Effizienz von Heizsystemen

Immer wieder werden Infografiken durch die sozialen Netzwerke geschickt, die elektrische Wärmepumpen als effizienteste Heizungstechnik darstellen:
„Aus 100% Ökostrom wird 350% Wärme zum Heizen“.
Dagegen sei eine Gasbrennwertheizung auf Basis von grünem Synthesegas echte Energieverschwendung, weil durch die Umwandlungsverluste der Power-to-Gas Anlagen nur gute 60% der ursprünglichen Energie übrigbleiben. Perfiderweise stimmt die Story bei isolierter Betrachtung der Wärmepumpe und der Synthesegasherstellung sogar. Aber eben nicht bei ehrlicher Bilanzierung im Gesamtsystem.

  • Es wird noch lange dauern, bis Wärmepumpen zu jeder Stunde eines Jahres mit 100% Ökostrom betrieben werden können. Anfang 2021 erreichten Solarstrom und Wind eine ganze Woche lang zusammen nur 17% Anteil im Strommix (Quelle: energy-charts.info), und das obwohl im Schnitt des Jahres 2020 ihr Beitrag zur Stromerzeugung über 37% ausmachte. So gehört also einiger Optimismus dazu, wenigstens 50% der Stromversorgung für Wärmepumpen „frisch gepresst“ aus Photovoltaik und Windenergie zu erhalten. Die anderen 50% müssen den langen Weg über Power-to-Gas und Rückverstromung gehen, wobei nur 30% der ursprünglichen elektrischen Energie herauskommen.
  • Wer bei der Heizungserneuerung lediglich den Ölkessel gegen Gasbrennwerttechnik austauscht, verschenkt hohe Zuschüsse: 40% der anrechenbaren Kosten! Diese Fördergelder werden nur gezahlt, wenn dabei eine Solarthermieanlage für Warmwasserbereitung und Raumheizung entsteht, decken dann aber einen Großteil der Mehrkosten ab. Der Sonnenkollektor und die damit verbundene hocheffiziente Anlagentechnik sollten unter normalen Verhältnissen den Gasverbrauch um 40% reduzieren können.
  • Als dritter Weg steht auch der Anschluss an ein Wärmenetz offen, wenn ein solches vor Ort verfügbar ist oder in der Nachbarschaft organisiert werden kann. Seit Anfang 2021 gibt es abhängig vom Anteil erneuerbarer Energien in aus der Zentrale des konkreten Wärmenetzes im Normalfall wenigstens 30 Prozent, bei Austausch eines Ölkessels gegen einen Wärmenetzanschluss womöglich sogar 45 Prozent Zuschuss.

Wenn man für alle möglichen Varianten die Effizienz bezogen auf den eingesetzten Ökostrom berechnet, ergibt sich bei der Solarthermie Verblüffendes: Die Pumpe im Solarkreis braucht kaum mehr als 20 Watt und holt so mit einer Kilowattstunde elektrischer Hilfsenergie über 50 kWh Solarwärme in den Speicher. So werden aus 100% Strom über 5.000% Wärme.

Ob beim Umwandeln von überschüssigem Ökostrom in Synthesegas oder bei der Rückverstromung im Bedarfsfall, es entsteht jedes Mal Abwärme, die ohne zusätzlichen Strombedarf für Heizzwecke genutzt werden kann. So sind dekarbonisierte Wärmenetze auf Basis von Solarthermie, Abwärme und vielleicht auch mit Wärmepumpen die effizienteste Heiztechnik.

Für alle Nutzungspfade ergeben sich prozentuale Anteile der direkten und der indirekten, mehr oder weniger effizienten Nutzung von Ökostrom mit einer entsprechenden Gesamteffizienz. Um diese einfacher nachvollziehbar zu machen, habe ich sie in einer Infografik zusammengefasst:

Effizienz im Gesamtsystem

Dieselbe Grafik im PDF-Format hier

Ergebnis: Solarthermie mit Gasbrennwertkessel schneidet kaum schlechter ab als Luft-Wasser-Wärmepumpen. Klare Gewinner sind dekarbonisierte Wärmenetze.

Solarenergie im Gebäudeenergiegesetz

Ausgangssituation

Der Ende Mai 2019 an die Länder und Verbände versandte Referentenentwurf für ein Gesetz zur Vereinheitlichung des Energieeinsparrechts für Gebäude nennt weder für die Solarthermie noch für die Photovoltaik sinnvolle Mindestanforderungen an die Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien, denn er missachtet Effizienzkriterien und würde nur zu einer weiteren Verdrängung der Solarthermie aus dem Wärmemarkt führen.

Daher ist es dringend erforderlich, dass Fachleute und Interessengruppen der Solarwirtschaft initiativ tätig werden. Die Energiepolitik braucht sinnvolle Vorschläge, welche Maßgaben im neuen GEG das Potenzial der Solarthermie wie der Photovoltaik zur Energie- und CO2-Einsparung und damit zum Klimaschutz bestmöglich erschließen. Nur so wird das GEG der im Entwurf getroffenen Aussage gerecht:

Der Solarthermie kommt aufgrund ihrer Umweltvorteile eine besondere Bedeutung für die Wärmeversorgung zu.“

Flächeneffizienz der Solartechnologien

Es gibt Sonnen­kollektoren, die pro Quadratmeter jährlich über 640 kWh Nutzwärme erzeugen können und solche mit 290 kWh/(m²∙Jahr). Photovoltaik schafft dagegen nur knappe 200 kWh/(m²∙Jahr), wenn sie nicht mit einer Wärmepumpe gekoppelt wird.

Nach § 36 des GEG Entwurfs erfüllen bereits durchschnittlich dimensionierte PV Anlagen gekoppelt mit einem Elektroheizstab formal die geforderte Mindestdeckung. Diese PV-Module nehmen viel Dachfläche in Anspruch, ihre Stromerzeugung würde aber de facto nicht für die Wärme- und Kälteerzeugung genutzt, sondern zum größten Teil in den normalen Haushaltsstromverbrauch fließen.

Ein Sonnenkollektor liefert dagegen aus einer nur halb so großen Fläche tatsächlich weit mehr als die geforderte Mindestdeckung des Wärmebedarfs. Eine der Solarthermie vergleichbare Flächeneffizienz erreicht die Photovoltaik erst in Verbindung mit einer Wärmepumpe. Der § 36 des GEG muss das bei den Anforderungen an die Nennleistung der Photovoltaik berücksichtigen.

Skalierung der Solarflächen nach Gebäudegröße und Effizienz

Das Verhältnis von Gebäudenutzfläche zur Dachfläche hat keinen linearen Zusammenhang. Daher ist es sinnvoll, bei der Berechnung der Mindestanforderung an Solarthermie bzw. Photovoltaik den Wert der Gebäude­nutz­fläche um den Exponenten 0,8 reduziert anzusetzen. Auf diese Weise ist keine Fallunterscheidung nach Anzahl der Wohnungen erforderlich.

Solarthermie

Die Mindestanforderung an die Photovoltaik bezieht sich auf die Nennleistung der PV-Module, nicht auf deren Fläche. Deshalb muss mit dem Gebäudeenergiegesetz auch für die Solarthermie ein leistungs­bezogenes Kriterium gefunden werden. Nur das schafft Chancengleichheit für flächeneffiziente Produkte und entschärft gleichzeitig die Flächenkonkurrenz zwischen Photovoltaik und Solarthermie.

Der Bundesverband Solarwirtschaft hat bereits im Zusammenhang mit dem GEG Entwurf von Januar 2017 vorgeschlagen, das bisherige Kriterium der Mindestkollektorfläche in einen jährlichen Kollektorertrag umzurechnen. Basis für den Nachweis sollte der im Solar Keymark Datenblatt 2 oder dem Kollektorertragslabel SOLERGY für den Standort Würzburg bei einer Kollektortemperatur von 50° C ausgewiesene jährliche Kollektorertrag (annual collector output) in Kilowattstunden sein.

Mit der Formel Qsol,min = 55 ∙ AN0,8 lässt sich die Mindestanforderung an die Solarthermie im GEG wie folgt formulieren:

 (1) Die Anforderung nach § 10 Absatz 2 Nummer 3 ist erfüllt, wenn durch die Nutzung von solarer Strahlungsenergie mittels solarthermischer Anlagen der Wärme- und Kälteenergiebedarf zu mindestens 20 Prozent gedeckt wird

(2) Die Anforderung bezüglich des Mindestanteils nach Absatz 1 gilt als erfüllt, wenn bei Wohngebäuden solarthermische Anlagen mit einem jährlichen Kollektorertrag installiert und betrieben werden, der mindestens 55 Kilowattstunden multipliziert mit der mit 0,8 potenzierten Gebäudenutzfläche erreicht

Dieser Mindestwert bezieht sich auf den im Solar Keymark Datenblatt 2 oder dem Kollektorertragslabel SOLERGY für den Standort Würzburg bei einer Kollektor­temperatur von 50 °C ausgewiesenen jährlichen Kollektorertrag (annual collector output).
Kollektormindestertrag nach Gebäudenutzfläche

Photovoltaik

Die Flächeneffizienz der Wärmeerzeugung aus Solarstrom hängt nicht nur von der spezifischen Jahresleistung der eingesetzten PV Module ab, sondern viel mehr vom Effizienzfaktor, mit dem die elektrische Energie in Nutzwärme bzw. Kälte umgewandelt wird. Ein Warmwasserspeicher mit Elektroheizpatrone verbraucht für dieselbe Nutzwärme mehr als doppelt soviel Solarstrom wie eine Warmwasser-Wärmepumpe.

Entsprechend muss die Mindestanforderung in § 36 für die Nutzung von Solarstrom beide Fälle unterscheiden:

 (1) Die Anforderung nach § 10 Absatz 2 Nummer 3 ist erfüllt, wenn durch die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien nach Maßgabe des § 23 Absatz 1 der Wärme- und Kälteenergiebedarf zu mindestens 20 Prozent gedeckt wird. 

(2) Wird bei Wohngebäuden Strom aus solarer Strahlungsenergie genutzt, gilt die Anforderung bezüglich des Mindestanteils nach Satz 1 als erfüllt, wenn
1. Anlagen zur Erzeugung von Strom aus solarer Strahlungsenergie installiert und betrieben werden, deren Nennleistung mindestens 55 Watt multipliziert mit der mit 0,8 potenzierten Gebäudenutzfläche erreicht, soweit die Warmwasserbereitung überwiegend mittels Wärmepumpe erfolgt und andernfalls
2. Anlagen zur Erzeugung von Strom aus solarer Strahlungsenergie installiert und betrieben werden, deren Nennleistung mindestens 110 Watt multipliziert mit der mit 0,8 potenzierten Gebäudenutzfläche erreicht.

Auch hier ergibt sich ein Verlauf, der über das gesamte Spektrum der unterschiedlichen Gebäudegrößen passende Werte ergibt und für Anlagen mit Warmwasser-Wärmepumpe sogar unter der bisher formulierten Mindest­anforderung mit linearen 0,02 kW pro Quadratmeter liegt.

Mindestnennleistung der Photovoltaik nach Gebäudegröße

Anrechnung der Solarenergie auf den Jahres-Primärenergiebedarf

Bislang regelt der § 23 des GEG Entwurfs nur die Anrechnung von Strom aus erneuerbaren Energien zum Abzug vom Jahres-Primärenergiebedarf. Aber auch die Solarthermie trägt über den über die Wärmeleistung der Sonnenkollektoren hinaus zur Senkung des nach den einschlägigen Normen errechneten Primärenergiebedarfs bei.

  • weil Solarertrag und Solarspeicher die Kesselbereitschaftsverluste vermindern;
  • weil die Kollektorkreispumpen der Solarthermie naturgemäß genau dann in Betrieb sind, wenn in der Region ein weit höherer Anteil von Solarstrom im Netz verfügbar ist, als dem allgemeinen Primärenergiefaktor 1,8 für Strom entspricht.

Dafür muss ein Ausgleich im Rahmen des GEG erfolgen. Ein geeigneter Ansatz ist eine Verminderung des Jahres-Primärenergiebedarfs in § 23 durch Änderung und Ergänzung:

Anrechnung von erneuerbaren Energien auf den Jahres-Primärenergiebedarf
(...)
(5) Wenn die Nutzung solarthermischer Anlagen nach § 35 einen prozentualen Anteil zur Erfüllung des § 34 von über 75 erreicht, dürfen bei der Ermittlung des Jahres-Primärenergiebedarf des zu errichtenden Wohngebäudes 2,0 Kilowattstunden je Quadratmeter Gebäudenutzfläche in Abzug gebracht werden. Die Anrechnung von Strom aus Erneuerbaren Energien nach § 23 bleibt davon unberührt.

Agenda

Die vorgeschlagenen Änderungen sind bewusst so formuliert, dass die Solarthermie fair bewertet wird, ohne die Photovoltaik schlechter zu stellen. Alle Personen und Institutionen, denen der Klimaschutz und die Energiewende am Herzen liegt, sind aufgerufen, diese Vorschläge in ihrer Arbeit zum Gebäudeenergiegesetz zu berücksichtigen.

Das vollständige Positionspapier Solarenergie im Gebäudeenergiegesetz steht hier zum Download: 

Solarenergie_im_GEG_2019-06.pdf (231 kB)