Neue Untersuchungen des deutschen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) haben gezeigt, dass die Kombination von PV-Dachsystemen mit Batteriespeichern und Wärmepumpen die Effizienz von Wärmepumpen verbessern und gleichzeitig die Abhängigkeit von Netzstrom verringern kann.
Forscher des Fraunhofer ISE haben untersucht, wie sich PV-Anlagen auf Wohndächern mit Wärmepumpen und Batteriespeichern kombinieren lassen.
Sie bewerteten die Leistung eines PV-Wärmepumpen-Batteriesystems auf Basis einer Smart-Grid (SG)-fähigen Steuerung in einem Einfamilienhaus aus dem Jahr 1960 in Freiburg, Deutschland.
„Es wurde festgestellt, dass die intelligente Steuerung den Betrieb der Wärmepumpe steigerte, indem sie die eingestellten Temperaturen erhöhte“, sagte Forscher Shubham Baraskar gegenüber pv magazine. „Die SG-Ready-Steuerung erhöhte die Vorlauftemperatur für die Warmwasserbereitung um 4,1 Kelvin, wodurch sich der saisonale Leistungsfaktor (SPF) um 5,7 % von 3,5 auf 3,3 verringerte. Darüber hinaus senkte die intelligente Steuerung im Raumheizungsmodus den Lichtschutzfaktor um 4 % von 5,0 auf 4,8.“
Der SPF ist ein dem Leistungskoeffizienten (COP) ähnlicher Wert, mit dem Unterschied, dass er über einen längeren Zeitraum bei variierenden Randbedingungen berechnet wird.
Baraskar und seine Kollegen erklärten ihre Ergebnisse in „Analyse der Leistung und des Betriebs eines Photovoltaik-Batterie-Wärmepumpensystems anhand von Feldmessdaten„, das kürzlich in veröffentlicht wurdeFortschritte in der Solarenergie.Sie sagten, der Hauptvorteil von PV-Wärmepumpensystemen bestehe in ihrem geringeren Netzverbrauch und den geringeren Stromkosten.
Bei der Wärmepumpenanlage handelt es sich um eine 13,9 kW Erdwärmepumpe mit Pufferspeicher zur Raumheizung. Darüber hinaus sind ein Speichertank und eine Frischwasserstation zur Erzeugung von Warmwasser (Warmwasser) erforderlich. Beide Speichereinheiten sind mit elektrischen Zusatzheizungen ausgestattet.
Die PV-Anlage ist nach Süden ausgerichtet und hat einen Neigungswinkel von 30 Grad. Es verfügt über eine Leistung von 12,3 kW und eine Modulfläche von 60 Quadratmetern. Die Batterie ist DC-gekoppelt und hat eine Kapazität von 11,7 kWh. Das ausgewählte Haus verfügt über eine beheizte Wohnfläche von 256 m² und einen jährlichen Heizwärmebedarf von 84,3 kWh/m²a.
„Der Gleichstrom von PV- und Batterieeinheiten wird über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, der eine maximale Wechselstromleistung von 12 kW und einen europäischen Wirkungsgrad von 95 % hat“, erklärten die Forscher und stellten fest, dass die SG-ready-Steuerung mit interagieren kann das Stromnetz und passen den Systembetrieb entsprechend an. „Während Zeiten hoher Netzbelastung kann der Netzbetreiber den Betrieb der Wärmepumpe abschalten, um die Netzbelastung zu reduzieren, oder im umgekehrten Fall auch eine Zwangseinschaltung vornehmen.“
Bei der vorgeschlagenen Systemkonfiguration muss PV-Strom zunächst für die Hauslasten verwendet werden, wobei der Überschuss der Batterie zugeführt wird. Überschüssiger Strom könnte nur dann ins Netz eingespeist werden, wenn der Haushalt keinen Strom benötigt und die Batterie vollständig geladen ist. Sollten sowohl die PV-Anlage als auch die Batterie nicht in der Lage sein, den Energiebedarf des Hauses zu decken, kann auf das Stromnetz zurückgegriffen werden.
„Der SG-Ready-Modus wird aktiviert, wenn die Batterie vollständig geladen ist oder mit maximaler Leistung lädt und noch PV-Überschuss vorhanden ist“, so die Wissenschaftler. „Umgekehrt ist die Auslösebedingung erfüllt, wenn die momentane PV-Leistung für mindestens 10 Minuten niedriger bleibt als der Gesamtbedarf des Gebäudes.“
Ihre Analyse berücksichtigte den Eigenverbrauch, den Solaranteil, den Wirkungsgrad der Wärmepumpe sowie den Einfluss des PV-Systems und der Batterie auf die Leistungseffizienz der Wärmepumpe. Sie verwendeten hochauflösende 1-Minuten-Daten von Januar bis Dezember 2022 und stellten fest, dass die SG-Ready-Steuerung die Vorlauftemperaturen der Wärmepumpe für Warmwasser um 4,1 K erhöhte. Sie stellten außerdem fest, dass das System im Laufe des Jahres einen Gesamteigenverbrauch von 42,9 % erreichte, was sich in finanziellen Vorteilen für die Hausbesitzer niederschlägt.
„Der Strombedarf für die [Wärmepumpe] wurde zu 36 % mit dem PV-/Batteriesystem gedeckt, zu 51 % im Warmwasserbetrieb und zu 28 % im Raumheizbetrieb“, erklärte das Forschungsteam und fügte hinzu, dass höhere Senkentemperaturen reduziert würden Steigerung des Wärmepumpenwirkungsgrads um 5,7 % im Warmwasserbetrieb und um 4,0 % im Raumheizbetrieb.
„Bei der Raumheizung wurde auch ein negativer Effekt der intelligenten Steuerung festgestellt“, sagte Baraskar. „Aufgrund der SG-Ready-Steuerung arbeitete die Wärmepumpe im Raumheizbetrieb oberhalb der Heizsolltemperaturen. Dies lag daran, dass die Steuerung wahrscheinlich die Speichersolltemperatur erhöhte und die Wärmepumpe in Betrieb nahm, obwohl die Wärme nicht für die Raumheizung benötigt wurde. Zu bedenken ist auch, dass zu hohe Speichertemperaturen zu höheren Speicherwärmeverlusten führen können.“
Die Wissenschaftler sagten, dass sie in Zukunft weitere PV-Wärmepumpen-Kombinationen mit unterschiedlichen System- und Steuerungskonzepten untersuchen werden.
„Es ist zu beachten, dass diese Erkenntnisse spezifisch für die einzelnen bewerteten Systeme sind und je nach Gebäude- und Energiesystemspezifikationen stark variieren können“, schlussfolgern sie.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 13. November 2023