Abwärme nutzen

Wechselrichter in Luft-Wärme-Pumpe

Eine Wärmepumpe und eine Photovoltaik-Anlage miteinander zu kombinieren macht durchaus Sinn. Der erzeugte Strom kann die Wärmepumpe betreiben und sie so zumindest teilweise unabhängig von der öffentlichen Stromversorgung machen. Das spart Kosten. Die Effizienz kann sogar bei Luft-Wärmepumpen noch weiter gehen, denn diese kann die Abwärme der Wechselrichter nutzen. Doch die Kombination ist äußerst komplex.

Die Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik ist primärenergetisch betrachtet sehr sinnvoll. Das haben Wissenschaftler des Forschungs- und Testzentrums für Solaranlagen am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik itw der Universität Stuttgart schon vor drei Jahren ermittelt, als sie genau diese Kombination mit anderen, auch solarthermischen Anlagen untersuchten.

Die strombasierte Variante hat gegenüber der thermisch basierten noch einen weiteren Vorteil: Der Strom kann entweder selbst genutzt oder ins Netz eingespeist werden. Mit der solarthermischen Wärme, die insbesondere im Sommer über Maßen produziert wird, ist dies nicht möglich. Zudem sind Photovoltaik-Anlagen und Luftwärmepumpen relativ einfach zu installieren und kommen mit einer reinen Stromführung aus. Solarthermische Anlagen hingegen benötigen einen eigenen Flüssigkeitskreislauf und eine dazugehörige Hydraulik. Im Gegensatz dazu können selbst die Wärmeverluste des Wechselrichters einer Photovoltaik-Anlage genutzt werden. Dazu ein paar Beispiele und Berechnungen.

Der Wechselrichter wird insbesondere dann warm, wenn die Sonne scheint, denn dann verwandelt er den Gleichstrom, der in der PV-Anlage erzeugt wird, in Wechselstrom, der ins Netz eingespeist oder selbst genutzt werden soll. Wechselrichter sind sehr effizient. Dennoch treten auch bei ihnen Verluste auf – wie bei jeder Art der Energieumwandlung. Sie betragen rund drei Prozent, die als Wärme an die Umgebung verloren gehen.

Das hört sich nicht viel an. Bei größeren PV-Anlagen jedoch gibt es auch größere Verluste. Und die können tatsächlich genutzt werden und nicht, wie oft empfohlen, ungenutzt in der Atmosphäre verpuffen. Denn die Hersteller geben meist den Tipp, die Wechselrichter an kühlen oder verschatteten Plätzen unterzubringen, damit sie an sonnenreichen Tagen weder durch ihre Arbeit noch durch die direkte Sonneneinstrahlung überhitzen und so zu Schaden kommen.

 

Wärmeverluste heizen kleines Zimmer

Das lässt sich auch anders und mit einem Gewinn für die gesamte Energiebilanz eines Hauses lösen. So kann der Wechselrichter in einem kleinen, schattigen Zimmer des Wohnbereichs untergebracht werden. Dazu folgende Rechnung. Für einen 10 m² kleinen Raum in einem gut gedämmten Haus reicht eine Wärmeleistung von knapp 3 kWh je Tag aus, um diesen komplett zu beheizen. Angenommen, der Wechselrichter arbeitet an einem durchschnittlichen Tag im Winter bei einer 16-kWp-PV-Anlage und verarbeitet gut 100 kWh Strom. Drei Prozent Verluste würden also ausreichen, um den Raum komplett zu beheizen. Ein Problem gäbe es aber im Sommer, wenn die Sonne ausreichend lange scheint. Die Wärmeverluste wären dann besonders groß, ergo die Heizleistung. Dann hilft nur ausreichend Lüften.

Es geht jedoch anders und effizienter. Denn die Verluste des Wechselrichters kann man auch im Sommer zur Warmwasserbereitung nutzen. Diese ungewöhnliche Variante wurde bei der Stiftung Bunter Kreis in Augsburg umgesetzt. Im dortigen Therapiehof für kranke und behinderte Kinder herrscht ein hoher Warmwasserbedarf. Deswegen sollten bei der Installation der Energieversorgung die laufenden Kosten so gering wie möglich gehalten werden. In einem Nebengebäude sorgt eine Luft-Wärme-Pumpe für die nötige Behaglichkeit. Genau in deren Ansaugschacht wurden die Wechselrichter einer 15 m² großen und 96 kWp starken PV-Anlage installiert, die direkt hier ihre Wärme abgeben und so die Arbeit der Wärmepumpe effizienter machen. In diesem Objekt war die Lösung sinnvoll, weil das ganze Jahr ein hoher Bedarf an warmem Wasser herrscht, der teils durch die Wärmepumpen, teils durch Solarthermie abgedeckt wird. Auch hierzu eine kleine Rechnung: Die 96-kWp-Anlage hat einen geschätzten Jahresertrag von rund 80.000 kWh. Bei einem angenommenen dreiprozentigen Wechselrichter-Verlust wären das etwa 2400 kWh jährlich an zusätzlicher Wärmeenergie. Das entspricht etwa 240 Litern Heizöl.

Die Wärmepumpe könnte daraus sogar abzüglich der eingesetzten Elektroenergie etwa den Heizwert von 600 Litern Heizöl erzeugen. Das wäre vollkommen ausreichend für die Warmwasserbereitung dieses recht großen Objektes.

Allerdings wird hier – aus hygienischen Gründen und rechtlichen Vorschriften bei der Arbeit mit Kindern – die Warmwasseraufbereitung von einem Durchlauferhitzer unterstützt. Der verhindert garantiert die Bildung von Legionellen und anderen Keimen. Bei anderen Objekten könnte man jedoch diese Variante für die alleinige Warmwasserbereitung durchaus in Erwägung ziehen.

 

Jahreszeitlich gut ergänzt

Die Lösung hätte auch noch einen weiteren Vorteil: Die Abwärme des Wechselrichters entsteht vor allem bei starker Sonneneinstrahlung und im Sommer, also genau dann, wenn die Verluste des Warmwasserspeichers durch nur sporadisches Anfahren der anderen Wärmequellen am größten sind. Im Winter ist es genau anders herum. Kontinuierliches Heizen hält den Warmwasserspeicher auf konstanten Temperaturen bei geringeren Verlusten. Beide ergänzen sich also jahreszeitlich sehr gut.

Mitunter ist diese Lösung technisch nicht möglich. Dann ginge es auch, einen extra Raum für die Wechselrichter im Außenbereich zu errichten, und von dort die Luft für die Wärmepumpe anzusaugen. Das ist natürlich teurer.

Es ist jedoch immer zu beachten, dass im Außenbereich bei direkter Sonnenstrahlung die Leistung eines ungeschützten Wechselrichters ab etwa 45 °C leidet, ganz zu schweigen von der Gefahr eines Schadens oder gar der Zerstörung. Ab einer Temperatur von mehr als 70 °C, die an einem Hochsommertag auf unverschatteten Plätzen schnell erreicht werden, regeln sich die Wechselrichter normalerweise von selbst ab, um diesen Gefahren zuvor zu kommen.

Untersuchungen zeigen zudem, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10 Kelvin eine Verringerung der Lebenserwartung der elektrischen Komponenten um bis zu 50 Prozent bedeuten kann. Aufstellungen im Dachgeschoss oder im Heizungsraum verbieten sich also von selbst. Deswegen ist der Schutz des Wechselrichters obligatorisch. Und warum dann nicht gleich das Notwendige mit dem Nützlichen verbinden. Der große Vorteil eines ständig gekühlten Wechselrichters, egal ob im Ansaugschacht einer Luft-Wärme-Pumpe oder in einem kühlen und ansonsten nicht geheizten Raum besteht also in der längeren Lebensdauer und in einer effizienteren Heizung.

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