Das elektrische Haus

Die Zeit der Energiewende ist gekommen, das zeigen uns die klimatischen, geopolitischen, aber auch wirtschaftlichen Entwicklungen. Wir von my-PV arbeiten schon seit Jahren daran, das solarelektrische Haus als Zukunftsvision zu etablieren. Nie standen die Zeichen so gut wie heute. Aber was ist ein solarelektrisches Haus? Dieser Beitrag soll diese und viele weitere damit zusammenhängende Fragen beantworten.

Power-to-Heat: Was ist ein solarelektrisches Haus?

Das solarelektrische Haus bezeichnet ein Wohnhaus, das seinen Energiebedarf zu einem möglichst großen Teil auf Basis von Photovoltaikstrom deckt. Das bedeutet aber auch, dass Raumwärme und Warmwasser ebenfalls mittels ökologisch nachhaltigen PV-Stroms abgedeckt werden. Dieses Modell bezeichnet man allgemein als “Power-to-Heat”:

Dabei wird die Wärme mittels Photovoltaikstrom immer dann erzeugt, wenn es einen Überschuss gibt. Dieser Stromüberschuss wird nicht ins Netz eingespeist, sondern vor Ort für Heizung und/oder Warmwasser genutzt.

Heizen mit Strom – ein Imageproblem

Mit Strom zu heizen galt lange Zeit als unwirtschaftlich und klimaschädlich. Das ist heute definitiv nicht mehr der Fall! Mit der Energiewende und dem Ausbau von erneuerbaren Energien wird die Elektroheizung effizient, wirtschaftlich und umweltschonend. Allerdings müssen dafür bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden.  

Das schlechte Image elektrischer Direktheizsysteme stammt vor allem aus der Zeit der Nachtspeicheröfen. Schmutziger Kohle- und Atomstrom wurde nachts verheizt, weil die Großkraftwerke nicht heruntergefahren werden konnten. Der Strom wurde ohne Hinzugabe von Umweltenergie in das System nur 1:1 in Wärme umgesetzt. Mit der Verwendung von Photovoltaikstrom für Raumwärme ändert sich diese Bilanz.

Für die photovoltaische Wärmeerzeugung sind der Warmwasserboiler und die elektrische Fußbodenheizung effiziente „Tagspeicheröfen“. Alles, was an Strom nicht sofort verbraucht wird, wird gespeichert – sei es in Form von warmem Wasser, im Fußboden bzw. im Estrich oder auch mit klassischen Batteriespeichern. PV-Anlagen müssen nicht abgeregelt werden, der Solarstrom wird zur Gänze genutzt. Ein „Backup“ für die Zeiten mit zu wenig Photovoltaikleistung kommt aus dem öffentlichen Netz.

Alles in allem ist diese Technologie bereits so gekonnt ausgereift, dass sie sogar Wärmepumpen schlagen. Unser Firmengebäude ist das perfekte Referenzmodell für die Power-to-Heat-Technologie – inkl. negativer Betriebskosten!

Noch mehr Informationen zum Thema Heizen mit Photovoltaik finden Sie hier.

Kommen alle Häuser für eine elektrische Heizung in Frage?

​​Prinzipiell: Nein. Es gibt einige Grundvoraussetzungen: Eine solarelektrische Direktheizung für Raumwärme macht nur in Gebäuden mit niedrigem Heizwärmebedarf Sinn. Darunter verstehen wir Objekte mit einer spezifischen Energiekennzahl von maximal 50 kWh/m²a.

Für ein Einfamilienhaus, das wärmetechnisch nach dem heutigen Stand der Technik errichtet oder fachgerecht thermisch saniert wurde, ist ein klassisches, wassergeführtes Heizsystem im Hinblick auf Leistung und Materialeinsatz bei der Installation nicht notwendig und völlig überdimensioniert. Der Grund liegt in der hydraulischen Wärmeverteilung, die aufwändig und verlustbehaftet ist. Elektrische Heizungen hingegen erzeugen die Wärme direkt am Ort des Bedarfs und die benötigte Heizlast von drei bis sechs kW kann problemlos solarelektrisch erreicht werden.

Für Gebäude mit einem spezifischen Heizwärmebedarf von unter 50 kWh pro Quadratmeter im Jahr gibt es also bessere und vor allem einfachere Möglichkeiten. Dabei spart man eine große Summe des Budgets an der Haustechnik im Keller und nimmt stattdessen einen Teil des Budgets, um seine verfügbare Dachfläche möglichst vollständig mit Photovoltaikmodulen zu füllen.

Wichtig zu wissen ist also: Ein reines solarelektrisches Primärheizsystem ist nur in Wohnhäusern sinnvoll, die nach heutigem Stand der Technik errichtet oder thermisch saniert wurden und somit einen spezifischen Heizwärmebedarf von 50 kWh/m²a oder weniger aufweisen!

Abbildung 1: Für den geringen Heizwärmebedarf (dunkelgrau) heutiger Einfamilienhäuser sind konventionelle wassergeführte Heizungen meist überdimensioniert.

Lösungsansätze für Altbauten

Für Häuser mit höherer Energiekennzahl lautet die allgemeine Empfehlung:

• Zuerst eine thermische Sanierung der Hülle vornehmen (Fenstertausch, Fassaden- und Geschossdeckendämmung) und

• im Anschluss die Auswahl eines geeigneten Heizsystems vornehmen.

Für uns ist klar: In der thermischen Gebäudesanierung schlummert eines der größten Potenziale für die Energiewende und den Klimaschutz. Wir freuen uns in Zukunft schon auf viele spannende Projekte in diesem Bereich.

Warmes Wasser im solarelektrischen Haus

Im solarelektrischen Haus der Zukunft wird aber nicht nur der Raum mittels Photovoltaikstrom erwärmt, sondern auch das Warmwasser. Warmwasser aus Sonnenenergie kennt man meist nur von solarthermischen Anlagen. Diese sind jedoch unnötig kompliziert und wartungsintensiv, die gerade in der Übergangszeit und im Winter kaum effizient arbeiten. Das geht aber auch anders und einfacher:

Präzise modulierte Heizstäbe nutzen überschüssigen Photovoltaikstrom aus Ihrer Anlage für die Erwärmung von Warmwasserspeichern. Der Heizstab, der in einem Warmwasser- oder Pufferspeicher eingebaut ist, heizt das Wasser untertags elektrisch auf. So kann der eigens produzierte Strom maximal für den eigenen Haushalt genutzt werden. Gleichzeitig werden Energieverluste gering gehalten, da es bei diesem System keinen Wärmeflüssigkeitskreislauf gibt.

Mehr zum Thema Warmwasser mit Photovoltaik lesen Sie übrigens hier.

Wie groß muss die Photovoltaikanlage eines solarelektrischen Hauses sein?

Die Größe der benötigten Photovoltaikanlage hängt einerseits vom Stromverbrauch, andererseits von der verfügbaren Dachfläche, aber auch von Parametern wie Wirtschaftlichkeit, Autarkie oder Klimaschutz ab. Erfahrungsgemäß liegt die durchschnittliche Größe einer Photovoltaikanlage eines Einfamilienhauses zwischen 7 und 15 kWp.

Bei einem derartigen Einfamilienhaus bewegt sich der jährliche Energiebedarf für Raumwärme in der Größenordnung von ungefähr 4.000 kWh. Er entspricht also etwa der gleichen Energiemenge, die in so einem Objekt jeweils für Strom, Warmwassererzeugung und für Elektromobilität erforderlich ist. Um die Energieversorgung aller vier Sektoren zu einem wesentlichen Anteil aus der eigenen Photovoltaikanlage speisen zu können, beträgt die Anlagenleistung typischerweise 10 kWp oder mehr.

Dafür sind mit modernen Modulen aber lediglich 50 Quadratmeter Fläche erforderlich (Annahme Modulleistung 330 Wp, 1,6 m² Modulfläche). So viel Platz ist auf den Dächern freistehender Einfamilienhäuser in der Regel immer verfügbar!

Wie kommt die Wärme ins solarelektrische Haus?

Meist über elektrische Heizmatten in Fußboden, Wand oder Decke. Diese haben gleich mehrere Vorteile gegenüber einer wassergeführten Fußbodenheizung:

• sind deutlich preisgünstiger

• die meisten dieser Produkte können auf bestehenden Estrichen verlegt werden

• bei Sanierungen muss nur der Bodenbelag neu gemacht werden und nicht der gesamte Aufbau abgerissen und ersetzt werden

Wie bei wassergeführten Fußbodenheizungen bieten auch E-Heizmatten den Vorteil, dass die Masse des Bodens thermisch aktiviert werden kann. Dieser kann somit als Tagspeicher für photovoltaische Überschüsse verwendet werden, wodurch Erzeugungsschwankungen gut ausgeglichen werden. In einem Haus mit 120 Quadratmeter Nutzfläche kann der Estrich bei nur 4 Grad Erwärmung (z.B. von 22°C auf 26°C) immerhin 25 kWh an Energie bevorraten.

Wer es kurzfristig besonders kuschelig warm mag, etwa im Badezimmer, der kann punktuell und temporär auch mit Infrarotpaneelen ergänzen. Für die generelle Wärmeleistung ist jedoch eine Speichermasse wie der Fußboden, die Wand oder die Decke zu bevorzugen.

Abbildung 2: Prinzipschema des solarelektrischen Hauses

Warum ist PV-Wärme ökologischer als eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe kann „nur“ Wärme erzeugen. Sie leistet keinen Beitrag für die elektrischen Verbraucher im Haushalt. Im Gegensatz dazu versorgt die Photovoltaik die normalen elektrischen Haushaltsverbraucher vorrangig vor der Wärmeerzeugung und trägt somit in höchstem Maß zur Reduktion des Netzbezugs bei. Beim Einsatz von Power-to-Heat steigt der Autarkiegrad!

Bei Niedrigenergiehäusern liegt die solarelektrische Haustechnik in Sachen Energieeffizienz gleichauf mit einer Luftwärmepumpe. Der Vergleich zwischen einem Wärmepumpensystem und der stufenlos (!) leistungsgeregelten PV-Wärmeerzeugung ist anhand eines beispielhaften Einfamilienhauses im Folgenden dargestellt.

Rahmenbedingungen

• Standort: Oberösterreich

• PV-Leistung: 10kWp

• Wohnfläche: 120 m², HWB ca. 30 kWh/m²a

• Haushaltsstromverbrauch: 4.000 kWh/a

• Kein Batteriespeicher, keine Elektromobilität.

• Warmwasserbedarf: 200 l/d (4 Personen)

Abbildung 3: Energiebilanz Luftwärmepumpe ohne Photovoltaik

Wie in Abbildung 3 dargestellt, verwendet die Wärmepumpe zur Bereitstellung der Wärme Umweltenergie, welche durch die Verdampfung eines Kältemittels von der Umgebungsluft aufgenommen wird. Ihre eigene Antriebsleistung wird immer vom Stromnetz gespeist. Die Summe aus diesen beiden Energiemengen stellt den Wärmeoutput dar, der zur Warmwasserbereitung und Gebäudeheizung verwendet werden kann. In jedem Fall muss aus dem öffentlichen Netz zudem aber noch der reguläre Strombedarf für die elektrischen Haushaltsverbraucher gedeckt werden. In Summe eine jährliche Energiemenge von fast 7.000 kWh, die unter diesen Rahmenbedingungen aus dem Netz bezogen wird, um die Haushaltsverbraucher zu versorgen und die Wärme bereitzustellen.

 Abbildung 4: Energiebilanz mit photovoltaischer Wärmeerzeugung

Für das gleiche Gebäude erfolgt nun die Betrachtung einer rein solarelektrischen Haustechnikvariante. Dabei ist in diesem Beispiel eine Photovoltaikanlage mit 10 kWp bei der Berechnung berücksichtigt. Die Photovoltaik versorgt nun die elektrischen Haushaltsverbraucher vorrangig vor der Wärmeerzeugung. Es ergibt sich neben dem niedrigeren Netzbezug von nur 4.800 kWh in der PV-Variante ein zusätzlicher Einspeiseertrag von ca. 3.900 kWh.
Die Jahresarbeitszahl der solarelektrischen Haustechnik liegt bei 9,59. Wie bei Wärmepumpen beschreibt diese Kennzahl den Faktor Wärmeabgabe / Netzbezug ohne Haushaltsstromverbraucher.

Wie kann eine rein elektrische Haustechnik eine Jahresarbeitszahl haben?

Ein elektrischer Wärmeerzeuger hat für sich allein ebenso keine Jahresarbeitszahl wie der Wasserkreis einer Fußbodenheizung. Erst das Gesamtsystem ermöglicht einen solchen Faktor. Für die Wärmepumpe heißen die erforderlichen Systemkomponenten: Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Drosselventil. Über den Verdampfer wird Umweltenergie aufgenommen. Bei Luftwärmepumpen ist die Wärmequelle die Umgebungsluft. Erwärmt wird diese von der Sonne.

Anstelle des Verdampfers tritt bei der solarelektrischen Variante die Photovoltaikanlage. Die ursprüngliche Quelle der Umweltenergie ist somit ebenfalls die Sonne. Der Energieträger ist nun elektrischer Strom anstelle eines Kältemittels. Hierbei ersetzen dünne Kabel nicht nur aufwändige Rohrsysteme, sondern auch Technik, die ohne regelmäßige Wartung gar nicht auskommen kann.

Für das solarelektrische Konzept ist die Photovoltaik das, was der Verdampfer für die Wärmepumpe ist. Sie verwendet die Sonne als ursprüngliche Energiequelle, um Umweltenergie in das System einzubringen.

Der große Vorteil ist, dass nun Elektrizität statt Wärme zur Energieverteilung verfügbar ist. „Kabel statt Rohre“ machen das System ungleich einfacher und kostengünstiger. Eine Eigenschaft, die sich auch in den Wartungskosten deutlich auswirkt.

Warum nicht Wärmepumpe und Photovoltaik kombinieren?

Aus verschiedenen Gründen: Zum einen ist die elektrische Antriebsleistung von Wärmepumpen im Allgemeinen nicht stufenlos regelbar, was aber eine Grundvoraussetzung für die Kombination mit Photovoltaik ist. Bei rein elektrischen Wärmequellen in Kombination mit geeigneten Leistungsstellern ist die Wärmeerzeugung hingegen „PV-ready“.

Ein weiterer Aspekt sind die Kosten. Zwei Systeme (PV und konventionelle Heizung kombiniert) sind natürlich entsprechend teurer und für die breite Masse der Bauherren und Hausbesitzer oft eine zu große finanzielle Hürde. Dazu kommen dann auch noch die monetären Aufwände für die Wartung der Wärmepumpe.

Dritter Punkt: die Lautstärke. Haustechnik, die ohne bewegliche Teile auskommt, ist nicht nur wartungs- sondern auch geräuscharm.

Wie hoch sind die Kosten bei Anschaffung und Betrieb?

Vielen Leuten ist noch gar nicht bewusst, wie günstig Photovoltaik mittlerweile geworden ist. Heutzutage ist ein 395 W Modul bereits für 200 Euro zu bekommen. Diese Tatsache schafft die wirtschaftliche Grundlage für das Konzept „Kabel statt Rohre“.

Im Unterschied zu Wärmepumpen können bei solarelektrischer Haustechnik durch die Dimensionierung der Photovoltaikanlage Investitions- und Betriebskosten in weiten Bereichen direkt beeinflusst werden. Mit zunehmender PV-Leistung erhöhen sich die Errichtungskosten. Andererseits sinken dadurch die Betriebskosten, da nun ein größerer Anteil der benötigten Energie aus der hauseigenen Erzeugung stammt.
Es steht dem Kunden über die Leistung der PV-Anlage somit frei zu entscheiden, an welcher Stelle er sparen möchte. Natürlich können Projekte, die zunächst mit kleineren PV-Anlagen versehen sind, später ihren Autarkiegrad über den Zubau weiterer Module noch erhöhen und die Jahresarbeitszahl dadurch steigern.

Fazit zum solarelektrischen Haus

Im Haus der Zukunft ist alles rein elektrisch, größtenteils solarelektrisch! „Kabel statt Rohre“ vereinfachen nicht nur die Installation und den Betrieb der zukünftigen Haustechnik. Das Konzept ist bei entsprechender Dimensionierung der Photovoltaikanlage zudem auch ökologischer als eine wassergeführte Heizung mit einer Wärmepumpe und in puncto Kosten auch noch günstiger!

Sie möchten Ihr persönliches Bauvorhaben durchrechnen?

Ein einfaches Tool für die individuelle Berechnung Ihres Energiesystems bieten wir Ihnen mit unserem „Power-Coach“. Es fließen dabei Strom, Warmwasser, Heizung und ggf. auch E-Autos in die Analyse ein. Die Basis ist ein rein elektrisches Energiesystem mit Photovoltaik als zentraler Energiequelle. Am besten probieren Sie es selbst gleich aus!