Wärmepumpe folgt dem Lauf der Sonne
Neubauten werden heute in der Schweiz überwiegend mit einer Wärmepumpe zur Erzeugung von Heizwärme und Warmwasser ausgerüstet. Bei der Erneuerung von Bestandsbauten kommt in rund jedem vierten Fall ein derartiges Gerät zum Einsatz. Wärmepumpen sind damit die bevorzugte Alternative zu fossil befeuerten Gas- und Ölheizungen.
Die Fachhochschule Nordwestschweiz in Muttenz (BL) hat nun untersucht, wie die Wärmeproduktion mit Wärmepumpen durch Sonnenenergie unterstützt werden kann.
Im Mai 2017 haben die Stimmberechtigten dem neuen Energiegesetz zugestimmt. Sie votierten damit für mehr erneuerbare Energien und eine bessere Energieeffizienz. Politische Weichenstellungen entfalten ihre Wirkung in der Regel nach und nach. Im Bereich der Wärmepumpen sind positive Effekte unterdessen greifbar. Wärmepumpen nutzen die in der Luft, dem Erdreich und im Grundwasser enthaltene Wärme, um – unter Verwendung von elektrischem Strom zum Antrieb eines Verdichters – Heizwärme und Warmwasser, aber auch Kühlenergie bereitzustellen. Da sie ohne die fossilen Energieträger Öl und Gas auskommen, entsprechend sie den Zielsetzungen der aktuellen Energiepolitik.
Der Verkauf von Wärmepumpen hat nach dem Abstimmungsjahr 2017 deutlich zugenommen: In der Schweiz wurden 2018 knapp 22’000 Wärmepumpen abgesetzt, rund 10% mehr als im Vorjahr. Das ist bemerkenswert, denn seit dem Rekordjahr 2008 (20’670) hatten die Verkäufe tendenziell abgenommen. „Man kann diese Trendwende wohl nicht auf ein einzelnes Ereignis zurückführen“, sagt Stephan Peterhans, Geschäftsführer der Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (FWS), „doch die politische Diskussion um das Energie- und das CO2-Gesetz haben der Nutzung der Wärmepumpen neuen Schub verliehen. Hinzu kommt, dass mittlerweile praktisch alle Kantone Förderprogramme für Wärmepumpen haben.“
Mit Solarstrom betrieben
Wärmepumpen basieren auf einer bewährten Technologie. Das Potenzial mit Blick auf eine nachhaltige Energieversorgung ist aber noch nicht ausgeschöpft. So kann für den Betrieb von Wärmepumpen ergänzend zu Strom aus dem Netz auch direkt Solarstrom eingesetzt werden. Welche Bedeutung dem Solarstrom dabei zukommen kann, lässt sich mit einem realitätsnahen Beispiel zeigen: Familie Huber braucht in ihrem Einfamilienhaus (150 m2 Wohnfläche) für Heizwärme und Warmwasser jährlich 10’000 kWh Wärme. Die Wärme wird mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (7 kW Heizleistung) erzeugt, unter Einsatz von 3000 kWh Strom. Das Haus der Hubers ist mit einer Photovoltaik-Anlage (5 kWp) ausgerüstet, die jährlich 5000 kWh liefert, und einer Batterie mit 5 kWh Kapazität. Der erneuerbare Strom wird immer dann zum Betrieb der Wärmepumpe herangezogen, wenn es möglich ist, daneben aber auch für den Haushaltsstrom (Jahresbedarf: 3000 kWh) genutzt.
Die Zahlen zeigen: Die relativ kleine PV-Anlage produziert über das Jahr gesehen mehr Strom, als die Wärmepumpe verbraucht. Da der Solarstrom aber nicht immer zu den Zeiten produziert wird, wenn die Wärmepumpe gewöhnlich in Betrieb ist, läuft die Wärmepumpe der Familie Huber oft mit Netzstrom. Was heute üblich ist, lässt sich durch ein Energiemanagementsystem ändern: Mit einer intelligenten Regelung könnte man den Eigenverbrauch von PV-Strom steigern, indem man die Betriebszeiten der Wärmepumpe auf Zeiten mit PV-Ertrag legt. Was solche Energiemanagementsysteme bewirken und von welchen Randbedingungen sie beeinflusst werden – das hat nun ein Team des Instituts Energie am Bau (IEBau) der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) untersucht. Die vom Bundesamt für Energie unterstützte Studie wurde Ende 2018 abgeschlossen.
Intelligente Steuerung senkt Netzbezug
Ein zentrales Ergebnis der Untersuchung: Wird die Wärmepumpe durch intelligente Regelung dann betrieben, wenn PV-Strom produziert wird, kann der Bezug von Netzstrom im Haus insgesamt durch den geänderten Wärmepumpen-Betrieb um bis zu 3 Prozentpunkte vermindert werden. Auf diesem Weg steigt der Eigendeckungsgrad durch PV-Strom von 47 auf 50%. Mit Bezug zum oben genannten Beispiel bedeutet das in absoluten Zahlen: Statt 2820 kWh stammen neu 3000 kWh der 6000 kWh Strom, die der Haushalt über das Jahr hinweg braucht, aus der PV-Anlage.
„Aus Sicht des Stromkunden ist eine Reduktion des Netzbezugs um 3% relativ wenig und schafft keinen wirksamen monetären Anreiz“, sagt Studienleiter Ralf Dott und ergänzt: „Anders präsentiert sich die Lage aus anderen Blickwinkeln, beispielsweise aus Sicht des Netzbetreibers: Steigert eine grosse Zahl von Haushalten den Eigenverbrauch, kann daraus eine spürbare Entlastung des Verteilnetzes resultieren.“ Nach Aussage des FHNW-Forschers ist die Studie aussagekräftig für Einfamilienhäuser, aber auch für kleinere Mehrfamilienhäuser mit bis zu zehn Wohneinheiten. In Häusern mit mehreren Wohnparteien ist die Steigerung des Eigenverbrauchs tendenziell einfacher und grösser, weil das Warmwasser dank der Vielzahl der Nutzer über die Zeit hinweg ausgeglichener gebraucht wird, sagt Dott.
Die ausführliche Version des Fachartikels «Wärmepumpe folgt dem Lauf der Sonne» ist abrufbar auf www.bfe.admin.ch/ec-wp-kaelte (siehe Rubrik ‹Wärmepumpen und Kälte›)
Daten der viertägigen Messkampagne eines Heizsystems, dessen Wärmepumpe unter anderem mit Solarstrom gespeist wird:
Die oberste Grafik zeigt, dass die PV-Anlage während der Nachmittagsstunden mehr Strom erzeugt, als im Haushalt gebraucht wird (rote Kurve). Ein Teil dieses Stroms wird dann zum Betrieb der Wärmepumpe genutzt (blaue Kurve). Die mittlere Grafik zeigt, dass die PV-Anlage in den Nachmittagsstunden Strom ins Netz einspeist – und dies auch dann noch, wenn der PV-Strom für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt wird.
