Hybride Systeme Wärmepumpe, Solarthermie, PV-Anlage...

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

http://energieberatung-energieausweis-muenchen.info/






http://www.ing-büro-junge.de/






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


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


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


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


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


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


16m2

0 20.000 kWh 0 4.595 kWh

11.000 kWh 11.000 kWh 11.754 kWh 7.915 kWh


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


Photovoltaik

Beispiele nur mit Luft/Wasser Wärmepumpe


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


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.


Komponenten der Heimanlage

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PV-Anlage Netz

Zentrale Steuerung / Wechselrichter / Ladesteuerung / Batterie

Alternativ in einem Gerät kombiniert


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


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


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 €


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)


Wochenprofil Luft- Inverter-WP


kWh/a WP-Luft+PV Inv. WP+PV +Batterie


Erzeugung PV 7.132,4 7.132,4



Bezug 6.246,9 3.994,8



Energiekosten aus Bezug 1.499,26 € 958,75 €



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


Wochenprofil Luft- Inverter-WP +Batterie

Tagesprofil Inv. Wp +PV+Batterie


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 …)


Eigenstromoptimierung mit WP und Batterie

Zusammenfassung

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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


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 ?


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.


Wärmepumpe mit therm. Solaranlage und PV-Anlage..

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WP-Luft+PV ohne Sol. WP-Luft+PV mit Sol.


Erzeugung 7.132,4 7.132,4



Bezug 6.246,9 5.142,7



Energiekosten aus Bezug 1.499,26 € 1.234,25 €



Einsparung 1.071,12 € 1.361,86 €

Investment 10.800,00 € 18.800,00 €

Amortisation [a] 10,1 13,8


Thermische Solaranlage und / oder PV-Anlage


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

Die Folien finden Sie unter:



Erste Seite: Foliensätze















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