Kaum ist die Photovoltaik den Kinderschuhen entwachsen, da geht es schon nicht mehr nur um Strom. Der erste Generator für jedermann, der einfach das Licht der Sonne ausnutzt, wird die gesamte Energieversorgung umkrempeln – und zwar von Grund auf. Elektrischer Strom ist eine wandlungsfähige Form von Energie, die sich obendrein gut transportieren lässt, zumindest auf kurzen Strecken.
Ein Wort zur Effizienz
Strom bewegt sich unabhängig von einem Medium in einem elektrischen Leiter, er lässt sich beinahe beliebig verzweigen, umleiten, regeln und steuern. Und vor allem: Er ist Kraft, Wärme und Mobilität zugleich. Und – das ist ein sehr wichtiger Punkt – elektrischer Strom lässt sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand sparen. Die Effizienztechnik ist im Stromsektor schon viel weiter fortgeschritten als in der Wärmetechnik oder gar bei den Autos mit Verbrennungsmotor.
Dagegen die klassische Wärmetechnik: Wärme lässt sich technisch nur mit großem Materialaufwand transportieren. Meist wirken Wasser oder Luft als Trägermedium; die unter Umständen sehr starken Stoffströme erfordern Pumpen, die wiederum elektrisch angetrieben werden. Jedes thermische System hat bei der Wärmeabgabe eine viel größere Trägheit als elektrische Systeme. Um Verluste zu vermeiden, sind die Verrohrungen zu dämmen – jeder Heizungsbauer kann ein Lied davon singen.
Strom verdrängt Flammen
Doch das größte Übel: Um 20 Grad Celsius in die Räume zu bringen oder 45 Grad Celsius ins Warmwasser, wird ein Brenner angeworfen, der knapp 1.000 Grad Celsius erzeugt. Das kann nicht effizient sein, von den Abgasen ganz zu schweigen. Im Automobil stehen sich Verbrennungsmotor (knapp 40 Prozent Wirkungsgrad) und Elektromotor (98 Prozent Wirkungsgrad) gegenüber.
Man muss kein Prophet sein, um zu erkennen: Die Energieversorgung der Menschheit wird künftig durch Strom erledigt. Verbrennungstechniken werden nur am Rande eine Rolle spielen, weil Sonnenstrom und Windkraft faktisch überall auf der Welt verfügbar sind. Und schon kommt dieser Wandel in den deutschen Stuben an. Die Systemanbieter in der Haustechnik stellen ihr gesamtes Angebot auf elektrische Komponenten um.
Unterstützt durch Smart Home und die zunehmende Zahl elektrischer Verbraucher in einem modernen Haushalt steht die ganze Heiztechnikbranche vor einem schmerzlichen Abschied: Gastherme, Heizkessel und sogar solarthermische Kollektoren haben eigentlich nur noch in der Gebäudesanierung eine Chance oder in sehr speziellen Nischen wie Gewerbebetrieben mit hohem kurzzeitigen Warmwasserbedarf.
Autarkie schon heute machbar
Viessmann aus Allendorf hat diesen Trend sehr früh erkannt. „Durch Photovoltaik, Wärmepumpen und Mikro-KWK kann man ein Wohnhaus faktisch autark versorgen“, sagt Thomas Oppel von Viessmann Photovoltaik. Das Unternehmen Viessmann macht im Jahr rund 2,1 Milliarden Euro Umsatz. Die Produkte umfassen das komplette Angebot der Haustechnik für alle Energieträger und Anwendungen von einem Kilowatt bis 120 Megawatt – vom Einfamilienhaus über die Industrieversorgung bis zu Siedlungen mit Nahwärmenetz.
Für Thomas Oppel sind Wärmepumpen (Vitocal) mit Photovoltaik (Vitovolt) eines der effizientesten Systeme überhaupt. Dabei hängt die Wärmepumpe zum Beispiel am Stromspeicher (Vitocharge). Er sagt: „Autarkie ist heute schon machbar.“
Konkret an einem Beispiel rechnet er vor, wie die saubere Energiewende im Eigenheim zugleich die Unabhängigkeitserklärung seiner Bewohner wird. Ein Wohnhaus aus dem Jahr 1991 verfügt über 160 Quadratmeter Wohnfläche. Ursprünglich war es mit einem Niedertemperaturgaskessel ausgerüstet. Der Strom wurde bei den Stadtwerken gekauft, die Familie unterhält zudem einen Mittelklassewagen.
Die Heizung brauchte 38.800 Kilowattstunden im Jahr, macht rund 2.136 Euro. Etwa 3.800 Kilowattstunden Strom wurden aus dem Netz gekauft, zirka 1.045 Euro im Jahr. Hinzu kamen die Betriebskosten des Autos, bei 15.000 Kilometern Fahrleistung im Jahr: 2.221 Euro.
Modernisiert wurde das Haus mit Photovoltaik und dreiphasigem Stromspeicher Vitocharge. Hinzu kam Mikro-KWK, das Blockheizkraftwerk Vitotwin kombiniert ein kleines Kraftpaket (ein Kilowatt elektrische Leistung, 5,3 Kilowatt thermische Leistung) mit einer Gasbrennwerttherme (sechs bis 20 Kilowatt thermisch) für die Spitzenheizlast an knackigen Wintertagen.
Diese Technik braucht keinen Stromspeicher, denn Photovoltaik und BHKW laufen in ergänzender Betriebsweise. Im Winter wird die Gastherme zugeschaltet, um die Heizung zu unterstützen.
Das Haus erzeugt so viel Strom, dass es rechnerisch 93 Prozent seines Bedarfs selbst abdeckt. Meist bleibt viel Strom übrig, der das Elektroauto lädt. Der Wagen fungiert als Stromspeicher, um Überschüsse abzunehmen. Die oben genannten Betriebskosten reduzieren sich um mehr als 70 Prozent. Die notwendigen Investitionen haben sich innerhalb von zehn Jahren amortisiert.
Die nächste Generation
Noch hat Viessmann mit Mikro-BHKW und Gasthermen gearbeitet. Schon steht die nächste Generation nützlicher KWK-Geräte vor der Tür. Die neuen Brennstoffzellen, die nun vom Bund gefördert werden und massiv auf den Markt drängen, sind der Sargnagel für die Verbrennungstechnik. Denn sie geben kaum Abwärme ab, laufen als reine Generatoren.
Schaltet man die Photovoltaik auf Vorrang, wird die Brennstoffzelle zum Tandemgenerator. Freilich sind die Brennstoffzellen noch sehr teuer. Doch sie werden einen ähnlichen Preisrutsch erleben wie die Lithiumspeicher.
Derzeit hebt der Weltmarkt ab, in Südkorea und Japan allein wurden schon mehr als 100.000 Brennstoffzellengeräte verkauft. Die Masse macht’s, es gelten auch in dieser Branche dieselben Gesetze, die die Märkte für Photovoltaik und Stromspeicher – und Elektroautos – treiben.
Kompetenz in der Steuerung
Bei solchen komplexen Haustechniksystemen spielt die Steuerung eine zentrale Rolle: Sie muss sehr schnell auf Stromangebot und Stromverbrauch im Gebäude reagieren, muss die Ströme zu den Verbrauchern oder Speichern (Heimspeichern, Elektromobilität) dirigieren oder den elektrischen Strom in thermische Puffer einlagern (Warmwasserspeicher, Heizungspufferspeicher, Kälteaggregate, Kühltechnik, Eisspeicher).
Der Erfolg der Unternehmen hängt von ihrer Kompetenz zur Steuerung der Haustechnik ab. Der österreichische Wechselrichteranbieter Fronius hat das sehr früh erkannt und einen großen Teil der Eigenverbrauchssteuerung in die Snapin-Wechselrichter integriert – bis hin zum Lastmanagement.
Bei Fronius wird der Wechselrichter zur Schaltzentrale. „Die intelligente Steuerung der Verbraucher im Haus senkt den Strombezug aus dem Netz auf ein Minimum“, erläutert Hans Pelzer von Fronius.
Die Einspeisung von Solarstrom ist nicht mehr zeitgemäß, zumal der Anschluss des Solargenerators zumindest in Deutschland durch zusätzliche Belastungen abgestraft wird. Dabei ist die Auswahl von besonders geeigneten Verbrauchern und ihre Ansteuerung sehr wichtig. Fronius baut zu diesem Zweck das firmeneigene Smart Meter ein.
Das ist kein Verbrauchszähler nach dem Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende, der den Netzbezug an den Regionalversorger funkt. Sondern das Fronius Smart Meter führt alle Ströme im Haus (Erzeugung, Verbrauch) zusammen. Es meldet dem Lastmanagement im Symo, wenn das Haus Strom aus dem Netz ziehen will. Sofort reagiert der Wechselrichter und bezieht den erforderlichen Strom aus dem Fronius Energy Package, der Hochvoltbatterie. Um die Intelligenz der Wechselrichter zu erhöhen, hat Fronius in den Umrichtern zahlreiche Anschlüsse integriert.
Die Intelligenz im Wechselrichter
Standardmäßig gehört dazu ein digitaler Ausgang (zwölf Volt DC, drei Watt) für das Überschusssignal aus der Solarleistung. Damit lassen sich Verbraucher im Haus direkt einschalten. Zudem sind sechs digitale Eingänge integriert, um Rundsteuerempfänger einzubinden. Modbus RTU (RS 485) erlaubt die Anbindung des Smart Meters. Zusätzlich bietet die Schnittstelle zum Ethernet die Möglichkeit, den Wechselrichter an Smart-Home-Systeme anzuschließen.
Den Eigenverbrauch zu erhöhen gelingt auch durch weitere Komponenten wie den Ohmpiloten, der den überschüssigen Strom aus Photovoltaik oder KWK ins Warmwasser, in den Pufferspeicher der Heizung oder in Infrarotheizflächen schickt. Und natürlich hängt auch die Fronius Solar Battery per Modbus RTU am Wechselrichter. Besonders gut lässt sich überschüssiger Eigenstrom verwenden, indem er eine Wärmepumpe speist. Über den digitalen Ausgang des Wechselrichters erhält die Wärmepumpe den Auftrag, die Temperatur im Pufferspeicher anzuheben.
Ebenso schaltbar ist eine kleine Ladesäule oder eine Wallbox, um das Elektroauto zu laden (einphasig, 230 Volt). Schnelle Ladevorgänge mit sehr hohen Leistungen sind durch die Photovoltaik kaum zu bewältigen, sie unterstützt langsames Laden mit sanften Verbrauchskurven. Mit leistungsstarken BHKW und vor allem mit Brennstoffzellen wird es künftig jedoch möglich sein, kurzzeitig hohe Leistungen aufzubringen.
Schalten mit der Uhr
Meistens sind die Erzeugungskurven der Photovoltaikanlage auf dem Dach bekannt. Die selbstlernende Steuerung weiß, dass die Spitzenerträge mittags (bei Südausrichtung) oder am Vormittag und Nachmittag (bei Ost-West-Ausrichtung) anstehen. Sehr einfach lässt sich der Eigenverbrauch durch Zeitschaltuhren an der Steckdose erhöhen.
Dabei muss nicht einmal der Wechselrichter mitreden: „Waschmaschinen, Geschirrspüler, die Poolpumpe oder die Klimaanlage sind typische Verbraucher, die man sehr einfach mithilfe einer Zeitschaltuhr steuern kann“, empfiehlt Hans Pelzer. „Die Poolpumpe kann acht Stunden am Tag laufen. Die Klimaanlage schaltet sich zu, kurz bevor die Bewohner von der Arbeit nach Hause kommen.“
Vielfältiger Baukasten möglich
Die Kombination der Photovoltaik mit Wärmepumpe, Ohmpilot, Smart Home, E-Auto, KWK und Stromspeicher erlaubt einen vielfältigen Baukasten, mit dem sich für nahezu jedes Gebäude eine optimale Lösung aufbauen lässt.
Da wartet viel Arbeit auf die Installateure. Denn die Produkte sind verfügbar, nun geht es um ihre Vernetzung und die Anpassung an die Wünsche und Erfordernisse bei den Kunden.
Solarinvert
Stromhamster nutzt Sonnenstrom zum Heizen
Der Stromhamster von Solarinvert besteht aus Sensortechnik, dem Energiemanagement mit Online-Monitoring und einer Leistungseinheit, die alle Anforderungen hinsichtlich EMV und Netzrückkopplung erfüllt. Er wird wahlweise mit einem Vorschaltboiler (sechs Kilowatt) oder einem Heizstab gleicher Leistung ausgeliefert, der mit einem Pufferspeicher kombiniert werden kann.
Das integrierte Energiemanagement ermittelt die Differenz zwischen der Stromerzeugung und dem Verbrauch im Haus. Es führt überschüssige Energie zuerst ausgewählten Verbrauchern und anschließend der Warmwasseraufbereitung über den Vorschaltboiler oder den Heizstab stufenlos zu. Durch die vollmodulierende Leistungsübertragung wird die Wärmeerzeugung genau auf die verfügbare Energie abgestimmt. Das Solarheizkraftwerk (SHKW) ist gleichzeitig für die Brauchwassererwärmung als auch zur Heizungsunterstützung einsetzbar.
Der Stromhamster reagiert sehr schnell. Bei sich ändernder Einstrahlung regelt der Stromhamster seine Leistungseinheit (Power Unit) innerhalb von Sekundenbruchteilen und vermeidet ungewollten Netzbezug. Der Stromhamster bietet sich auch als Nachrüstprodukt für bestehende Photovoltaikanlagen an.
Über eine RS485-Schnittstelle werden via Internet die notwendigen Informationen zwischen Energieversorgern und Hausnetz ausgetauscht. Auf Anforderung stellt der Stromhamster die aktuell abrufbare Leistung und Speicherkapazität zur Aufnahme von Regelenergie zur Verfügung und trägt somit zur Netzentlastung bei.
Redtherm
Energietechnik aus einer Hand
Redtherm aus dem niederrheinischen Uedem bietet ein energetisches Konzept an, das Infrarotheiztechnik mit Photovoltaik, Stromspeicher, Brauchwasser-Wärmepumpen, und Lüftungsanlagen kombiniert. Darüber hinaus komplettiert ein umfassendes Angebot an Alarm- und Brandmeldeanlagen das Portfolio.
Alle Komponenten werden von firmeneigenen Technikern beim Kunden fachgerecht eingebaut und in Betrieb gesetzt. Die komplette Projektabwicklung übernimmt Redtherm mit nur einem Ansprechpartner.
Viele kritische Verbraucher haben jedoch Akzeptanzprobleme mit Strom als Energieträger. „Strom ist die einzige Energie, die zukunftssicher ist“, sagt Andreas Geelen, Chef von Redtherm. „Öl und Erdgas sind endlich. Strom ist immer und überall verfügbar. Sonne, Wasser oder Wind wird es immer geben. Was im Straßenverkehr bald gang und gäbe ist, wird sich auch bei der Haustechnik durchsetzen.“
Über die Hälfte des Stroms, den die intelligenten Gebäudesysteme benötigen, wird über Photovoltaik generiert und im Stromspeicher zwischengelagert. Der Rest kommt aus der Steckdose. Hier kann der Verbraucher auf Ökostrom setzen.
Grammer Solar
Sonnenstrom kühlt Fischprodukte
Seit dem Sommer kühlt das oberpfälzische Familienunternehmen Fisch Engert seine Produkte mit Sonnenstrom. Juniorchef Andreas Aldefeld ließ auf dem Dach rund 100 Kilowatt Photovoltaik installieren, um die Kältetechnik zu speisen. Jährlich rund 90 Megawattstunden erzeugt der Betrieb nun selbst für seine Kühlanlagen.
80 Prozent des selbst produzierten Stroms gehen direkt in Kühlung. Die Solaranlage deckt rund ein Viertel des gesamten Stromverbrauchs im Unternehmen. Die Solarmodule wurden von Solarwatt aus Dresden geliefert. Die Wechselrichter stammen von Fronius (Symo), das Montagegestell von K2 (Flachdach mit Ost-West-Ausrichtung, zehn Grad Aufständerung). „Wir kalkulieren unter zehn Cent für die Kilowattstunde, für eingekauften Strom müssen wir 15 Cent zahlen“, rechnet Aldefeld vor. In zehn Jahren sei die Anlage refinanziert. „Spannend war für uns, dass die Tiefkühlanlage gleichzeitig einen Speicher darstellt“, ergänzt Siegfried Schröpf, Chef des Amberger Solarspezialisten Grammer Solar. „Man kann sie tagsüber tiefer steuern und hat so gewissermaßen eine Batterie – so bekommen wir den hohen Eigenverbrauch hin.“ Künftig möchte Aldefeld in modernere Kühltechnik investieren, die er mit verschiedenen Zyklen fahren kann.
Rennergy Systems
Mit PV-Heiz den Strom vom Dach veredeln
Die Firma Rennergy Systems aus dem Allgäu bietet PV-Heiz, eine Systemlösung für Sonnenstrom und Wärmepumpe. Damit lässt sich überschüssiger Sonnenstrom nahezu vollständig zur Wärmeversorgung nutzen. Das System basiert auf einem intelligenten Energiemanager, den Rennergy selbst entwickelt hat. Es ist in zwei Ausführungen erhältlich. Q-Hybrid Solo deckt den Energiebedarf im Wohnhaus oder Gewerbegebäude vollständig ab. Die Duo-Version ist für die Nachrüstung und Modernisierung aller Gebäudearten geeignet.
PV-Heiz Q-Hybrid Solo ist ein Komplettsystem, das der Installateur vorkonfektioniert und anschlussfertig geliefert bekommt. Neben der Photovoltaikanlage gehören dazu der Energiemanager, die Wärmepumpe und der integrierte Heizstab für die schnelle Aufheizung des Pufferspeichers.
Zunächst wird der Sonnenstrom direkt an verbrauchsintensive Geräte im Haus geliefert, die mit Funksteckdosen angesteuert werden. Liefert die Anlage auf dem Dach mehr Energie, wird mit dem Überschuss zuerst die Wärmepumpe betrieben. Weitere Überschüsse lassen sich mittels Heizstab in Wärme wandeln. Auf diese Weise sind hohe Temperaturen bis 90 Grad Celsius möglich.
Für die Modernisierung bietet Rennergy das System PV-Heiz Hybrid Duo. Dabei lässt sich der bestehende Kessel weiter als Spitzenlastkessel nutzen. Nur an besonders kalten Tagen springt der alte Kessel noch einmal an, als unterstützende Zuheizung.
Die Systeme leisten zwischen fünf und 14 Kilowatt thermisch. Die Wärmepumpe von Mitsubishi wird mit fünf, acht, elf und 14 Kilowatt Nennleistung geliefert. Bei großen Gebäuden können bis zu vier Wärmepumpen als Kaskade geschaltet werden. Somit sind Heizleistungen von bis zu 56 Kilowatt realisierbar.
Integriert ins Paket ist ein handelsüblicher Heizstab, der als modulierende Heizeinheit den gesamten Pufferspeicher auf bis zu 90 Grad Celsius aufheizen kann.
Die Wärmepumpe braucht immer etwas Anlauf, bevor sie den Speicher auf Temperatur gebracht hat. Warmwasser wird über Frischwasserstationen bereitet, im Durchfluss.
Systemanbieter wie Viessmann bieten zunehmend elektrische Wärmetechnik an, etwa BHKW oder Wärmepumpen.
Bei Fronius steuert der Wechselrichter die Speicherbatterie und die wichtigsten Verbraucher im Haus.
