Dr. Henner Kerskes, Institut fÃ¼r Thermodynamik und WÃ¤rmetechnik an

www.itw.uni-stuttgart.de 

Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik 

Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen (TZS) 

Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen 

Photovoltaik und Solarwärme 

Lösungen für die Zukunft 

Dr. Henner Kerskes, Karola Sommer 

Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) 


Universität Stuttgart 

Pfaffenwaldring 6, 70550 Stuttgart 

Email: kerskes@itw.uni-stuttgart.de 

Internet: www.itw.uni-stuttgart.de 

1 

Henner Kerskes 

Sonnensymposium Graz, 23. Jänner 2013 

in Kooperation mit





Inhalte 

Einleitung 

Beschreibung der untersuchten Trinkwasser- und Kombianlagen 

Bewertungskriterien 

Annahmen und Randbedingungen 

Ergebnisse: 

Primärenergiebedarf 

Finanzielle Amortisationszeit 

… jeweils für Trinkwasseranlagen, Kombianlagen im Neubau und im Bestand 

Fazit 

2 



in Kooperation mit





Einleitung 

Nutzung verschiedener solarer Technologien zur Deckung des Wärme- und 

Strombedarfs eines Einfamilienhauses (Wohnfläche 128 m², Standort 

Würzburg); ST: Solarthermie; PV: Photovoltaik 

Betrachtung von Trinkwasseranlagen und von Kombianlagen 

Ausführung des Modellgebäudes als Neubau und als Bestandsgebäude mit 

folgendem Wärme- und Strombedarf: 

TW-Wärmebedarf 

[kWh/a] 

Raumwärmebedarf 

[kWh/a] 

Strombedarf 

[kWh/a] 

TW-Anlagen 2941 - 3500 

Kombianlagen 

- Neubau (EnEV2009) 2941 9090 (t V,max = 35°C) 3500 

- Bestand (WSchVO95) 2941 11877 (t V,max = 50°C) 3500 

3 



in Kooperation mit





Aufteilung der Dachfläche 

genutzte Dachfläche (45 ° Neigung, nach Süden ausgerichtet): 

für Kombianlagen: 55 m² (max. Dachfläche des Modellgebäudes) 

für TW-Anlagen: 30 m² (entspricht mit ca. 3,5 kWp typ. PV-Anlagengröße) 

Aufteilung der Dachfläche zwischen ST und PV: 

Typische ST-Trinkwasseranlage mit A koll 

= 4,7 m² 

Typische ST-Kombianlage mit A koll 

= 14 m² 

Restliche Fläche für PV-Module 

4 



in Kooperation mit





TW-Anlagen 

el. 

6 



in Kooperation mit





Untersuchte solare Kombianlagen 

Wärmeerzeugung 

solar 

Nachheizung 

Stromerz. 

Kombi-Ref - Gas-BW - 

Kombi-PV1 PV+ E-Heizstab (mit Kombispeicher) E-Heizstab PV 

Kombi-ST1 ST - Kombianlage Gas-BW PV 

Kombi-PV2 PV-Deckung des WP-Stroms L/W-WP PV 

Kombi-ST2 PV-Deckung des WP-Stroms + ST L/W-WP PV 

Ref: Referenzanlage ohne solar, 

L/W-WP: Luftwasser-Wärmepumpe 

BW: Brennwertkessel 

7 



in Kooperation mit





Kombi-Anlagen 

41 m² 

el. 

8 



in Kooperation mit


Nutzungsgrade 




Annahmen und Randbedingungen 

Gas – Brennwertkessel: 85% 

Gas – Durchlauferhitzer: 75% 

Elektrischer Durchlauferhitzer bzw. Heizstab: 99% 

WP - Jahresarbeitszahl in Anlehnung an ISE-Felduntersuchungen * 

WP - Sperrzeiten werktags (10:45 bis 12:15 u. 17:30 bis 19:00) 

Haushaltsstrombedarf: 3.500 kWh/a 

Nachtstrom werktags 22:00 bis 6:00 und Wochenende ganztägig 

Nutzung des PV-Ertrags vorrangig zur Deckung des Haushaltsstrom- und 

Hilfsstrombedarfs, dann Heiz- bzw. WP-Strom, dann Einspeisung 

9 

Max. Speichertemperatur für PV + E-Heizstab (zur Begrenzung der Speicher- 

Wärmeverluste): 


TW-PV1: 55 °C ; Kombi-PV1: 80 °C 


* Fraunhofer ISE, Freiburg 2010/ 2011 

in Kooperation mit





Bewertungskriterien 

Primärenergiebedarf zur Deckung des Wärmebedarfs 

(PEF für Erdgas: 1,1; PEF für Strom: 2,6) 

Primärenergiebedarf zur Deckung des Strombedarfs 

(Haushalts- + Hilfsstrombedarf, PEF für Strom: 2,6) 

Primärenergiebedarf gesamt = PE-Bedarf für Wärme + PE-Bedarf für Strom 

Anteilige Primärenergieeinsparung fsav: 

PE- Einsparung bezogen auf die Referenzanlage ohne solar (f sav = 1 − Q PE 

Q PE,Ref 

) 

Wirtschaftlichkeit: Finanzielle Amortisationszeit 

Berechnungen jeweils mit und ohne Einspeisung des PV- 

Überschussstroms zur Abschätzung des Umfangs der 

Stromnetznutzung 

10 



in Kooperation mit





Ergebnisse 

Betrachtet wird zunächst die Primärenergiebedarf (Einsparung) 

der drei Anlagentypen für: 

TW-Anlagen: TW-Erwärmung + Haushaltsstrom (Ref: ca. 14.000 kWh/a) 

Kombianlage: TW-Erwärmung + Haushaltsstrom + Raumheizung 

im Neubau (Ref: ca. 26.000 kWh/a) 

im Bestand (Ref: ca. 30.000 kWh/a) 

* Fraunhofer ISE, Freiburg 2010/ 2011 

11 



in Kooperation mit





Ergebnisse Primärenergie-Bedarf : solare Trinkwasseranlagen 

PE-Bedarf 

[kWh/a] 

16.000 

fsav [-] 

0,9 

fsav,ges ohne Einspeisg. 

fsav,ges mit Einspeisung 

14.000 

0,8 

PE-Bedarf Wärme 

12.000 

0,7 

PE-Bedarf Strom 

0,6 

10.000 

Gesamt ohne Einspeisg. 

0,5 

8.000 

Gesamt mit Einspeisg. 

0,4 

6.000 

0,3 ‣ Kombination aus solar- 

4.000 

0,2 thermischer TW-Er- 

2.000 

wärmung mit Gas-DLE 

0,1 

und PV (für Haushalts- 

0 

0 strom) benötigt am 

TW-Ref TW-PV1 TW-ST1 TW-PV2 TW-ST2 wenigsten Primärenergie 

bei einem Wärmebedarf von ca. 3300 kWh/a (inkl. Speicherungsverluste) 

(TW-ST1) 

und einem Strombedarf von ca. 3600 kWh/a; davon HH-Strom 3500 kWh/a 

12 



in Kooperation mit





Ergebnisse Primärenergie-Bedarf : Kombianlagen im Neubau 

PE-Bedarf 

[kWh/a] 

40.000 

35.000 

30.000 

25.000 

20.000 

15.000 

10.000 

5.000 

0 

K-Ref K-PV1 K-ST1 K-PV2 K-ST2 

fsav [-] 

• bei einem Wärmebedarf von ca. 13.000 kWh/a (inkl. Speicherungs 

-verluste) und einem Strombedarf von ca. 3800 kWh/a 

• Keine PE-Einsparung bei Kombi-PV1 ohne Einspeisung 

1 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

-0,2 


fsav,ges mit Einspeisg. 





‣ Kombinationen mit Solarthermie 

(K-ST1/2) und 

mit PV-Deckung des 

Wärmepumpenstroms 

(K-PV2) führt zu den 

geringsten Primärenergieverbräuchen 

13 



in Kooperation mit





Ergebnisse Primärenergie-Bedarf : Kombianlagen im Bestand 

PE-Bedarf 

[kWh/a] 

40.000 

35.000 

30.000 

25.000 

20.000 

15.000 

10.000 

5.000 

0 

K-Ref K-PV1 K-ST1 K-PV2 K-ST2 

fsav [-] 

• bei einem Wärmebedarf von ca. 16.000 kWh/a (inkl. Speicherungsverluste) 

und einem Strombedarf von ca. 3800 kWh/a 

• Keine PE-Einsparung bei Kombi-PV1 

1 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

-0,2 


fsav,ges mit Einspeisg. 





‣ Kombinationen mit Solarthermie 

(K-ST1/2) und 

mit PV-Deckung des 

Wärmepumpenstroms 

(K-PV2) führt zu den 

geringsten Primärenergieverbräuchen 

14 



in Kooperation mit





Ergebnisse finanzielle Amortisationszeit: solare TW-Anlagen 

FAZ [a] 

18 

16 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

FAZ mit Anrechnung des Gasanschlusses 

ohne EVgü 

EVgü 19,5 ct/kWh 


TW-PV1 TW-ST1 TW-PV2 TW-ST2 

EVgü: Einspeisevergütung 

Inkl. Kosten für Gasanschluss 

15 



in Kooperation mit





Ergebnisse finanzielle Amortisationszeit: solare TW-Anlagen 

FAZ [a] 

18 

16 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 


FAZ mit Anrechnung des Gasanschlusses 


ohne EVgü 



‣ kürzeste finanzielle 

Amortisationszeit (FAZ) 

für Solaranlage zur 

Trinkwassererwärmung 

und PV-Anlage zur 

Deckung des Haushaltsstroms 

(TW-ST1) und 

ggf. Einspeisung 


16 



in Kooperation mit


Keine fin. Amortisation 




Finanzielle Amortisationszeit : Kombianlagen im Neubau 

FAZ [a] 

25 

20 

ohne EVgü 


15 


10 

5 

0 

K-PV1 K-ST1 K-PV2 K-ST2 



für solarthermische 

Kombianlage und 

PV-Anlage zur Deckung 

des Haushaltstroms und 

ggf. Einspeisung (K-ST1) 



17 



in Kooperation mit


Keine fin. Amortisation 




Finanzielle Amortisationszeit : Kombianlagen im Bestand 

FAZ [a] 

25 

20 

15 

ohne EVgü 



10 

5 

0 





Kombianlage und 

PV-Anlage zur Deckung 

des Haushaltstroms und 

ggf. Einspeisung (K-ST1) 



18 



in Kooperation mit





Fazit solare Trinkwasseranlagen 

Höchste primärenergetische Effizienz: 

Niedrigste finanzielle Amortisationszeit: 

ST mit Erdgas-Nachheizung 


… gilt sowohl ohne als auch mit Anrechnung der PV-Netzeinspeisung 

Vorteil der ST liegt in der hohen flächenspezifischen Effizienz der Kollektoren 

Nachteil der Wärmepumpe: niedrige Jahresarbeitszahl zur 

Warmwasserbereitung und geringe solare Deckung des WP-Stroms 

Nachteil der direkten elektrischen Warmwasserbereitung: höhere 

Brennstoffkosten und geringere PV-Einnahmen da weniger PV-Strom zur 

Einspeisung verfügbar 

19 



in Kooperation mit





Fazit solare Trinkwasseranlagen 


20 



in Kooperation mit





Fazit solare Kombianlagen 

Höchste PE – Effizienz - ohne EVgü: ST mit WP – Nachheizung 

- mit EVgü: PV + WP 

Niedrigste FAZ (ohne und mit EVgü): 


… gilt sowohl im Neubau als auch im Bestand 

Das System ST + WP ist energetisch effizient, allerdings relativ teuer 

Das System PV + WP erreicht mittels der Netzeinspeisung des überschüssigen 

PV-Ertrags einen niedrigen PE-Bedarf (solare Deckung des WP-Stroms ist gering) 

Das System PV + E-Heizstab ist primärenergetisch ineffizient und erreicht keine 

finanzielle bzw. energetische Amortisation 

21 



in Kooperation mit





Fazit solare Kombianlagen 

ST mit WP – Nachheizung mit EVgü: PV + WP 

22 



in Kooperation mit





Fazit 

Generell gut beraten 

mit Solarthermie zur Wärmeerzeugung 

und PV für Stromerzeugung 

ggf. PV in Kombination mit WP auch Raumheizung 

23 



in Kooperation mit





Danke für Ihre Aufmerksamkeit 

24 



in Kooperation mit





Anhang 

Folien mit weiterführenden Informationen, 

die aus zeitlichen Gründen nicht gezeigt werden 

25 



in Kooperation mit





Energetische Amortisationszeit (EAZ) : solare TW-Anlagen 

EAZ [a] 

Energetische Amortisationszeit 

10 

9 

ohne Einspeisg. 

8 

mit Einspeisg. 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 


‣ kürzeste energetische 

Amortisationszeit (EAZ) 


Trinkwassererwärmung 

und PV-Anlage zur 

Deckung des Haushaltsstroms 

und ggf. 

Einspeisung (K-ST1) 

26 



in Kooperation mit


Keine energ. Amortisation 




Ergebnisse EAZ : Kombi-Anlagen im Neubau + Bestand 

EAZ [a] 

10 

9 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

Energetische Amortisationszeit 


Neubau - ohne EVgü Einspeisg. 

Neubau - mit EVgü Einspeisg. 

Bestand - ohne EVgü Einspeisg. 

Bestand - mit EVgü Einspeisg. 

‣ kürzeste energetische 

Amortisationszeit (EAZ) 

ohne Einspeisung 

- therm. Solaranlage 

mit WP und PV 

mit Einspeisung 

- dito und PV + WP 

27 



in Kooperation mit





Annahmen zur finanziellen Amortisationszeit (FAZ) 

Investitionskosten 

ST, GasBW, Kombi-Wärmepumpe nach MAP-Evaluierung 2009 

PV: Preisindex BSW 3. Quartal 2012 

Durchlauferhitzer, Brauchwasser-WP: Internet-Preisvergleich 

Gutschrift für reduzierten hydraulischen Montageaufwand (ST + GasBW bzw. WP) 

Gutschrift für reduz. Dach-Montageaufwand für zeitgleiche Installation ST + PV 

Kosten für Gasanschluss: 2025 € 

MAP-Förderung (Stand 08/2012) für Anlagen im Bestand 

Zinssatz 2%, jährliche Energiepreissteigerung 5% 

Berechnung mit 3 Einspeisevergütungssätzen 0,0 ct/kWh; 19,5 ct/kWh; 15 ct/kWh 

Aktuelle Energiepreise nach folgender Tabelle: 

Erdgas 

Strom 

Wärmepumpentarif 

Heizstrom 

Hochtarif 

Heizstrom 

Niedertarif 

Haushaltsstrom 

ct/kWh 7,0 17,75 19,41 15,30 25,74 

28 



in Kooperation mit





Annahmen zur Energetischen Amortisationszeit (EAZ) 

Daten zum kumulierten Energieaufwand aus ecoinvent 2.2, teilweise 

sind Anpassungen oder Extrapolationen für die hier betrachteten 

Anlagen nötig 

Daten für ST-Anlagen aus ITW-Untersuchungen 

Daten für PV-Anlage aus Report IEA-PVPS-T12-02:2011, IEA-PVPS- 

Task 12, Oktober 2011 

Berechnung der EAZ sowohl mit als auch ohne Anrechnung des 

eingespeisten PV-Stroms (aus der Jahresbilanz, mit Primärenergiefaktor 2,6) 

29 



in Kooperation mit





Anhang 

Solarerträge 

Detail-Ergebnisse Primärenergiebedarf für Kombianlagen im Neubau 

30 



in Kooperation mit





Solarerträge der Trinkwasseranlagen 

Beschreibung Einheit TW-PV1 TW-ST1 TW-PV2 TW-ST2 

ST-Fläche [kWh/a] - 4,7 - 4,7 

ST-Ertrag [kWh/a] - 2.387 - 1.711 

PV-Fläche [kWh/a] 30 25,3 30 25,3 

PV-Peakleistung [kWp] 3,7 3,1 3,7 3,1 

Gesamter PV-Ertrag [kWh/a] 4.016 3.392 4.016 3.392 

PV-Ertrag zur Strombedarfsdeckung 

PV-Ertrag zur Wärmebedarfsdeckung 

[kWh/a] 1.464 1.448 1.464 1.436 

[kWh/a] 1.979 0 98 24 

PV-Einspeisung [kWh/a] 572 1.942 2.455 1.931 

Sol. Deckungsanteil Wärme fsol [-] 0,59 0,71 0,07 0,37 

fsol : solare Deckung des Wärmebedarfs bzw. 

des Kompressorstrombedarfs (inkl. Speicherungsverluste) 

31 



in Kooperation mit





Solarerträge der Kombianlagen /Neubau 

Beschreibung Einheit Kombi-PV1 Kombi-ST1 Kombi-PV2 Kombi-ST2 

ST-Fläche [kWh/a] - 14 - 14 

ST-Ertrag [kWh/a] - 3.988 - 3.948 

PV-Fläche [kWh/a] 55 41 55 41 





[kWh/a] 1.726 1.681 1.726 1.680 

[kWh/a] 3.890 0 309 67 

PV-Einspeisung [kWh/a] 1.745 3.807 5.325 3.740 




32 



in Kooperation mit





Solarerträge der Kombianlagen /Bestand 

Beschreibung Einheit Kombi-PV1 Kombi-ST1 Kombi-PV2 Kombi-ST2 

ST-Fläche [kWh/a] - 14,0 - 14,0 

ST-Ertrag [kWh/a] - 3.933 - 3.898 

PV-Fläche [kWh/a] 55,0 41,0 55,0 41,0 





[kWh/a] 1.729 1.684 1.729 1.683 

[kWh/a] 3.973 0 418 123 

PV-Einspeisung [kWh/a] 1.659 3.804 5.214 3.681 




33 



in Kooperation mit





Details PE-Bedarf für Wärme: Kombianlagen /Neubau 

Beschreibung Einheit Kombi- 

Ref 

Kombi- 

PV1 

Kombi- 

ST1 

Kombi- 

PV2 

Kombi- 

ST2 

Wärmebedarf * [kWh/a] 12.675 13.195 13.284 12.756 13.224 

Nachheizbedarf [kWh/a] 12.675 9.310 9.295 12.762 9.300 

als Wärme [kWh/a] 12.675 - 9.295 - - 

als Strom [kWh/a] - 9.310 - 4.741 3.495 

PV-Ertrag gesamt [kWh/a] - 7.363 5.489 7.363 5.488 

PV-Ertrag zur Deckung 

des Wärmebedarfs 

[kWh/a] - 3.886 - 309 67 

ST-Ertrag [kWh/a] - - 3.988 - 3.948 

PE-Bedarf Wärme [kWh/a] 16.403 24.450 12.029 11.522 8.915 

fsav,therm,PE [-] 0 -0,49 0,27 0,30 0,46 

34 

PEF Erdgas: 1,1 

PEF Strom: 2,6 



* inkl. Wärmeverluste des Speichers 

in Kooperation mit





Details PE-Bedarf für Strom: Kombianlagen /Neubau 


Ref 

Kombi- 

PV1 

Kombi- 

ST1 

Kombi- 

PV2 

Kombi- 

ST2 

Strombedarf * [kWh/a] 3.755 3.755 3.824 3.755 3.823 

Netzstrombedarf [kWh/a] 3.755 2.028 2.141 2.028 2.142 

PV-Ertrag gesamt [kWh/a] - 7.363 5.489 7.363 5.488 

PV-Ertrag zur Deckung 

des Strombedarfs 

[kWh/a] - 1.726 1.681 1.726 1.680 

PE-Bedarf Strom [kWh/a] 9.764 5.273 5.568 5.272 5.568 

fsav,el,PE [-] 0 0,46 0,44 0,46 0,44 

PEF Strom: 2,6 

* Strombedarf für Haushalts- und 

Hilfsstrom, nicht für WP-Antrieb 

35 



in Kooperation mit





Details Gesamt-PE-Bedarf : Kombianlagen /Neubau 


Ref 

Kombi- 

PV1 

Kombi- 

ST1 

Kombi- 

PV2 

Kombi- 

ST2 

PE-Bedarf Wärme * [kWh/a] 16.403 24.450 12.029 11.522 8.915 

PE-Bedarf Strom ** [kWh/a] 9.764 5.273 5.568 5.272 5.568 

ohne Anrechnung der PV-Einspeisung 

PE-Bedarf gesamt [kWh/a] 26.167 29.723 17.597 16.794 14.483 

fsav,tot,PE [-] 0 -0,14 0,33 0,36 0,45 

Mit Anrechnung PV-Einspeisung 

PV-Einspeisung [kWh/a] - 1.749 3.807 5.325 3.740 

PE-Bedarf gesamt [kWh/a] 26.167 25.176 7.699 2.949 4.759 

fsav,tot,PE [-] 0 0,04 0,71 0,89 0,82 

* für einen Wärmebedarf von ca. 13.000 kWh/a 

** für einen Strombedarf von ca. 3.800 kWh/a 

36 



in Kooperation mit

Dr. Henner Kerskes, Institut fÃ¼r Thermodynamik und WÃ¤rmetechnik an

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