Hybride Systeme Wärmepumpe, Solarthermie, PV-Anlage...
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27.11.2015 1
Hybride Systeme Wärmepumpe, Solarthermie, PV-Anlage, Batterie-Speicher
Sinnvolle Kombinationen
Ingenieurbüro Junge, Ing. grad Uwe Junge
http://energieberatung-energieausweis-muenchen.info/ http://www.ing-büro-junge.de/
Ingenieurbüro Junge
Stufenweise Reduzierung des Energiebedarfs durch erneuerbare
Energien und effiziente Technik
27.11.2015 2
0
200
400
600
800
1000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Energieverbrauch Gebäude mit Luft WP +Solar
0,00
500,00
1.000,00
1.500,00
2.000,00
2.500,00
3.000,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Wärme-Energiebedarf-Gebäude gesamt
-1000
-500
0
500
1000
1500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Energieverbrauch Gebäude+Haushalt Luft WP+Solar+PV
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1.000,00
1.200,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Energieverbrauch Gebäude Hzg+WW mit Luft WP
Ingenieurbüro Junge
3
16m2
Wärmepumpe und thermische Solaranlage
• Flachkollektor 8 Module, 16m2
• Ausrichtung: Süd, Neigung 35o
• Kollektorertrag: 4.595 kWh/a
• EFH spez. Heizwärmebedarf 50kWh/m2*a ~KfW70
• Raumtemperatur 19o
• Beheizte Fläche: 150m2
• Temperatur 50o
• 200-Liter / Tag
• Profil: Einfamilienhaus
3 Varianten:
a) Sole Wärmepumpe ohne Solar
b) Sole Wärmepumpe mit Solar
c) Luft/Wasser Wärmepumpe mit und ohne Solar
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Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen
27.11.2015 Ingenieurbüro Junge 4
Erzeuger System Anlage
Messung der Wärmemengen-Abgabe des
Erzeugers (E)JAZ
Messung der Wärmemengen-Abgabe an
den Verbraucher SJAZ
~ ~
Energie, die der Wärme-
pumpe zugeführt wird
Jahresarbeitszahl (xJAZ) = der Wärmepumpe zugeführte Energie
an den betrachteten Systemteil abgegebene Energie
Energie aus der Umwelt
Netz
11.000 kWh 3.200 kWh 11.752 kWh
Kennwerte: Anlage Erd-WP ohne therm. Solar
SJAZ= 3,5
Pro Jahr
27.11.2015 5 Ingenieurbüro Junge
Netz
16m2
0 20.000 kWh 0 4.595 kWh
11.000 kWh 11.000 kWh 11.752 kWh 8.741 kWh 3.200 2.826 kWh
Kennwerte: Anlage Erd-WP mit therm. Solar
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SJAZ= 3,8
Ingenieurbüro Junge
Ohne Solar Mit Solar Gesamtverbrauch über alles [kW/a] 3.199,80 2.826,40
Energieeinsparung [kW/a] 337,40
Investment [€] 8.000,00
Kosten-Einsparung [€/a] 0,24 89,62
Amortisation Statisch 89
Netz
16m2
0 20.000 kWh 0 4.600 kWh
Kennw.: Anlage Luft-WP mit/ohne Therm. Solar
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11.000 kWh 11.000 kWh 11.752 kWh 8.741 kWh 3.200 kWh 2.826 kWh
SJAZ 2,4
E-WP L-WP
Ingenieurbüro Junge
Ohne Solar Mit Solar Gesamtverbrauch über alles [kW/a] 4.543 3,222
Energieeinsparung [kW/a] 1.321
Investment [€] 8.000,00
Kosten-Einsparung [€/a] 0,24 317
Amortisation Statisch 25
4.543 kWh 11.754 kWh 11.000 kWh 11.000 kWh 3.222kWh
3,4
7.915kWh
Therm. Solar in der Sanierung
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Ohne Solar Mit Solar
Gesamtverbrauch über alles [kW/a] 11754,4 7914,5
Energieeinsparung [kW/a] 3.839,90
Investment [€] 8.000
Kosten-Einsparung [€/a] 0,07 268,793
Amortisation Statisch 30
16m2
0 20.000 kWh 0 4.595 kWh
11.000 kWh 11.000 kWh 11.754 kWh 7.915 kWh
Ingenieurbüro Junge
Zusammenfassung Solar Ergebnisse
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• Allgemein:
• Die Solaranlage entlastet die WP im Bereich hoher Temperaturen
(Warmwasser)
• Dies führt zu einer verbesserten Arbeitszahl (Luft-WP)
• Die Solaranlage verringert die Laufzeiten und erhöht damit die
Lebensdauer der WP
• Verbesserte Co2 Bilanz
• In der Sanierung ist Wirtschaftlichkeit ist immer stark abhängig vom
Preis der zu ersetzenden Energie.
• Eine thermische Solaranlage ist mit einer Sole-Wasser/Wasser
Wärmepumpen aus wirtschaftlicher Sicht nicht sinnvoll (die Sole-
Wärmepumpe erreicht auch bei höheren Temperaturen (WW-Erzeugung
eine gute JAZ).
• Sonderfall : Erdreichregenerierung
• Oder Anhebung der Quelltemperatur
• Bei einer thermischen Solaranlage mit Luft-Wasser Wärmepumpe ist der
Aspekt: erhöhte SJAZ wesentlich für eine tragbare Wirtschaftlichkeit
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Photovoltaik
Beispiele nur mit Luft/Wasser Wärmepumpe
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Photovoltaik im Smart Grid
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• Tarifschaltungen
• Sperrzeiten
• Netzmanagement
• Reduzierungen
• Abschaltungen,
• Reaktion auf Netz-management (< 30KWp 70% Regelung möglich)
• Reaktionen auf Tarifschaltungen
• Steuerung der WP und anderer Verbraucher (Eigenstrom)
• Optimierung Kosten / Energieverbrauch Ingenieurbüro Junge
Funktionen im Zähler- Sicherungskasten
Funktionen des Wechselrichters, evtl. mit Zusatzeinrichtungen
Zwei-
Richtungszähler
Hausverbraucher
Hausanschluss- kasten
Verbrauchs
-zähler
Verteilnetz-Betreiber
(VNB)
Rundsteuer-empfänger
2
3
1
6
~
=
Fernsteuerung
• Leistungs-reduzierung
• 70% Regelung • Lastgang-
abfrage
• Wirkleistungs-reduktion
• Blindleistungs-einspeisung
• Abschaltung
Netzüberwachung 5 4
Netzmanagement (Einspeisemanagement)
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1. Das Einspeisemanagement erfolgt
ferngesteuert. Die Fernsteuerung kann
über einen Tonfrequenz Rundsteuer-
emfpänger (TRE) (1) oder über
Fernwirktechnik (3) erfolgen.
2. Abhängig vom Energieversorger kann die
Einspeisereduzierung zu 0% / 100%
erfolgen oder auch in Stufen (z.B.: 100%,
60%, 30%, 0%). Die Reduzierung erfolgt
im Wechselrichter (4). Dieser muss für
diese Funktion geeignet sein. (Eman
Rady).
3. 70% Regelung: Eine Sonderstellung
nehmen PV-Anlagen ≤ 30 kWp ein.
Wahlmöglichkeit zwischen der
ferngesteuerten Reduzierung oder der
Kappung. Nutzung als Eigenverbrauch
möglich
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SG Ready Schnittstelle
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Die Steuerung einer SG Ready Wärmepumpen muss folgende Befehle verstehen und entsprechend reagieren. 1. 0:0 Wärmepumpe läuft mit max
Effizienz 2. 1:0 Wärmepumpe wird gesperrt
• Sperre um Lastspitzen auszugleichen
• Maximale Sperrzeit 2 Stunden 3. 0:1 Anlaufempfehlung
Wärmepumpe überhitzt das Heizssystem um erneuerbare Energien oder günstigere Tarife zu nutzen
4. 1:1 Anlaufbefehl für kostenlosen Strom Start des Verdichters optional können auch elektrische Zusatzheizungen aktiviert werden
• Standard der Wärmepumpen Industrie.
• Schnittstelle der Wärmepumpe zum Lastmanagement des Netzes
• Kann auch intern im Heimnetz verwendet werden.
• Nationaler Standard • Der Bundesverband
Wärmepumpen e.V. vergibt das Label SG Ready für konforme WP
• Er führt eine Liste der Hersteller, die das Label beantragt haben.
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Komponenten der Heimanlage
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PV-Anlage Netz
Zentrale Steuerung / Wechselrichter / Ladesteuerung / Batterie
Alternativ in einem Gerät kombiniert
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Gesamterzeugung [kWh] = Eigenverbrauch + Einspeisung
Gesamtverbrauch [kWh] = Eigenverbrauch + Bezug
Eigenverbrauchsanteil [%] = Eigenverbrauch (b) / Gesamtverbrauch
Einspeiseanteil [%] = 1-(Eigenverbrauch / Gesamterzeugung)
Autarkiegrad [%] = eigenverbrauchter
Solarstrom (a) / Gesamtstromverbrauch
Photovoltaik Begriffe
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=
~ ~
Einspeisung (Eteg)
Bezug (Efeg)
Eigen- verbrauch
(Ecos)
Erz
eugung
(E
acp
)
V
erb
rauch
(E
cs)
Netz
Batterie
=
~ ~ =
~ ~
Verbraucher PV-Anlage
a b
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Luft/Wasser WP mit PV-Anlage
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3 Varianten:
a) Standard Luft/Wasser Wärmepumpe mit PV-Anlage
b) Inverter geregelte Luft/Wasser Wärmepumpe mit PV-Anlage
c) Inverter geregelte Luft/Wasser Wärmepumpe mit PV-Anlage und Batterie
• Modul IBC-200 Megaline
• 32 Module, 54m2
• Ausrichtung: Süd, Neigung 35o
• Einstrahlung in Kollektorebene: 19.5287 W
• Nennleistung: 7.200 W
• 1 Batterien Hoppecke Opz S300
• Nennkapazität: 6 kW
• Standardprofil Haushalt
• Gesamtverbrauch: 3.500kWh / Jahr
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Kostenbasis PV
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Kostenbasis Basis
Thermische Solaranlage 8.000 €
PV-Anlage 7,2 kWp 1.500 € kWp 10.800 €
Batterie 6 kW 12.000 €
Strompreis Bezug 0,24 €
Strompreis Einspeisung 0,12 €
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Ertrag / Verbrauch / Wirtschaftlichkeit: Inverter Wärmepumpe
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kWh/a WP-Luft+PV Inv.-WP-Luft +PV
Gesamtverbrauch incl. Haushalt 8.040,6 7.890,3
Erzeugung PV 7.132,4 7.132,4
Eigenverbrauch 1.793,8 2.775,5
Einspeisung 5.338,6 4.356,9
Bezug 6.246,9 5.114,8
Eigenverbrauchsanteil 22,3% 35,2%
Energiekosten ohne PV-Anlage 1.929,74 € 1.893,67 €
Energiekosten aus Bezug 1.499,26 € 1.227,55 €
Einnahmen aus Einspeisung -640,63 € -522,83 €
Verbleibende Energiekosten 858,62 € 704,72 €
Einsparung zu Betrieb ohne PV 1.071,12 € 1.225,02 €
Investment 10.800,00 € 10.800,00 €
Amortisation [a] 10,1 8,8 1)
1)Vorausgesetzt Inv.-Wärmepumpe ist nicht teurer als einfache WP
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Wochenprofil Luft-WP
Wirkung der Strom geführten Wärmepumpe (Inverter)
Ingenieurbüro Junge
Wochenprofil Luft- Inverter-WP
27.11.2015 Ingenieurbüro Junge 20
kWh/a WP-Luft+PV Inv. WP+PV +Batterie
Gesamtverbrauch incl. Haushalt 8.040,6 7.890,3
Erzeugung PV 7.132,4 7.132,4
Eigenverbrauch 1.793,8 3.895,5
Einspeisung 5.338,6 2.832,3
Bezug 6.246,9 3.994,8
Eigenverbrauchsanteil 22,3% 49,4%
Energiekosten ohne PV-Anlage 1.929,74 € 1.893,67 €
Energiekosten aus Bezug 1.499,26 € 958,75 €
Einnahmen aus Einspeisung -640,63 € -339,88 €
Verbleibende Energiekosten 858,62 € 618,88 €
Einsparung zu Betrieb ohne PV 1.071,12 € 1.310,87 €
Investment 10.800,00 € 22.800,00 €
Amortisation [a] 10,1 17,4
1)Vorausgesetzt Inv.-Wärmepumpe ist nicht teurer als einfache WP
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Wochenprofil Luft- Inverter-WP
Wirkung der Batterie Pufferung
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Wochenprofil Luft- Inverter-WP +Batterie
Tagesprofil Inv. Wp +PV+Batterie
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Wirtschaftlichkeit
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• Der Einsatz einer PV-Anlage mit einer modulierenden WP ist in der Regel rentabel
• Der Einsatz von Batteriespeichern ist derzeitig noch grenzwertig (die aktuell noch
laufende KfW Förderung wurde hier nicht berücksichtigt (läuft Ende 2015 aus)
• Hier wurde mit dem Ertrag eines Blei/Säure Akku gerechnet
• Mit Lithium Ionen Akku (langlebiger, effektiver) kann eine höhere
Eigennutzungsquote erzielt werden. In diesem Beispiel würde man mit einem
Lithium Ionen Akku eine Eigennutzung von ca. 53% erreichen (im Vergleich
zu 49% mit Blei-Akku)
• Zukünftige Tendenzen:
• Fallende Batteriepreise, bei besseren Leistungswerten
• Vermehrtes Angebot guter Steuerungen
• Noch wenig Wärmepumpen auf dem Markt, die wie hier simuliert
eingesetzt werden können (z.B. Stiebel, Ochsner, Heliotherm …)
Ingenieurbüro Junge
Eigenstromoptimierung mit WP und Batterie
Zusammenfassung
27.11.2015 24
Pufferung der Wärme im Speicher „Überladen“
Pufferung des Eigen produzierten Stromes in Batterie
Stromgeführte Wärmepumpe:
• Einschalten der WP, wenn Eigenerzeugung hoch ist
Modulierende Wärmepumpe:
• Leistungs-Anpassung an die Höhe der Eigenproduktion
Die Wärmepumpe und deren Steuerung sind entscheidend für eine effiziente
Nutzung des Stromes
• Stufenlos modulierende Wärmepumpen sind heute fast schon der Standard bei
Luft- Wärmepumpen,
• Auch modulierende Sole/Wasser Wärmepumpen am Markt
• Übergeordnete Steuerung (WP, Batterie, Haushalt, Netz) erforderlich, möglichst
„aus einer Hand“.
• Vernetzung auch mit Haustechnik (z.B. KNX)
Die Vernetzung der Wärmepumpen ist bisher rudimentär (SG Ready Niveau)
Eine direkte Steuerung der Leistungsstufe (kontinuierlich) ist erforderlich.
Kombinierbar mit prognostisch arbeitenden Regelungen
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Tarifstrukturen
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Einfachtarif Doppeltarif Zwei Tarife Zwei Tarife Variabler Tarif Einfachtarif Doppeltarif Doppeltarif Doppeltarif
Gemein-samer Tarif für Haushalt und WP
Gemein-samer Tarif für Haus-halt und WP NT/ HT
Haushalt Tarif
Wärme-pumpen Strom HT/NT Sperrzeiten
Haushalt Tarif NT / HT
Wärme-pumpen Strom HT/NT Sperrzeiten
Gemein-samer Tarif für Haushalt und WP aber variabel
Umschaltung erforderlich
Umschaltung erforderlich ? OK ?
Ingenieurbüro Junge
OK OK
Weiteres Optimierungspotential
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Ergebnisse aus Anlagensimulation:
• Schwerpunkt war der Vergleich verschiedener Konfigurationen
• Die gesamt Effektivität der Anlage ist sicher noch optimierbar
• Eigennutzzungsgrade bis zu 60% sind denkbar
Weiteres Optimierungs-Potential
• Steuerung des Haushaltsstromverbrauches
• Einbindung Elektroauto
• Berücksichtigung von Tarifstrukturen, Tarifschaltungen
• Sperrzeiten, Spezialtarife und physikalisch getrennte Hausnetzteile für
WP und andere Verbraucher verhindern optimale Steuerungs-
möglichkeiten zur Optimierung des Eigenverbrauchs und der Kosten.
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Wärmepumpe mit therm. Solaranlage und PV-Anlage..
27.11.2015 27
WP-Luft+PV ohne Sol. WP-Luft+PV mit Sol.
Gesamtverbrauch incl. Haushalt 8.040,6 8.040,6
Erzeugung 7.132,4 7.132,4
Eigenverbrauch 1.793,8 1.579,5
Einspeisung 5.338,6 5.553,0
Bezug 6.246,9 5.142,7
Eigenverbrauchsanteil 22,3% 19,6%
Energiekosten ohne PV-Anlage 1.929,74 € 1.929,74 €
Energiekosten aus Bezug 1.499,26 € 1.234,25 €
Einnahmen aus Einspeisung -640,63 € -666,36 €
Verbleibende Energiekosten 858,62 € 567,89 €
Einsparung 1.071,12 € 1.361,86 €
Investment 10.800,00 € 18.800,00 €
Amortisation [a] 10,1 13,8
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Thermische Solaranlage und / oder PV-Anlage
27.11.2015 Ingenieurbüro Junge 28
Eine thermische Solaranlage zusätzlich zu einer PV-Anlage verringert nochmals
den Energieverbrauch, verlängert allerdings die Amortisationszeit der Anlage.
Bei der Beheizung des Gebäudes mit einer modulierenden Wärmepumpe ist eine
thermische Solaranlage keine wirkliche Alternative zu einer PV-Anlage.
Eine PV-Anlage benötigt allerdings zur Erzielung des gleichen Einspareffektes
eine 2 bis 3-mal so große Dachfläche wie eine PV-Anlage. D.h. bei geringer zur
Verfügung stehender Dachfläche ist eine thermische Solaranlage u.U. die bessere
Lösung.
Generelle Aussagen können immer nur einen Orientierungswert liefern. Belastbare
Aussagen können nur auf der Basis konkreter Planungswerte für das Gebäude,
die Anlagentechnik und das Nutzerverhalten gemacht werden.
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Hybride Systeme
Wärmepumpe, Solarthermie, PV-Anlage, Batterie-Speicher
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
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