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Energiekonzepte mit Photovoltaik und Solarthermie

Meistens werden die Wärme- und Stromversorgung von Gebäuden getrennt voneinander geplant und installiert. Aber warum nicht beides kombinieren, wo sich doch durch die Einbindung von Solarenergie wärmebasierte und strombasierte Konzepte entwickeln lassen? Das Forschungsprojekt „SolSys“ befasst sich genau mit diesem Thema.

Im Bereich der wärmebasierten Konzepte wird solar erzeugte Wärme in Warmwasserspeichern über teilweise lange Zeiträume bereitgehalten. Bei strombasierten Konzepten wird die Erzeugung von elektrischer Energie aus Photovoltaik maximiert und die elektrische Energie in Batterien gespeichert. Meistens erfolgt keine Zusammenführung zu „Wärme-Strom-Konzepten“. Daher gibt es nun das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Forschungsprojekt „SolSys“. Hier werden auf Solarenergie basierende Energieversorgungskonzepte für Wohngebäude untersucht und dabei die Wärme- und Stromversorgung parallel analysiert. Mitforschende sind unter anderem die Technische Universität Braunschweig, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme und das Solar- und Wärmetechnik Stuttgart.

Innerhalb des Projektes soll nun eine Dachfläche anteilig so mit Solarthermie und Photovoltaik belegt werden, dass der solarthermische und der solarelektrische Deckungsanteil für den Gesamtenergiebedarf im Gebäude maximal wird. Dabei werden die jeweiligen Flächenanteile schrittweise variiert und unterschiedliche thermische und/oder elektrische Speicherkapazitäten untersucht.

Untersucht werden insgesamt sechs Gebäude. Dieses sind Ein- und Mehrfamilienhäuser. Hier werden drei unterschiedliche Versorgungkonzepte mit jeweils Solarthermie und PV für jedes Gebäude entwickelt. Das sind genauer gesagt die Luft/Wasser-Wärmepumpe, der Gasbrennwertkessel und der Heizstab. Das Ganze wird dann mit einer thermischen Gebäudesimulation untersucht. Im Zuge der Forschung werden nur die Technologien zur Bereitstellung von Wärme und Strom variiert, alle anderen Systembestandteile und Gegebenheiten bleiben gleich. Die Forschung in den Gebäuden erfolgt dann mit den genannten thermischen und elektrischen Speicherkapazitäten sowie einer Variante ohne elektrischen Energiespeicher. Eine Analyse und Bewertung erfolgt hinsichtlich folgender Gesichtspunkte:
•    solare Deckungsanteile – thermischer Deckungsanteil, elektrischer Deckungsanteil und gesamt solarer Deckungsanteil
•    Primärenergiebedarf
•    CO2-Emissionen beim Betrieb der Anlagen
In die Berechnungen fließen ebenso die Werte für die zu erwerbenden Betriebsmittel Gas und Strom und die Einspeisung des produzierten Stromes ein. Hier spielt es eine große Rolle, ob der nicht im Haus genutzte Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann oder dass der solare Überschussstrom nicht eingespeist wird. Beides wird im Rahmen des Projektes bedacht.

Es liegen mittlerweile erste grundsätzliche Erkenntnisse am Beispiel des Mehrfamilienhauses in Konstanz vor. Dazu gehören folgende Punkte:

  • ein elektrischer Speicher steigert nur im Fall eines Wärmepumpenkonzepts den solarthermischen Deckungsanteil, weil ein Gasbrennwertkessel im Vergleich zu einer Wärmepumpe kaum elektrische Energie benötigt
  • der Einfluss der Netzeinspeisung von PV-Überschussstrom sinkt mit Vergrößerung der Solarthermieanlage, da weniger PV-Strom produziert und in das Netz eingespeist wird
  • ein elektrischer Speicher senkt den Primärenergiebedarf sowie die CO2-Emissionen, da gespeicherter PV-Strom auch nachts genutzt werden kann
  • ein elektrischer Energiespeicher hat mit kleiner werdender PV-Fläche immer weniger Einfluss auf den Primärenergiebedarf und auf die CO2-Emissionen


Wichtige Erkenntnisse für die Wärmeversorgung mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe oder einem Gasbrennwertkessel und die Nutzung der Dachfläche durch Solartechnik sind folgende:

  • ein Speichervolumen von 100 l/m² Aperturfläche stellt einen guten Ansatz zur Auslegung des thermischen Speichers dar
  • ein Speichervolumen von mehr als 100 l/m² Aperturfläche zieht keine nennenswerte Steigerung der solarthermischen Deckungsanteile nach sich
  • ein Speichervolumen von nur 50 l/m² Aperturfläche verringert den solarthermischen Deckungsanteil um etwa 5 Prozentpunkte
  • betrachtet man den gesamt solaren Deckungsanteil, so wird der größte Anteil mit ca. 40 Prozent durch das Wärmepumpenkonzept erzielt
  • der solarthermische Deckungsanteil konnte bei keiner Kollektorfläche über 30 % gesteigert werden
  • der solar­elektrische Deckungsanteil ist bei der Versorgung mit Gasbrennwertkessel höher als bei dem Konzept mit Wärmepumpe


Wie sehen nun die erreichbaren Deckungsanteile genau aus? Je nach Konzept können 15 – 40 % des gesamten elektrischen Energiebedarfs über die PV-Anlage gedeckt werden, auch ohne elektrischen Speicher. Der geringste Primärenergiebedarf und die geringsten CO2-Emissionen ergeben sich im Anlagenbetrieb und der Annahme, dass der überschüssige PV-Strom in das Netz eingespeist wird. Das wird dann mit einem Wärmepumpenkonzept und einer vollständigen Belegung der Dachfläche mit Photovoltaik erreicht.

Das Ziel des gesamten Projektes ist es, Entscheidungshilfen zur Technologieauswahl bei der Planung und Umsetzung solarbasierter Versorgungskonzepte zur Verfügung zu stellen. Erste Ergebnisse zeigen bereits, dass die größten gesamt solaren Deckungsanteile nicht über 40 Prozent steigen können. Zudem ist ein Wärmepumpenkonzept ökologisch sinnvoller als die Gasbrennwertvariante. Wie nun die Konstellationen bei anderen Gebäuden sind, wie zum Beispiel bei einem Einfamilienhaus, wird sich im Zuge des weiterlaufenden Projektes zeigen. Es werden außerdem alle Unterschiede und Gemeinsamkeiten analysiert. Selbstverständlich basieren alle zukünftigen Energiekonzepte zudem auf folgenden Details:

  • die Vorlieben
  • die Einstellung zu unterschiedlichen Technologien
  • das Umweltbewusstsein
  • die finanziellen Möglichkeiten
  • die Wirtschaftlichkeit