, Abend und Morgen kann geduscht und gebadet werden und am Folgetag zu Mittag wieder mit kostenlosen Strom erneut aufgeladen werden. Man kann mit solch einem System nahezu von April bis September autonom sein Warmwasser bereiten.

Hat man nur einen 200 oder 300 ltr Warmwasser-Speicher ist eine PV-Überstromsteuerung nicht möglich. Der Sensor im Speicher spricht hier nach ca. 100 ltr. Verbrauch an und spätestens am Morgen wird die Wärmepumpe entscheiden nachzuladen. Der Speicher wird somit bereits voll sein, wenn kostenloser Strom verfügbar wäre.

Ein Frischwassersystem.

Bei einem Frischwassersystem wird im Trinkwasserspeicher nicht direkt das Trinkwasser gelagert, sondern nur die Energie. Das Trinkwasser wird in Sekundenschnelle frisch und hygienisch bereitet. Neben den hygienischen Vorteilen bietet dieses System bei einer PV-Anlage einen wertvollen zusätzlichen Nutzen. Frischwassersysteme werden bei Wärmepumpen in der Regel mit Temperaturen von unter 50°C betrieben. Herkömmliche Warmwasserspeicher müssen aus hygienischen Gründen (Legionellen) immer auf 60°C gehalten werden. 60°C stellt jedoch bei modernen Heizungswärmepumpen die Einsatzgrenze dar. Hat man nun ein Frischwassersystem, erhält man zum einen trotz großem Speichervolumen von 500 Ltr. immer frisches Warmwasser, zum anderen kann zusätzlich kostenlose PV-Energie im Warmwasserspeicher gespeichert werden indem dieser von 50°C auf bis zu 60°C geladen wird.

Die Isolation:

Ist ein Speicher erst einmal geladen ist es wichtig, dass dieser auch die Energie lange Zeit bereithalten kann. Eine ausreichende Isolation des Speichers und der Anschlussleitungen ist hier von großer Bedeutung.

 Die Förderung:

Wärmepumpen werden in Deutschland z.B. durch die BAFA oder das 10.000-Häuser-Programm und der KfW gefördert. In Österreich durch die Wohnbauförderung und die KPC. Auch in der Schweiz gibt es Förderungen bei durchdachten Anlagenkonzepten. Achten Sie darauf, dass Ihre Wärmepumpe, Ihr geplantes System in den Förderprogrammen gelistet ist. 

Auch wenn die Investition für eine Fotovoltaikanlage verschoben wird sollten Sie bei der Auswahl Ihres Heizsystems, Ihrer Wärmepumpe obige Punkte beachten. PV-Anlagen werden immer günstiger und der Zeitpunkt wo Sie eine Anlage nachrüsten kommt bestimmt. Aufwändige Anpassungen und umbauten können so vermieden werden.

Für das Einfamilienhaus bis 220m² gibt es bereits kostengünstige Kompaktgeräte (WP+Speicher in einem Gerät) die diese Funktionen sicherstellen. Eine Wärmepumpe die als eine der Top 3 Innovationen beim Staatspreis Verena für Innovationen in Österreich 2017 ausgezeichnet wurde, die NHWP von OVUM Heiztechnik GmbH, stellt zur Zeit die beste Lösung für das moderne Einfamilienhaus dar. Für größere Objekte ist eine Kombination aus einer getrennten Wärmepumpe und einem Warmwasserspeicher zu wählen.