Wir haben in unserem Artikel über die Wärmewende in der Gemeinde (1) die Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik als „Traumpaar“ bezeichnet. Wärme kann so mit geringen Gestehungkosten CO₂-frei gewonnen werden. Dabei wird die praktisch unerschöpfliche Umweltwärme genutzt, wobei etwa ein Viertel der Energie in Form von elektrischer Energie aus der Photovoltaik aufgewendet weren muss. Jede(r) Hauseigentümer(in) kann selbst entscheiden, ob und wann sie/er von Gasheizung auf Erneuerbare umsteigen will. Das kann auch schrittweise – und mit Förderung – durch Einrichtung einer Hybridheizung geschehen, in der die vorhandene Gasheizung oder andere Heizquellen als backup an kalten Tagen dienen.

Wir haben auch auf Hybridheizungen hingewiesen, in denen z.B. Solarthermie parallel als ergänzende Wärmequelle dienen kann. Die Kombination von Photovoltaik (PV) mit Solarthermie zu Kombimodulen wird PVT genannt. Ihre Verbreitung ist aber bisher sehr begrenzt, hauptsächlich, weil die Wärmeausbeute der Solarkollektoren, die unter den PV-Modulen platziert sind, deutlich unter der Ausbeute reiner Solarkollektoren liegt und daher nur an starken Sonnentagen nennenswerte Wärmemengen liefert.

Die wesentliche Neuerung beim Supertrio liegt in der Kombination der Solarthermie mit einer Wärmepumpe. Solarthermie benötigt zwar pro verfügbarer kWh sehr viel weniger Strom als eine Wärmepumpe, aber die Ausbeute ist auf sonnige Tagesstunden beschränkt. Die in der Regel 24 Stunden verfügbare Umweltwärme ( > -20°C ) wird  aber bei Abwesenheit von Sonnenstrahlung mit denselben Kollektoren eingefangen und durch Wärmetausch einer Wärmepumpe zuführt. Damit kann man ohne zusätzlichen Platzverbrauch neben sichtbarem und infrarotem Spektralanteil des Sonnenlichtes auch die über Wärmeleitung erhältliche Wärme der Umgebung nutzen.

Dachgestützte PVT-Module in Kombination mit einer Wärmepumpe. Bei Sonnenlicht wird sowohl elektrische Energie durch PV gewonnen als auch Wärmeenergie durch Solarkollektoren. Bei bewölktem Himmel oder in der Nacht kann nur die Umweltwärmegenutzt werden. Dies allerdings in einem sehr breiten Temperaturbereich, da das Kältemittel eine Temperatur von etwa -20°C hat und daher selbst bei etlichen Minusgraden noch Wärme aufnehmen kann.

Supertrio: Zusammenspiel von Photovoltaik, Solarthermie und Wärmepumpe in der Wärmegewinnung.
Bei genügend starker Sonneneinstrahlung wird die in den Solarkollektoren gewonnene Wärme direkt in den Pufferspeicher eingespeist (Sole = Wasser mit Frostchutzmittel). Reicht die Temperatur im Kollektor nicht aus, arbeitet die mit Strom aus PV betriebene Wärmepumpe. Das im Wärmetauscher erwärmte Kältemittel wird durch Kompression in der Wärmepumpe auf eine höhere Temperatur gebracht (siehe Abbildung Wärmepumpe im Artikel „Wärmewende“, (1) ) und in den Heizkreislauf eingespeist. Das System kann durch einen weiteren unterirdischen Wärmespeicher oder einen platzsparenden Eisspeicher erweitert werden.

Eine Steuerung sorgt dafür, dass sich beide Methoden der Wärmegewinnung unter Berücksichtigung der Quelltemperatur (Temperatur des Wärmekollektors ) optimal zusammenführen lassen. Beim System ISIETherm der Firma evera (2) sorgt ein automatischer Energiesparmanager dafür, dass bei > 50°C Quelltemperatur die Wärme direkt in den Speicher geladen wird. Zwischen 50 und 30 °C wird die Temperatur auf 30°C heruntergemischt. Zwischen 30 und 5 °C arbeitet die Wärmepumpe mit hohem COP (Coefficient of Performance, Leistungszahl, Verhältnis von Wärmeoutput und Strominput). Wärmepumpen können generell oberhalb von etwa -20°C Wärme aus der Umwelt entnehmen.

Das Trio Photovoltaik/Solarthermie/Wärmepumpe nutzt also die pro Flächeneinheit erhältlichen erneuerbaren Energien optimal. Pro kWh elektrischer Energie lässt sich auf der gleichen Fläche zusätzlich zur elektrischen Energie bis etwa zum Doppelten an thermischer Energie gewinnen (3). Der Wärmespeicher im Keller kann auch auch durch einen unterirdischen Eisspeicher (4) im Garten ergänzt werden, der die beim Gefrieren von Wasser freiwerdene Wärme nutzt und nur etwa 1/8 soviel Platz benötigt wie ein Wasser-Wärmespeicher gleicher Kapazität.

Durch die platzsparende PVT-Technik bietet praktisch jedes Ein – oder Mehrfamilienhaus, das sich zur Solarenergiegewinnung eignet, und das ist in Planegg die große Mehrheit, genügend Dachfläche für eine weitestgehend autarke Versorgung mit erneuerbaren Energien. Zum Vergleich: Selbst wenn eine Gasheizung im Bestand als Hilfsquelle 20% des Energieaufwandes beisteuern würde, so würde die CO₂-Emission pro kWh derzeit nur etwa ein Viertel der CO₂-Belastung bei Fernwärmeversorgung betragen.

Für die Kosten der Umrüstung von PV- auf PVT-Kombimodule gibt die Firma Use All Energy (Bentelo,NL) 300 € pro Modul an, zuzüglich Installationskosten. Für ein Einfamilienhaus wird mit 12 Modulen gerechnet, die im Mittel 6 kW Leistung liefern. Mit einem Teil der Enegieausbeute der PV-Module kann die Wärmepumpe CO₂-neutral betrieben werden.  Bei einem COP von 3,5 muss die PV-Anlage 1,7 kW elektrische Energie liefern um mit 4,3 kW Umweltwärme die besagten 6 kW Wärmeleistung zu erbringen (3). Beim durchschnittlichen Wärmeverbrauch eines Einfamilienhauses von 22.400 kWh /a würden für Fernwärme im Planegger Ortsteil Martinsried Verbrauchskosten von etwa 2600 €/a anfallen, perspektivisch wegen jährlich gestaffelt zunehmender CO₂-Kosten deutlich steigend. Die Verbrauchskosten für CO₂-freie Wärme aus der besagten Dreierkombination wären im günstigsten Fall Null, hinzu kämen Wartungkosten von rund 300 €. Die Einspeisung elektrischer Energie aus der PV-Anlage in das Hausnetz führt zu einer zusätzlichen Einsparung bei den Energiekosten von potentiell bis zu etwa 1000 €/a.

Auf Grund der sehr stark gesunkenen Kosten für Solaranlagen ist Grüne Energie erschwinglich geworden und rentiert sich wirtschaftlich in einem überschaubaren Zeitraum. Für die genannte Dreier-Konstellation mit Stromspeicher schätzen wir das Investitionsvolumen nach Abzug der staatlichen Förderung für ein EFH grob auf 30.000 €. Bei konservativer Einschätzung der Energiekostensteigerung, erscheint eine Amortisierung in etwa 10 Jahren realistisch.

In Planegg gibt es vorwiegend Ein-, Zwei- oder Mehrfamilienhäuser, mehr als 99% sind Bestandsimmobilien. Geringe potentielle Anschlussdichte und darüber hinaus der Ausschluss von Anschlusszwang im Bestand verlangen nach freiwilligen individuellen und flexiblen Lösungen. Es gibt inzwischen auch für den Bestand effiziente Wärmepumpenlösungen (5), und  (nicht nur die noch lange vorhandene Gasinfrastruktur ermöglicht durch hybride Systme einen flexiblen Übergang zu Erneuerbaren.

Daher erscheint die facettenreiche, modular gestaltbare Wärmepumpentechnologie in Verbindung mit Solarenergienutzung im sonnenreichen Planegg als ideal für die Entwicklung der Energiewende im Sektor Gebäudewärme.  

Quellen

(1) https://gruene-planegg.de/2021/06/14/energiewende-in-der-gemeinde-3-4-waermewende/

(2) https://www.evera-energy.eu/pv-isietherm.html

(3) https://www.pv-magazine.de/2021/09/17/pv-magazine-highlight-top-innovation-kombimodul-mit-niedertemperatur-trick/

(4) https://heizung.de/waermepumpe/eisspeicher/

(5) https://wp-monitoring.ise.fraunhofer.de/wp-smart-im-bestand/download/Berichte/BMWi-03ET1272A-WPsmart_im_Bestand-Schlussbericht.pdf

Gegenüber einer Wärmeversorgung mit Fernwärme hat eine solche Energieversorgung insbesondere in nicht stark verdichteten urbanen Siedlungsstrukturen mit hohem Ein-/Zweifamilienhausanteil folgende prinzipielle Vorteile:

• Der Hauseigentümer ist unabhängiger und nicht langfristig in Heizsystem und Preis an einen Versorger gebunden.
• Der Hauseigentümer kann eine maßgeschneiderte Lösung wählen, unter zumindest vorübergehender Einbindung bestehender Heizsysteme als backup.
• Der Hauseigentümer kann sofort zumindest weitgehende Klimaneutralität erreichen, nicht erst langsam in 20 Jahren.
• CO₂-freie Strom- und Wärmegewinnung werden in idealer Weise miteinander verbunden.

Die SWM wollen bis spätestens 2040 CO₂-neutral werden, wovon sie noch weit entfernt sind, vor allem, was die in der Region München eingespeiste Wärme angeht. Dass zur Berechnung der CO₂-Bilanz Auslandsinvestitionen wie etwa in Norwegen eingerechnet werden, hat zu heftiger Kritik geführt und ist als „greenwashing“ bezeichnet worden (  ). Nichtsdestoweniger ist Fernwärme in verdichteten urbanen Gebieten unverzichtbar für die Wärmewende und ein Ausbau der Geothermie ist zu begrüßen. Allerdings muss klar sein, dass dabei etwa ein Viertel der gewonnenen Wärmeenergie als Strom verbraucht wird, der zur Zeit mit rund 400 g CO₂ pro kWh noch recht „schmutzig“ produziert wird. Auch in der Fernwärmeerzeugung werden Wärmepumpen, nämlich Großwärmepumpen, zunehmend eine Rolle spielen.

Letztlich ist es also die Erzeugung von grüner Elektrizität, die den Fortschritt der Wärmewende wie auch der gesamten Energiewende weitestgehend bestimmen wird.

Die niederländische Firma Use All Energy hat nun Solarwärmetauscher konstruiert, die von einem PV-Modulhersteller als Ergänzung akzeptiert wird, auch weil die Effizienz der PV-Module durch die Kühlung nachweislich deutlich steigt. Die entscheidende Neuerung ist aber die Kombination der Kombimodule mit einer Wärmepumpe. Diese benötigt nur eine Temperatur der zugeführten Kollektorflüssigkeit (Wasser mit Frostschutzmittel) von etwa > 0°C, um arbeiten zu können. Steht keine Solarwärmestrahlung zur Verfügung, kann die umgebende Luft – wie bei einer Luftwärmepumpe – Wärme liefern. Die Wärmepumpe kann daher fast ganzjährig rund um die Uhr arbeiten.