Techno-ökonomischer Vergleich von Solarthermieanlagen mit Photovoltaik-Wärmepumpen-Systemen mittels dynamischer Simulation

Mit Hilfe der Simulationsumgebung INSEL konnte eine detaillierte Modellierung sowie umfangreiche Simulationen von Photovoltaik-Wärmepumpen-Kombinationen und Solarthermie-Systemen in Kombination mit Gaskesseln durchgeführt werden. Ein besonderes Merkmal der Jahressimulationen stellt dabei die Konsistenz der Wärme und Stromlastgänge dar, die für jedes Gebäude und jeden Standort in Abhängigkeit der Wetterdaten generiert wurden.

Mit den Erkenntnissen zu den Systemsensitivitäten einzelner Komponenten und Teil-Systeme wurden wesentliche Merkmale und Unterschiede von PV-Wärmepumpe (PV-WP)-Systemen und Solarthermie (ST)-Systemen herausgestellt. Dabei ist grundsätzlich festzustellen, dass die auf die Solarfläche bezogenen Wärmeerträge beider Systeme für die meisten Anwendungsfälle sehr ähnlich ausfallen. Darüber hinaus existieren jedoch zahlreiche spezifische Besonderheiten der Systeme:

Vorlauftemperatur hat einen großen Einfluss auf die Systemeffizienz

Grundsätzlich reagieren sowohl PV-WP-Kombinationen als auch ST-Systeme mit sinkenden Wirkungsgraden bei steigenden Ziel- und/oder fallenden Außentemperaturen. Im Gegensatz zur Solarthermie nimmt die Temperatursensibilität bei der untersuchten Luft/Wasser-Wärmepumpe von kalten zu warmen Außentemperaturen überproportional stark zu, sodass sich sehr gute Systemeffizienzen im Bereich hoher Außentemperaturen ergeben. Umgekehrt zeigt das ST-System gute Betriebseigenschaften bei mittleren Außentemperaturen und gleichzeitig hohen Einstrahlungen. Hier zeigt sich deutlich, dass vor allem hohe Zieltemperaturen über die Solarthermie wesentlich effizienter erzeugt werden können als mit PV-Wärmepumpen-Kombinationen. Voraussetzung dafür ist jedoch eine temperaturabhängige Anpassung des Kollektorvolumenstroms.

Betriebsergebnisse variieren je nach Ausrichtung und Neigung des Dachs

Beide Systeme verlangen gleichermaßen nach steileren Anstellwinkeln der Solarflächen bei Gebäuden, dessen Wärmebedarf durch Heizgrenztemperaturverschiebung zunehmend im Winterhalbjahr liegt. PV-WP-Systeme sind im Gegensatz zu ST-Systemen dabei jedoch deutlich unsensibler, was eine Abweichung der Ausrichtung vom theoretischen Optimum betrifft. Dies resultiert darin, dass photovoltaisch erzeugter Strom unabhängig von der Außentemperatur und Höhe der PV-Leistung über die Wärmepumpe auf Wärme beliebiger Temperaturen gewandelt werden kann. Die Laufzeiten von PV-Wärmepumpen-Systemen sind damit deutlich größer als die der Solarthermie.

Gebäudestandort beeinflusst die Systemunterschiede

Die Untersuchung der Systeme in allen Testreferenzgebieten Deutschlands zeigt, dass der Ort und damit das ortstypische Wetter für große Unterschiede und auch gegenläufige Ergebnisse beider Systeme sorgen kann. Für ein Solarsystem mit 15 m² PV bzw. ST schwankten die erreichten Endenergieeinsparungen für ein definiertes Gebäude mit konstantem Wärmebedarf je nach Ort in einem Bereich von 13 bis 21 %. Tendenziell profitiert die Solarthermie dabei stärker als PV-WP-Systeme von Regionen mit hohen jährlichen Globalstrahlungssummen.

Für den ökonomischen Vergleich wurden Systeme mit für die Solarthermie üblichen Solarflächen und Speichergrößen simuliert. Ohne die Berücksichtigung des Eigenverbrauchs des PV-Stroms im Haushalt und unter heutigen Preisannahmen für Strom und Gas zeigt sich, dass weder PV-WP- noch ST-Systeme ökonomische Vorteile gegenüber einfachen, auf Gaskesseln basierenden Heizungssystemen ermöglichen. Wird der photovoltaisch erzeugte Strom, wie bereits heute üblich, mit im Haushalt verbraucht und gleichzeitig die Wärmepumpe mit am Haushaltsstromnetz betrieben, verbessert sich die Wirtschaftlichkeit der PV-WP-Systeme signifikant. So können im Bereich der Mehrfamilienhäuser bei Annahme heutiger Energiepreise bereits Energiekosten realisiert werden, die mit günstigen Standard Gasheizungen konkurrieren können.

Aus technischer und ökonomischer Sicht wird die Solarthermie mit den bereits auf dem Markt erscheinenden PV-WP-Systemen aus Sicht des Autors eine ernstzunehmende Konkurrenz bekommen.