Baden mit Solarstrom: Power-to-Heat ins Heizsystem integrieren
Rund 1,6 Millionen Photovoltaikanlagen in Deutschland profitieren von der seit April 2000 im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) festgeschriebenen Einspeisevergütung. Die Pioniere bekamen 50 Cent pro kWh für die Dauer von 20 vollen Kalenderjahren zugesprochen. Dementsprechend wird der Sonnenstrom dieser Anlagen zu 100 % ins Netz eingespeist.
Wenn dieses Privileg zum Jahreswechsel von 2020 auf 2021 endet, werden viele dieser Anlagen noch voll funktionsfähig sein, ohne dass derzeit eine Anschlussregelung für die Vergütung in Sicht ist.
Bei einer Fortführung des PV-Anlagen-Betriebs nach 2020 lohnt es sich für die Betreiber auf jeden Fall, von der Netzvolleinspeisung auf eine Maximierung des PV-Strom-Eigenverbrauchs umzustellen. So wird es bereits bei den neu installierten PV-Anlagen aufgrund der aktuell vergleichsweise niedrigen EEG-Vergütung praktiziert.
Denn nur mit der Priorisierung des Eigenverbrauchs lohnt sich die Investition für die meisten Betreiber finanziell. Zudem streben zunehmend mehr Hausbesitzer nach Unabhängigkeit von Energieversorgern und ständig steigenden Energiepreisen.
Wohin mit dem PV-Strom?
Unabhängig davon, ob es sich um eine EEG-Altanlage oder um eine PV-Neuinstallation handelt, stellen sich die folgenden beiden Fragen: Wie hoch ist der Anteil des selbst erzeugten Sonnenstroms am Eigenverbrauch? Zu welchen Zwecken lässt sich der Strom im Haus nutzen?
Zu den Einflussfaktoren auf die Antworten zählen neben der PV-Anlagengröße und dem Standort auch das Verbraucherverhalten sowie das vorhandene oder geplante Heizsystem. Anhand einer 5-kWp-PV-Anlage auf dem Haus einer vierköpfigen Familie soll die Situation beispielhaft dargestellt werden. Der Stromverbrauch wird mit 10 kWh pro Tag angenommen, der Energiebedarf zur Warmwasserbereitung liegt in einem ähnlichen Bereich.
Diese PV-Anlage kann in einem Jahr etwa 4800 kWh Strom erzeugen. Demgegenüber steht ein Stromverbrauch von 3600 kWh/a, sodass sich bilanziell ein Sonnenstromüberschuss ergibt. Aus dem jahreszeitbedingt und im Tagesverlauf schwankenden Strahlungsangebot resultiert jedoch ein Eigenverbrauchsanteil zur direkten Nutzung als Haushaltsstrom von nur ca. einem Drittel, also 1600 kWh.
Bild 1 zeigt einen beispielhaften Tagesverlauf der 5-kWp-PV-Anlage an einem wolkenlosen Sommertag. Von den erzeugten 30 kWh können nur 5 kWh direkt als Haushaltsstrom verbraucht werden.
Mit einer Batterie kann dieser Wert zwar auf den Tagesbedarf von 10 kWh verdoppelt werden (Bild 2). Doch im Sommer lässt sich normalerweise der überwiegende Anteil des selbst produzierten Stroms nicht im eigenen Hause verbrauchen. Daran können auch die smartesten und intelligentesten Haushaltsgeräte nichts ändern. Und ein Elektrofahrzeug müsste tagsüber vor der Türe stehen, um geladen zu werden, was bei vielen Haushalten zumindest an Arbeitstagen nicht der Fall ist.
Wasser als Solarstromspeicher
Eine signifikante und kostengünstige Steigerung des Eigenverbrauchs von selbst erzeugtem PV-Strom wird mit der thermischen Speicherung in Wasser erreicht. Wasser ist durch seine hohe (Wärme-)Kapazität und die beliebig vielen Ladezyklen das günstigste Speichermedium und dabei auch noch absolut ungefährlich.
Beispielsweise können mit dem Power-to-Heat-Regler DeltaTherm PV (Bild 3) bis zu 20 kWh pro Tag über einen Elektroheizstab (Bild 4) in einen Wasserspeicher eingebracht werden. Gegenüber einer Batterie ist dies ein Vielfaches an Speicherkapazität bei wesentlich geringeren Investitionskosten. Darüber hinaus können im Gegensatz zur Batterie die PV-Überschüsse auch für mehrere Tage gespeichert werden.
Damit werden nicht nur die Heizkosten, sondern auch die Heizungsanlage entlastet, weil diese in den Sommermonaten weitestgehend den Betrieb einstellen kann. Die besonders energieintensiven und verschleißfördernden Kaltstarts der Brenner werden deutlich reduziert.
3 x 30% Eigenverbrauch
Bei einem Energiebedarf von 10 kWh pro Tag für die Warmwasserbereitung kann mit dem DeltaTherm PV ein weiteres Drittel des erzeugten Sonnenstroms (1600 kWh) für den Eigenverbrauch genutzt und der Eigenverbrauchsanteil so auf insgesamt 60 bis 70 % gesteigert werden.
Bevor der verbleibende Strom ins Netz eingespeist wird, können mit einer Batterie weitere 5 kWh für den Bedarf nach Sonnenuntergang gespeichert werden (Bild 2). In dieser Größenordnung liegt auch die wirtschaftlich und technisch sinnvolle nutzbare Kapazität einer solchen Batterie für den Einsatz im Einfamilienhaus.
Bei einem parallelen Betrieb von DeltaTherm PV und Batterie ergänzen sich diese Systeme sehr gut. Wegen der höheren Kostenersparnis durch den substituierten Strom hat die Batterie in dieser Kombination immer Vorrang. Der Anteil des Sonnenstroms zur Wärmeerzeugung ist daher in der Übergangszeit etwas geringer. Spätestens ab März bis in den Oktober gibt es genug Überschussstrom für beide Systeme und der Eigenverbrauchsanteil erhöht sich auf über 90 % (Bild 5).
Diese Werte zur überschlägigen Ermittlung der Eigenverbrauchsanteile wurden durch eine simulationsgestützte Analyse im Rahmen einer Bachelorarbeit in Zusammenarbeit mit der FH Südwestfalen bestätigt [1].
[1] Literatur
Bachelorarbeit von Alexander Strojny, Studiengang Wirtschaftingenieurwesen-Gebäudesystemtechnologie: „Simulationsgestützte Analyse des Einflusses eines Power2Heat-Systems auf den Eigenverbrauch von Photovoltaikstrom im Einfamilienhaus“
Power-to-Heat zur Heizungsunterstützung
Größere PV-Anlagen tragen darüber hinaus auch zur Heizungsunterstützung bei. Auf der Resol-Homepage können via VBus.net die Leistungsdaten einer 9-kWp-Ost-West-Kundenanlage mit einem 500-l-Pufferspeicher in Kärnten eingesehen werden (Bild 6).
Diese hat mit dem DeltaTherm PV im ersten Quartal 2018 bereits 500 kWh in den Speicher eingebracht. Allein im darauf folgenden April kamen weitere 500 kWh hinzu. Der Spitzenwert lag bei über 30 kWh am 8. April, und der Speicher wurde mit dem eigenen überschüssigen PV-Strom auf fast 80°C erwärmt (Bild 7). Während dieser Zeit konnte wiederholt auf eine konventionelle Nachheizung verzichtet werden.
Für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird jedoch die eingangs beschriebene 5-kWp-PV-Anlage zugrunde gelegt. Eine Gegenüberstellung der Investitionskosten mit den Einsparungen zeigt, dass die Amortisationszeiten von DeltaTherm PV und Batterie mit 12,9 bzw. 12,5 Jahren annähernd identisch sind (Bild 8). Wirkungsgradverluste und Energiepreissteigerungen sind dabei nicht berücksichtigt.
Die Batterie profitiert dabei noch von einem Zuschuss aus dem KfW-Förderprogramm des BMWi in Höhe von 1000 Euro für die zweite Jahreshälfte 2018. Tipp: Die Batteriespeicher-Fördervoraussetzung, die maximale Leistungsabgabe der PV-Anlage an das Netz auf die Hälfte der installierten Leistung zu begrenzen, wird durch die Wandlung und Speicherung des Stroms in Wärme erst ermöglicht.
Ein wesentlicher Bestandteil des DeltaTherm PV ist das Sensormodul DeltaTherm E sensor mit seinen drei Stromsensoren. Die Stromsensoren werden unmittelbar vor dem Bezugszähler an die drei Phasen des Hausnetzes angelegt. So wird im Bruchteil einer Sekunde ermittelt, ob ein Strombezug aus dem Netz oder ein Stromüberschuss von der PV-Anlage vorliegt (Bild 9).
Vorteile für den PV-Betrieb
Nur wenn die PV-Anlage mehr Strom erzeugt, als alle Verbraucher im Haus aktuell konsumieren, leitet der DeltaTherm PV den Stromüberschuss stufenlos modulierend und netzkonform von 0 bis 3000W an den Elektroheizstab im Warmwasser- oder Pufferspeicher weiter. Praxistipp: Der Elektroheizstab sollte möglichst weit unten im Speicher eingebracht werden, damit das gesamte Volumen zur Erwärmung bereitsteht.
Die Beladung wird mit einem Temperatursensor überwacht und bei einer einstellbaren Maximaltemperatur abgeregelt. Dieses Prinzip garantiert nicht nur den absoluten Vorrang für den Eigenverbrauch als Haushaltsstrom, sondern schließt auch eine Beheizung mit Netzstrom aus.
Diese Methode der Stromüberschussmessung hat noch einen weiteren entscheidenden Vorteil. Der DeltaTherm PV kann mit praktisch jeder Wechselstrom-PV-Anlage betrieben werden, unabhängig von deren Leistung und den verwendeten Komponenten. Da die Netzleitung dreiphasig überwacht wird, ist auch die Anzahl, Größe und Aufteilung der Wechselrichter beliebig möglich.
Die Wirkleistungsbegrenzung der PV-Anlage auf 70% nach dem EEG kann auf diese Weise ebenfalls gewährleistet werden. Weil der Überschuss am Netzeinspeisepunkt permanent überwacht wird und ab einer einstellbaren Schwelle ein Signal an den Wechselrichter erfolgt, muss dieser generell nicht pauschal abregeln.
Weitere Features von DeltaTherm PV im Überblick:
- Die Umwandlung von Strom in Wärme erfolgt nahezu verlustfrei, und auch der Stand-by-Verbrauch des Reglers ist mit < 1 W äußerst gering.
- Mit zwei digitalen Schaltausgängen können vier verschiedene Signale an externe Geräte wie Wärmepumpen- oder Batterieregler kommuniziert werden.
- Über zwei digitale Schalteingänge kann er vier Betriebszustände einnehmen (und ist somit für Smart Metering gerüstet)
- Ansteuerung über einen 0-10-V-Eingang auch von externen Geräten oder einer Gebäudeleittechnik ist möglich
Bei der Einbindung in ein bestehendes System sind sowohl Trinkwarmwasser- als auch Pufferspeicher ab ca. 300 l Volumen mit einem Anschluss für einen Elektroheizstab geeignet. Empfehlenswert ist ein Pufferspeicher ab 500 l, der auch eine externe Frischwasserstation versorgen kann.
Ein Pufferspeicher mit 1000 l Inhalt kann 50 bis 80 kWh Wärme aufnehmen. Wird diese einfache und günstige Lösung zur Speicherung von Überschussstrom mit einem Holz-/Pelletkessel kombiniert, ist eine regenerative Wärmeversorgung des Gebäudes von nahezu 100 % gewährleistet.
Dieser Artikel von Stefan Samrotzki ist zuerst erschienen in SBZ Ausgabe 10/2018. Stefan Samrotzki ist seit über 20 Jahren auf dem Gebiet der innovativen Haustechnik (Solarthermie und Photovoltaik) tätig. Er ist Produktmanager bei Resol.
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