Funktionsweise von Wärmepumpen in Verbindung mit Photovoltaik

Eine Wärmepumpe nutzt elektrische Energie, um Umgebungswärme für die Beheizung von Wohnräumen nutzbar zu machen. Der spezifische Strombedarf hängt von Faktoren wie Gebäudedämmung, Heizverhalten und Anlagentyp ab und liegt im Durchschnitt zwischen 30 und 40 kWh pro Quadratmeter Wohnfläche im Jahr.

Die Nutzbarkeit von Strom aus einer bestehenden Photovoltaikanlage für den Betrieb einer Wärmepumpe wird maßgeblich durch den zeitlichen Verlauf von Erzeugung und Verbrauch bestimmt. In unserem Beitrag werfen wir einen detaillierteren Blick auf die Vorteile und Funktionsweisen von Wärmepumpen. 
 

Funktionsweise und Betriebseigenschaften gekoppelter Bestandsanlagen

Elektrisch betriebene Wärmepumpen nutzen thermische Energie aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser zur Beheizung von Gebäuden. Für den Betrieb des Verdichters wird elektrische Energie benötigt.

Bei bestehenden Gebäuden mit einer bereits installierten Kombination aus Photovoltaik und Wärmepumpe ergeben sich im laufenden Betrieb folgende technische Zusammenhänge:

• Emissionsfreier Primärenergieeinsatz im Realbetrieb: Soweit der Strom für den Verdichter direkt aus der eigenen Photovoltaikanlage stammt, erfolgt die Wärmeerzeugung frei von lokalen CO₂-Emissionen und ohne den Einsatz fossiler Energieträger.
• Effizienz und Jahresarbeitszahl: Die Gesamteffizienz des Systems hängt vom Zusammenwirken der Wärmepumpe (gemessen an der Jahresarbeitszahl) und dem Nutzungsgrad der Photovoltaikanlage ab. Gut aufeinander abgestimmte Bestandsanlagen senken den externen Strombezug über das Gesamtjahr betrachtet.
• Anforderungen an die Betriebssteuerung: Da die Wärmeerzeugung vorrangig in den ertragsarmen Monaten benötigt wird, liegt der Schwerpunkt bei Bestandsanlagen auf einer optimierten Steuerung, um verfügbare Überschussenergie aus der Photovoltaik bestmöglich auszunutzen.

Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenenergie ohne direkten Ausstoß von Treibhausgasen in elektrische Energie um. Bei bestehenden Anlagen wird der erzeugte Strom entweder in das öffentliche Netz eingespeist oder im Gebäude selbst genutzt.

Bei der Anbindung einer Wärmepumpe an eine bereits vorhandene Photovoltaikanlage sind folgende technische und betriebliche Aspekte zu berücksichtigen:

• Eigenverbrauchsquote: Die Einbindung eines zusätzlichen elektrischen Verbrauchers wie einer Wärmepumpe erhöht den Anteil des direkt im Gebäude genutzten Solarstroms. Die tatsächliche Abdeckung des Wärmepumpenstroms durch die Photovoltaikanlage variiert jedoch saisonal stark.
• Einfluss von Stromspeichern: Das Vorhandensein eines Batteriespeichers kann den zeitlichen Versatz zwischen solarer Erzeugung und dem Strombedarf der Wärmepumpe teilweise ausgleichen, insbesondere in den Übergangszeiten.
• Betriebsführung und Gesetzgebung: Regulatorische Vorgaben (wie das Gebäudeenergiegesetz oder regionale Einspeisebestimmungen) betreffen vor allem den technischen Betrieb und die Messkonzepte von Bestandsanlagen. Eine fachgerechte Abstimmung der Komponenten stellt den ordnungsgemäßen Weiterbetrieb sicher.

Technische Voraussetzungen beim Betrieb von Bestandsanlagen mit Wärmepumpen

Die Nachrüstung oder Einbindung einer Wärmepumpenheizung in ein bestehendes Energiesystem verändert das Lastprofil des Gebäudes deutlich. Der jährliche Strombedarf erhöht sich je nach Dämmstandard und Anlagentyp um ein Vielfaches des reinen Haushaltsstroms.

Für den effizienten Weiterbetrieb einer bestehenden Photovoltaikanlage in Kombination mit einer Wärmepumpe sind folgende Faktoren maßgeblich:

• Vorhandene Anlagengröße: Die installierte Leistung (kWp) der Bestandsanlage bestimmt, welcher Anteil des Wärmepumpenstroms bilanziell abgedeckt werden kann. Eine nachträgliche Erweiterung von Generatoren wird auf dieser Plattform nicht angeboten.
• Gebäudedämmung und Vorlauftemperatur: Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe hängt stark vom energetischen Zustand des Gebäudes ab. Niedrige Vorlauftemperaturen (z. B. bei Flächenheizungen) senken den Strombedarf und erhöhen den relativen Nutzen des erzeugten Solarstroms.
• Einsatz von Bestands-Batteriespeichern: Ein integrierter Stromspeicher puffert Erzeugungsspitzen tagsüber ab. In den ertragsarmen Wintermonaten reicht die Solarstromerzeugung jedoch meist nicht aus, um den Speicher vollständig für den Wärmepumpenbetrieb zu füllen.
• Steuerungstechnik: Moderne Energiemanagementsysteme (EMS) in Bestandsanlagen ermöglichen es, die Wärmepumpe gezielt anzusteuern, wenn Überschussstrom zur Verfügung steht.

Kompatibilität von Wärmepumpen mit bestehenden Photovoltaikanlagen

Grundsätzlich lässt sich jede elektrisch betriebene Wärmepumpe mit Strom aus einer Photovoltaikanlage betreiben. Der Grad der technischen Integration unterscheidet sich jedoch je nach Anlagengeneration und Steuerungstechnik.

Bei der Betreuung und Optimierung von Bestandsanlagen sind folgende Aspekte maßgeblich:

• Schnittstellen und Steuerung: Ältere Wärmepumpenmodelle nutzen den Solarstrom lediglich passiv als Netzstromersatz. Neuere oder nachgerüstete Systeme verfügen über Schnittstellen (wie SG-Ready oder Bus-Systeme), die eine gezielte Ansteuerung bei Stromüberschuss ermöglichen.
• Saisonale Erzeugungsunterschiede: Der Hauptwärmebedarf fällt in die ertragsarmen Wintermonate. Auch bei einer optimal dimensionierten Bestandsanlage ist in dieser Zeit ein zusätzlicher Bezug aus dem öffentlichen Stromnetz technisch unvermeidbar.
• Kapazitätseinschränkungen: Reicht die installierte Leistung der vorhandenen PV-Module nicht aus, um den Verdichter der Wärmepumpe abzudecken, läuft das System vorrangig mit Netzstrom.

Eine Überprüfung der vorhandenen Steuerungskomponenten gibt Aufschluss darüber, wie effizient die bestehende Wärmepumpe mit der Photovoltaikanlage zusammenarbeitet.

Wie verhält sich der Strombedarf einer Wärmepumpe zum Ertrag einer PV-Bestandsanlage?

Der Stromverbrauch einer Wärmepumpe liegt je nach Dämmstandard und Gebäudegröße oft zwischen 30 und 40 kWh pro Quadratmeter Wohnfläche im Jahr. Bei einer Wohnfläche von 140 m² entspricht dies einem Jahresbedarf von ca. 4.200 bis 5.600 kWh.

Obwohl eine bestehende PV-Anlage rechnerisch eine vergleichbare Menge Strom über das Jahr verteilt erzeugt, fallen Erzeugung und Verbrauch zeitlich auseinander: Der Hauptertrag der Photovoltaik entsteht in den Sommermonaten, während der Strombedarf der Wärmepumpe überwiegend im Winter liegt. Eine bilanzielle Volldeckung durch Direktverbrauch ist daher technisch nicht möglich; im Winter ist Netzstrom erforderlich.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe in den Wintermonaten?

Wärmepumpen entziehen der Umgebung (Luft, Erdreich oder Grundwasser) auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt thermische Energie. An ertragsarmen Wintertagen reicht die Leistung der Photovoltaikanlage nicht aus, um den Verdichter der Wärmepumpe zu betreiben. In diesen Zeiten schaltet das System automatisch auf den Bezug aus dem öffentlichen Stromnetz um, um die Wärmeversorgung unterbrechungsfrei sicherzustellen.

Welche rechtlichen und steuerlichen Rahmenbedingungen gelten für den laufenden Betrieb?

Für bereits installierte Anlagen stehen organisatorische und steuerliche Aspekte des Weiterbetriebs im Vordergrund – beispielsweise die korrekte messtechnische Erfassung des Eigenverbrauchs oder die Anpassung von Einspeiseverträgen. Informationen zu Förderungen betreffen in der Regel nur die Erstinstallation von Neuanlagen und sind für den reinen Service- und Wartungsbetrieb von Bestandsanlagen nicht relevant.