Ohne Umwege heizen

Power-to-Heat: Mit Strom zu heizen galt lange Zeit als unwirtschaftlich und klimaschädlich. Doch mit der Energiewende macht die Elektroheizung in Sachen Effizienz und Wirtschaftlichkeit Boden gut. Allerdings nur unter bestimmten Vorzeichen.

Schlechtes Image der Stromheizer

Das schlechte Image elektrischer Direktheizsysteme stammt vor allem aus der Zeit der Nachtspeicheröfen. Schmutziger Strom aus Kohlekraftwerken und Atommeilern wurde nachts verheizt, weil die Großkraftwerke nicht runtergefahren werden konnten. Der Strom wurde ohne Hinzugabe von Umweltenergie in das System nur eins zu eins in Wärme umgesetzt.

Für die photovoltaische Wärmeerzeugung wirken der Warmwasserboiler und die elektrische Fußbodenheizung hingegen wie Tagspeicheröfen. Die Energie stammt aus überschüssiger Energie vom eigenen Dach. Sie ist sauber und erneuerbar geworden.

Photovoltaikanlagen müssen nicht abgeregelt werden, der Solarstrom wird zur Gänze genutzt. Das Back-up für Zeiten mit zu wenig Erzeugung kommt aus dem öffentlichen Netz. In der energetischen Jahresbilanz schlägt die Technologie dabei mittlerweile selbst die Wärmepumpe.

Welche Häuser kommen infrage?

Für ein Einfamilienhaus, das wärmetechnisch nach dem heutigen Stand der Technik neu errichtet oder fachgerecht thermisch saniert wird, ist ein wassergeführtes Heizsystem im Hinblick auf Leistung und Materialeinsatz bei der Installation ein Overkill. Die benötigte Heizlast pendelt sich zwischen drei und sechs Kilowatt ein.

Für diese geringe Leistung ist eine konventionelle Heizung völlig überdimensioniert. Der Grund liegt in der hydraulischen Wärmeverteilung. Diese ist aufwendig und verlustbehaftet. Elektrische Heizungen erzeugen die Wärme hingegen direkt am Ort des Bedarfs.

Für Gebäude mit einem Heizwärmebedarf von 50 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (Niedrigenergiehaus) oder weniger gibt es also mittlerweile bessere und vor allem einfachere Möglichkeiten. Dabei investiert man nicht eine große Summe für die Haustechnik im Keller, sondern nimmt stattdessen einen Teil des Budgets, um seine verfügbare Dachfläche möglichst vollständig mit Photovoltaikmodulen zu füllen.

Erst die Hülle energetisch sanieren

Merke: Das Primärheizsystem rein solar-elektrisch auszuführen ist nur in Wohnhäusern sinnvoll, die nach heutigem Stand der Technik errichtet oder thermisch saniert wurden!

Für Häuser mit höherer Energiekennzahl lautet die allgemeine Empfehlung hingegen seit jeher, erst eine thermische Sanierung der Hülle vorzunehmen (Fenstertausch, Dämmung des Daches, der Fassaden und Geschossdecken). Erst im Anschluss kann man die Auswahl eines geeigneten Heizsystems vornehmen. Energie, die nicht benötigt wird, muss bekanntlich gar nicht erst erzeugt werden.

In der thermischen Sanierung des Gebäudebestandes schlummert eines der großen Potenziale für die Energiewende und den Klimaschutz.

Größe der Photovoltaikanlage

Bei einem derartigen Einfamilienhaus bewegt sich der jährliche Energiebedarf für Raumwärme in der Größenordnung von ungefähr 4.000 Kilowattstunden. Er entspricht also etwa der gleichen Energiemenge, die in so einem Objekt jeweils für Strom, Warmwassererzeugung und für Elektromobilität erforderlich ist.

Um die Energieversorgung aller vier Sektoren zu einem wesentlichen Anteil aus der hauseigenen Photovoltaikanlage speisen zu können, beträgt die Anlagenleistung typischerweise zehn Kilowatt oder mehr. Dafür sind mit modernen Modulen nur 50 Quadratmeter Fläche erforderlich (330 Watt pro Modul mit 1,6 Quadratmeter Modulfläche). So viel Platz ist auf den Dächern freistehender Einfamilienhäuser in der Regel verfügbar.

Wie wird die Wärme eingebracht?

Über elektrische Heizmatten in Fußboden, Wand oder Decke wird die Wärme eingebracht. Sie sind deutlich preisgünstiger als eine wassergeführte Fußbodenheizung. Obendrein können die meisten dieser Produkte auf bestehenden Estrichen verlegt werden. Für Sanierungen bedeutet dies den überragenden Vorteil, dass nur der Bodenbelag neu gemacht wird und nicht der gesamte Aufbau abgerissen und ersetzt werden muss.

Wie bei wassergeführten Fußbodenheizungen bieten auch E-Heizmatten den Vorteil, dass die Masse des Bodens thermisch aktiviert wird. Dieser kann als Tagspeicher für photovoltaische Überschüsse wirken und Erzeugungsschwankungen gut ausgleichen.

Der Estrich heizt mit

In einem Haus mit 120 Quadratmetern Nutzfläche kann der Estrich bei nur vier Kelvin Erwärmung (zum Beispiel von 22 Grad Celsius auf 26 Grad Celsius) immerhin 25 Kilowattstunden an Wärme bevorraten.

Kritische Behaglichkeitszonen wie das Badezimmer werden kurzzeitig auch per Infrarotpaneele (IR) temperiert, generell ist eine Speichermasse wie der Fußboden, die Wand oder die Decke jedoch zu bevorzugen.

Die Wärmeleistung der IR-Paneele ist nach diesem Konzept üblicherweise nicht stufenlos entsprechend den Solarstromerträgen geregelt, eine Verwendung ist nur temporär vorgesehen.

Ökologischer als eine Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe kann nur Wärme erzeugen. Sie leistet keinerlei Beitrag für die elektrischen Verbraucher im Gebäude. Im Gegensatz dazu versorgt die Photovoltaik die normalen elektrischen Haushaltsverbraucher vorrangig vor der Wärmeerzeugung und trägt somit in höchstem Maß zur Reduktion des Netzbezugs bei.

Bei Niedrigenergiehäusern liegt die solar-elektrische Haustechnik in Sachen Energieeffizienz mittlerweile gleichauf mit einer Luftwärmepumpe. Der Vergleich zwischen einem Wärmepumpensystem und der stufenlos (!) leistungsgeregelten Wärmeerzeugung mit Sonnenstrom wird anhand eines beispielhaften Reihenhausprojekts im Folgenden dargestellt.

Ein Wohnhaus in Oberösterreich

Es befindet sich in Oberösterreich und verfügt über 5,66 Kilowatt Photovoltaikleistung. Die Wohnfläche beträgt 115 Quadratmeter. Der Heizwärmebedarf liegt bei zirka 27 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr.

Der Haushaltsstromverbrauch beträgt 3.000 Kilowattstunden im Jahr. Das Haus verfügt weder über einen Batteriespeicher noch über ein E-Auto. Der Warmwasserbedarf wird mit täglich 200 Litern angesetzt, denn im Haushalt leben vier Personen.

Strombezug aus dem Netz

Wie in der Abbildung dargestellt, verwendet die Wärmepumpe Umweltenergie zur Bereitstellung der Wärme. Die Energie aus der Umwelt wird durch die Verdampfung eines Kältemittels von der Umgebungsluft aufgenommen. Die elektrische Antriebsleistung wird vom Stromnetz gespeist.

Die Summe aus diesen beiden Energiemengen stellt den Wärmeoutput dar, der zur Warmwasserbereitung und Gebäudeheizung verwendet werden kann. In jedem Fall muss aus dem öffentlichen Netz zudem aber noch der reguläre Strombedarf für die elektrischen Haushaltsverbraucher gedeckt werden. Insgesamt ist somit neben der Antriebsenergie der Wärmepumpe auch diese Energiemenge vom Stromnetz zu beziehen.

Für das gleiche Gebäude erfolgt nun die Betrachtung einer rein solar-elektrischen Haustechnik. Dabei sind lediglich 5,66 Kilowatt Photovoltaikleistung bei der Berechnung berücksichtigt. Es ergibt sich neben dem niedrigeren Stromverbrauch in der solaren Variante ein zusätzlicher Einspeiseertrag von rund 1.000 Kilowattstunden pro Jahr. Dieses System hat somit eine bessere Jahresarbeitszahl.

JAZ der elektrischen Haustechnik

Ein elektrischer Wärmeerzeuger für sich allein hat ebenso wenig eine Jahresarbeitszahl (JAZ) wie der Wasserkreis einer Fußbodenheizung. Erst das Gesamtsystem ermöglicht einen solchen Faktor. Für die Wärmepumpe heißen die erforderlichen Systemkomponenten Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Drosselventil. Über den Verdampfer wird Umweltenergie aufgenommen. Bei Luftwärmepumpen ist die Wärmequelle die Umgebungsluft. Erwärmt wird diese von der Sonne.

Photovoltaik statt Verdampfer

An die Stelle des Verdampfers rückt bei der solar-elektrischen Variante nun die Photovoltaikanlage. Die ursprüngliche Quelle der Umweltenergie ist somit ebenfalls die Sonne. Der Energieträger ist nun elektrischer Strom anstelle eines Kältemittels. Dünne Kabel ersetzen nicht nur aufwendige Rohrsysteme, sondern auch eine Technik, die ohne regelmäßige Wartung nicht auskommen kann.

Der große Vorteil ist, dass nun Elektrizität statt Wärme zur Energieverteilung verfügbar ist. „Kabel statt Rohre“ machen das System ungleich einfacher und kostengünstiger. Eine Eigenschaft, die sich auch in den Wartungskosten deutlich auswirkt.

Besser kein Duo mit der Wärmepumpe

Warum nicht Wärmepumpe und Photovoltaik kombinieren? Zum einen ist die elektrische Antriebsleistung von Wärmepumpen im Allgemeinen nicht stufenlos regelbar, was eine Grundvoraussetzung für die Kombination mit Photovoltaik wäre. Bei rein elektrischen Wärmequellen in Kombination mit geeigneten Leistungsstellern ist die Wärmeerzeugung hingegen „PV-ready“.

Ein weiterer Aspekt sind die Kosten. Zwei Systeme (Photovoltaik und konventionelle Heizung kombiniert) sind natürlich entsprechend teurer und für die Masse der Bauherren und Hausbesitzer oft eine zu große finanzielle Hürde.

Dazu kommen die Kosten für die Wartung der Wärmepumpe. Dritter Punkt: die Lautstärke. Haustechnik, die ohne bewegliche Teile auskommt, ist nicht nur wartungs-, sondern auch geräuscharm.

Kosten für Anschaffung und Betrieb

Vielen Leuten ist nicht bewusst, wie günstig Photovoltaik mittlerweile geworden ist. So ist ein 270-Watt-Modul bereits für 100 Euro zu bekommen. Diese Tatsache schafft die wirtschaftliche Grundlage für das Konzept „Kabel statt Rohre“.

Ein ökonomischer Vergleich von Betriebs- und Investitionskosten des solar-elektrischen Konzepts mit der Variante einer Luftwärmepumpe bringt beeindruckende Ergebnisse.

Die Zahlen, welche dieser Kalkulation zugrunde liegen, sind gängige Marktwerte, die in Abstimmung mit Installateuren berücksichtigt wurden. Die Energiekosten für Österreich (Bezug 20 Cent pro Kilowattstunde, Einspeisung vier Cent je Kilowattstunde) und Deutschland (Bezug 25 Cent pro Kilowattstunde, Einspeisung zwölf Cent für die Kilowattstunde) führen zu unterschiedlichen Ergebnissen:

Mehr Solarmodule aufs Dach

Im Unterschied zu Wärmepumpen werden bei solar-elektrischer Haustechnik durch die Dimensionierung der Photovoltaikanlage Investitions- und Betriebskosten direkt beeinflusst.

Bei einer Anlagenleistung von fünf Kilowatt beispielsweise liegen die Betriebskosten bei beiden Konzepten auf gleichem Niveau. Die Investitionskosten hingegen fallen um 30 Prozent geringer aus. Laufende Wartungskosten für die Wärmepumpe sind dabei nicht berücksichtigt. Diese wären gegenüber einem System, das ohne bewegliche Teile auskommt, natürlich höher.

Mit zunehmender Solarleistung erhöhen sich klarerweise die Errichtungskosten. Andererseits sinken die Betriebskosten, da ein größerer Anteil der benötigten Energie aus der hauseigenen Erzeugung stammt.

Bei einem Einfamilienhaus mit einer Zehn-Kilowatt-Anlage liegen diese in Österreich bei nur 70 Prozent und in Deutschland bei gerade mal 55 Prozent der Vergleichsvariante mit der Wärmepumpe. Die Anschaffung ist dabei noch immer nicht teurer.

Es steht dem Kunden über die Leistung der Photovoltaikanlage somit frei, zu entscheiden, an welcher Stelle er sparen möchte. Natürlich können Projekte, die zunächst mit kleineren Solaranlagen versehen sind, später ihren Autarkiegrad über den Zubau weiterer Module erhöhen und dadurch die Jahresarbeitszahl steigern.

In Zukunft alles solar-elektrisch

Im Haus der Zukunft ist alles rein elektrisch, größtenteils solar-elektrisch! „Kabel statt Rohre“ vereinfachen nicht nur die Installation und den Betrieb der zukünftigen Haustechnik. Das Konzept ist bei entsprechender Dimensionierung der Photovoltaikanlage zudem ökologischer als eine wassergeführte Heizung mit einer Wärmepumpe und in puncto Kosten obendrein günstiger!

Ein einfaches Tool für die individuelle Berechnung bietet My-PV online mit dem „Lösungs-Coach“. Es fließen dabei Strom, Warmwasser, Heizung und E-Autos in die Analyse ein. Basis ist ein rein elektrisches Energiesystem mit Photovoltaik als wesentlicher Energiequelle.

www.my-pv.com

Reinhard Hofstätter

war von 2010 bis 2016 im Austria Solar Innovation Center (ASIC) mit Forschungen zur Solarthermie betraut. Dabei war er als Lehrbeauftragter an der FH Oberösterreich im Studiengang Öko-Energietechnik tätig. Seit Juli 2016 leitet er den internationalen Vertrieb bei My-PV.

Die Referenzen der Firma My-PV aus Neuzeug sind auf Nachfrage mit detaillierten Beschreibungen verfügbar. Darüber hinaus veranstaltet das Unternehmen regelmäßig Webinare zur Anwendung der Produkte im Wohnungsbau.