Positionspapier zum Heizen mit Solarenergie

Positionspapier zum Heizen mit Solarenergie Die direkte Nutzung der Sonne zur Erzeugung von Solarwärme ist die mit Abstand natürlichste und nachhaltigste Form der Wärmeerzeugung. Solarstrom ist vorrangig für die Vermeidung von fossilem Strom einzusetzen. Der Energieertrag pro Quadratmeter Dachfläche ist von solarthermischen Anlagen um den Faktor 2 bis 3 höher als von photovoltaischen Modulen. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sind solarthermische Anlagen für die Heiz- und Trinkwassererwärmung rein strombasierten Direktheizungen überlegen. Solarenergie sinnvoll für Wärme einsetzen Sonnenenergie für die Wärmeversorgung wird traditionell mithilfe solarthermischer Kollektoren geerntet. Aufgrund der hohen Wirkungsgrade, hoher Flächenerträge und ausgereifter Einbindung in Heiztechnologien sind diese seit vielen Jahrzehnten am Markt etabliert und erfolgreich. Aus Gründen des Klimaschutzes und der Effizienz galt in Deutschland demgegenüber das Heizen mit Strom aus fossilen Quellen bisher als überholt. Im Kontext der politischen Diskussion über eine erfolgreiche Energiewende wird das Thema Heizen mit Strom derzeit neu diskutiert. Grundlage dafür sind vor allem potenzielle Überschüsse aus fluktuierenden Erneuerbaren Energien und die Eigennutzung von Strom im Gebäude. Der Bundesverband Solarwirtschaft hat im Jahr 2011 im Zusammenhang mit der Aufstellung des Fahrplan Solarwärme einen Grundsatzbeschluss gefasst, der der Solarthermie Vorrang bei der Wärmeversorgung einräumt. Es heißt in der Verbandsvision: Die direkte Nutzung der Sonne zur Erzeugung von Solarwärme ist die mit Abstand natürlichste und nachhaltigste Form der Wärmeerzeugung. Grundlage für diese Vision sind wichtige Eigenschaften der solarthermischen Wärmeerzeugung: Solarthermische Energie erfordert als lokal erzeugte Energie keine Investitionen in Netzinfrastruktur. Solarthermisch erzeugte Energie ist kostengünstig und problemlos speicherbar. 1

Solarwärme weist einen deutlich höheren Systemwirkungsgrad und eine dreifache Flächeneffizienz auf als solarstrombasierte Heizsysteme. Solarwärme hilft, Heizkosten für Wohngebäude und Industrie deutlich zu senken. Herausforderungen eines weiteren Solarstrom-Ausbaus Der Ausbau der Erneuerbaren Energien im Stromsektor vollzieht sich sehr dynamisch und erreichte Ende 2012 einen Anteil von ca. 25% an der deutschen Stromversorgung, der Anteil der Photovoltaik allein betrug ca. 5%. Zu Spitzenzeiten wie z.b. zur Mittagzeit am 5. Mai 2013 erzeugte allein die Photovoltaik rund 23 GW Strom und damit ca. 50% des zeitgleichen deutschen Bedarfs. Schon heute kann es dabei zu temporären regionalen Leistungsüberschüssen kommen. Um die Energiewende mit einem Anteil von 20% Photovoltaik und mehr zum Erfolg zu führen, entstehen zwangsläufig Überschüsse, die allerdings technisch beherrschbar sind. Bislang fehlt ein energiepolitisches Konzept zum Umgang mit den zu erwartenden wachsenden EE-Stromüberschüssen im Rahmen der Energiewende. Verschiedene Flexibilitätsoptionen, wie z.b. die Ertüchtigung der Stromnetze, der Export ins europäische Ausland oder die Speicherung der Energie, werden hinsichtlich ihrer Verfügbarkeit und Kosten überprüft. Der bisherige Umgang mit den Leistungsüberschüssen beschränkt sich auf die Abregelung von PV-Anlagen bei Netzengpässen (Einspeisemanagement). In diesem Kontext ist in der letzten Zeit auch wiederholt die Idee entstanden, Solarstromüberschüsse zukünftig auf für die Wärmeerzeugung einzusetzen. Der Anreiz, so zugleich auch die Eigenverbrauchsquote selbst erzeugten Solarstroms zu steigern, dürfte mit sinkenden PV-Erzeugungskosten und der zunehmenden Verringerung der EEG- Vergütung noch wachsen. Es steht außer Frage: Der Ausbau der Photovoltaik wird weiter fortschreiten. Die Energiepolitik muss sich dieser Herausforderung stellen und Rahmenbedingungen schaffen, die dazu dienen, Lastspitzen und schwankungen auszugleichen. Eine Neugestaltung des Energiemarktes, der Anreize und Lösungen für die Speicherung elektrischer Energie und ein intelligentes Lastmanagement bietet, ist dringend geboten. Temporäre PV-Strom-Überschüsse sollten vorrangig im Rahmen einer Optimierung des Gesamtsystems in Anwendungen zum Einsatz kommen, die nur mit Strom bedient werden können oder z.b. für hohe Temperaturen in der Industrie erforderlich sind. 2

Beim Einsatz temporärer Solarstromüberschüsse zum Heizen sollte hingegen darauf geachtet werden, dass dadurch der Bedarf an fossil erzeugtem Strom für Backup-Kapazitäten im Sinne des Klimaschutzes nicht nachhaltig erhöht oder zementiert wird. Heizen mit Strom In Deutschland und auch im benachbarten mitteleuropäischen Ausland treten die Bedarfsspitzen für Strom und Wärme in den strahlungsarmen und teilweise auch windschwachen Wintermonaten auf. Diese Bedarfsspitzen müssen durch Einsparmaßnahmen und Effizienz insbesondere im Winter möglichst weit reduziert werden. Das Heizen mit Strom greift auf zwei Technologien zurück, um Strom in Wärmeanwendungen nutzbar zu machen: Erstens die Nutzung von Strom zur Wärmeerzeugung auf Seiten der Wärmeversorger. Hier ist das gesetzte Ziel vor allem die Ergänzung von Stromerzeugungsanlagen um Wärmespeicher und ist damit auf alle Erneuerbaren Energien im Strom- und Wärmebereich zu beziehen. Die zweite Methode betrifft die Verwendung von dezentralem Strom für Heiz- und Brauchwassererwärmung im privaten oder kommerziellen Bereich. Bei beiden Technologien kann auch Überschussstrom zur Anwendung kommen, der entweder über das Netz verteilt wird oder gar nicht erst ins Netz eingespeist wird. Für die hier behandelte Frage des individuellen Heizens mit Solarstrom sind vor allem zwei Systeme relevant: Der Wärmepumpenbetrieb über PV-Strom und die Wassererwärmung über einen Heizwiderstand (Tauchsieder, Heizpatrone etc.), wobei die Effizienz einer Wärmepumpe bis zu fünfmal höher sein kann als die eines Heizwiderstandssystems. Demgegenüber stehen bei Heizwiderstandssystemen deutlich geringere Investitionskosten und die bessere Möglichkeit der nachträglichen Integration in bestehende Heizungsanlagen, da Wärmepumpen Niedertemperaturwärme bereit stellen, die eine Flächenheizung voraussetzen, um ihre hohe Arbeitszahl erreichen zu können. Die Folgen einer eindimensionalen stromorientierten Wärmestrategie können unerwünschte Nebenwirkungen haben, sofern sie nicht flexibel auf Lastspitzen im Winter reagieren kann. Der französische Übertragungsnetzbetreiber RTE konstatiert seit Jahren eine steigende Stromnachfrage in der kalten Jahreszeit. Dies ist vor allem der strombasierten Versorgung mit Raumwärme und Warmwasser zuzuschreiben. Anfang des Jahres 2012 lag die Lastnachfrage insgesamt bei knapp 100 GW. Im Fall Frankreichs führte dieser erhöhte Bedarf zum Import von elektrischer Energie aus dem Ausland. Hierdurch soll die Nutzung 3

zusätzlicher Spitzenlastkraftwerke vermieden werden, die ansonsten die Bedarfsspitzen ausgleichen müssten. Obgleich Deutschland eine andere Energieinfrastruktur als Frankreich aufweist, zeigt dieser Fall, welche volkwirtschaftlichen Herausforderungen eine strombasierte Heizungsstruktur beinhalten kann. Sie erhöht die Stromnachfrage im Winter und kann damit ein Engpassproblem der Stromversorgung verschärfen. Angesichts eines hohen Bedarfs an Spitzenlastkraftwerken und perspektivisch zunehmender Stromverbraucher wie der Elektromobilität erhöht diese Entwicklung die Anforderungen an die Versorgungssicherheit im Sinne der Systemstabilität. Das Grundproblem für die Stromversorgung liegt in der nur kaum vorhandenen zeitlichen Deckungsgleichheit des Dargebots von saisonal schwankender Solarproduktion und der Spitzenheizlast. Die im Durchschnitt höhere Windproduktion in den Wintermonaten kann diese Abweichung nicht sicher ausgleichen. Die Klimaschutzwirkung optimieren Die Klimaschutzwirkung von Erneuerbarer Energie muss vornehmlich daran gemessen werden, wieviel Treibhausgas sie vermeiden kann. Da Erneuerbare Energien weitgehend CO 2 frei sind, verdrängt jede grüne Kilowattstunde Wärme oder Strom eine fossile Kilowattstunde, die sich je nach Primärenergiequelle und Verwendungsart unterscheiden. Ziel muss es sein, mit jeder produzierten Kilowattstunde EE möglichst viele CO 2 -Emissionen zu vermeiden. Aufgrund des hohen Anteils an Stein- und Braunkohle im deutschen Strommix ist der CO 2 - Ausstoß einer durchschnittlichen Kilowattstunde Strom gut doppelt so hoch wie der CO 2 -Ausstoß einer Kilowattstunde Wärme. Wärme profitiert dabei von der direkten Umwandlung der Primärenergie in nutzbare Energie und von einem geringeren Anteil schmutziger Energiequellen. 4

Spezifische Emissionen der Wärmeerzeugung: Spezifische Emissionen der Stromerzeugung: Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien, 2011 Dieser Zusammenhang legt den Schluss nahe, eine Kilowattstunde regenerativen Stroms vorrangig für die Vermeidung von fossilem Strom einzusetzen statt für Wärme, da sonst die Hälfte ihres Klimaschutzpotenzials vergeudet wird. Ein Vergleich des Energieertrags pro Quadratmeter Dachfläche zeigt weiterhin, dass die solarthermische Ausbeute an Kilowattstunden um den Faktor 2 bis 3 höher ist als von photovoltaischen Modulen. Dieser Unterschied kann durch die Kombination mit hocheffizienten Wärmepumpen teilkompensiert werden. Abb. Energieverbrauch im Privathaushalt und Energieernte vom Dach 5

Diese Annahmen werden von einer aktuellen Studie gestützt, die der BSW-Solar in Auftrag gegeben hat. Das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) hat im Jahr 2012 die primärenergetische Effizienz solarer Warmwasser- und Kombisysteme untersucht. Konkret wurden verschiedene solarthermische und PV-Anlagen in Kombination mit elektronischen Heizstäben, Wärmepumpen, Gasnachheizungen und Durchlauferhitzern verglichen. Wesentliche Annahmen der vergleichenden Untersuchungen waren: Haushalte: 3.500 kwh / Jahr Stromverbrauch; 128 qm Wohnfläche Genutzte Dachfläche: 55 qm, davon 4,7 am für ST-Trinkwasseranlage, 14 qm für ST-Kombianlage, jeweils restliche Fläche für Photovoltaik Alle untersuchten ST-Kombinationen auch mit PV-Anlage ausgestattet, entweder zur Deckung des HH-Stromverbrauchs oder zur WP-Bedarfsdeckung Der Vergleich zeigt, dass der Primärenergiedarf bei solarthermischer Wärmeerzeugung, die mit photovoltaischer Deckung des Wärmepumpenstroms kombiniert ist, geringer ist als bei rein strombasierten Systemen, sofern die PV- Einspeisung ins Netz nicht eingerechnet wird. Die Solarthermie-Gasbrennwert- Kombination erreicht gegenüber der rein fossilen Variante (Gas-BW) und der Elektroheizstab-Variante bessere Primärenergiewerte. Folglich sind die solarthermisch unterstützten Formen der Wärmeerzeugung gute Alternativen zur strombasierten oder fossilen Wärmeerzeugung. Eine Kombination aus Photovoltaik und Solarthermie erzielt Bestwerte, sowohl im Neubau als auch im Bestand. 6

Primärenergiebedarf von Kombianlagen mit Berechnung der PV-Einspeisung (in kwh/a) ohne Berechnung der PV-Einspeisung (in kwh/a) Kombianlagen im Neubau 29.723 Kombianlagen im Bestand 29.778 32.516 36.830 26.167 25.176 14.483 16.794 17597 18.851 21.091 21.280 7.699 9.281 7.535 11.389 4.759 2.949 ST + PV-Deckung des WP-Stroms PV-Deckung des WP-Stroms Nachheizung: L/W - WP ST-Kombianlage GAS-BW Nachheizung: Gas- (Referenzanlage) BW PV+ E-Heizstab (mit Kombispeicher) Nachheizung: E- Heizstab ST + PV-Deckung des WP-Stroms Quelle: Vergleichder photovoltaischen und solarthermischen Wärmeerzeugung zur Nutzung im EFH, ITW, Dez. 2012 PV-Deckung des WP-Stroms Nachheizung: L/W - WP ST-Kombianlage GAS-BW Nachheizung: Gas- (Referenzanlage) BW PV+ E-Heizstab (mit Kombispeicher) Nachheizung: E- Heizstab Abb. Primärenergiebedarf von Kombianlagen 7

Primärenergiebedarf von Warmwasseranlagen (Neu-und Bestandsbauten) mit Berechnung der PV-Einspeisung (in kwh/a) ohne Berechnung der PV-Einspeisung (in kwh/a) 13871 13871 9759 8281 8899 7170 7412 3261 3377 2120 ST mit WW-Speicher Nachheizung: GAS - DLE PV-Deckung des WP-Stroms + ST Nachheizung: L/W - WP PV-Deckung des DLE-Stroms + PV-Speicherung in WW- Speichern mit E-Heizstab PV-Deckung des WP-Stroms Nachheizung: L/W - WP Gas-DLE Abb. Primärenergiebedarf von Warmwasseranlagen (DLE: Durchlauferhitzer, L/W-WP: Luftwasser-Wärmepumpe, BW: Brennwertkessel) Die Wirtschaftlichkeit von solarthermischen Anlagen Häufig wird eine hohe Wirtschaftlichkeit von Solarstrom in Wärmeanwendungen unterstellt. Hierfür werden insbesondere zwei Anwendungsbeispiele ins Feld geführt: Die Nutzung von Solarstrom zur Trink- und Brauchwassererwärmung und die Nutzung in Heizungssystem in künftig effizient gedämmten Neubauten, die einen sehr viel geringeren Heizbedarf aufweisen werden. Einerseits ist der Bedarf an heißem Trinkwasser witterungs- und außentemperaturunabhängig und wird über das ganze Jahr hinweg in gleichem Maße benötigt. Andererseits ist davon auszugehen, dass vor allem im Neubaubereich der Heizwärmebedarf deutlich sinkt. Diese politisch gewollte Entwicklung würde das erforderliche Investitionsvolumen für Heizungsanlagen stark reduzieren, und könnte einen Anlass schaffen, den ohnehin benötigten Stromanschluss zur Deckung des Heizwärmebedarfs zu nutzen. Mit den solarthermischen Anlagen steht jedoch jetzt schon eine verlässliche und wirtschaftliche Wärmequelle zur Verfügung. Solarthermieanlagen haben einen 8

Keine finanzielle Amortisation Keine finanzielle Amortisation Keine finanzielle Amortisation Keine finanzielle Amortisation BSW-Positionspapier Juni 2013 höheren Flächenwirkungsgrad als PV-Anlagen, der durch die Kombination mit hocheffizienten Wärmpumpen teilkompensiert werden kann. Die Technologien profitieren außerdem davon, dass die erzeugte Wärme über lange Zeit sehr kostengünstig in Pufferspeichern gespeichert werden können, um sie dann zum Heizen zu verwenden. Der BSW-Solar hat im Rahmen der oben genannten Studie auch die finanzielle Amortisationszeit von Anlagen zur solaren Wärmeerzeugung berechnen lassen. Hier kommen die Forscher des ITW zu folgenden Ergebnissen: Finanzielle Amortisationszeit für Kombianlagen mit EVGü 15,0 Ct/kWh (Jahre) ohne EVGü (Jahre) Kombianlagen im Neubau 22 23,3 Kombianlagen im Bestand 24,5 24,5 18,8 17,6 17,7 18,4 15,5 13 13,7 12 GAS-BW (Referenzanlage) PV+ E-Heizstab (mit Kombispeicher) Nachheizung: E- Heizstab ST-Kombianlage Nachheizung: Gas- BW PV-Deckung des WP-Stroms Nachheizung: L/W - WP PV-Deckung des WP-Stroms + ST GAS-BW (Referenzanlage) Quelle: Vergleichder photovoltaischen und solarthermischen Wärmeerzeugung zur Nutzung im EFH, ITW, Dez. 2012 Abb. Finanzielle Amortisationszeit von Kombianlagen PV+ E-Heizstab (mit Kombispeicher) Nachheizung: E- Heizstab ST-Kombianlage Nachheizung: Gas- BW PV-Deckung des WP-Stroms Nachheizung: L/W - WP PV-Deckung des WP-Stroms + ST 9

Keine finanzielle Amortisation BSW-Positionspapier Juni 2013 Finanzielle Amortisationszeit für Warmwasseranlagen (Neu-und Bestandsbauten) mit EVGü 15,0 Ct/kWh (Jahre) ohne EVGü (Jahre) 19,7 20 16,4 14,6 14,7 14,3 13 11 Gas-DLE ST mit WW-Speicher Nachheizung: GAS - DLE PV-Deckung des DLE-Stroms + PV-Speicherung in WW- Speichern mit E-Heizstab Abb. Finanzielle Amortisationszeit von Warmwasseranlagen PV-Deckung des WP-Stroms + ST Nachheizung: L/W - WP PV-Deckung des WP-Stroms Nachheizung: L/W - WP Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sind solarthermische Anlagen in Kombination mit einer Erdgas-Nachheizung für die Heiz- und Trinkwassererwärmung strombasierten Direktheizungen überlegen. In der Kombination mit einer Wärmepumpe liegt die Wärmeerzeugung via PV-Strom ohne Stromspeicher auf gleichem wirtschaftlichen Niveau wie solarthermische Systeme. Aus den oben genannten Gründen sollte Solarstrom vorrangig zur Deckung des Strombedarfs und Solarwärme für die Deckung des Wärmebedarfs eingesetzt werden. Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass aufgrund der weiteren Entwicklungen beider Technologien und deren Kostenrealität eine Verschiebung der Wirtschaftlichkeit eintreten kann. Der Einsatz einer Heizpatrone, eines Durchlauferhitzers o.ä. kann im Einzelfall entsprechend sinnvoll sein und sollte nicht von vornherein ausgeschlossen werden. Eine Senkung der Kosten von Solarthermiesystemen ist wichtig, um Ihre Potenziale auch im Wettbewerb mit anderen Erzeugungstechnologien nachhaltig weiter erschließen zu können. Unzureichend ausgestattete und unstetige Förderprogramme erschwerten in der Vergangenheit die Kostensenkung durch F&E Investitionen und Skaleneffekte in der Solarthermie. Würde die 10

Solarthermie ähnliche politische Rahmen- und Förderbedingungen vorfinden wie die Photovoltaik bisher, würde sich die Wirtschaftlichkeit der Anlagen stark verbessern. Darüber hinaus gilt es, sogenannte Langzeitwärmespeicher/Saisonspeicher auf Wasserbasis weiterzuentwickeln. Sie können heute schon Wärme über mehrere Wochen bis hin zu einigen Monaten speichern. Sogenannte Sonnenhäuser sind Beispiele von Gebäuden, die sich ganzjährig nur durch Solarthermie und Langzeitwärmespeicher beheizen lassen. Auch für saisonbedingte Schwankungen der erneuerbaren Stromproduktion können solche thermischen Speichertechnologien eine Lösung sein. Auch die Weiterentwicklung chemischer Wärmespeicher sollte gefördert werden. Diese sind in der Lage, bis zu zehnmal so viel Wärme in einem Kubikmeter zu speichern wie herkömmliche Speicher. Ein Marktdurchbruch dieser Speicher ist bisher noch nicht gelungen. Ein entsprechendes Marktanreizprogramm könnte hier positive Impulse setzen, denn chemische Speicher hätten den großen Vorteil, Wärme über mindestens ein halbes Jahr speichern zu können. Das würde im Gebäudebestand den Durchbruch für solare Heiztechnologien bringen. 11

Ausblick: Solarwärme auch in Zukunft das Rückgrat der Wärmeversorgung Die direkte Nutzung der Sonne zur Erzeugung von Solarwärme ist die mit Abstand natürlichste und nachhaltigste Form der Wärmeerzeugung. Außerdem kann die solarthermisch erzeugte Wärme sogar über lange Zeit wesentlich kostengünstiger (Faktor 10 30) gespeichert werden, um sie dann zum Heizen zu verwenden. Damit leistet die Solarwärme einen wesentlichen Beitrag für einen künftig annähernd klimaneutralen Gebäudebestand in Deutschland, dessen Energiebedarf weitgehend durch Erneuerbare Energien gedeckt wird. Die Solarwärme wird bei der überwiegenden Zahl der dafür geeigneten Wohngebäude zur Grundausstattung in der Wärmeversorgung. Im Bereich der industriellen Prozesswärme leistet die Solarthermie einen substanziellen Beitrag, um für die Unternehmen Energiekosten zu senken. Durch weitere technologische Erfolge und Kostensenkungen erreicht die Branche eine führende Position im Weltmarkt und erzielt dadurch wachsende Exportanteile, Wertschöpfung und Beschäftigung in Deutschland. Kontakt: Bundesverband Solarwirtschaft e.v. Friedrichstr. 78 10117 Berlin Jörg Mayer Geschäftsführer Tel. 030 29 777 88 51 Email: mayer@bsw-solar.de Markus Meyer Referent Politik Tel. 030 29 777 88 32 Email: meyer@bsw-solar.de 12