Photovoltaik-Heizung: Elektroheizung der nächsten Generation

Photovoltaikanlage, Solarspeicher und Heizstäbe: elektrisch heizen mit PV-Solarstrom mittels Photovoltaik-Heizung

Bisher war es so: Photovoltaikmodule auf das Dach, Einspeisevergütung kassiert – fertig. Heute ist es durch die geringe Einspeisevergütung am wirtschaftlichsten einen möglichst hohen Eigenverbrauchsanteil des selbst erzeugten Solarstroms zu nutzen.

Mit einer Photovoltaik-Heizung kann der überschüssige Strom, der im Normalfall eingespeist würde, effizient genutzt werden. Wer kennt das nicht: Sonnenenergie steht während der Sommermonate mehr als ausreichend zur Verfügung. Beginnt jedoch die Heizperiode, reduziert sich der Tagesertrag von Solaranlagen, ganz gleich ob es sich um Solarthermieanlagen oder Photovoltaikanlagen handelt, deutlich. Lässt sich die Sonne dann immer weniger blicken, steigt jedoch sowohl der Bedarf als auch der Verbrauch von Warmwasser und Strom. Sofern direkte Sonneneinstrahlung vorhanden ist, kann eine Solarthermieanlage die vorhandene Heizung unterstützen, jedoch keinen Beitrag für die solare Eigenverbrauch-Deckung mit Solarstrom leisten. Anders bei der Photovoltaikanlage: Sie erzeugt auch bei geringer Solarstrahlung noch Energie, die z.B. auch für eine Photovoltaik-Heizung genutzt werden kann. Und dies mit nur sehr geringer Haustechnik:

Wie funktioniert eine Photovoltaik-Heizung?

Solarstrom für den direkten Eigenverbrauch

Heizen mit Photovoltaik und Elektro-Heizstab

Sobald überschüssiger Strom zur Verfügung steht, wird dieser für das Heizen mit Photovoltaik genutzt. Um die Elektroheizung mit Energie zu versorgen steht in einem Bio-Solar-Haus ein Heizstab mit einer Gesamtleistung von 9 kWh zur Verfügung, die in mehrere Heizelemente zu je 3000 Watt unterteilt sind und den Hygienespeicher mit insgesamt 1.200 Litern Volumen über eine Schichtenladepumpe durchladen. Um auch solare Erträge von z.B. 100 Watt nutzen zu können, die gerade in der kalten Jahreszeit häufig vorkommen, verfügt das System über einen speziellen Dimmer, der in der Lage ist, auch diese Leistung über Heizstäbe zum Erwärmen der gesamten Anlage nutzen zu können.

Einspeisung des Solarstroms – externen "Batteriespeicher" nutzen

Wird weder für eine Verbrauchsstelle im Wohngebäude noch für das Erwärmen des Wasserspeichers oder den Stromspeicher elektrischer Strom benötigt, wird die überschüssige Solarenergie in das öffentliche Stromnetz nach einem entsprechenden Vergütungssatz eingespeist. Sollte zu einem bestimmten Zeitpunkt mehr Solarstrom benötigt werden als Ertrag zur Verfügung steht, wird dieser aus dem Netz in seiner Funktion als externer Batteriespeicher zurückgeholt.

Was wird benötigt um eine Elektroheizung mittels Photovoltaik zu realisieren?

Photovoltaikanlage

Basis einer jeden Photovoltaik-Heizung ist die Anlage auf dem Dach. Für einen ausreichenden Ertrag an Solarstrom sollte die Photovoltaikanlage über eine Gesamtleistung von ca. 8-10 kWp verfügen. Dies entspricht einer benötigten Fläche für die Photovoltaikmodule von ca. 50-63 m². Liegt die Dachneigung im Bereich von ca. 30° können Mehrkosten für eine Aufständerung vermieden werden.

Auf eine Solarthermie-Anlage kann in diesem Fall verzichtet werden, was sich aus Sicht der Kosten positiv auswirkt. Nicht nur die Module der Thermie entfallen, sondern auch sämtliche Kosten, die mit der Montage und dem Anschluss an einen möglichen Pufferspeicher verbunden sind – inkl. Pumpen und Solarflüssigkeit.

Wechselrichter

Der Wechselrichter wandelt den von der Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstrom in den im Haus nutzbaren Wechselstrom um. Zudem koordinieren Wechselrichter die Einspeisung von Überschussstrom in das öffentliche Stromnetz.

Elektroheizung – heizen mittels Heizstab?

Eine Elektroheizung wandelt elektrischen Strom besonders effizient nahezu 100% in Wärme um. Ziel einer PV-Heizung ist es, jeden Überschuss an Solarstrom in Wärme zum Heizen bereitzustellen.

Zu den bekanntesten Arten von Elektroheizungen gehören Infrarotheizungen und elektrische Fußbodenheizungen.

Die für eine Photovoltaik-Heizung ideale Form den erzeugten Solarstrom zum Heizen zu nutzen ist ein elektrischer Heizstab. Diese Variante der Elektroheizung wandelt den von der Photovoltaikanlage erzeugten Strom in Wärme um und überträgt diese nahezu verlustfrei auf das Heizungswasser. Durch die Pufferung der Wärme kann diese anschließend auch zu einer sonnenarmen Zeit oder nachts bedarfsgerecht verteilt werden.

Da der Solarstrom von der Photovoltaikanlage jedoch nur tagsüber zur Verfügung steht, sind diese Systeme zum dauerhaften heizen eines Einfamilienhauses ohne Zwischenspeicherung kaum geeignet. Um dieses Problem zu lösen gibt es verschiedene Speichersysteme. Für eine Infrarotheizung und eine elektrische Fußbodenheizung wird also ein Solarstromspeicher benötigt.

Stromspeicher oder Kombispeicher: Vor- und Nachteile

Stromspeicher

In einem Stromspeicher kann der von der Photovoltaikanlage generierte Solarstrom in Batterien zwischengespeichert werden. Batterie- bzw. Stromspeicher unterscheiden sich u.a. in Zelltypen, in der Anzahl der zur Verfügung stehenden Phasen, der möglichen Entladetiefe, der zur Verfügung stehenden Nutzkapazität und den möglichen Ladezyklen, bis sich die Nutzkapazität des Solarstromspeichers verringert.

Wird ein Heizstab genutzt, so reicht ein einfacherer Pufferspeicher, idealerweise als Kombispeicher mit der Aufbereitung von Warmwasser aus:

Kombispeicher

Ein Kombispeicher besteht aus einem großen Behälter, der mit Heizungswasser für z.B. eine Fußbodenheizung oder eine Wandheizung gefüllt ist. Innerhalb des Wärmespeichers befindet sich ein Wärmetauscher, der das Brauchwasser im Durchlaufprinzip hygienisch erwärmt.

Elektroheizung – Montageaufwand

Der Montageaufwand für Elektroheizungen am Fußboden, Wand oder Decke ist nahezu identisch. Der Aufwand für einzelne Infrarotheizkörper, die an Decken oder Wänden „aufputz“ montiert werden, ist im Vergleich zu echten Flächenheizungen, sofern entsprechende Stromanschlüsse vorhanden sind, deutlich geringer.

Warum den Strom einer Photovoltaikanlage nicht einfach zum Betrieb einer Wärmepumpe nutzen?

Eine im Idealfall mit Solarstrom betriebe Wärmepumpe entzieht nach dem „umgekehrten Kühlschrankprinzip“ der Außenluft Wärme. Mittels Wärmetauscher versorgt die Anlage während des Betriebs das Haus mit Energie für die Solarheizung und die Bereitstellung von Trinkwarmwasser. Durch die begrenzte Maximaltemperatur, die eine Wärmepumpe in der Lage ist zu erzeugen, sind Wärmepumpen zur Zeit noch kein ideales Mittel, um Wärmeenergie in einem Solarspeicher zu puffern, wobei die Verfügbarkeit einer modulierenden Wärmepumpe, also einem Gerät, welches nur den zur Verfügung stehenden Strom nutzt, dies grundsätzlich ändern könnte.

Derzeit bestehen Wärmepumpen noch aus vielen mechanischen Bauteilen wie z.B. Kompressoren, die nur über begrenzte Lebensdauer verfügen und damit die Betriebskosten für Wartung, Instandhaltung und Neuanschaffung steigen lassen können.

Ist die Kombination mit Solarthermie und einer PV-Heizung sinnvoll?

Durch die mögliche flexible Nutzung von Solarstrom sowohl zur Stromversorgung des Hauses als auch für die Bereitstellung von Warmwasser ist eine Solarthermie-Anlage nicht mehr erforderlich, zumal diese die zur Verfügung stehende Dachfläche für Photovoltaikmodule reduzieren würde. Weitere Kosten für Solarleitungen, Solarflüssigkeit, Solarpumpe entfallen zusätzlich.