Die Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist keine Pumpe im mechanischen Sinn, sondern wird so genannt, weil sie Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres „pumpt“. Nach den Gesetzen der Thermodynamik hängt der theoretische Nutzungsgrad, also das Verhältnis von gewonnener Wärmeenergie zur eingesetzten elektrischen Energie, entscheidend von dem zu „pumpenden“ Temperatursprung ab. Beim praktisch realisierbaren Nutzungsgrad ist der Zusammenhang ähnlich, aber die Nutzungsgrade sind sehr viel niedriger.
Die niedrige Temperatur bei einer Wärmepumpe, die Luft als Wärmequelle nutzt und die den weitaus häufigsten Fall bildet, entspricht direkt der Außentemperatur. Bei Nutzung anderer Wärmequellen, z.B. Flusswasser oder bei Erdbohrungen, gibt es eine zeitliche Entkopplung von der Außentemperatur. Bei Minusgraden sinkt nicht nur der Nutzungsgrad massiv, sondern der thermodynamische Vorgang des „Wärmepumpens“ wird unterbrochen und geräteintern durch eine elektrische Direktheizung (Tauchsiederprinzip) ersetzt, so dass der Nutzungsgrad nur noch 1 ist.
Bei dem höheren Temperaturniveau ist zwischen Warmwasserbereitstellung und Heizwärme zu unterscheiden. Für die Warmwasserbereitstellung werden zur Eindämmung der Legionellenvermehrung Temperaturen von 55 bis 60 Grad benötigt. Dementsprechend gering ist der Nutzungsgrad. Beim Heizen hängt die erforderliche Temperatur von dem Wärmedämmstandard und der „Heizkörper“fläche ab. Bei hohem Wärmedämmstandard werden geringere Temperaturen benötigt als bei niedrigem Wärmedämmstandard. Ideal sind gut gedämmte Häuser mit Fußbodenheizung (großer „Heizkörper“), weil die Temperatur da bis unter 35 Grad abgesenkt werden kann. Im nicht sanierten Altbau sind eher 70 Grad erforderlich, was die Energieeffizienz der Wärmepumpe deutlich reduziert.
Die unterschiedlichen Anforderungen von Warmwasser- und Raumheizungsbedarf hinsichtlich der Temperaturen und zeitlichen Verläufe sind seit jeher eine Herausforderung an jeden Wärmeerzeuger. Aus technischer Sicht wäre es optimal, beides zu trennen. Aber danach geht es nicht, sondern nach Kosten, und Platz für die Geräte muss auch da sein.
Der Warmwasserbedarf ist im Privathaushalt gewöhnlich gleichmäßig über das Jahr verteilt. Durch Nutzung eines Warmwasserspeichers lässt sich die Stromaufnahme zeitlich sehr gut an die PV-Stromerzeugung anpassen. Das passiert aber nicht automatisch, sondern erfordert eine anspruchsvolle Steuerung, die die historischen Daten zu Stromerzeugung und Warmwasserbedarf ebenso kennt, wie die Einspeiseprognose, die übrigen Stromverbraucher und die Batteriesteuerung. Es könnte sogar vorteilhaft sein, die Wärmepumpe nur für die Heizung zu nutzen und den Warmwasserbedarf durch direkte Nutzung des Gleichstroms aus der PV-Anlage zu decken. Dadurch sind höhere Temperaturen möglich. Es würde dann mehr Geld in die Speichertechnologie anstatt in die Wärmepumpe investiert. Im Sommer steht Solarstrom im Überfluss zur Verfügung, im Winter liefert die Wärmepumpe kaum einen Nutzungsgrad über 1. Erneuerbare Energie ist genug vorhanden, entscheidend ist die Kosteneffizienz, die Energieeffizienz ist hierin nur eine Variable.
Der Heizwärmebedarf hingegen hängt dreifach von der Außentemperatur ab. Der Wärmebedarf steigt in etwa proportional zur Außentemperatur. Bei niedrigen Außentemperaturen ist zudem eine höhere Vorlauftemperatur erforderlich. Der zu „pumpende“ Temperaturunterschied steigt somit zweifach. Zu dem erhöhten Wärmebedarf kommt ein deutlich sinkender Nutzungsgrad bis auf 1 herunter. Selbst innerhalb eines Wintermonats führt der Temperaturverlauf deswegen zu einer Verdreifachung des Wärmepumpenstromverbrauchs vom Minimum zum Maximum.
Der Heizwärmebedarf ist in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Wärmedämmung zeitlich gegenüber der Außentemperatur verschoben. Der höchste Heizwärmebedarf besteht in modernen Gebäuden am Tag nach dem kältesten Tag. Neben der Temperatur spielen auch noch der Solareintrag, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit sowie das Nutzerverhalten eine Rolle.
Ein „normales“ Gebäude besitzt keinen Wärmespeicher. Die Behauptung, man könne Wärmepumpen als „Speicher“ für den Strommarkt nutzen, ist schlichtweg falsch. Ein gut gedämmtes Gebäude besitzt eine gewisse Trägheit, so dass die Auswirkungen des (Nicht-)Heizens sich erst zeitversetzt bemerkbar machen. So lassen sich ein paar Stunden überbrücken, ohne dass sich gleich Komforteinbußen bemerkbar machen. Es ist aber nicht möglich, im Winter nachts zu heizen und tagsüber die Heizung auszuschalten. Das führt dann zu „Cold Days, hot nights“, was nicht angenehm ist.
Da eine bestimmte Raumtemperatur als Zielgröße vorgegeben ist, bedeutet jede zeitliche Steuerung, dass beim „Einspeichern“ von Wärme eine darüberhinausgehende Temperatur erzielt werden muss, von der dann der Raum nach Abschalten der Heizung auf das Zielniveau herunterkühlt. Das bedeutet wiederum doppelt höheren Strombedarf, weil der Nutzungsgrad der Wärmepumpe sinkt und höhere Raumtemperaturen höhere Wärmeverluste des Raumes bedeuten. Zudem erfordert eine zeitliche Steuerung eine höhere Heizleistung, was wiederum höhere Kosten für die Anlagen und einen sinkenden Nutzungsgrad mit sich bringt. Eine effektive Steuerung der Wärmepumpe erfordert also einen zusätzlichen Wärmespeicher.
Der exemplarische Verlauf des Wärmepumpenstrombedarfs über das Jahr zeigt die hohe saisonale Abhängigkeit von der Temperatur. Die Verbrauchswerte von Juni bis September stehen für den Warmwasserbedarf. Trotz dessen glättenden Effekts und der relativ hohen Temperaturen im Winter in diesem Beispiel, liegt der Strombedarf im Januar um den Faktor fünf höher als im Sommer. Bei der Solarstromerzeugung sind die Verhältnisse genau umgekehrt. Da liegt die Stromerzeugung im Dezember nur bei einem Siebtel derjenigen im Sommer. Daran ändern Steuerung und Wirkungsgradsteigerung nichts.
Der Profilfaktor für den Wärmepumpenstrom liegt bei 1,333. Damit gilt auch hier, dass ein dynamischer Stromtarif ungeeignet ist. Wer mit einer PV-Anlage und einer Wärmepumpe einen dynamischen Stromtarif wählt, hat sich gleich in beide Knie geschossen.
Dramatischer ist der geringe Eigenversorgungsanteil. In Kombination mit der PV-Anlage aus dem ersten Teil ergibt sich tatsächlich nur eine Lastdeckung des Wärmepumpenstrombedarfs aus den Erzeugungsüberschüssen, die nach Abzug des „normalen“ Haushaltsstrombedarfs verbleiben von 507 kWh bzw. nicht einmal 10% Eigenversorgungsanteil. Der Rest kommt aus dem Netz. Durch eine zeitliche Steuerung der Warmwassererzeugung lässt sich dieser Anteil deutlich steigern, in den Sommermonaten sollte er bis auf 1 ansteigen.
Im Winter hingegen wird der Strombezug der Wärmepumpe aus der PV-Anlage nicht steigen, denn in dieser Zeit ist auf Tagesbasis nicht einmal genug Strom für den normalen Haushaltsbedarf da. Damit wird der Eigenverbrauchsanteil auch mit guter Steuerung und Batterienutzung nicht über 30% im Jahr steigen. Auch eine 20% höhere Dimensionierung der PV-Anlage hilft nur in der Übergangszeit etwas. Wirklich helfen würde nur ein saisonaler Speicher – als Wärmespeicher oder in Form von Wasserstoff.
Fazit
PV-Anlagen und Wärmepumpen bilden kein Dream-Team, sondern eine Notgemeinschaft. Das ergibt sich durch einfache Überlegung schon daraus, dass die Ursachen für Heizbedarf und Solarstromerzeugung identisch, aber in ihrer Wirkung diametral entgegengesetzt sind. Wer mit einer Wärmepumpe heizen will (oder muss), muss den Strom zum weitaus größten Teil aus dem Netz kaufen. Das wird künftig noch deutlich teurer werden.
Anders sieht es bei der Klimatisierung aus, hier gibt es eine gute, positive Korrelation mit der Solarstromerzeugung. Der größte Teil der Weltbevölkerung hat mehr oder ausschließlich Klimatisierungsbedarf als Wärmebedarf, deswegen ist Solarstrom global gesehen sehr wertvoll. Warum nicht mehr Menschen in Deutschland den überschüssigen Solarstrom im Sommer zur Klimatisierung nutzen, ist wohl eine kulturelle Besonderheit. Wärme hat man gefälligst auszuhalten, Kälte nicht. Medizinisch ist aber das Gegenteil richtig.