Lässt sich die Sonne besser zur Produktion von Strom oder Wärme nutzen? Eine Studie gibt Antwort – und hilft Hausbesitzern, ihr Dach optimal mit den entsprechenden Anlagen zu bestücken.
Stuttgart - Dank des rapiden Preisverfalls der Fotovoltaikanlagen (PV-Module) ist solar erzeugter Strom in den vergangenen Jahren immer günstiger geworden. Inzwischen hat er sich dem Niveau der Haushaltsstromtarife angenähert. Auch wegen der stetig sinkenden Einspeisevergütung lohnt es sich immer mehr, den Strom vom Hausdach zunächst selbst zu nutzen und sozusagen den Rest gegen Vergütung ins öffentliche Netz einzuspeisen.
So verwundert es nicht, dass unter Fachleuten eine Diskussion darüber im Gange ist, ob man mit dem solchermaßen produzierten PV-Strom nicht nur tagsüber Wasch- und Spülmaschine betreiben soll, sondern damit auch über einen Heizstab oder eine Wärmpumpe Wasser erwärmt. Damit aber stellt sich die Frage, wie die begrenzte Fläche auf dem Dach am sinnvollsten genutzt wird: Kombiniert man eine Fotovoltaikanlage mit solarthermischen Modulen, die mit Sonnenwärme Wasser erwärmen? Oder nutzt man die gesamte zur Verfügung stehende Dachfläche besser für stromproduzierende Module?
Die Unterstützung der Sonne hilft immer
Um eine Antwort auf diese keineswegs triviale Frage zu finden, hat der Bundesverband Solarwirtschaft beim Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik der Uni Stuttgart eine Studie in Auftrag gegeben. Diese brachte zunächst ein klares Ergebnis: „Aus wirtschaftlicher Sicht lohnt sich die reine Erwärmung von Wasser mit Hilfe der Sonne allemal“, berichtet Harald Drück, der Leiter der Studie, und präzisiert: „Im Vergleich zum Referenzsystem ohne Sonnennutzung erreichten alle anderen fünf untersuchten Anlagen mir solarer Nutzung eine deutliche Kostenersparnis.“
Ausgangspunkt war ein fiktives Einfamilienhaus in der Nähe von Würzburg, in dem eine vierköpfige Familie wohnt. Auf dem nach Süden ausgerichteten Dach mit einer Fläche von 55 Quadratmetern wurden die Solaranlagen installiert – allerdings nur in Computerberechnungen: In drei Fällen war ausschließlich eine 30 Quadratmeter große PV-Anlage am Werk, in zwei weiteren Simulationen wurde eine gut 25 Quadratmeter große PV-Anlage mit knapp fünf Quadratmeter großen thermischen Solarkollektoren kombiniert.
Zur Trinkwasser-Erwärmung lohnt sich Solarstrom nicht
Aus ökologischer Sicht ist es derzeit am sinnvollsten, das Trinkwasser mit einem Solarkollektor zu erwärmen – und wenn das nicht reicht, mit einem gasbetriebenen Durchlauferhitzer nachzuheizen. „In dieser Kombination wird die sogenannte energetische Amortisation am schnellsten erreicht“, erläutert Drück. Gemeint ist die Zeit, die eine Anlage betrieben werden muss, um die Menge an Primärenergie einzusparen, die für Herstellung, Betrieb und Wartung aufgewendet werden muss.
Weniger lohnend ist es, den Strom direkt oder auch über eine Wärmepumpe zu nutzen, um das Wasser zu erwärmen. Zum einen kann nur ein geringer PV-Ertrag dazu verwendet werden, die Wärmepumpe direkt zu betreiben – im besten Fall sind es nur etwa sechs Prozent, bei anderen Anlagenkombinationen dagegen nur 2,5 Prozent. Und für den Heizstab ist der PV-Strom eigentlich zu schade: Es bleibt kaum noch etwas für die Einspeisung übrig. Da ist eine solarthermische Erwärmung allemal besser – zumal sie sich als „die beste Absicherung gegen steigende Energiepreise erwies“, wie Drück bilanziert.
Bei Kombianlagen ist die Rechnung komplizierter
Komplizierter wird es allerdings, wenn man sogenannte solare Kombianlagen betrachtet, die zusätzlich zur Trinkwassererwärmung auch die Raumheizung mit Solarwärme versorgen. Bei diesen Anlagen sind die thermischen Solarmodule so groß, dass sie neben dem Trinkwasser in der Übergangszeit auch das Wasser für die Heizung zumindest mit erwärmen können. Bei dem untersuchten Modellhaus wurden deshalb für die Kombianlage die gesamten 55 Quadratmeter Dachfläche genutzt: in drei Simulationen ausschließlich für PV-Module und zwei Mal in einer Kombination aus 41 Quadratmeter PV-Fläche und 14 Quadratmeter Solarkollektoren.
Dann wird es allerdings teuer: Die Wissenschaftler kalkulieren für eine Kombination aus solarthermischer Anlage, Speicher und Wärmepumpe sowie PV-Anlage für einen Neubau rund 34 000 Euro. Installiert man solch eine Anlage in einem Altbau, bekommt man 3800 Euro Förderung – muss aber bei schlechterer Wärmedämmung höhere Energiekosten in Kauf nehmen. Zum Vergleich: für eine Anlage zur reinen Trinkwassererwärmung zusammen mit einer PV-Anlage zur solaren Stromerzeugung schlagen „nur“ 12 350 Euro zu Buche – jeweils ohne Mehrwertsteuer.
Eingespeister Solarstrom poliert die Ökobilanz auf
Aus energetischer Sicht büßt bei diesen Kombinationsanlagen die solarthermische Wassererwärmung aber an Vorsprung ein. Zwar schneidet die Anlage mit solarer Erwärmung des Wassers und der erforderlichen Nachheizung mit Hilfe einer Wärmepumpe am günstigsten ab. Allerdings können ihr Anlagen Konkurrenz machen, die ganz auf Fotovoltaik setzen – und zwar dann, wenn die Einspeisung von PV-Strom ins Netz in der Bilanz als Primärenergie verbucht wird, also als ökologischer Gewinn. Dann schneidet wegen der größeren PV-Fläche diejenige Variante, bei der die Wärmepumpe zeitweise mit PV-Strom betrieben wird, etwa gleich gut ab wie die Anlage mit solarthermischer Unterstützung der Wärmepumpe. Bei sehr einfachen Kombianlagen, bei denen ein elektrischer Heizstab zur Wärmeerzeugung dient, kann es andererseits sein, dass sie sich nicht einmal energetisch amortisieren – das heißt, es wird insgesamt keine Primärenergie eingespart, obwohl der Heizstab teilweise mit Sonnenstrom betrieben wird.
Das Fazit der Studie fasst Drück so zusammen: „Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die solarthermische der fotovoltaischen Wärmeerzeugung in den meisten Fällen noch überlegen ist – und zwar sowohl unter primärenergetischer als auch wirtschaftlicher Sicht.“ Die Betonung liegt allerdings auf „noch“: Dies könne sich nämlich relativ rasch ändern, wenn die Preise für PV-Anlagen weiter sinken würden und gleichzeitig bei den solarthermischen Anlagen stabil blieben, so Drück. Die derzeitige Entwicklung deutet genau darauf hin.
Wie sich die Kraft der Sonnen nutzen lässt
Fotovoltaik
Die Energie der Sonnenstrahlen lässt sich mit Fotovoltaikzellen direkt in Strom umwandeln. Die dabei erzeugte Gleichspannung muss mit Wechselrichtern in Wechselspannung umgewandelt werden, wenn man sie selbst nutzen oder ins öffentliche Netz einspeisen will.
Solarthermie
Mit solarthermischen Kollektoren wird die Wärme der Sonnenstrahlen genutzt, um Wasser zu erwärmen: zum Waschen, Duschen und zur (Mit-)Erwärmung des Heizwassers. Mit Solarwärme lässt sich außerdem eine Kältemaschine für die solare Kühlung betreiben.
Speicher
Die von der Sonne gewonnene Wärme kann man speichern: üblicherweise in einem Tank, der mit Wasser oder Sole – also Wasser mit Salz oder Frostschutzmittel – gefüllt ist. Solarstrom lässt sich in Akkus speichern, was unter bestimmten Voraussetzungen gefördert wird.