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Eigenversorgung mit Photovoltaik-Wärmepumpensystemen

Von: Evelyn Bamberger, Robert Haberl, Mattia Battaglia, Michel Haller 
(SPF News-Artikel vom 30.01.2018)

Photovoltaik(PV)-Wärmepumpensysteme werden bei Hausbesitzern immer beliebter. Hersteller solcher Systeme werben dabei mit intelligenten Wärmepumpen, welche eine hohe Eigenverbrauchsquote des erzeugten PV-Stroms ermöglichen sollen. Bisher gab es praktisch keine Möglichkeit um diese Herstellerangaben zu überprüfen. Ein neues Testverfahren des SPF Institut für Solartechnik bietet jetzt Vergleichbarkeit – und hat bereits unerwartete Ergebnisse geliefert.

Immer mehr Hausbesitzer setzen auf PV-Wärmepumpensysteme

Mit der Stromproduktion der PV-Anlage soll der Energiebedarf des Hauses weitgehend selbst gedeckt werden. Das schliesst sowohl den Strombedarf für Licht, Kühlschrank oder Herd ein, als auch den Wärmebedarf für Warmwasser und Heizung. Der Wärmebedarf wird dabei über eine Wärmepumpe bereitgestellt.

Aus finanzieller Sicht ist es sinnvoll, einen möglichst hohen Anteil des produzierten Stroms auch selbst zu verbrauchen. Dies, weil man für den Bezug einer Kilowattstunde vom Elektrizitätswerk mehr bezahlt, als man für die Einspeisung einer Kilowattstunde PV-Strom erhält. Erzeugung und Energiebedarf fallen allerdings nicht immer gleichzeitig an. Für eine hohe Eigenversorgung muss der Strom daher zwischengespeichert werden.

Viele Anbieter von PV-Wärmepumpensystemen werben mit intelligenten Systemen, welche einen hohen Eigenversorgungsgrad ermöglichen. Aber wie gut sind die Systeme wirklich? Wie können sie verglichen werden? Sollte verfügbarer PV-Strom besser in einem thermischen Speicher (in Form von Wärme) oder einem Batterie-Heimspeicher zwischengespeichert werden? Diese und andere Fragen werden am Institut für Solartechnik (SPF) gemeinsam mit Systemanbietern und Energieversorgungsunternehmen in einem vom Bundesamt für Energie (BFE) geförderten Projekt untersucht.

PV-Wärmepumpensysteme werden vergleichbar

Seit längerem gibt es am SPF mit dem Concise Cycle Test ein Verfahren, mit dem Heizungssysteme innerhalb weniger Tage geprüft und die relevanten Systemkennzahlen ermittelt werden können. Dieses Verfahren wurde jetzt für PV-Wärmepumpensysteme erweitert.

Für die Prüfung wird ein komplettes Heizsystem im Labor aufgebaut und muss die in einem 6-Tagesprofil definierten typischen Lasten für Heizung, Warmwasser und Haushaltsstrom decken. Innerhalb der sechs Tage werden die unterschiedlichen Anforderungen aller Jahreszeiten berücksichtigt. Die im Test ermittelten Werte sind direkt repräsentativ für den Betrieb des Systems im Feld über ein Jahr. Abbildung 1 zeigt die Komponenten, die im Prüfstand aufgebaut werden und die Bereiche, die simuliert und emuliert werden.

Abbildung 1: Systemaufbau im Prüfstand (rot) sowie simulierte und emulierte Komponenten (schwarz) für den Systemtest am SPF Institut für Solartechnik

Im Gegensatz zu Feldtests können im Prüfstand die Bedingungen wiederholt werden. Unterschiedliche Systeme und Regelungsvarianten lassen sich damit vergleichen. Auch muss das System nur wenige Tage und nicht ein volles Jahr betrieben werden, um Ergebnisse für alle Jahreszeiten zu liefern.

Neben der Ermittlung relevanter Kennzahlen können auch qualitative Auswertungen erstellt werden. Dazu gehört der in Abbildung 2 dargestellte zeitliche Verlauf der elektrischen Energiebilanz. Gemeinsam mit den ermittelten Kennzahlen geben solche qualitativen Auswertungen Aufschluss über die Güte und das Verbesserungspotenzial von Regelstrategien oder die Effizienz in verschiedenen Betriebszuständen.

Abbildung 2: Gemessener Verlauf von Bezug und Verbrauch elektrischer Energie über 48 h des Testprofils.

Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad

Welche Kennwerte sind überhaupt interessant, damit man als Kunde verschiedene Systeme beurteilen und vergleichen kann? Diese Frage lässt sich leider nicht so einfach beantworten. Üblicherweise werden heute die beiden Werte Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad angegeben.

Die Eigenverbrauchsquote ist das Verhältnis von direkt selbst verbrauchtem PV-Strom zur gesamten PV-Produktion. Der Autarkiegrad setzt den selbst verbrauchten PV-Strom dagegen ins Verhältnis zum gesamten Stromverbrauch des Gebäudes und ist somit ein Mass für die Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz.

Irreführende Angaben oder das Effizienzparadoxon

Leider haben beide Kennzahlen einen grossen Nachteil: Die Werte werden umso besser je ineffizienter das System arbeitet. Dies lässt sich einfach an einem Beispiel verdeutlichen.

Angenommen ein Einfamilienhaus verbraucht 8'000 kWh Strom pro Jahr und hat eine PV-Anlage, die ebenfalls 8'000 kWh pro Jahr erzeugt. Der Verbrauch kann somit bilanziell über ein Jahr selbst gedeckt werden. Man spricht von einem Netto-Null Gebäude.

Weiterhin wird angenommen, dass 2'000 kWh des PV-Stroms direkt (d.h. zeitgleich) im Haushalt verbraucht werden, beispielsweise indem mittags bei hoher PV-Leistung gekocht wird. Weitere 2'000 kWh werden aus einem Batterie-Heimspeicher bezogen, der den PV-Strom bis in die Abendstunden zwischenspeichert. Damit werden z.B. Licht und Fernseher betrieben.

Abbildung 3: Unter der (nicht realistischen) Annahme, dass die Batterie einen Wirkungsgrad von 100 % aufweist, beträgt die Eigenverbrauchsquote 50 %. Der Hausbesitzer nutzt 4'000 kWh des selbst produzierten Stroms und gibt weitere 4'000 kWh ans Stromnetz ab. Für die eingespeiste Menge Elektrizität erhält er eine Vergütung.

Eine ideale Batterie mit 100 % Wirkungsgrad würde für letztere Aufgabe ebenfalls genau 2'000 kWh PV-Strom benötigen. In diesem Fall würde die Hälfte der eigenen PV-Produktion selbst genutzt, weitere 4'000 kWh werden in das Stromnetz eingespeist. Die Eigenverbrauchsquote wäre dann 50 %.

Reale Batteriesysteme haben jedoch einen Wirkungsgrad von ca. 70 - 85 %. Um 2'000 kWh Strom am Abend nutzen zu können, müssen also bis zu 2'860 kWh PV-Strom für die Batterieladung aufgewendet werden.

Der Anteil des PV-Stromes, welcher im Haushalt verbraucht wird, steigt aufgrund des geringeren Wirkungsgrades der Batterie auf 4'860 kWh. Die Eigenverbrauchsquote erhöht sich damit auf 61 %. Betrachtet man einzig die Eigenverbrauchsquote, so scheint es, als ob das System besser arbeiten würde. Dies, obwohl der Anteil Solardeckung an der eigentlichen Nutzenergie gleich gross ist, und gleichzeitig 860 kWh weniger PV-Strom ans Netz geliefert werden.

Grundsätzlich erhöhen Verluste in Batterie und Wärmespeicher also sowohl die Eigenverbrauchsquote als auch den Autarkiegrad – obwohl sie für den Kunden negativ sind.

Abbildung 4: Wird ein realistischer Wirkungsgrad von 70 % für das Batteriesystem angenommen, so beträgt die Eigenverbrauchsquote 61 %. Die höhere Eigenverbrauchsquote suggeriert eine bessere Regelung des Systems. Tatsächlich ist sie aber durch die an der Batterie auftretenden Verluste begründet. Der Hausbesitzer nutzt effektiv immer noch 4'000 kWh des selbst produzierten Stroms – kann aber nur 3'140 kWh in das Stromnetz einspeisen.

Netzbezug und Netzaufwandszahl

Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad sind dennoch interessante Angaben. Sie sollten allerdings um aussagekräftigere Werte ergänzt werden. Hierfür bietet sich der verbleibende Netzbezug an. Dieser besagt, wieviel Strom trotz Eigenverbrauch noch vom Elektrizitätswerk bezogen werden muss. Je geringer dieser Wert, desto mehr Geld spart der Hauseigentümer.

Ein weiterer nützlicher Indikator ist die Netzaufwandszahl. Diese setzt den Netzbezug ins Verhältnis zur gesamten, im Haushalt benötigen Energie für Strom und Wärme. Wiederum gilt: Je niedriger die Netz-aufwandszahl, desto besser.

Gute Einfamilienhaus-Systeme erreichen mit einer auf Netto-Null ausgelegten Photovoltaikanlage Netzaufwandszahlen von ca. 15 - 20 %. Es muss also weniger als ein Fünftel der benötigten Energie aus dem Netz bezogen werden. Der Rest wird durch die PV-Anlage – im Fall einer Wärmepumpe ergänzt durch Umgebungs- oder Erdwärme – selbst vor Ort produziert. Voraussetzung für so gute Werte ist jedoch, dass das Einfamilienhaus sowohl über thermische als auch elektrische Speicher verfügt und diese intelligent eingebunden werden.

Thermische Speicher versus Batterien

Um eine Wärmepumpe möglichst häufig mit PV-Strom zu betreiben, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Entweder wird der PV-Strom in einer Batterie zwischengespeichert und die Wärmepumpe kann diesen zu beliebigen Zeiten nutzen. Oder die Wärmepumpe wird immer dann betrieben, wenn PV-Strom zur Verfügung steht. Dann muss die produzierte Wärme in einem thermischen Speicher zwischengespeichert werden, bis sie für Warmwasser oder Heizung benötigt wird. Welche Variante sollte gewählt werden?

Aus energetischer Sicht lautet die Antwort, dass beide Varianten in etwa zu den gleichen Resultaten führen. Ein thermischer Speicher, der die Wärmeproduktion der Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom aufnehmen kann, erhöht den Eigenverbrauch und senkt die Netzaufwandszahl in etwa gleich stark wie eine Batterie. Thermische Speicher sind im Haus praktisch immer vorhanden. Beispielsweise kann dafür ein Warmwasserboiler verwendet werden. Batterien müssen dagegen zusätzlich angeschafft werden.

Aus wirtschaftlicher Sicht ist daher die Nutzung vorhandener thermischer Speicher immer besser als die Anschaffung einer Batterie. Thermische Speicher können allerdings nicht zur Versorgung des Haushaltsstroms beitragen. Möchte man auch in dieser Anwendung den Eigenverbrauch erhöhen, so wird eine Batterie benötigt. Diese kann aber kleiner ausfallen, wenn zusätzlich ein thermischer Speicher genutzt wird.

Abbildung 5 veranschaulicht dies für ein typisches Einfamilienhaus. Das Speichersystem, welches eine (kleinere) Batterie mit dem (vorhandenen) thermischen Speicher kombiniert, kann den gleich tiefen Netzbezug gewähren, wie das System mit reinem Batteriespeicher. Das kombinierte System macht das allerdings zu tieferen Kosten, da die Batterie günstiger ist.

Abbildung 5 Netzbezug und Gesamtstromverbrauch eines Systems mit Batterie und eines mit Kombination aus Batterie und thermischem Speicher in Abhängigkeit von der Speichergrösse. Das Stromspeicheräquivalent ist im Falle des thermischen Speichers die thermische Speicherfähigkeit im benutzten Temperaturhub, geteilt durch den COP der Wärmepumpe.

Weitere Informationen: www.spf.ch oder Mail an Evelyn Bamberger.

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