PDF der Untersuchung - Solarenergieförderverein Bayern e.V.

Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH
Technische und betriebswirtschaftliche
Bewertung des EEWärmeG
Solarthermie und Wärmepumpe im EFH
Kurzbericht © FfE, April 2010

Technische und betriebswirtschaftliche
Bewertung des EEWärmeG
Solarthermie und Wärmepumpe im EFH
Auftraggeber:
Solarenergieförderverein
Bayern e.V.
FfE-Auftragsnummer: SeV-0001
Bearbeiter/in: Christian Fieger
Fertigstellung: April 2010

Impressum:
Kurzbericht der
Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft
mbH (FfE GmbH)
in Zusammenarbeit mit der Forschungsstelle für
Energiewirtschaft e.V.
zum Projekt:
Technische und betriebswirtschaftliche
Bewertung des EEWärmeG
Solarthermie und Wärmepumpe im EFH
Auftraggeber:
Solarenergieförderverein Bayern e.V.
Kontakt:
Am Blütenanger 71
80995 München
Tel.: +49 (0) 89 158121-0
Fax: +49 (0) 89 158121-10
E-Mail: info@ffe.de
Internet: www.ffegmbh.de
Wissenschaftlicher Leiter:
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner
Geschäftsführer:
Prof. Dr.-Ing. W. Mauch
Projekt-Manager:
Dipl.-Phys. R. Corradini

Inhaltsverzeichnis i
Inhalt
1 Einleitung .......................................................................................................... 1
2 Vorgaben und Ziele des EEWärmeG ............................................................... 2
3 Solarthermie ...................................................................................................... 2
3.1 Ausgangssituation in Bayern ....................................................................................... 2
3.2 Erstellen des Referenzgebäudes ................................................................................. 3
3.3 Ökologisches Potenzial ................................................................................................ 5
3.3.1 Solare Warmwasserbereitung (WW) ................................................................ 6
3.3.2 Solare Heizungsunterstützung (HZU) ............................................................... 9
3.3.3 Überdimensionierte solare Heizungsunterstützung (GHZU) .......................... 10
3.3.4 Vergleich der erzielbaren solaren Erträge der verschiedenen Varianten ....... 11
3.4 Ökonomisches Potenzial ............................................................................................ 13
3.4.1 Betriebswirtschaftliche Begriffe ...................................................................... 13
3.4.2 Solare Warmwasserbereitung (WW) .............................................................. 15
3.4.3 Solare Heizungsunterstützung (HZU) ............................................................. 15
3.4.4 Überdimensionierte solare Heizungsunterstützung (GHZU) .......................... 15
3.4.5 Ökonomischer Vergleich der verschiedenen Varianten ................................. 15
3.5 Effekte durch Vergrößerung der Anlage ................................................................... 16
4 Wärmepumpe .................................................................................................. 18
4.1 Ökologisches Potenzial .............................................................................................. 18
4.1.1 Monovalent betriebene Wärmepumpe ........................................................... 18
4.1.2 Wärmepumpe in Kombination mit solarer Warmwasserbereitung (WW) ....... 19
4.1.3 Wärmepumpe in Kombination mit solarer Heizungsunterstützung (HZU) ...... 20
4.1.4 Vergleich der drei Varianten ........................................................................... 21
4.2 Ökonomisches Potenzial ............................................................................................ 22
4.2.1 Wärmepumpe ................................................................................................. 22
4.2.2 Wärmepumpe + solare Warmwasserbereitung .............................................. 23
4.2.3 Wärmepumpe + solare Heizungsunterstützung ............................................. 23
4.2.4 Vergleich der Anlagen .................................................................................... 23
5 Ausblick auf die solare Kühlung ................................................................... 24
5.1 Stand der Technik ....................................................................................................... 24
5.1.1 Geschlossene Systeme .................................................................................. 24
5.1.2 Offene Systeme .............................................................................................. 24

ii Inhaltsverzeichnis
5.2 Anlagenbeispiele ........................................................................................................ 25
5.2.1 Adsorptionskälteanlage (Komplettsystem vom Hersteller) ............................. 25
5.2.2 Absorptionskälteanlage (Komplettsystem vom Hersteller) ............................. 25
5.2.3 Offene Systeme (Am Beispiel Solar Info Center in Freiburg) ......................... 25
6 Zusammenfassung und Fazit ........................................................................ 25
7 Literaturverzeichnis ........................................................................................ 29

Potenzial der Solarthermie und Wärmepumpe
hinsichtlich des EEWG in Bayern
1 Einleitung
Im Juli 2007 hat die Bundesregierung in den Meseberger Beschlüssen das Integrierte
Energie- und Klimaprogramm (IEKP) auf den Weg gebracht. Dieses Programm
beinhaltet eine Beschreibung von 29 Maßnahmen, die zur Reduktion des in Deutschland
verursachten CO2-Ausstoßes führen sollen. Die Durchführung der aufgezeigten
Maßnahmenpakete wird unter anderem durch den Beschluss einiger Gesetze und
Verordnungen gewährleistet. So soll beispielsweise der im IEKP geforderte Ausbau der
Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen durch die Novellierung des
KWK-Gesetzes oder die Erhöhung des Anteils regenerativer Energien an der
Stromversorgung durch eine Neufassung des Erneuerbaren Energien Gesetztes (EEG)
erreicht werden. In Punkt 14 des IEKP wird eine Steigerung des regenerativen Anteils
an der Wärmebereitstellung auf 14 % bis zum Jahr 2020 gefordert. Im Jahr 2006 betrug
in Deutschland die Bereitstellung an Wärmeenergie durch regenerative Energieträger
6 %. Zu diesem Zweck wurde das Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz (EEWG)
beschlossen, das dem Bauherren ab 01.01.2009 vorschreibt, einen gewissen Anteil der
Wärmebereitstellung im Gebäude durch den Einsatz regenerativer Energien zu decken.
Die Nutzungspflicht kann hierbei durch unterschiedliche Maßnahmen, wie den Einsatz
von Solarthermie, Umweltwärme, Geothermie, Biomasse oder durch die Durchführung
einzelner Ersatzmaßnahmen (Kraft-Wärme-Kopplung, Energiesparmaßnahmen) erfüllt
werden /IEKP 07/.
In dieser Studie wird untersucht, welche ökologischen und ökonomischen Auswirkungen
die im EEWärmeG vorgeschriebenen Maßnahmen bezüglich Solarthermie und
Wärmepumpe auf den CO2-Ausstoß, die Reduktion des Primärenergieverbrauches und
die Investitionskosten für den einzelnen Bauherren haben. Beschränkt wird diese
Betrachtung auf den Freistaat Bayern. Es wird weiterhin ermittelt, in wie weit die Ziele
aus dem IEKP durch den Ausbau von solarthermischen Anlagen und Wärmepumpen in
Bayern erfüllt werden können.
Bericht_SEV_2010_04_28.Doc 28.04.2010 12:14:00
1
B80515

2 Vorgaben und Ziele des EEWärmeG
2 Vorgaben und Ziele des EEWärmeG
Als Ziel gibt das EEWärmeG in § 1 Absatz (2) folgendes vor:
„Um den Zweck des Absatzes 1 unter Wahrung der wirtschaftlichen Vertretbarkeit zu
erreichen, verfolgt dieses Gesetz das Ziel, dazu beizutragen, den Anteil Erneuerbarer
Energien am Endenergieverbrauch für Wärme (Raum-, Kühl- und Prozesswärme sowie
Warmwasser) bis zum Jahr 2020 auf 14 Prozent zu erhöhen.“
Um diese Vorgaben zu erreichen, müssen ab dem 01.01.2009 die Eigentümer eine im Gesetz
vorgeschriebene Maßnahme durchführen.
„Die Eigentümer von Gebäuden nach § 4, die neu errichtet werden, (Verpflichtete) müssen
den Wärmeenergiebedarf durch die anteilige Nutzung von Erneuerbaren Energien nach
Maßgabe der §§ 5 und 6 decken.“
Für den Fall der Solarthermie besagt Paragraph 5 (1), dass mindestens eine 15 % ige Deckung
des Wärmebedarfes durch solare Strahlungsenergie gegeben sein muss. Erfüllt werden kann
dieser Punkt jedoch auch durch die Installation von
„…Solarkollektoren mit einer Fläche von mindestens 0,04 Quadratmetern Aperturfläche je
Quadratmeter Nutzfläche…“
wie es in der Anlage (§§ 5 + 7) beschrieben ist.
Für die Nutzung einer Wärmepumpe gilt der § 5 (4) in Verbindung mit den
Anforderungen nach Nummer III des Anhangs. Es müssen demnach durch den Einsatz
einer Wärmepumpe mindestens 50 % des Wärmebedarfs des Gebäudes gedeckt werden,
wobei für die unterschiedlichen Techniken im Anhang verschiedene, verbindliche
Untergrenzen für die Jahresarbeitszahlen angegeben werden. Für die elektrisch
betriebene Luft/Wasserwärmepumpe und bei der Warmwasserbereitung durch die
Wärmepumpe liegt dieser Wert beispielsweise bei 3,3.
3 Solarthermie
3.1 Ausgangssituation in Bayern
In Bayern war im Jahr 2005 eine Kollektorfläche von ca. 2,7 Mio. m² installiert.
Insgesamt konnten dadurch etwa 4,2 PJ, das entspricht ca. 0,5 % vom gesamten
Wärmebedarf in Bayern, an Nutzenergie (Wärme) erzeugt werden /FfU 07/.
Hauptsächlich werden solarthermische Anlagen auf Ein- und Zweifamilienhäusern zur
Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung genutzt. Der Einsatz auf
Mehrfamilienhäusern gestaltet sich aufgrund des notwendigen einstimmigen
Baubeschlusses der Eigentümer oft sehr schwierig. Auch im Industriesektor ist der
Anteil an solarer Wärmeerzeugung gering. Das erreichbare Temperaturniveau einer
Solaranlage erfüllt in den meisten Fällen nicht die Anforderungen an die notwendigen
Prozesstemperaturen. Es wird davon ausgegangen, dass die bayerische Regierung von
der Nutzungspflicht erneuerbarer Energien nach §3 (2) Gebrauch macht. Das bedeutet,
dass bei einer Sanierung der Heizanlage das EEWärmeG erfüllt werden muss.

Erstellen des Referenzgebäudes 3
Insgesamt müssen nach /EDU 07/ in den Jahren 2009 bis 2020 in Deutschland ca. 9 Mio.
Öl- und Gasheizungsanlagen erneuert werden (siehe Abbildung 3-1).
Anlagen in Mio.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
bis 31.12.78 1.1.79 bis
31.12.82
1.1.83 bis
30.9.88/2.10.90
1.1.98 bis
31.12.02
1.10.88/3.10.90 bis
31.12.97
1.1.03 bis
31.12.03
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Abbildung 3-1: Summe der zu ersetzenden Heizkessel in Deutschland
Unter Berücksichtigung der Gebäudezahlen der jeweiligen Bundesländer ergibt sich für
Bayern ein Wert von ca. 1,3 Mio. Heizanlagen. Von dieser Zahl ausgehend, kann über
die gesetzlichen Vorgaben ein nennenswertes CO2-Vermeidungspotenzial durch den
Einsatz solarthermischer Anlagen ermittelt werden. Um dieses Potenzial zu ermitteln,
wird im ersten Schritt die durchschnittliche solare Einstrahlung auf ein 40° geneigtes
Dach berechnet. Diesem Wert liegt das Mittel über den gesamten möglichen Dachausrichtungsbereich
von West bis Ost zu Grunde. Weitere Einflussgrößen sind die
Gebäudeanzahl und die vorhandenen Dachflächen. Da sich die nötigen Kollektorflächen
in einem Rahmen von 5 m² bis 20 m² bewegen, wird davon ausgegangen, dass auf jedem
dieser Häuser eine solarthermische Anlage installiert werden kann.
3.2 Erstellen des Referenzgebäudes
Für die Betrachtung wird als Referenzgebäude ein Einfamilienhaus, Baujahr 1960,
welches nach den Vorgaben der Energie-Einspar-Verordnung (EnEV 2005) saniert
wurde, verwendet. Dieses Gebäude wurde gewählt, da aus bereits an der FfE
durchgeführten Studien /EDU 07/ sehr detaillierte Werte für die Energieverbräuche
vorliegen. Für die Warmwasserbereitstellung in einem vier-Personen-Haushalt ist
inklusive der Speicherverluste eine Endenergie von ca. 3.500 kWh/a nötig. Als
Nutzenergie verbleiben noch ca. 2.900 kWh/a. In Abbildung 3-2 ist das Zapfprofil eines
Einfamilienhauses mit vier Bewohnern dargestellt. Gut zu sehen sind die für einen
Werktag charakteristischen Spitzen am Morgen, Mittag und Abend. Während der
restlichen Zeit treten nur Speicherverluste auf.

4 Solarthermie
Warmwasserverbrauch inkl. Verluste in
kWh
2
1,5
1
0,5
0
Warmwasserverbrauch Werktag EFH
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
Tageszeit
©Ff E SeV-0001 Beurteilung des EEW_00039
Abbildung 3-2: Zapfprofil eines EFH am Werktag (vier-Personen-Haushalt)
Am Wochenende, in Abbildung 3-3 abgebildet, verteilt sich der Warmwasserbedarf
über den ganzen Tag und die Abendspitze ist deutlich weniger stark ausgeprägt.
Während der Nacht sind auch hier nur Speicherverluste ersichtlich.
Warmwasserverbrauch inkl. Verluste in
kWh
2
1,5
1
0,5
0
Warmwasserbedarf Wochenende EFH
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00
Tageszeit
14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
©Ff E SeV-0001 Beurteilung des EEW_00040
Abbildung 3-3: Zapfprofil eines EFH am Wochenende (vier-Personen-Haushalt)
Der Heizenergiebedarf liegt in dem Referenzgebäude bei ca. 14.000 kWh/a. Die
Spezifikationen des Gebäudes sind in Tabelle 3-1 zusammengefasst.

Ökologisches Potenzial 5
Tabelle 3-1: Spezifikationen des Referenzgebäudes (Einfamilienhaus)/EDU 07/
beheizte
Wohnfläche
jährlicher
Heizenergiebedarf
jährlicher
Warmwasserbedarf
(4 Personen)
139 m² 13.630 kWh 3.580 kWh
jährlicher
Gesamtbedarf
(Endenergie)
17.210 kWh 1960, saniert 2005
Baujahr Heizanlage
Gas-
Brennwertkessel
Dieses Referenzgebäude soll den Fall widerspiegeln, dass vor einer anstehenden
Sanierung der Heizanlage zuerst das Gebäude wärmegedämmt wird. Dies stellt auch
das aus energetischer Sicht günstigste Vorgehen dar. Zuerst sollte der Energiebedarf
gesenkt und im Anschluss die Komponenten auf die neuen Anforderungen angepasst
werden. Im Zuge der Heizungssanierung würde somit auch das EEWärmeG greifen und
eine Nutzung erneuerbarer Energien vorschreiben. Für das Referenzgebäude wird von
einem Einsatz einer solarthermischen Anlage oder einer Wärmepumpe ausgegangen.
Das Zweifamilienhaus wird exakt nach den Vorgaben des Einfamilienhauses aufgebaut.
Es wird davon ausgegangen, dass es sich um ein Reihendoppelhaus (RDH) mit zwei
voneinander getrennten Heizungsanlagen handelt. Die einzige Änderung auf die
Wärmebedarfsberechnung ergibt sich demnach durch eine verringerte Außenfläche
gegenüber dem Einfamilienhaus. Dieser Betrag kann jedoch auf Grund der sehr guten
Wärmedämmung des Außenwand gegen die Außenluft vernachlässigt werden. Bei
gleicher Personenbelegung ergeben sich demnach auch die gleichen Einsparpotenziale
durch den Einsatz einer Solaranlage.
3.3 Ökologisches Potenzial
Für die Berechnung des ökologischen Potenzials werden im Folgenden drei Varianten
untersucht.
Solare Warmwasserbereitung (WW)
Solare Heizungsunterstützung (HZU)
Überdimensionierte solare Heizungsunterstützung (GHZU)
In Tabelle 3-2 sind die jeweiligen Spezifikationen der einzelnen Anlage aufgeführt. Die
Simulationen basieren auf dem in Kapitel 3.2 beschriebenen Referenzgebäude.

6 Solarthermie
Tabelle 3-2: Spezifikationen der Solaranlagen
WarmwasserbereitungHeizungunterstützungüberdimensionierte
HZU
Kollektorfläche
[m²]
Speichervolumen
[l]
Verluste
Kollektorkreis
[%]
max.
Speichertemperatur
[°C]
5 300 5 95
15 1000 5 95
20 2000 5 95
In der Simulation wird der vorhandene Speicher in zwei Teile aufgeteilt. Das obere
Drittel wird über eine Wärmequelle nachgeheizt, für den Fall, dass die
Wassertemperatur in diesem Bereich unter 50 °C fällt. Der untere Teil steht der
Solaranlage zur Energieabgabe zur Verfügung und wird nicht beheizt. Unter
Berücksichtung der Einflussgrößen Warmwasserverbrauch, Heizenergiebedarf, sonstiger
Energiebedarf (Strom für Umwälzpumpen und Regelung), nutzbare Solarerträge und
den anfallenden Speicherverlusten wird ein Bedarf an fossilen Energieträgern errechnet,
der durch den Einsatz einer solarthermischen Anlage substituiert werden kann. Als
Referenzsystem zur alternativen Energiebereitstellung wird ein Gasbrennwertgerät
eingesetzt. Die technischen Parameter dieser Referenztechnologie und die Kennwerte
für die Strombereitstellung aus dem D-Mix – dieser Wert beschreibt die anfallenden
CO2-Emissionen je produzierter Kilowattstunde im deutschen Strommix –sind in
Tabelle 3-3 zusammengefasst.
Tabelle 3-3: Spezifikationen der Referenztechnologie
Spez. PE-Aufwand CO 2-Emissionen
Gasbrennwertgerät 1,21 kWh PE/kWh th 275 g CO 2/kWh th
Stromerzeugung D-Mix 2,7 kWh PE/kWh el 558 g CO 2/kWh el
3.3.1 Solare Warmwasserbereitung (WW)
Im ersten Fall, der solaren Warmwassererzeugung, dient die Solaranlage zur
Brauchwasserbereitung über das gesamte Jahr. Vor allem in den Sommermonaten Mai
bis einschließlich September können über das System, bestehend aus 5 m²
Kollektorfläche und einem 300 l Boiler nahezu 100 % Deckungsgrad erreicht werden.
Abbildung 3-4 zeigt ein vereinfachtes hydraulisches Schema zur Einbindung der
solarthermischen Anlage in das bestehende Heizsystem.

Ökologisches Potenzial 7
Solarkollektor
Umwälzpumpe
Heizkessel
Warmwasserboiler
Warmwasser
Kaltwasser
Abbildung 3-4: Vereinfachtes Schema einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung
Über das gesamte Jahr ergibt sich für die Warmwasserbereitung ein Deckungsgrad von
ca. 75 %, was zu einer Substitution von ca. 15 % des gesamten, über fossile
Energieträger bereitgestellten Energienbedarfs zur Wärmebereitstellung führt. Diese
Reduktion des Gas-Verbrauches um 2.700 kWh/a führt zu einer Vermeidung von 700 kg
CO2/a.
In Abbildung 3-5 ist die typische Temperaturverteilung in einem Warmwasserboiler
während der Sommerwoche vom 01.07. bis zum 07.07. dargestellt. In der Zeit von 0 bis
6 Uhr treten nur Verluste am Speicher auf. Zwischen 6 und 8 Uhr finden Zapfvorgänge
statt, die den Boiler zusätzlich entladen. Von 10 bis 19 Uhr wird dem Speicher über den
solaren Ertrag Energie zugeführt. Durch Duschen, Kochen etc. wird dem Warmwasserspeicher
bis 22 Uhr wieder Wärme entnommen. Ab diesem Zeitpunkt treten nur noch die
Wärmeverluste über Konvektion und Strahlung auf (vgl. auch Abbildung 3-2).

8 Solarthermie
Temperatur in °C
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
maximale Speichertemperatur T_mitte T_unten
0 24 48 72 96 120 144 168
Zeit in h
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00042
Abbildung 3-5: Temperaturverteilung im Warmwasserspeicher (01.07. – 07.07.)
Charakteristisch für eine Anlage zur solaren Warmwasserbereitstellung ist die in
Abbildung 3-6 dargestellte Jahresverteilung, angegeben in 2-Wochensummen der
Erträge. Während der Sommerwochen erreicht das System die maximalen Werte von ca.
140 kWh. In der Übergangszeit und im Winter sinkt die in den Speicher eingebrachte
Energiemenge bis auf einen minimalen Wert von ca. 30 kWh Anfang Januar.
Erträge der Solaranlage in kWh
200
150
100
50
0
Solarerträge 2-Wochensummen
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526
©Ff E SeV-0001 Beurteilung des EEW_00043
Zwei Wochen Schritte
Abbildung 3-6: Energieeinträge in den Warmwasser-Boiler

Ökologisches Potenzial 9
3.3.2 Solare Heizungsunterstützung (HZU)
Die solare Heizungsunterstützung liefert im Vergleich zur solaren Warmwasser-
Bereitung neben einem höheren Anteil an der Warmwasserbereitstellung auch einen
Beitrag zur Heizungsunterstützung. Vor allem in der Übergangszeit (Frühjahr und
Herbst) kann die HZU in Kombination mit einem Niedertemperatur-Heizsystem
(Fußboden- oder Wandheizung) einen Großteil der benötigten Wärme bereitstellen. Das
System besteht üblicherweise aus 10 m² bis 15 m² Kollektorfläche und einem
Heizwasserpufferspeicher mit einem Volumen von 800 l bis 1000 l. In Abbildung 3-7 ist
ein Hydraulikschema zur Heizungsunterstützung mit Schichtenlademodul dargestellt.
Über das Schichtenlademodul wird die Energie in den Pufferspeicher eingebracht. Die
Solarkreisregelung entscheidet hierbei temperaturabhängig, ob in den oberen oder
unteren Bereich eingespeist wird. Die Heizung beliefert zur Versorgung des
Frischwassermoduls – dieses übernimmt die Bereitstellung des Warmwassers – nur den
oberen Teil des Puffers mit Wärme. Ist in der Übergangszeit der Speicher voll geladen,
kann der Heizkreis Energie aus dem mittleren Teil des Pufferspeichers entnehmen. Ist
die Temperatur im Speicher zu niedrig, wird der Heizkreis direkt über den Heizkessel
versorgt.
Solarkollektor
Schichtlademodul
Puffer
Heizung
Frischwassermodul
Abbildung 3-7: Vereinfachtes Hydraulikschema einer Heizungsunterstützungsanlage
Für ein System mit 15 m² Kollektorfläche, einen Pufferspeicher mit 1000 l Volumen und
ein Niedertemperatur-Heizsystem errechnet sich ein solarer Deckungsgrad von ca. 38 %.
Insgesamt können in dem betrachteten Referenzgebäude über die Solaranlage ca.
6.500 kWh/a nutzbare Wärme in das Heizsystem eingespeist werden. Die CO2-
Vermeidung beträgt demnach 1.750 kg/a.

10 Solarthermie
Ertrag der Solaranlage in kWh
600
500
400
300
200
100
0
Solarerträge 2-Wochensummen
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526
Zwei Wochen Schritte
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00044
Abbildung 3-8: Energieeinträge in den Pufferspeicher der HZU
In Abbildung 3-8 sind die Jahreserträge der Solaranlage, zusammengefasst in 2-
Wochensummen, dargestellt. Dieser Verlauf unterscheidet sich deutlich von dem der
solaren Warmwasserbereitung, bei der die Sommermonate die höchsten Erträge liefern.
Gut zu erkennen sind die, für die HZU-Anlagen charakteristischen Ertragsspitzen im
Frühjahr (bis 500 kWh) und im Herbst. In den Sommermonaten reduziert sich der
Energieeintrag auf den Aufwand zur Warmwasserbereitung und die Deckung der
Speicherverluste. Im Winter gehen die Erträge auf Grund der niedrigen
Umgebungstemperaturen und der verringerten Einstrahlung deutlich zurück.
Hervorzuheben ist die Ertragsspitze (340 kWh) Ende Januar, welche deutlich zeigt, dass
auch im Winter bei schönem Wetter über die Solarthermieanlage hohe Erträge zu
erzielen sind.
3.3.3 Überdimensionierte solare Heizungsunterstützung (GHZU)
Im letzten Abschnitt des Bereiches Solaranlagen wird eine überdimensionierte
Heizungsunterstützungsanlage betrachtet. Sie besteht aus einer Kollektorfläche von
20 m² und einem Pufferspeicher mit einem Volumen von 2.000 l. Basis für die
Bewertung ist auch bei dieser Anlage das in 3.2 definierte Referenzgebäude. Insgesamt
wird bei dieser Anlagenauslegung eine CO2-Vermeidung von ca. 2.100 kg/a bei einem
solaren Ertrag von etwa 7.700 kWh/a erzielt. Der solare Deckungsgrad beträgt 44,65 %.
Die 2-Wochenerträge der GHZU, in Abbildung 3-9 dargestellt, zeigt qualitativ den
gleichen Verlauf wie die Erträge der HZU.

Ökologisches Potenzial 11
Ertrag der Solaranlage in kWh
700
600
500
400
300
200
100
Solarerträge 2-Wochensummen
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00045
Zwei Wochen Schritte
Abbildung 3-9: Energieeinträge in den Pufferspeicher der GHZU
Größere Unterschiede im solaren Ertrag ergeben sich vor allem im Frühjahr. Im April
(Wochenschritte 7 und 8) liegt der Energieeintrag der GHZU in das Heizsystem jeweils
um ca. 140 kWh über dem der Heizungsunterstützungsanlage. Im Herbst hingegen fällt
die Differenz vergleichsweise gering aus. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der
Heizenergiebedarf in dieser Jahreszeit auch von der kleineren Heizungsunterstützungsanlage
nahezu vollständig gedeckt werden kann. Gleiches gilt für die
Sommermonate, da beide Anlagen den kompletten Warmwasserbedarf des
Referenzgebäudes zu 100 % bereitstellen können. Im Winter liegen die Erträge etwas
über denen der HZU. Dies ist bedingt durch die größere Fläche des Kollektorfeldes und
den damit verbundenen höheren möglichen Ertrag. Bei dieser Anlagengröße können
allerdings bereits Probleme bei der Installation auftreten. Technische Hindernisse sind
beispielsweise die nötige freie Dachfläche sowie die Mindestraumhöhe für die
Aufstellung des Pufferspeichers.
3.3.4 Vergleich der erzielbaren solaren Erträge der verschiedenen Varianten
Die Ergebnisse der untersuchten Varianten sind in Abbildung 3-10 zusammengefasst.
Dargestellt sind die Monateserträge der einzelnen Solaranlagen. Vor allem im Frühjahr
liefern die Heizungsunterstützungsanlagen einen großen Beitrag zur Bereitstellung der
nötigen Heizenergie. Im Sommer reduziert sich der Anteil auf die
Brauchwasserbereitstellung und ist im Juli und August fast auf dem Niveau der solaren
Warmwassererzeugungsanlage. Diese erreicht in den Monaten Mai bis August ihre
höchsten Erträge. Anzumerken ist, dass die Lastgänge für die Wärmebereitstellung
stark witterungsabhängig sind und sich deshalb Abweichungen bei einem Vergleich mit
anderen Jahreslastgängen ergeben werden. Für diese Simulation wurde der Lastgang
aus dem Jahr 2003 gewählt, wobei angemerkt werden muss, dass dieses Jahr für die
Solarthermie optimale Voraussetzungen mit sich gebracht hat. Die Einstrahlungswerte
werden aus den für Bayern relevanten Testreferenzgebieten berechnet. Weitere

12 Solarthermie
Eingangsgrößen für die Simulation waren die gemittelte Dachausrichtung in Bayern, die
Dachneigung und die Tageszeit.
solarer Ertrag und Gesamtverbrauch in kWh
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Ertrag GHZU Ertrag HZU Ertrag WW Gesamtverbrauch
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monat
Abbildung 3-10: Solarer Ertrag der untersuchten Varianten
©Ff E SeV-0001 Beurteilung des EEW_00046
Unter Berücksichtigung der im Betrachtungszeitraum zu erneuernden Heizkessel kann
die gesamte mögliche Einsparung durch den Einsatz von Solaranlagen ermittelt werden.
Hierbei werden für die jeweilig betrachtete Variante die CO2-Reduktionen aufaddiert.
Die prozentualen Energieeinsparungen ergeben sich aus dem Gesamt-Wärmebedarf der
betrachteten Einfamilienhäuser und der solaren Erträge. In diese Bewertung ist eine
Fortschreibung des Einfamilienhäuser-Bestandes bis zum Jahr 2020 eingeflossen. Es
werden jedoch nur die Auswirkungen auf den Energieeinsatz im Wohngebäudebereich
berücksichtigt, während das IEKP von 14 % erneuerbaren Energieanteil in der
gesamten Wärmebereitstellung ausgeht. In Abbildung 3-11 sind die einzelnen
möglichen Einsparquoten der drei solarthermischen Varianten dargestellt.

Ökonomisches Potenzial 13
erneuerbare Bedarfsdeckung
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
WW HZU GHZU Vorgabe IEKP
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00054
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Jahr
Abbildung 3-11: Solare Erträge im Einfamilienhaus-Bereich
3.4 Ökonomisches Potenzial
Das ökonomische Potenzial wird auf Grundlage der anfallenden Laufzeitkosten
ermittelt. Die anfallenden Laufzeitkosten werden über die technisch-wirtschaftliche
Lebensdauer der betrachteten Variante durch das Aufsummieren aller jährlichen
Kapitalkosten mit den jährlichen Betriebkosten errechnet.
3.4.1 Betriebswirtschaftliche Begriffe
Technisch-wirtschaftliche Lebensdauer (TA)
Angenommener Zeitraum, in dem die betrachteten Heizungs- und Solaranlagen
betrieben werden. Für Wirtschaftlichkeitsvergleiche von Energieerzeugungsanlagen
im Gebäudebereich wird üblicherweise eine technischwirtschaftliche
Lebensdauer von 20 Jahren angenommen.
Investition (K)
Zur Erstellung bzw. Erneuerung einer Heizungs- bzw. Solaranlage erforderliche
Ausgaben.
Kosten
Kosten sind die Aufwendung für den Ver- bzw. Gebrauch von Gütern und die
bewertete Inanspruchnahme von Diensten für die betriebliche
Leistungserstellung einer Periode.

14 Solarthermie
Energiekosten (kE)
Kosten, die sich beim Betrieb der haustechnischen Anlagen auf Grund der
Gesamt- bzw. Teilleistung, den Betriebsdauern und den Brennstoff- bzw.
Energiekosten ergben.
Instandhaltungskosten (kI)
Kosten der Maßnahmen, um Störungen zu vermeiden und Mängel zu beseitigen.
Betriebskosten (kB)
Summe der Energie- und Instandhaltungskosten (Kapitalkosten sind nicht
enthalten).
Kapitalkosten (A)
Die Kapitalkosten werden nach der Annuitätsmethode aus der Investition
ermittelt.
Gesamtkosten (kG)
Die Gesamtkosten ergeben sich aus den Betriebskosten und den Kapitalkosten,
bezogen auf einen Zeitabschnitt. Als Zeitabschnitt wird normalerweise das Jahr
gewählt.
Annuitätsmethode
Mit der Annuitätsmethode werden die Ausgaben für die Investition in gleiche
Jahresraten (Zins und Tilgung) über die technisch wirtschaftliche Lebensdauer
Verteilt.
Kalkulatorischer Zinssatz (p)
Der kalkulatorische Zinssatz (Zinsfuß) ist der für eine Investitionsrechnung
vorgegebene Zinssatz. Er ist im Wirtschaftlichkeitsvergleich auszuweisen.
Inflationsrate (Preissteigerung für den Betrieb der Anlage)
In dem betrachteten Fall wird die Inflationsrate mit einer angenommenen
Energiepreissteigerung gleichgesetzt.
Laufzeitkosten
Kosten, die sich über den gesamten Zeitraum der technisch-wirtschaftlichen
Lebensdauer ergeben.
Für den wirtschaftlichen Vergleich zweier Systeme dienen die anfallenden
Laufzeitkosten als Grundlage. Diese werden über die technisch-wirtschaftliche
Lebensdauer beider Technologien durch das Aufsummieren aller jährlichen
Kapitalkosten mit den jährlichen Betriebkosten errechnet.
Für die weiteren Berechnungen müssen einige Annahmen getroffen werden. Diese sind
nachfolgend aufgeführt:

Ökonomisches Potenzial 15
Gaspreis: 0,10 €/kWh
Strompreis: 0,20 €/kWh
Preissteigerung Brennstoff: 6 %
Preissteigerung Strom: 6 %
Zinssatz Guthaben: 4 %
Laufzeit: 20 Jahre
Instandhaltungskosten: 1,5 % der Investitionskosten
3.4.2 Solare Warmwasserbereitung (WW)
Die Variante 1, der Gas-Brennwertkessel, zeichnet sich durch eine niedrigere Investition
gegenüber Variante 2 Gas-Brennwertkessel mit solarer Warmwasserbereitung, aus. Die
Investitionskosten werden für den Gas-Brennwertkessel in der Berechnung mit 7.800 €
berücksichtigt, in Variante 2 werden dafür 12.890 € veranschlagt. Auf Basis der unter
3.4.1 getroffenen Annahmen ergibt sich für die jährlichen Kapitalkosten in Variante 1
ein Wert von 575 € und für Variante 2 ein Betrag von 950 €. Die jährlichen
Betriebskosten liegen bei der Anlage mit solarer Warmwasserbereitung um 310 € unter
denen des Gas-Brennwertkessels. Die Laufzeitkosten betragen in Variante 1 ca. 74.300 €
und sind somit um ca. 1.300 € niedriger als die Kosten der Variante 2 (75.600 €). Aus
wirtschaftlicher Sicht ist demnach der reine Gas-Brennwertkessel der Kombination aus
Gas-Brennwertkessel und Solaranlage vorzuziehen. Ab einer Preissteigerungsrate der
Betriebskosten um jährlich 8 % würde Variante 2 über die Laufzeit betrachtet
wirtschaftlich besser abschneiden als Variante 1.
3.4.3 Solare Heizungsunterstützung (HZU)
Bei der Heizungsunterstützungsanlage liegen die Investitionskosten nach Abzug aller
Förderbeträge um ca. 10.000 € über denen des Gas-Brennwertkessels. Es ergibt sich ein
Betrag von ca. 17.800 €. Unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen lassen sich
Annuitäten von 3.725 € (Variante 1), und von 3.675 € (Variante 2) ermitteln. Die
jährlichen Gesamtkosten, bestehend aus Betriebs- und Investitionskosten, liegen also
bei der Kombination aus Gas-Brennwertkessel und solarer Heizungsunterstützung
unter denen der ausschließlichen Wärmeerzeugung durch ein Gas-Brennwertgerät. Aus
wirtschaftlicher Sicht ist somit Variante 2 vorzuziehen. Erhöht man die jährliche
Preissteigerung bei den Brennstoffen auf 8 %, betragen die jährlichen Einsparungen
über die Solaranlage bereits 220 €.
3.4.4 Überdimensionierte solare Heizungsunterstützung (GHZU)
Im Vergleich zwischen Gas-Brennwertkessel und einem System, bestehend aus Gas-
Brennwertkessel und einer überdimensionierten Solaranlage zur Heizungsunterstützung,
müssen über die gesamte Laufzeit bei der Variante 1 ca. 2.000 € weniger
Laufzeitkosten aufgewendet werden. Die höheren solaren Erträge können bei einem
Preissteigerungsfaktor von 6 % die Mehraufwendungen in der Investition und der
Instandhaltung nicht ausgleichen. Bei einer Preissteigerungsrate von 8 % hingegen
kann über das Solarsystem ein Betrag von ca. 2.000 € eingespart werden.
3.4.5 Ökonomischer Vergleich der verschiedenen Varianten
In Abbildung 3-12 sind die Annuitäten der betrachteten Solarsysteme dargestellt. Als
Rahmenbedingung für die beiden Varianten wurde der Parameter „jährliche

16 Solarthermie
Brennstoffpreissteigerung“ einmal auf 6 % (320 % in 20 Jahren) und einmal auf 8 %
(466 % in 20 Jahren) festgelegt. Bei einem Ausgangspreis von 0,10 € je kWh Erdgas
schneidet die solare Heizungsunterstützung am besten ab. Bei der 6 %igen
Preissteigerung folgt das Referenzsystem (Gas-Brennwertgerät) vor der solaren
Warmwasserbereitung und der überdimensionierten HZU (GHZU). Das letztgenannte
System erreicht auf Grund der hohen Investitionskosten und den damit verbundenen
erhöhten Kapitalkosten die höchsten Annuitäten.
Annuitäten [€/a]
4.600
4.400
4.200
4.000
3.800
3.600
3.400
3.200
3.000
2.800
2.600
Solare HZU Referenz Solare WW Solare GHZU
Gas 0,1 €/kWh 6% Gas 0,1 €/kWh 8%
Gas 0,075 €/kWh 6% Gas 0,075 €/kWh 8%
Abbildung 3-12: Ökonomischer Vergleich der untersuchten Varianten
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00047
Bei einer Preissteigerung von 8 % verändert sich die Reihenfolge der Systeme zu
Gunsten der GHZU. Während die HZU weiterhin das wirtschaftlich günstigste System
ist, folgt an zweiter Stelle bereits die überdimensionierte HZU (Gaspreis 0,10 €/kWh).
Zurückzuführen ist dies auf die deutlich höheren Brennstoffkosten in diesem Szenario.
Die Referenzanlage schneidet nun am schlechtesten ab. Bei einem Ausgangspreis von
0,075 € je kWh Erdgas verschiebt sich das Verhältnis zu Gunsten der Systeme mit
geringeren Investitionskosten (Referenzanlage und Solare WW).
3.5 Effekte durch Vergrößerung der Anlage
Eine weitere Vergrößerung der Anlage würde zu einer zusätzlichen Erhöhung des
Deckungsgrades führen. In den Übergangszeiten könnte der Heizenergiebedarf ab einer
bestimmten Größe von Kollektorfeld und Pufferspeicher komplett gedeckt werden. Im
Winter wird das System jedoch zunehmend träger, da die Einstrahlung auf den
Kollektor nicht mehr ausreicht, um das große Puffervolumen ausreichend aufzuheizen.
Dieses Defizit kann auch nicht über die größere Kollektorfläche kompensiert werden. Im
Sommer stellt sich der gegenteilige Effekt ein. Es wird ein hoher Überschuss an solaren
Erträgen generiert, der die Anlage regelmäßig bis zur Stillstandstemperatur aufheizt.

Effekte durch Vergrößerung der Anlage 17
Dies führt zu einer schnelleren Alterung der Systemkomponenten und zu einer
erheblichen Verschlechterung der Wärmeübertragungskapazität des im Solarkreis
vorhandenen Wasser-Glykolgemisches. Um in der Übergangszeit einen ausreichenden
Ertrag zu erzielen muss das Wärmeträgermedium ausgetauscht werden, was zu einer
erheblichen Steigerung der Betriebskosten führt. Das Überangebot an Energie kann
über spezielle Regelungseinstellungen durch den Betrieb der Solarkreispumpe in der
Nacht rückgekühlt werden, was eine Überhitzung bei Tag verhindern kann.

18 Wärmepumpe
4 Wärmepumpe
Für die Dimensionierung der Wärmepumpe ist die maximal auftretende Heizleistung im
Referenzgebäude ein ausschlaggebender Punkt. Um eine Überdimensionierung der
Anlage zu vermeiden, kann ein zusätzliches Heizschwert die Lastspitzen abdecken. In
der Studie wird jedoch auf diese Alternative verzichtet und eine monovalent betriebene
Erdsonden-Wärmepumpe betrachtet.
4.1 Ökologisches Potenzial
Für die Berechnung des ökologischen Potenzials wird das in Kapitel 3.2 definierte
Referenzgebäude herangezogen. Es ist anzumerken, dass ein Wärmepumpensystem
technisch in der Lage ist, Vorlauftemperaturen bis etwa 65 °C bereitzustellen. Jedoch ist
eine deutliche Verschlechterung der Arbeitszahl im Temperaturbereich von über 50 °C
aus den Datenblättern zu entnehmen. Hier ist, je nach angenommener Temperatur der
Wärmequelle (Erdsonde), ein ökologisch sinnvoller Betrieb der Wärmepumpe gegenüber
der Referenztechnologie (Gas-Brennwertgerät) nicht mehr darzustellen. Die Grenze, bei
der die CO2-Emissionen der Wärmepumpe (vorgelagerte Emissionen bei der
Stromerzeugung) die des Referenzsystems überschreiten, liegt bei einer Arbeitszahl von
2,45. Es werden folgende drei Varianten näher untersucht:
Monovalenter Betrieb einer Wärmepumpe
Monovalenter Betrieb einer Wärmepumpe + solare Warmwasserbereitung
Monovalenter Betrieb einer Wärmepumpe + solare Heizungsunterstützung
Für die Berechnung werden zwei Parameter, welche die Wärmepumpe beschreiben,
festgelegt. Für die Bereitstellung des Warmwassers (60 °C) werden eine Arbeitszahl von
3,3 und für die Erzeugung der Heizwärme (45 °C) eine Arbeitszahl von 4,2 angenommen.
Diese Werte stellen einen Mittelwert für die jeweilige Anwendung dar und sind somit
nicht variabel. Für eine exakte Berechung wären detaillierte Daten der Wärmepumpe,
der Wärmequelle und des Verbrauchslastganges des Gebäudes nötig, die im Rahmen
dieser Studie nicht ermittelt werden konnten.
4.1.1 Monovalent betriebene Wärmepumpe
Den einfachsten Fall stellt die Wärmebereitstellung über eine monovalent betriebene
Wärmepumpe dar. Hierbei wird die der Wärmequelle (Erde, Wasser, Luft) entnommene
Wärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, um als Heizenergie oder zur
Warmwasserbereitung zur Verfügung zu stehen. Für diese und die folgenden Varianten
wird von einer Erdsonden-Wärmepumpe ausgegangen, deren Vorlauftemperatur
(Wärmequelle) im Mittel bei etwa 0 °C liegt. Das betrachtete System besteht aus einer
Wärmepumpe mit einer Leistung von 10,8 kW, einem Pufferspeicher für Heizwasser und
einem Boiler zur Brauchwasserbereitstellung. Die Leistung von 10,8 kW wird bei einer
Soleeintrittstemperatur von 0 °C und einer Heizwasseraustrittstemperatur von 35 °C
erreicht (B0/W35). Der Energiebedarf, den die Wärmepumpe bereitstellen muss, liegt
bei 17.210 kWh, wie in Kapitel 3.2 berechnet. Insgesamt ergibt sich dadurch eine CO2-
Einsparung von etwa 2,2 t/a gegenüber dem Referenzsystem (Gas-Brennwertgerät). In
Abbildung 4-1 sind die monatlichen CO2-Emissionen der Anlagen dargestellt.

Ökologisches Potenzial 19
Emissionen in kgCO2
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
CO2-Emissionen Gas-BW CO2-Emissionen WP
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monate
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00048
Abbildung 4-1: Vergleich der CO2-Emissionen (Gas-Brennwertkessel/Wärmepumpe)
4.1.2 Wärmepumpe in Kombination mit solarer Warmwasserbereitung (WW)
Eine weitere Möglichkeit, die CO2-Emissionen zu senken, ist die zusätzliche Installation
einer solaren Warmwasserbereitung. Wie Abbildung 4-2 zu entnehmen ist, wird vor
allem in den Sommermonaten, in denen der solare Ertrag am höchsten ist, der CO2--
Ausstoß verringert.
Emissionen in kgCO2
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
CO2-Emissionen Gas-BW CO2-Emissionen WP+WW
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monate
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00049
Abbildung 4-2: Vergleich der CO2-Emissionen (Gas-Brennwert / Wärmepumpe mit
solarer Warmwasserbereitung)

20 Wärmepumpe
Die weiteren Parameter der Anlage sind identisch mit denen aus Kapitel 4.1.1. Für die
Solaranlage wird das System, wie es in 3.3.1 beschrieben ist, verwendet. Die
Einspareffekte liegen durch die solare Warmwasserbereitung bei ca. 400 kg CO2.
Gegenüber dem Referenzsystem werden somit jährlich ca. 2,6 t CO2 vermieden. Dieses
Gesamtsystem ist eine komplexe Anlage, deren Komponenten bereits im Vorfeld genau
aufeinander abgestimmt werden müssen. Ebenso ist eine exakte Regelung für einen
störungsfreien und ökologisch sinnvollen Betrieb unabdingbar.
4.1.3 Wärmepumpe in Kombination mit solarer Heizungsunterstützung (HZU)
Der größte CO2-Einspareffekt ist durch den Einsatz einer Wärmepumpe in Kombination
mit einer Solaranlage zur Heizungsunterstützung erreichbar. Neben der produzierten
Heizenergie in der Übergangszeit kann auch der Deckungsgrad bei der Warmwasserbereitstellung
im Vergleich zur reinen solaren Brauchwassererzeugung weiter gesteigert
werden. Notwendig hierfür sind, wie schon bei der Heizungsunterstützung in
Kombination mit dem Gas-Brennwertgerät, ein größer dimensionierter Heizungspuffer
(1.000 l). Über das gesamte Jahr ergeben sich durch den Einsatz dieses Systems CO2-
Einsparungen von etwa 3,1 t/a wie sie Abbildung 4-3 zu entnehmen sind.
Emissionen in kgCO2
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
CO2-Emissionen Gas-BW CO2-Emissionen WP+HZU
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monate
©Ff E SeV-0001 Beurteilung des EEW_00050
Abbildung 4-3: Vergleich CO2-Emissionen (Gas-Brennwert / Wärmepumpe mit
Heizungsunterstützung)
Das System, bestehend aus Wärmepumpe und solarer Heizungsunterstützungsanlage,
erreicht eine Reduktion der CO2-Emissionen auf einen Wert von etwa 1,5 t/a. Dies
entspricht nur noch etwa einem Drittel der Referenzanlage. Die Regelung und
hydraulische Verschaltung der einzelnen Komponenten übersteigt die Komplexität der
Kombination Wärmepumpe und solare Warmwasserbereitung nochmals deutlich. Dies
führt bei der Installation und dem Betrieb dieser Anlagen häufig zu Problemen, die von
einer ungünstigen Betriebsweise bis hin zu Ausfällen des Gesamtsystems reichen
können.

Ökologisches Potenzial 21
4.1.4 Vergleich der drei Varianten
Abbildung 4-4 zeigt, dass die CO2-Emissonen mit zunehmender Größe der Solaranlage
erwartungsgemäß abnehmen. Deutlich wird auch der Nutzen der solaren
Heizungsunterstützung während der Übergangszeit im April und Oktober. Hier können
die größten Einsparungen über die Solaranlage erzielt werden, da neben der
Warmwasserbereitung auch ein erheblicher Anteil an Heizwärme bereitgestellt werden
kann. Aber auch schon die Kombination mit einer solaren Warmwasserbereitung führt
zu Einsparungen, die sich vor allem in den Sommermonaten bemerkbar machen.
Insgesamt ergeben sich für die drei Varianten Emissionen in Höhe von etwa
2.400 kg CO2/a (WP), 2.000 kg CO2/a (WP+WW), 1.500 kg CO2/a (WP+HZU). Die
Referenzanlage erzeugt rund 4.600 kg CO2/a.
Emissionen in kgCO2
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Referenz
Emissionen WP
Emissionen WP+WW
Emissionen WP+HZU
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monate
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00051
Abbildung 4-4: Vergleich der drei Wärmepumpen-Systeme mit dem Referenzsystem
Gas-Brennwertgerät
Analog zum Vorgehen wie es in Kapitel 3.3.4 beschrieben ist, werden auch die
erreichbaren Deckungsgrade über den Einsatz von Wärmepumpen ermittelt. Es wird
angenommen, dass im Gebäudebestand der Einsatz einer Wärmepumpe
uneingeschränkt möglich ist. Es wird eine Jahresarbeitszahl von 3,5 zu Grunde gelegt.
Unter diesen Annahmen ergeben sich die in Abbildung 4-5 dargestellten erneuerbaren
Deckungsgrade.

22 Wärmepumpe
erneuerbare Bedarfsdeckung
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
WP
WP+WW
WP+HZU
Vorgabe IEKP
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00058
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Jahr
Abbildung 4-5: Bedarfsdeckung über den Wärmepumpen- und Solareinsatz
4.2 Ökonomisches Potenzial
Die Vorgehensweise zur Berechnung der wirtschaftlichen Parameter der Anlagen ist
analog zu Kapitel 3.4.1.
4.2.1 Wärmepumpe
Den dominierenden Faktor bei der Installation einer Wärmepumpe stellen die
Anfangsinvestitionen dar. Diese liegen mit ca. 25.000 € um nahezu das Vierfache über
der Referenzanlage. Hauptkostenpunkte sind hierbei die Bohrung (10.000 €) und die
Wärmepumpe selbst (8.000 €). Die restlichen Aufwendungen teilen sich in Kleinmaterial
und Arbeitslohn auf. Hinzu kommt die Mehrwertsteuer mit einem Betrag von etwa
5.000 €. Unter Berücksichtigung einer Förderung von 2.000 € durch das Bundesamt für
Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle /BAFA 09/ ergeben sich bei einer Laufzeit von 20
Jahren und einem Zinssatz von 4 % auf das eingesetzte Kapital jährliche Kapitalkosten
von ca. 2.200 €. Bei der Referenzanlage sind es 580 €. Bei den jährlichen Betriebskosten
verändern sich diese Kosten. Für die Berechnung werden folgende Annahmen getroffen:
Brennstoffkosten von 0,10 € je kWh Gas
allgemeiner Strompreis von 0,20 € je kWh
Strompreis im Wärmepumpentarif von 0,12 € je kWh (NT) /Eon 09/
Preissteigerung von 6 % pro Jahr
Somit ergeben sich für die Wärmepumpe Betriebskosten von 1.400 €/a und für die
Referenzanlage 3.100 €/a. Die annuitätischen Kosten der Wärmepumpe liegen mit
3.590 €/a um 60 € unter denen der Referenzanlage (3.650 €). Insgesamt betragen die
Laufzeitkosten des Referenzsystems 72.900 €, die der Wärmepumpe 71.700 €.

Ökonomisches Potenzial 23
4.2.2 Wärmepumpe + solare Warmwasserbereitung
Durch die zusätzliche Installation einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung erhöhen
sich die Investitionen abzüglich einer Förderung von 410 € auf einen Betrag von
33.090 €. Bei gleichen Eingangsparametern (Zinssatz, Laufzeit) ergeben sich jährliche
Kapitalkosten in Höhe von 2.400 €. Durch eine um ca. 80 € höhere Annuität im Vergleich
zur Referenzanlage liegen die Laufzeitkosten mit 75.500 € um 1.600 € über denen des
Gas-Brennwertgerätes.
4.2.3 Wärmepumpe + solare Heizungsunterstützung
Die Installation einer solaren Heizungsunterstützung führt zu einem Anstieg der
Investitionskosten auf 37.900 €. Die Einsparungen, die erzielt werden können, sind
aufgrund der niedrigen Wärmegestehungskosten der Wärmepumpe gering. Dadurch
kann sich die Investition nicht, wie bei der solaren Heizungsunterstützungsanlage in
Kombination mit einem Gas-Brennwertkessel, amortisieren. Die Annuitäten liegen mit
etwa 4.000 € rund 300 € über denen der Referenzanlage. Es ergeben sich somit
Laufzeitkosten von knapp 80.000 € auf 20 Jahre betrachtet.
4.2.4 Vergleich der Anlagen
Ein Vergleich der einzelnen Wärmepumpen-Systeme ist in Abbildung 4-6 dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass die Wärmepumpe im betrachteten Gebäude trotz der hohen
Anfanginvestitionen, über die Laufzeit betrachtet, das günstigste System ist. An zweiter
Stelle steht das Referenzsystem, gefolgt von der Kombination Wärmepumpe mit solarer
Warmwasserbereitung.
Annuität €/a
4100
4000
3900
3800
3700
3600
3500
3400
3300
Systeme
Abbildung 4-6: Vergleich der einzelnen Systeme
Referenz
WP
WP+WW
WP+HZU
©Ff E SeV-0001 Beurteilung des EEW_00052

24 Ausblick auf die solare Kühlung
5 Ausblick auf die solare Kühlung
Der große Vorteil einer solaren Klimatisierung ist das Zusammentreffen von solarem
Strahlungsangebot und dem Kühlbedarf in Gebäuden. Hierdurch kann eine optimale
Ausnutzung des Solarsystems erzielt werden. Während im Winter die Solaranlage die
Warmwasserbereitung und die Gebäudeheizung unterstützt, kann sie im Sommer die
Raumklimatisierung übernehmen.
5.1 Stand der Technik
Da die Solarthermie nicht in den Kälteprozess direkt eingreift, sondern dem System als
Wärmequelle dient, eignen sich die auf dem Markt etablierten Kälteanlagen prinzipiell
auch für Solaranlagen. Die Kälteerzeugung kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Ein
wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist der offene oder geschlossene Prozess.
Während im ersten Fall die gekühlte Luft direkt in den klimatisierten Raum
eingebracht wird, geschieht dies bei einem geschlossenen Prozess über eine mit Wasser
durchflossene Kühldecke oder ähnliches. Zur Kühlung des eingesetzten Wassers
kommen die Absorption und die Adsorption in Frage.
5.1.1 Geschlossene Systeme
Im Bereich der Klimatisierung arbeiten Absorptionskältemaschinen üblicherweise mit
dem Kältemittel Wasser/LiBr bei einer Kälteleistung von mehr als 200 kW. Erst seit
einigen Jahren haben Hersteller mit der Markteinführung von solar-gestützten
Kälteerzeugern mit einer Nennkälteleistung von unter 15 kW begonnen. Die
Marktdurchdringung ist jedoch auf Grund der sehr hohen Investitionskosten als sehr
gering einzuschätzen. Bei Anlagen über 200 kW Kälteleistung ist wegen der hohen
Prozesstemperaturen (180 °C) der Einsatz von Solarsystemen in unseren Breiten als
problematisch anzusehen.
Das gleiche Bild stellt sich bei den Adsorptionskältemaschinen dar. Auch hier liegen die
Nennkälteleistungen der etablierten Systeme im Bereich über 200 kW. Die
Markteinführungsphase der Kleingeräte steht auf Grund von technischen Problemen
noch am Beginn. Die Vorteile gegenüber den Absorptionsanlagen liegen in den
vergleichsweise niedrigen Antriebstemperaturen (>60 °C vs. 180 °C) – dies ermöglicht
prinzipiell den Einsatz von Solaranlagen – und dem geringen Umweltgefährdungspotenzial
der eingesetzten Stoffe.
Für den Einsatz von solarthermischen Anlagen eignet sich in unseren Breiten der
Adsorptionsprozess. Wegen der technischen Probleme im kleinen Leistungsbereich ist
jedoch vor allem im Bereich der Speichermaterialen ein hoher Forschungs- und
Entwicklungsaufwand nötig. Solarthermische Adsorptionsanlagen sind bisher nur als
Testversionen in Betrieb.
5.1.2 Offene Systeme
Die offenen Systeme basieren auf dem Prozess der sorptionsgestützten Klimatisierung.
Hierbei erfolgt die Luftkonditionierung direkt über eine sorptive Luftentfeuchtung und
Verdunstungskühlung, wobei kein Kältemittel oder ein zusätzlicher Kühlwasser-

Anlagenbeispiele 25
kreislauf benötigt wird. Die Antriebstemperaturen liegen in dem für Solaranlagen
günstigen Bereich von 55 °C bis 90 °C.
Die auf dem Markt verfügbaren Geräte decken ein breites Leistungsspektrum ab und
können mit Solaranlagen kombiniert werden. Jedoch sind die lufthygienischen
Anforderungen an diese Anlagen sehr hoch und es bedarf einer exakten Auslegung und
einer genauen Überwachung während des Anlagenbetriebs. Die Auslegung der Anlagen
erfolgt hier über die Luftmenge, die umgewälzt werden muss.
5.2 Anlagenbeispiele
Die folgenden Anlagenbeispiele sollen kurz die Eckdaten von solaren Kälteerzeugungsanlagen,
wie sie auf dem Markt erhältlich sind skizzieren.
5.2.1 Adsorptionskälteanlage (Komplettsystem vom Hersteller)
Solution Solartechnik (Österreich):/Sol 08/
Kühllast 7,5 kW,
Rückkühler 20 kW
Flachkollektoranlage ca. 30 m²
Heißwasserspeicher 1500 l
5.2.2 Absorptionskälteanlage (Komplettsystem vom Hersteller)
Schüco (Deutschland):/Schü 07/
Kühllast 15 kW
Rückkühler 20 kW
Flachkollektoranlage ca. 45 m²
Heißwasserspeicher 2000 l
Kältepufferspeicher 1000 l
5.2.3 Offene Systeme (Am Beispiel Solar Info Center in Freiburg)
Menerga (Lüftungsgerät) / Ufe Ecostar (Flachkollektoren) /Int 01/
Kühllast 10 kW
Nenn-Luftvolumen 1500 m³
Flachkollektoranlage 16,8 m²
Heißwasserspeicher 1500 l
6 Zusammenfassung und Fazit
In dieser Studie wird untersucht, ob das Ziel aus dem Integrierten Energie und
Klimaprogramm der Bundesregierung, den gesamten Wärmebedarf bis 2020 zu 14 % aus
regenerativen Energiequellen zu decken, in Bayern erreicht werden kann. Hierzu

26 Zusammenfassung und Fazit
werden solarthermische Anlagen unterschiedlicher Größe und eine monovalent
betriebene Wärmepumpe mit dem Referenzsystem Gas-Brennwertheizung verglichen.
Die Betrachtung beschränkt sich auf ein nach EnEV-Standard saniertes Einfamilienhaus
im Bestand und der zu erwartenden Neubauquote.
Die Substitution fossiler Brennstoffe durch die solarthermische Anlage wird an einem
Einfamilienhaus ermittelt. Hierbei werden der Warmwasserbedarf, abhängig von der
Personenzahl und der Heizenergiebedarf berücksichtigt. Für die Bewertung der
Solaranlagen wird eine durchschnittliche Einstrahlung auf die Kollektorfläche
angenommen. Über den nutzbaren erneuerbaren Energieertrag werden die erzielbaren
Einsparungen bestimmt. Dargestellt ist das Ergebnis in Abbildung 6-1, in welcher die
erzielbaren Erträge der einzelnen Solarsysteme dargestellt sind. Hierbei bedeuten,
GHZU eine überdimensionierte Heizungsunterstützungsanlage, HZU eine optimal
ausgelegte Heizungsunterstützungsanlage und WW ein Solarsystem zur Warmwasserbereitung.
solarer Ertrag und Gesamtverbrauch in kWh
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Ertrag GHZU Ertrag HZU Ertrag WW Gesamtverbrauch
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monat
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00057
Abbildung 6-1: Erzielbare Erträge der verschiedenen Solarsysteme
Wird bei jeder Sanierungsmaßnahme im Bestand und im Neubau das EEWärmeG über
eine der drei Varianten erfüllt, ergibt sich über den Betrachtungszeitraum der in
Abbildung 6-2 aufgezeigte Deckungsbeitrag für die Einfamilienhäuser.

Anlagenbeispiele 27
erneuerbare Bedarfsdeckung
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
WW HZU GHZU Vorgabe IEKP
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00054
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Jahr
Abbildung 6-2: Solare Erträge im Einfamilienhaus-Bereich
Für den Fall der Wärmepumpe wird eine analoge Methodik zur Ermittlung der
Substitution fossiler Energieträger in der Wärmebereitstellung angewandt. Dies führt
zu dem, in Abbildung 6-3 dargestelltem Ergebnis bei der Bewertung der CO2-
Emissionen.
Emissionen in kgCO 2
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Referenz
Emissionen WP
Emissionen WP+WW
Emissionen WP+HZU
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monate
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00051
Abbildung 6-3: Vergleich der drei Wärmepumpen-Systeme

28 Zusammenfassung und Fazit
Für die prozentuale Deckung nach dem IEKP ergeben sich für die Wärmepumpe die
Ergebnisse nach Abbildung 6-4.
erneuerbare Bedarfsdeckung
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
WP
WP+WW
WP+HZU
Vorgabe IEKP
©FfE SeV-0001 Beurteilung des EEW_00058
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Jahr
Abbildung 6-4: Bedarfsdeckung über den Wärmepumpen- und Solareinsatz
Die Ziele aus dem IEKP können im Bereich der Einfamilienhäuser über die im
EEWärmeG festgesetzten Bestimmungen erfüllt werden. Nur für den Fall der solaren
Warmwasserbereitung reicht die Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien nicht aus
um die geforderten 14 % am Gesamtbedarf zu erreichen. In Bayern besteht bisher noch
kein Zwang zur Erfüllung des Gesetzes bei einer Sanierung im Bestand. Somit kann
unter den momentanen Gegebenheiten nicht davon ausgegangen werden, dass nur durch
den verpflichtenden Einsatz erneuerbarer Energien im Neubau die Ziele der Regierung
erreicht werden können. Hier sind noch große Anstrengungen der politischen
Entscheidungsträger nötig, die zum einen über die Ausschöpfung der gesetzlichen
Möglichkeiten sowie durch eine gezielte Förderung regenerativer Energien den Ausbau
und die Weiterentwicklung dieser Technologien voranbringen müssen. Dabei muss die
ganze Bandbreite der möglichen erneuerbaren Energiequellen ausgeschöpft werden,
denn eine einseitige Fokussierung wird nicht das gewünschte Ergebnis erzielen.

Anlagenbeispiele 29
7 Literaturverzeichnis
IEKP 07 Arndt, U.; Hauptmann, F.; Kraus, D.; Richter, S.: Brennstoffzellensysteme
für portable und stationäre Kleingeräte – Technikbewertung und
Potenziale, Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V., München, 2003
SüW
FfU 07 Mez, PD Dr. Lutz, et al.: Zukünftiger Ausbau erneuerbarer Energieträger
unter besonderer Berücksichtigung der Bundesländer, Forschungsstelle für
Umwelt, Berlin, Dez. 07
EDU 07 Beer, M., et al.: Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit
Brennstoffzellentechnologie, Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.,
München, 2007
BAFA 09 Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer
Energien im Wärmemarkt, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz
und Reaktorsicherheit, Berlin, Feb. 09
Eon 09 E.ON Wärmestrom, e.on Bayern Vertrieb GmbH, Landshut, 2009
Sol 08 Solare Lösungen und Preise, Solution Solartechnik, Sattledt, 2008
Schü 07 Solare Kühlung und Wärme von Schüco, Schüco International KG,
Bielefeld, 2007
Int 01 http://www.solair-project.eu/183.0.html, Stand 09.2009