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Vergleich von thermischen Speichern und Batteriespeichern

Mit einer PV-Anlage in Kombination mit einer Wärmepumpe kann der komplette Bedarf an Wärme und Strom eines Gebäudes prinzipiell selbst erzeugt werden. Erzeugung und Energiebedarf fallen allerdings nicht immer gleichzeitig an. Für eine hohe Eigenversorgung muss daher Energie zwischengespeichert werden. Ist es nun sinnvoller einen thermischen Speicher oder eine Batterie einzusetzen? Worauf sollte man achten?

Evelyn BambergerEvelyn Bamberger

Fokussierung auf Eigenverbrauch kann in die Irre führen

Grundsätzlich ist zu beachten, dass eine Zwischenspeicherung immer mit Verlusten verbunden ist. Was banal klingt, wird in den üblichen Angaben und Kennzahlen meistens nicht beachtet. Die Konsequenz daraus ist, dass der Effizienz des Gesamtsystems zu wenig Aufmerksamkeit gewidmet wird. Es ist sogar so, dass mit höheren Verlusten und Ineffizienzen der Eigenverbrauch steigt und damit vermeintlich „besser“ wird.

Dies kann einfach an einem Extrembeispiel verdeutlicht werden: Wenn der erzeugte PV-Strom vollständig zum Betrieb der Wärmepumpe genutzt wird, beträgt die Eigenverbrauchsquote 100 %. Da die so erzeugte Wärme zu einem grossen Teil nicht benötigt, sondern buchstäblich zum Fenster hinaus geheizt wird, ist der Nutzen für den Verbraucher sehr gering. Durch den höheren Verbrauch an elektrischer Energie würde auch der Autarkiegrad, der als Mass für die Unabhängigkeit vom Netz gilt, in diesem Beispiel steigen.

Neuer Test zum Vergleich von Systemen

Auch in den Testresultaten von Systemen, die heute schon am Markt erhältlich sind, kann dieses Phänomen beobachtet werden. Am SPF Institut für Solartechnik in Rapperswil werden Systeme im dynamischen Betrieb mit identischer Last getestet. Dazu wird das System im Teststand aufgebaut (Abbildung 1) und muss die in einem 6-Tagesprofil definierten typischen Lasten für Heizung, Warmwasser und Haushaltsstrom decken. Innerhalb der sechs Tage werden die unterschiedlichen Anforderungen aller Jahreszeiten berücksichtigt. Die im Test ermittelten Werte sind direkt repräsentativ für den Betrieb des Systems im Feld über ein Jahr. Im Gegensatz zu Feldtests können im Prüfstand die Bedingungen wiederholt werden. Unterschiedliche Systeme und Regelungsvarianten lassen sich damit vergleichen. Auch muss das System nur wenige Tage und nicht ein volles Jahr betrieben werden, um Ergebnisse für alle Jahreszeiten zu liefern. Nähere Informationen dazu sind auf der Webseite des SPF zu finden.

Die Ergebnisse von vier getesteten Systemen mit gleicher PV-Anlage, gleichem Wärmebedarf für Warmwasser und Raumheizung und gleichem Haushaltsstrombedarf zeigt Abbildung 2. Betrachtet man ausschliesslich Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad, schneidet System 2 vermeintlich besser ab als System 3. Dies obwohl es einen höheren elektrischen Gesamtenergieverbrauch aufweist und mehr Strom aus dem Netz bezieht.

Neue Kennzahl: Die Netzaufwandszahl

Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad sind dennoch interessante Angaben. Sie sollten allerdings um aussagekräftigere Werte ergänzt werden. Hierfür bietet sich der verbleibende Netzbezug an. Dieser besagt, wieviel Strom trotz Eigenverbrauch noch vom Elektrizitätswerk bezogen werden muss. Je geringer dieser Wert, desto mehr Geld sparen die Hauseigentümer. 

Ein weiterer nützlicher Indikator ist die Netzaufwandszahl. Diese setzt den Netzbezug ins Verhältnis zur gesamten, im Haushalt benötigen Energie für Strom und Wärme. Wiederum gilt: Je niedriger die Netzaufwandszahl, desto besser. Die Netzaufwandszahlen der vier getesteten Systeme zeigt Abbildung 3. Hierbei schneidet System 3 dann auch tatsächlich besser ab als System 2. 
 

Die niedrigste Netzaufwandszahl weist System 4 mit knapp 20 % auf. Es muss also nur etwa ein Fünftel der benötigten Energie aus dem Netz bezogen werden. Der Rest wird durch die PV-Anlage - im Fall einer Wärmepumpe ergänzt durch Umgebungs- oder Erdwärme - selbst vor Ort produziert. Voraussetzung für so gute Werte ist jedoch, dass das Einfamilienhaus sowohl über thermische als auch elektrochemische Speicher verfügt und diese intelligent eingebunden werden.

Realisiertes versus mögliches Potential

Nun haben die vier getesteten Systeme sehr unterschiedliche Voraussetzungen: Zwei Systeme haben eine Luft-Wasser, zwei eine Sole-Wasser Wärmepumpe, zwei eine Batterie zusätzlich zum thermischen Speicher, zwei ausschliesslich einen thermischen Speicher und schliesslich haben auch die thermischen Speicher unterschiedliche Grössen. Beispielsweise sollte eine Sole-Wasser Wärmepumpe aufgrund der höheren Quelltemperatur weniger elektrische Energie zur Bereitstellung des Wärmebedarfs benötigen als eine Wärmepumpe mit Luft als Quelle. 

Daher wurde mit Hilfe von Simulationen die mit dem jeweiligen System und den verbauten Komponenten theoretisch mögliche Netzaufwandszahl bestimmt. Diese ist in Abbildung 3 der im Test tatsächlich erreichten gegenübergestellt. Zwei der vier vermessenen Systeme schöpfen das mit der jeweiligen Systemvariante mögliche Potential bereits nahezu aus, bei den anderen beiden Systemen zeigen sich noch deutliche Verbesserungsmöglichkeiten. Die Systeme 1 und 2 weisen aufgrund von Ineffizienzen im System einen erhöhten elektrischen Gesamtenergieverbrauch auf und in der Folge auch einen höheren Netzbezug, was zu den höheren Netzaufwandszahlen führt. Ein wesentlicher Punkt war die Verbindung zwischen der Wärmepumpe und den thermischen Speichern.

Während in einem System sich die Anordnung der Wärmeübertrager in bestimmten Betriebszuständen als ungünstig erwies, wurde im anderen System durch die hohen Volumenströme der Wärmepumpe die thermische Schichtung negativ beeinflusst. Das Resultat in beiden Fällen war, dass die Wärmepumpe auf einem höheren Temperaturniveau als nötig arbeiten musste. Dies verschlechtert den Wirkungsgrad und erhöht somit den elektrischen Energieverbrauch.
 

Weitere wesentliche Erkenntnisse aus Tests und Systemsimulationen

Die Grundlage sollte daher immer ein gutes, korrekt installiertes System mit aufeinander abgestimmten Komponenten bilden. Ansonsten hilft auch die beste Speicherstrategie wenig. Grundsätzlich gilt vor allem für den thermischen Speicher: Es sollte nur zwischengespeichert werden, wenn in absehbarer Zeit auch eine sinnvolle Nutzung möglich ist. Beispielsweise macht es wenig Sinn, im Sommer Wärme für die Raumheizung zu speichern.

Grosse Unterschiede gibt es in der Effizienz der Speicher, welche oft weit unter den Erwartungen liegt. Bei Batterien wird von den Herstellern häufig nur der maximale Wirkungsgrad des eigentlichen Batteriemoduls angegeben. Entscheidend ist aber die Zykluseffizienz des gesamten Batteriesystems, für die vor allem Umwandlungsverluste des Batteriewechselrichters und Eigenverbrauch der Komponenten wesentlich sind. Bei kleinen Batterie-Heimspeichern sollte man auf den Standby-Verbrauch achten. So musste beispielsweise ein Batteriesystem im Test unter Berücksichtigung des Standby-Verbrauchs mit 50 % mehr Energie beladen werden, als es wieder zur Verfügung stellte. Gute Batteriesysteme sollten auch unter Berücksichtigung des Standby-Verbrauches eine Systemeffizienz von über 80 % erreichen.
 

Speicherstrategien: Thermische Speicher versus Batterien

Ein thermischer Speicher ist praktisch immer vorhanden und auch in der Neuanschaffung wesentlich günstiger als eine Batterie. Auch aus ökologischer Sicht ist es sinnvoller einen thermischen Speicher einzusetzen. Abbildung 4 zeigt beispielhaft die Ökobilanz eines 800 l Kombispeichers, welcher Warmwasser und Raumwärme in einer Einheit speichert, und eines Batteriesystems mit 4 kWh nutzbarer Kapazität. Dargestellt ist der kumulierte Energieverbrauch beider Systeme, der für die Batterie mehr als dreimal so hoch ist wie für den Kombispeicher. Die Ökobilanz wurde nach dem Ansatz "von der Wiege bis zur Bahre" aufgestellt, beinhaltet also jeglichen Energieverbrauch von der Rohstoffgewinnung über die Produktion bis zur Entsorgung. In einem 800 l Kombispeicher kann über eine Wärmepumpe in etwa ein Äquivalent zu 4 kWh elektrischer Energie gespeichert werden, die beiden Systeme haben also eine vergleichbare Kapazität. 

Ein thermischer Speicher kann jedoch nicht den Haushaltsstrom bedienen, wofür wiederum eine Batterie notwendig ist. In Kombination mit einem thermischen Speicher kann die Batterie jedoch deutlich kleiner dimensioniert werden. Zur Wärmespeicherung sollte zunächst der Warmwasserspeicher genutzt werden. Weitere Option ist die Nutzung der thermischen Masse des Gebäudes und als drittes der Einsatz eines grösseren oder zusätzlichen Wasserspeichers auch für die Raumheizung.

Für ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis sollten die Speicher als Tagesspeicher dimensioniert werden. Der Warmwasserspeicher sollte also so gross sein, dass der durchschnittliche Warmwasserverbrauch eines Tages gespeichert werden kann. Genauso sollte die Batterie in etwa den durchschnittlichen täglichen Haushaltsstromverbrauch speichern können. Grössere Speicher senken den Netzbezug nur noch relativ wenig.

Insbesondere beim Einsatz eines Kombispeichers sind das Speichermanagement und eine gute Temperaturschichtung entscheidend für die Systemeffizienz. Je höher die Speichertemperatur desto niedriger der COP der Wärmepumpe, andererseits bedeuten hohe maximale Speichertemperaturen eine höhere Speicherkapazität. Diese wird wiederum begrenzt durch die maximale Temperatur der Wärmepumpe. Aber auch wenn man bei einer Wärmepumpe für einen effizienten Betrieb einige Punkte beachten muss: Auch eine Wärmepumpe mit einem tiefen COP ist immer noch effizienter ist als ein Elektroheizstab.

 

Autoren: Evelyn Bamberger, Robert Haberl, Mattia Battaglia, Michel Haller, SPF Institut für Solartechnik, HSR Hochschule Rapperswil, www.spf.ch

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