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Power-to-heat und andere Technologien
Mit dem Prinzip der Power-to-Heat Technologie, was Wärmeerzeugung durch elektrische Energie bedeutet, kann - kombiniert mit einer PV-Anlage und einer Wärmepumpe - der Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Strom gesteigert und gleichzeitig Heizkosten gesenkt werden.
 "Solarthermie")
Was ist Power-to-Heat (PtH)?
Die Power-to-Heat Technologie umfasst das Erzeugen von Wärme mit elektrischer Energie und ist Bestandteil deutscher Haushalte - in Form von Wasserkocher, Durchlauferhitzer oder Wärmepumpe.
Die Technologie ist außerdem in der Lage, aktiv dazu beizutragen, die CO₂-Emissionen zu reduzieren und dem Klimawandel entgegenzutreten. Das ist dann der Fall, wenn Power-to-Heat Anlagen überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen, wie z. B. der Photovoltaik, nutzen.
Vorteile von Power-to-Heat Anlagen
Da zum Speichern von Strom aus flukturierenden Energiequellen ein enormer Technologieaufwand, etwa mittels riesiger Batterien, notwendig ist, sollte Strom am besten direkt verbraucht oder für Heizwärme eingesetzt werden, welche unkompliziert gespeichert werden kann. Weitere Vorteile einer Power-to-Heat Anlage:
Verringerte Abregelung wegen Netzengpässen mit der Nutzung von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien
Stabile Stromnetze durch Umwandlung von Strom in Wärme
Energiewende im Wärmesektor wird forciert, fossile Brennstoffe weniger genutzt, CO₂-Emissionen verringert
Technologie ist seit Jahren erprobt
Für Wärmeerzeugung in Kraftwerken oder Privathaushalten geeignet
Hoher Wirkungsgrad gewährt kaum Energieverlust bei der Umwandlung von Strom zu Wärme
Die verschiedenen Power-to-Heat-Systeme
Grundsätzlich sind zwei PtH-Systeme zu unterscheiden:
Der Strom wird von einem System direkt in Wärme umgewandelt.
Beispiel: Der Wasserkocher nutzt den Strom aus der Steckdose, wandelt ihn in Hitze um, was das Wasser zum Kochen bringt. Ebenso funktioniert der elektrische Durchlauferhitzer für Wasserhahn und Dusche.
Strom fungiert als Antrieb, um die Wärme aus anderen Quellen zu gewinnen.
Beispiel: Eine Wärmepumpe übersetzt Stromenergie nicht direkt in Wärmeenergie. Vielmehr wird die Elektrizität nur für den eigenen Antrieb genutzt. Mit der Wärmepumpe wird die Temperatur der Umweltwärme, wie etwa Umgebungsluft oder Grundwasser, so weit angehoben, bis sie zum Heizen und für Warmwasser genutzt werden kann.
Power-to-Heat für PV-Anlagen
Power-to-Heat Anlagen werden in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen eingesetzt, wo erzeugte Wärme in Nah- und Fernwärmenetze eingespeist werden. Die Technologie ist aber auch in privaten Haushalten von Interesse. Wird eine Wärmepumpe mit einer PV-Anlage kombiniert, können der Eigenverbrauch des selbst erzeugten Stroms erhöht und die Heizkosten gesenkt werden. Zusätzlich verschafft Ihnen diese Lösung Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Heizöl oder Gas.
Ein weiterer Vorteil: Die Anschaffungskosten für eine PtH-Anlage sind weit niedriger als die für einen Solarstromspeicher. Ob diese Investition für Sie sinnvoll ist, hängt von Ihrem individuellen Warmwasserbedarf, Ihrem Heizverhalten sowie den aktuellen Preisen für Öl und Gas ab.
Funktionsprinzip der Wärmepumpe
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Jede Wärmepumpe benötigt Strom für den Antrieb, doch aufgrund ihres intelligenten Funktionsprinzips ist es möglich, dass mit den eingesetzten Kilowattstunden Strom die drei- bis vierfache Menge Nutzwärme erzeugt werden.
Aus diesem Grund sind Wärmepumpen äußerst effiziente Power-to-Heat-Anlagen für den Privathaushalt. Laut Studie setzen derzeit rund 50 % der Wohnungsneubauten eine Wärmepumpe ein.
Power-to-heat für Fernwärme
Energiedienstleister wie die Stadtwerke nutzen die Power-to-Heat-Technologie, um Fernwärme zu erzeugen, die ähnlich einem Wasserkocher funktioniert. In einem Elektrodenkessel wird mittels Elektroden und Wechselspannung Wasser erhitzt, wobei der energetische Wirkungsgrad 99,9 % erreicht, was bedeutet, dass fast keine Energie verloren geht. Über einen Wärmetauscher wird das erwärmte Wasser im Anschluss ins Fernwärmenetz eingespeist.
Solarenergie zur Warmwasseraufbereitung?
Etwa 12 % des gesamten Energieverbrauchs in privaten Haushalten entfallen laut dem Umweltbundesamt auf die Aufbereitung von Warmwasser. Um langfristig sowohl die Umwelt als auch die eigenen Finanzen zu entlasten, können regenerative Energien in das Heizsystem integriert werden. Dadurch lassen sich sowohl Kosten als auch CO₂-Emissionen reduzieren.
Eine Solaranlage nutzt bspw. Sonnenenergie für die Bereitstellung von Warmwasser, was weitaus umweltfreundlicher ist, als die konventionelle Methode mit fossilen Brennstoffen, die im Heizkessel verbrannt werden. Bei der Solarthermie wird das Wasser direkt im Sonnenkollektor erwärmt, während dies bei der Photovoltaik durch die Erzeugung von Elektrizität erfolgt.
Photovoltaik- oder Solarthermie-Anlage zur Warmwasseraufbereitung?
Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) und Solarthermien-Anlagen arbeiten mit zwei verschiedenen Techniken:
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Photovoltaik
Bei PV-Anlagen wird Sonnenlicht zunächst in Strom umgewandelt, welcher dann mit einem Heizstab bspw. für das Erhitzen von Wasser genutzt wird.
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Solarthermie
Die Solarthermie gewinnt Wärme direkt in den Solarkollektoren, um warmes Wasser - auch für die Heizung - bereitzustellen.
Bis vor kurzem war die Warmwasseraufbereitung durch Solarstrom einer PV-Anlage nicht rentabel. Jetzt sorgt eine niedrige Einspeisevergütung dafür, dass eigens erzeugter Solarstrom komplett für den Eigenverbrauch des Haushalts zum Einsatz kommt. Damit rechnet sich die Anschaffung einer Photovoltaikanlage.
Berechnung der Ausnutzung
Auch wenn Warmwasser mit Solarthermie oder Photovoltaik erzeugt werden kann, gibt es Herausforderungen bei der baulichen Platzverteilung der Module/ Kollektoren auf dem Dach. Eine detaillierte Berechnung über die höhere Ausnutzung ist daher unverzichtbar. Die Montage der Kollektoren und Leitungen für eine Solarthermie ist relativ aufwändig. Die PV-Anlage hat den Vorteil, dass der Strom vielfältig einsetzbar ist und warmes Wasser dank Solarspeicher auch dann bereitsteht, wenn die Sonne nicht scheint. Zudem besteht ohne Überschüsse die Option des Heizens mit Strom aus dem Netz.
Voraussetzungen für die Aufbereitung von Warmwasser mit Solarstrom
Eigentümer haben drei technische Möglichkeiten, um eine Photovoltaikanlage mit einer Warmwasserbereitung zu kombinieren:
Heizstab
Warmwasser-Wärmepumpe
Durchlauferhitzer und Boiler mit integriertem Speicher
Mit jeder dieser Varianten kann Warmwasser bei einem Stromüberschuss aus der PV-Anlage sehr günstig bereitgestellt werden. Voraussetzung sind ausreichend Überschüsse, damit die Nutzung von teurem Strom aus dem Netz ausgeschlossen werden kann.
Funktionsweise eines Heizstabs
Für Heizungsanlagen, die mit einem Warmwasserspeicher arbeiten, ist die Lösung mit einem Heizstab möglich. Ähnlich wie ein Tauchsieder heizt sich beim Heizstab eine Heizwendel auf, woraufhin die Energie auf das Wasser im Wärmespeicher übertragen wird. Abhängig vom Heizungssystem ist das warme Wasser zum Waschen und/oder für die Heizung nutzbar.
Neben an- und ausschaltbaren Modellen gibt es regulierbare Heizstäbe. Mit der stufenlosen Variante kann die Leistung an den aktuellen Wärmebedarf und Energieüberschuss angepasst werden.
PV-optimiertes Heizen
Dank eines Energiemanagers fließt die Energie direkt in den Heizstab sobald ein Stromüberschuss vorliegt. Im Fall unzureichender Menge an Solarstrom springt der konventionelle Wärmeerzeuger ein. Im Sommer deckt der Heizstab den gesamten Bedarf an Wärme und die Heizungsanlage bleibt abgeschaltet. Das wirkt sich kostensparend aus und erhöht die Lebenszeit der Heizung.
Im Vergleich zur Solarthermie liegt der Vorteil der Heizstäbe darin, dass kein wassergeführter Kreislauf benötigt wird. Pumpen, Rohre, Wärmetauscher werden nicht gebraucht. Es besteht kein Bedarf bezüglich Montage und Wartung. Der Heizstab lässt sich auch nachrüsten.
Vorteile der Warmwassererzeugung mit Solarstrom
Primäre Heizquelle hat längere Lebensdauer
Warmwasserversorgung mit Photovoltaik für ca. 8 Monate im Jahr möglich
Eigenverbrauch auf 100 % steigern
Optimale Nutzung der Überschüsse aus der Solaranlage dank stufenloser Regelung von 0 - 9 kW
Senkung der Energiekosten
Überbrückung von Schlechtwetterperioden
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Photovoltaik
Solarrechner
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Funktionsweise der Warmwasser-Wärmepumpe mit Solarstrom
Bei der Brauchwasser-Wärmepumpe wird die Wärmeenergie der Umgebung genutzt, um Warmwasser zu produzieren. Ein kleiner Speicher hat ein Volumen von 200–300 l und hält die Wärme über Stunden. Einschränkend ist anzumerken, dass Warmwasser-Wärmepumpen ausschließlich Brauchwasser erwärmen und sich nicht zur Heizungsunterstützung eignen.
Die mit Strom betriebene Wärmepumpe überträgt die Wärme der Umgebungsluft auf ein Trägermedium zum Verdampfer, wo ein Kältemittel für die Verdampfung bei geringen Temperaturen sorgt. Dann wird das Gas im Verdichter unter Druck gesetzt, was den Temperaturanstieg auslöst. Abschließend wird Wärmeenergie auf den Warmwasserspeicher übertragen, woraufhin sich das Kältemittel abkühlt und wieder flüssig wird.
Sollte die Leistung der Warmwasser-Wärmepumpe nicht ausreichen, z. B. bei hoher Wasserentnahme, übernimmt ein Heizstab die Wärmeerzeugung.
Kann die Warmwasser-Wärmepumpe mit Photovoltaik kombiniert werden?
Die Warmwasser-Wärmepumpe kann wie jede Wärmepumpe mit Photovoltaik gekoppelt, also mit Solarstrom betrieben, werden. Sobald die PV-Anlage einen Energieüberschuss produziert, führt das zur Aktivierung der Wärmepumpe. Aufgrund ihrer niedrigen Leistungsaufnahme reicht ein geringer Solarstromertrag im Winter, bis sie anspringt. Grundsätzlich kann die Systemkombination bei optimaler Auslegung ganzjährig warmes Wasser liefern.
Modelle der Warmwasser-Wärmepumpen, die für den Betrieb mit Photovoltaik geeignet sind, tragen ein SG-Ready-Label. Die Kennzeichnung SG bedeutet „Smart Grid“, intelligentes Stromnetz. Mittlerweile sind auch Solar-Komplettanlagen zur Warmwasserbereitung auf dem Markt, bestehend aus Photovoltaikanlage, Warmwasser-Wärmepumpe, Wechselrichter und Energiemanager. Dabei sind sämtliche Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt.
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Gibt es weitere Möglichkeiten, um Warmwasser mit Solarstrom zu erzeugen?
Boiler mit Speicher: Eine weitere Option zur Erzeugung von Warmwasser mit Solarstrom ist ein Boiler mit integriertem Speicher. Das Fassungsvermögen des Speichers ist an die Höhe des Warmwasserbedarfs anzupassen.
Leistungsschwankungen werden vom Wasserspeicher abgefangen, so dass jederzeit warmes Wasser zur Verfügung steht. Um die Mittagszeit wird gewöhnlich viel Strom produziert. Diese Energie könnte dazu genutzt werden, das Wasser im Speicher auf 65 °C zu erwärmen, um Keime und Krankheitserreger abzutöten.
Durchlauferhitzer: Auch Durchlauferhitzer können mit Solarstrom betrieben werden. Wissenswert ist der Umstand, dass eine direkte Erwärmung des Brauchwassers hohe Verbrauchsspitzen nach sich ziehen. Noch dazu benötigt man morgens und abends die meiste Wärme, doch zu diesen Zeiten liefert eine Photovoltaikanlage die geringsten Erträge. Daher reicht die zur Verfügung stehende Leistung nicht immer aus, um den Bedarf zu decken.
Empfehlenswert ist in dem Fall die Kombination mit einem Stromspeicher, damit man keinen zusätzlichen Strom aus dem Netz beziehen muss.
Sind Hybridmodule verfügbar?
Zu den Hybridmodulen zählen Solaranlagen, die Warmwasser und Strom produzieren, in dem sie mit zusätzlichen Kollektoren Wärmeenergie nutzen. Darin unterscheiden sich Hybridmodule von herkömmlichen Photovoltaikmodulen.
Besonders für Haushalte, in denen im Sommer ein hoher Bedarf an Warmwasser besteht, z. B. aufgrund eines Pools, lohnt sich der Einsatz eines Hybridmoduls. Entsprechend groß sollte dann der Wärmespeicher sein.
Wir informieren über zahlreiche Möglichkeiten, wie Sie Erneuerbare Energien in Form von Solarstrom, Photovoltaik und mehr nutzen können:
Die verschiedenen Technologien zeigen intelligente Möglichkeiten für alle, die Warmwasser mit Solarenergie erzeugen möchten. Von Power-to-heat über Heizstab, Wärmepumpe und PV-Anlage bis hin zu diversen Kombinationslösungen – die jeweiligen Vorteile machen den Umstieg auf Solarenergie attraktiv. Leisten Sie Ihren perönlichen Beitrag zum Klimaschutz und helfen Sie aktiv mit, die Energiewende voranzutreiben.
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