Wie Photovoltaik und Wärmepumpen (nicht) zusammenarbeiten

von Bernd Klane, 03/2019

Man begegnet heute im Wettbewerb der unterschiedlichen Heizungstechnologien dem vermeintlich guten Vorschlag, man solle zur Wärmepumpe gleich eine PV-Anlage dazukaufen um den hohen Strom-verbrauch von elektrisch betriebenen Wärmepumpen zu entschärfen – das wäre vermeintlich ökologisch. Dabei wird oft nicht hinterfragt, ob ein Neubau mit minimalem Wärmebedarf beheizt werden soll oder ein renovierter Bestandsbau. Hier einige Entscheidungskriterien.

Wärmepumpen dienen zur Versorgung mit Heizungswärme und zur Bereitung von Warmwasser wobei sie Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau aus der Umgebung auf ein für uns brauchbares Niveau von 40 oder 50 °C bringen. Je größer dieser Temperaturhub ist, desto mehr Strom muss die Wärmepumpe pro Wärmemenge dafür einsetzen.

Im Winter ist der Stromverbrauch von Wärmepumpen besonders hoch. Zum einen wird dann viel Heizwärme gebraucht und andererseits ist im Winter die Temperatur der Wärmequelle meist niedriger und der Temperaturhub fällt größer aus. Dies ist ganz besonders bei Luft-wärmepumpen der Fall; im Hochwinter funktionieren sie praktisch nur noch als unökologische Stromheizung. Bei Wärme aus der Tiefe des Erdreichs spielt letzteres eine geringe Rolle. Diese kurz gefassten Statements wurden jüngst (in 2023) wissenschaftlich fundiert untermauert mit einer Studie des FIW München in Kooperation mit dem IFEU Heidelberg, hier der Link zu der Studie.

Man sieht heute Wärmepumpen für Einfamilienhäuser mit einem Stromverbrauch von 4.000 bis 14.000 kWh pro Jahr, je nach Technologie nach Gebäudestandard und –größe.

Stromverbrauch einer Wärmepumpe im Jahreslauf    

Stromerzeugung aus PV und Stromverbrauch durch Wärmepumpe

Nebenstehende Grafik 1 verdeutlicht diesen Jahreslauf mit Messdaten eines bestmöglich sanierten Bestandshauses (Monitoring Projektes des ISE-Fraunhofer Instituts). Der Stromverbrauch der Wärmepumpe ist in roten Balken dargestellt und liegt im Winter zwischen 600 bis 1.000 kWh pro Monat, die Jahressumme beträgt ca. 4.100 kWh Strom.  Bei den Stromversorgern wird man damit Großkunde mit vergünstigten Tarifen, dennoch fallen über 1.200 € pro Jahr an Stromkosten nur für die Wärmeversorgung an.

Bei diesem Beispiel ist der Wärmebedarf rekordverdächtig niedrig angesetzt, ein doppelt so hoher Stromverbrauch ist bei Wärmepumpen in der Realität auch durchaus üblich. Der Brauchstrom im Haushalt kommt mit ca. 3.500 kWh/a noch dazu.

Stromerzeugung einer Photovoltaikanlage im Jahreslauf

In wie weit kann dieser Stromverbrauch nun von einer Photovoltaikanlage auf dem eigenen Dach gedeckt werden?

Ein anderes Monitoring Projekt zeigt den Jahresverlauf der Stromerträge aus Photovoltaik. Gemittelt über viele Standorte, Ausrichtungen und Dachneigungen zeigen die blauen Balken der nebenstehenden Grafik 2, dass bei einer Spitzenleistung in 4 kWp eine PV-Anlage etwa 3.850 kWh Strom pro Jahr liefert. Die neuesten Module mögen durchaus etwas mehr liefern. Es bleibt jedoch der Jahresverlauf als Charakteristik, im Dezember und im Januar liefert die PV-Anlage nur ca. 12% von den Sommerwerten.

Während die beobachtete Wärmepumpe im Dezember und Januar um die 800 kWh/mt Strom verbraucht, liefert eine PV-Anlage mit 4 kWp auf einem Wohnhaus 100 kWh/mt. Der Hauptanteil von ca. 700 kWh/mt wird aus dem Netz hinzugezogen. Unabhängig von der Vertragsform (Ökostrom oder konventionell) wird dies physikalisch gesehen viel Atom- und Kohlestrom sein (siehe unten).

Verbessert ein Batteriespeicher die Abdeckung einer Wärmepumpe?

Batteriespeicher sind nur dazu geeignet, über den Tagesverlauf die Erträge der Mittagsstunden abends verfügbar zu machen. Eine Speicherung von Haushaltsstrom über Wochen oder gar Monate ist undenkbar, ganz zu schweigen von Wärmepumpen-Strommengen. Dies zeigt der Verlauf der Eigennutzung zwischen 20% im Winter und 80% im Sommer bei batteriegekoppelten PV-Anlagen in Haushalten ohne Wärmepumpe (Grafik 2, ein Monitoring-Projekt). Auch die Erweiterung um einen Batteriespeicher ermöglicht also gerade einmal 20% des Haushaltsstroms im Winter abzudecken. Da ist keine Stromkapazität mehr zum Antrieb einer Wärmepumpe frei.

Aus der Gegenläufigkeit der Bedarfskurve einer Wärmepumpe und der Erzeugungskurve einer Photovoltaikanlage (Grafik 1) folgt, dass Wärmepumpen dem öffentlichen Stromnetz im Winter eine für Haushalte ungewöhnlich hohe Strommenge entnehmen. In dieser Jahreszeit hauptsächlich aus Kohle- und Kernkraftwerken (Grafik 3 nebenstehend).

Im Sommer liefert die PV-Anlage ihre Stromspitzen, die bereits seit Jahren zu negativen Strompreisen an der Strombörse führen (wer den Strom verbraucht –z. B. Frankreich- bekommt zusätzlich aus den EEG-Mitteln Geld). Dies könnte in Zukunft nur durch den Einsatz von unrealistisch großen Stromspeichern im Haus oder im Verbund gemildert werden.

Eigennützige Bewertung  . . .

Der Hausbesitzer kann nun zunächst auf Geldbasis eine nüchterne Gegenrechnung des fremdbezogenen Stroms für die Wärmepumpe und des eingespeisten, vergüteten Stroms anstellen und auf der Basis zu einer Beurteilung kommen. Eine technisch-physikalische Kopplung zwischen der Wahl einer Wärmepumpe und der Wahl einer PV-Anlage besteht praktisch nicht.

…oder gemeinnützige Bewertung

Wer eine ökologische Energiewende fördern will, wird in die Betrachtung hinzuziehen, dass er mit einer Wärmepumpe einen ungewöhnlich hohen Strombedarf in einer Zeit generiert, in der PV-Strom fast fehlt, sei es aus der eigenen PV-Anlage oder aus dem Netz (Grafik 3). Zwar liefern im Winter die Windkraftanlagen in Deutschlands Norden mehr Strom als im Sommer, eine Deckung vieler zusätzlicher Stromverbraucher ist jedoch mengenmäßig überhaupt nicht in Aussicht und auch nicht im Korridor der Ausbaupläne erkennbar.

Die physikalisch bedingte Schwäche von Wärmepumpenheizungen versucht man zunehmend mittels Zusatzeinrichtungen (Sekundär-lösungen, Smart-Grid-Hoffnungen, Stromspeicherung in der Cloud) zu entschärfen, die Technik wird dadurch jedoch immer aufwändiger, die Steuerung komplexer und der Nutzen ist durch den Laien oder den Heizungsmonteur nicht mehr verifizierbar.

Wie wenig die modernen Narrative von

• Atomausstieg 2020
• Mehr Wärmepumpen
• Mehr Elektromobilität
• Kohleausstieg (2038?)
• Dekarbonisierung

unter Beibehaltung unseres derzeitigen Konsumverhaltens zusammenpassen und was für die Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft daraus folgt, wird in den Artikeln zum Kohleausstieg und zum Stand in der Energiewende diskutiert.