U m den Eigenverbrauch einer Photovoltaikanlage zu optimieren, muss man die haustechnischen Stromverbraucher genau betrachten. Unterschiedliche Lasten werden zu unterschiedlichen Zeiten benötigt. Die Planung eines Photovoltaikgenerators mit Stromspeicher verlangt ein Gesamtsystem. Um es zu konfigurieren, muss man wissen, welche Lasten für die Haustechnik zu welcher Zeit am Tag oder im Jahresverlauf anstehen.
Die moderne Haustechnik für ein Wohnhaus umfasst neben der Wärmeversorgung und Sanitärausstattung heute auch die Raumlufttechnik. Diese Verbrauchergruppen unterscheiden sich nicht nur in Form von Hilfsenergie, sondern durch immer größeren Bedarf an Endenergie.
Hilfsenergie und Endenergie
Der Anteil an elektrischer Hilfsenergie für haustechnische Komponenten und Geräte ist sehr überschaubar. Er umfasst im Wesentlichen die Umwälzpumpen für die Heizungsanlage, die Zirkulationspumpen für das Trinkwasser sowie Stellglieder wie Umschalt-, Verteil- und Thermostatventile. Der größte Verbraucher elektrischer Hilfsenergie war bis vor einigen Jahren sicherlich die Heizungsumwälzpumpe – allein durch ihre konstante Betriebsweise während der Heizperiode. Heute haben sich energieeffiziente, drehzahlgeregelte Umwälzpumpen für die Heizungsanlage etabliert, die nur noch einen Bruchteil an elektrischer Energie benötigen. Während stufengeregelte Heizungsumwälzpumpen gerne 80 Watt und mehr verlangten, begnügt sich eine moderne Umwälzpumpe die meiste Zeit mit maximal 20 Watt. In der Praxis sind es oft sogar deutlich weniger.
Die Energiewende ermöglicht nicht nur, die Hilfsenergie mit erneuerbaren Energien abzudecken. Sie erlaubt auch die umfassende Versorgung mit Endenergie. Darunter versteht man die nutzbare Energie im Wohnhaus, also Strom für das Hausstromnetz und Wärme. Dabei passt der Photovoltaikstrom gut mit Wärmepumpen zusammen. Denn die Zeit der Verbrennungsprozesse läuft ab. Heute wird die Wärme aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser genutzt. Das Herz der Wärmepumpe ist der Arbeitskreis, in dem ein leicht flüchtiges Kältemittel zirkuliert. Es nimmt die Umweltwärme auf, verdampft und wird durch einen elektrisch getriebenen Verdichter komprimiert und auf nutzbare Temperaturen gebracht. Demzufolge lassen sich moderne Wohnhäuser mit nur einem Energieträger haustechnisch versorgen: mit dezentral erzeugter elektrischer Energie.
Insbesondere bei der Wärmeerzeugung mittels Heizungswärmepumpen fallen die größten elektrischen Lasten an. Auch bezüglich der notwendigen Nennwärmeleistung unterscheiden sich die Lastanforderungen am deutlichsten. Ein energieeffizientes Einfamilienhaus für vier Personen (Wohnfläche: 150 Quadratmeter) und normaler Ausstattung sollte nicht mehr als sechs Kilowatt Heizlast benötigen. Diese Leistung bezieht sich auf den Auslegungsfall bei tiefen Minusgraden. Nur an wenigen, eisigen Tagen im Jahr wird diese Volllast tatsächlich abgerufen. Je niedriger der Wärmebedarf, desto geringer ist der Bedarf an Endenergie (Heizwärme) und desto größer kann der Deckungsanteil der photovoltaischen Eigenanlage ausfallen.
Am deutlichsten lässt sich dieser Zusammenhang bei Wärmepumpen zur Trinkwassererwärmung veranschaulichen: Ihr Strombedarf ist deutlich niedriger als bei den altgewohnten Elektroboilern oder Durchlauferhitzern. Den niedrigsten Bedarf an elektrischer Endenergie weist die Raumlufttechnik in einem Wohnhaus auf. Der höchste Bedarf entsteht bei einem elektrischen Durchlauferhitzer für mehrere Entnahmestellen. Die hohen Lasten fallen zudem stoßweise an, in sehr kurzen Zeitspannen.
Verschiedene Spannungen
Weitere Unterschiede lassen sich in der Höhe der elektrischen Spannung feststellen. Während die Heizungswärmepumpe in der Regel 400 Volt (50 Hertz) verlangt, genügen einer Wärmepumpe für Warmwasser meist 230 Volt (50 Hertz). Dazu sollte man auch die Alternative betrachten: So könnte man den Solarstrom über einen Elektro-Heizstab direkt in den Pufferspeicher der Heizungsanlage leiten, um das Heizwasser direkt zu erhitzen. Dadurch wird elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt und zur Bereitstellung der Wärme gespeichert. Der E-Heizstab verlangt jedoch eine Leistungsaufnahme von mindestens drei Kilowatt, bei 400 Volt Spannung. Ein Wärmepumpenaggregat benötigt dagegen weniger als ein Drittel an elektrischer Leistung, bei 230 Volt.
Die meisten elektrischen Verbraucher der Haustechnik laufen mit 230 Volt. Auch bei den Heizungswärmepumpen werden in Zukunft leistungsstärkere Aggregate mit mehr als drei Kilowatt Nennwärmeleistung mit 230 Volt zu betreiben sein. Vielleicht bietet sich in manchen Fällen eine Aufteilung der Kompressoren an, um einen zwei- beziehungsweise dreistufigen Betrieb für die Grundlast, die Normallast und die Spitzenlast zu realisieren. Das entspricht einer integrierten Kaskadenschaltung der Verdichter. Sie kann die modulierende Betriebsweise moderner Kompressoren ergänzen.
Faustregeln für Verbraucher
Die nachstehende Tabelle zeigt eine Übersicht der elektrischen Verbraucher in der Haustechnik für ein Wohnhaus. Angegeben sind die unterschiedlichen Lastgrößen der elektrischen Leistungsaufnahme und die dazugehörige Spannungsversorgung. Die Tabelle zeigt zudem eine grundsätzliche Zuordnung in Winter- und Sommerbetrieb und ganzjährigem Betrieb. Denn natürlich fällt Solarstrom vor allem in den sonnenreichen Monaten an, zudem sind die meisten Anlagen für maximale Sommererträge ausgerichtet. Über das Jahr gerechnet können sie jedoch einen sehr hohen Deckungsanteil in der Stromversorgung erzielen, vor allem bei Verbrauchern, die während des gesamten Jahres laufen.
Im Detail ist freilich weiter zu unterscheiden zwischen temporärem und konstantem Bedarf. Konstante Betriebsarten wie die Grundlüftung in der Raumlufttechnik bieten eine solide Grundlastabdeckung. Spitzenlasten werden in der Wohnungslüftung sehr temporär entsprechend der aktuellen Raumluftbelastung verlangt. Modulierende Leistungsbereiche von Kompressoren und Ventilatoren werden mit gleitenden Lasten betrieben, was sich natürlich auch auf die Stromaufnahme auswirkt. Dementsprechend sind sämtliche Leistungskennwerte nicht statisch, sondern dynamisch zu betrachten.
Dies ist umso wichtiger, wenn man den Eigenstromanteil im Rahmen der Konzeptplanung möglichst präzise darstellen möchte. Man ist gut beraten, zunächst von den Maximalwerten auszugehen. Ein modulierender oder stufengeregelter Betrieb, wie er beispielsweise für eine Wohnungslüftung typisch ist, wird nur in der Spitzenlast – also bei Anwesenheit der Bewohner – die maximale Leistungsaufnahme der Ventilatoren fordern. Die meiste Zeit des Tages und in den Nachtstunden wird eine Grundlüftung ausreichend sein, die weder volle Leistung noch volle Nennströme abverlangt.
Die Nennströme in Ampere (A) werden in den folgenden Artikeln dieser Serie mit den spezifischen Geräten und Aggregaten behandelt. Denn sie sind sehr spezifisch je nach Gerät und Anwendungsfall. So drängt sich die Raumlufttechnik mit ihren Komponenten geradezu für eine Selbstversorgung auf, da die Ventilatoren weniger als ein Ampere Nennstrom benötigen. Selbst kompakte Wohnungslüftungsgeräte mit Wärmerückgewinnung benötigen kaum mehr als ein Ampere. Ein elektrisches Nachheizregister (Nennleistung: ein Kilowatt) würde schon mit gut vier Ampere zu Buche schlagen.
Szenario einer Wohnungslüftung
Bei einer kontrollierten Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung in einem Einfamilienhaus sollte man hinsichtlich der Ausstattung mit einer maximalen Leistungsaufnahme von 120 Watt rechnen. In Wohneinheiten des Mehrgeschosswohnungsbaus hingegen kommen in der Regel einfachere Lüftungssysteme zum Einsatz, die eine weitaus geringere Leistungsaufnahme (kleiner als 80 Watt) fordern.
Heute haben sich drehzahlgeregelte Ventilatoren nahezu durchgesetzt, die einen gleitenden, modulierenden Betrieb ermöglichen und nicht mehr Endenergie einfordern, als es die Raumluftqualität tatsächlich bedarfsgeführt verlangt.
Ebenso sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch etwaige Anlaufströme für haustechnische Komponenten zu berücksichtigen sind. Sie wirken sich vor allem bei den Kompressoren der Heizungswärmepumpen aus. Auch diese Themen werden in weiteren Artikeln dieser Serie behandelt.
Diese gesamten Werte: Spannung, Leistungskennwerte und Nennströme (die auch der Betriebsart entsprechend dem Lastmanagement zu unterscheiden sind) ergeben in der Summe gemeinsam mit den Betriebszeiten die wichtigsten Informationen, um ein Anforderungsprofil zu erstellen. Dieses Profil ist die Planungsgrundlage für die dezentrale Stromversorgung als Endenergie.
Von den Lasten zum Nutzungsprofil
Ein weiterer wichtiger Faktor hinsichtlich des tatsächlichen Bedarfs an elektrischer Energie sind die Betriebsstunden diverser Geräte, Aggregate und Komponenten. Die Betriebszeit steht im direkten Zusammenhang mit dem (Tages-)Zeitpunkt, wann welche Last gefordert wird beziehungsweise bereitzustellen ist. Die detaillierte Lastanforderung wird in einem Nutzungsprofil dargestellt.
Dementsprechend werden Lastprofile als Tages-, Wochen- und Monatsprofile erarbeitet. Darüber hinaus gilt es auch zwischen den Jahreszeiten zu unterscheiden. So muss man die Variabilität von Heizlasten während der Heizperiode unterscheiden. Die angegebenen Nennwärmeleistungen beziehungsweise Heizlasten beziehen sich immer auf den Auslegungsfall, also zum Beispiel bei einer Außentemperatur von minus 18 Grad Celsius. Sie werden nur an wenigen Tagen im Jahr benötigt. Die Grund- und Mittellasten sind ungleich geringer. Ein Grund mehr, mit Aggregaten aus mehreren Kompressoren zu arbeiten. So kann die Grundlast vollständig mit eigenem Strom abgedeckt werden. Für die Mittellast gilt dies zumindest teilweise. Für die Spitzenlast wird externer Strom aus dem Netz verwendet. Dies gilt freilich auch für etwaige Kühllasten.
Die gewöhnliche Nutzung einer Warmwasser-Wärmepumpe hingegen besitzt ein recht überschaubares Profil. In einem normalen Haushalt mit vier Personen muss sie über den Tag verteilt etwa 160 Liter Warmwasser bereitstellen. Die Bedarfsunterschiede zwischen Winter und Sommer sind unwesentlich. Sie können für eine grobe Erstbetrachtung vernachlässigt werden. Allerdings wird man die Anlagenkonfiguration nach dem Sommer ausrichten, um mit der Solarstromanlage das Warmwasser möglichst vollständig bereitzustellen. Mittlerweile bietet der Markt geeignete Systeme dafür an. Bei einer gewünschten Vollabdeckung ist das Bereitschaftsvolumen der Warmwasservorhaltung der Leistung des Solargenerators anzupassen. Denn die Energie ist tagsüber nicht nur für den abendlichen Warmwasserbedarf zu sammeln. Sie muss auch für den folgenden Morgen ausreichen, bevor neuer Solarstrom in den Speicher fließt – oder der Photovoltaikgenerator das Aggregat der Wärmepumpe speist.
Solange die Speichertechnik noch in ihren Kinderschuhen steckt, stehen vorerst die sommerlichen (Direkt-)Verbraucher im Mittelpunkt. Das sind neben der Trinkwassererwärmung fraglos die Kühlung und die Raumlufttechnik. Die Photovoltaik verfügt jedoch über ein nicht zu unterschätzendes Potenzial, den Strombedarf eines Wohnhauses zu decken.
Die Serie zum Eigenverbrauch
- Teil 1: Elektrischer Strom im Wohnhaus
- Teil 2: Elektrischer Strom im Nichtwohngebäude (Juli 2013)
- Teil 3: Warmwasser durch Sonnenstrom (August 2013)
- Teil 4: Photovoltaik in der Lüftungstechnik (September 2013)
- Teil 5: Photovoltaik in der Wärmeversorgung (Oktober 2013)
- Teil 6: Photovoltaik in der Kühltechnik (November 2013)
Die Beiträge dieser Serie können Sie nach Erscheinen im Abobereich der Website https://www.photovoltaik.eu/ lesen und downloaden.
Energiekonzepte für die Kunden
Vielfältige Lasten im Wohngebäude
In Deutschland gibt es nach Angaben des Statistischen Bundesamtes rund 18,5 Millionen Wohnbauten. Jedes Jahr kommen ungefähr 100.000 neue Wohngebäude hinzu: Einfamilienhäuser oder Mehrgeschosser. In jedem Jahr werden in Deutschland rund 250.000 Wohnungen neu gebaut. In der Republik Österreich gibt es rund 2,2 Millionen Gebäude mit insgesamt 4,3 Millionen Wohnungen. In der Schweiz sind 1,6 Millionen Wohngebäude erfasst, davon mehr als eine Million mit nur einer Wohnung.
Für die drei Länder des deutschen Sprachraums gilt gleichermaßen: Die meisten Wohngebäude stammen aus der Zeit vor 1945. Nach dem Krieg wurde vor allem in Deutschland viel und schnell gebaut, das sind die Sanierungsfälle von heute. Eine Sonderkonjunktur gab es im Osten Deutschlands in den ersten Jahren nach 1990. Mittlerweile ist das Baugeschäft im Segment der Wohnhäuser auf ein sehr niedriges Niveau zurückgefallen.
Die Grafik zeigt den typischen Energiebedarf eines privaten Haushalts in Deutschland.
Richtwerte auf einen Blick
Elektrische Lastgrößen der Haustechnik in Wohnhäusern
Der autor
Frank Hartmann
ist Gas-Wasser-Installateur und Heizungs- und Lüftungsbauer, Elektroinstallateur und Energietechniker. Nach langjähriger Erfahrung im Handwerk mit dem Schwerpunkt auf erneuerbaren Energien gründete er das Forum Wohnenergie als Dienstleistungszentrum für energieeffizientes Bauen und Modernisieren. Darüber hinaus ist er im Projektmanagement und in der Weiterbildung, Qualifizierung und Beratung tätig. Frank Hartmann ist Mitbegründer der Solarteur-Schule in Nürnberg.
In diesem Systemhaus von Buderus wird der Solarstrom in Wechselstrom umgesetzt und im Gebäude genutzt. Auch hier ist kein Speicher vorgesehen. Überschüsse werden ins Netz eingespeist. Auch Versorgungsdefizite werden aus dem Netz abgedeckt.
In dieser Konfiguration von SMA ist kein Batteriespeicher für das Gebäude vorgesehen. Der Solarstrom wird sofort auf Netzfrequenz umgesetzt, um alle Verbraucher zu versorgen. Nur das Elektromobil wirkt als Puffer. Die Energieströme werden über den Sunny Home Manager gesteuert.
Das Konzept von Kyocera koppelt die Solaranlage (9) über den Wechselrichter (6) mit einer Brennstoffzelle (1), die einen Pufferspeicher (2) mit Wärme versorgt. Auf diese Weise werden Warmwasser und Heizwasser für die Heizkreise (7) erzeugt. Eine Lithium-Ionen-Batterie (4) und der Energiemanager (EMS, 5) steuern und puffern die Solarerträge. Sie versorgen die elektrischen Verbraucher (8) im Haus.
