Solarenergie speichern – was ist möglich?
Eine Photovoltaikanlage produziert nicht immer dann Strom, wenn er benötigt wird. Doch braucht es deshalb eine Hausbatterie? Oder lässt sich Energie günstiger in Form von Wärme speichern? Jörg Worlitschek von der Hochschule Luzern erklärt, welche Lösungen sich für Einfamilienhäuser eignen.
Der Experte: Prof. Dr. Jörg Worlitschek ist Energie- und Verfahrenstechniker und promovierte an der ETH. Nach mehreren Jahren in der Wirtschaft wechselte er vor 14 Jahren als Professor an die Hochschule Luzern. Heute forscht er dort mit rund 50 Mitarbeitenden zu thermischen Systemen und Wärmespeicherung. www.hslu.ch/ime
Wer eine Photovoltaikanlage besitzt oder plant, beschäftigt sich früher oder später mit der Speicherung des selbst produzierten Stroms. Meist richtet sich der Blick zuerst auf eine Hausbatterie. Sie speichert den tagsüber erzeugten Solarstrom und stellt ihn abends oder in der Nacht zur Verfügung. «Eine gute Idee», sagt Jörg Worlitschek, Professor an der Hochschule Luzern. «Vor einer Anschaffung würde ich aber auch den nächsten Autokauf in die Überlegungen mit einbeziehen, denn die Batterie eines Elektroautos ist wesentlich grösser als eine übliche Hausbatterie. Unterstützt das Fahrzeug zudem bidirektionales Laden, kann der Strom nicht nur aufgenommen, sondern auch wieder an das Gebäude abgegeben werden.»
Und auch wenn im Bereich des bidirektionalen Ladens in den nächsten fünf bis zehn Jahren viel Innovation zu erwarten ist: «Zuwarten würde ich nicht, es ist höchste Zeit, zu handeln und zu investieren – in ein E-Auto, in eine Hausbatterie. Oder in einen thermischen Energiespeicher, da ein Grossteil des Energieverbrauchs auf Wärme entfällt», sagt Jörg Worlitschek. Schweizweit machen Raumwärme, Warmwasser und industrielle Prozesswärme fast die Hälfte des Energieverbrauchs aus. In einem älteren Einfamilienhaus sind es bis zu 70 Prozent. Gleichzeitig lässt sich Wärme wesentlich günstiger speichern als Elektrizität.
Solarstrom als Wärme speichern
Es macht also durchaus Sinn, bei der Nutzung von Solarenergie auch an Wärmespeicher zu denken. Wird auch das Warmwasser mit der Wärmepumpe erzeugt, kommt meist ein Warmwasserspeicher zum Einsatz. «Wer stattdessen in einen Kombispeicher investiert, kann zusätzlich Heizwärme puffern und damit den tagsüber erzeugten Solarstrom später als Wärme nutzen», erklärt der Experte.
Auch die Gebäudemasse kann Heizwärme speichern. In einem Massivbau mit Fussbodenheizung nehmen Boden, Wände und Decken Wärme auf. So kann die Wärmepumpe bevorzugt dann arbeiten, wenn viel Solarstrom zur Verfügung steht, während die gespeicherte Wärme später an die Räume abgegeben wird. Dasselbe gilt für Radiatoren, auch wenn ihre Speicherwirkung etwas kleiner ist als bei der Fussbodenheizung. «Ein Pufferspeicher kann je nach Heizsystem trotzdem sinnvoll sein, und wo kein Platz für einen klassischen Wasserspeicher ist, können allenfalls kompakte Latentwärmespeicher eine Lösung sein, zum Beispiel die Compact Cell von Cowa», sagt Jörg Worlitschek, der das Unternehmen 2019 mit zwei Kollegen als Spin-off der Hochschule Luzern gegründet hat.
Diese Kompaktspeicher benötigen deutlich weniger Platz und speichern Wärme nicht direkt im Wasser, sondern in einem Material, das beim Erwärmen schmilzt und beim Abkühlen wieder erstarrt. Je nach Ausführung dienen sie als Warmwasser- oder Pufferspeicher. Beim Warmwasserspeicher wird kaltes Trinkwasser im Durchlauf erwärmt.
Bestehende Anlagen besser abstimmen
«Doch», räumt Jörg Worlitschek ein, «in der Praxis liegt das grösste ungenutzte Potenzial häufig in der richtigen Steuerung.» Ohne Abstimmung mit der Photovoltaikanlage erwärmt die Wärmepumpe das Wasser, sobald seine Temperatur unter einen festgelegten Wert fällt, also möglicherweise am frühen Morgen, wenn noch kein Solarstrom verfügbar ist. «Oft genügt es, die Warmwasserbereitung auf die Mittagsstunden zu legen. Eine intelligente Steuerung geht noch weiter und schaltet die Wärmepumpe automatisch ein, sobald überschüssiger Solarstrom zur Verfügung steht.»
Diese Abstimmung ist allerdings nicht selbstverständlich: Für Photovoltaikanlage und Wechselrichter ist in der Regel ein anderer Fachbetrieb zuständig als für Wärmepumpe, Heizung und Warmwasser. «Deshalb sollten Hausbesitzerinnen und Hausbesitzer unbedingt klären, wie die Systeme miteinander kommunizieren und wer für die Einstellungen verantwortlich ist.»
Worlitschek empfiehlt zudem, die Anlage nach rund einem halben Jahr nochmals kontrollieren zu lassen. Falsche Einstellungen können die Effizienz deutlich beeinträchtigen. Es entsteht ein sogenannter Performance-Gap: Die Anlage schöpft ihr Potenzial nicht aus. Hauseigentümer sollten deshalb zumindest in den Grundzügen verstehen, wann die Anlage Strom verbraucht, Wärme erzeugt und Energie speichert.
Wer Photovoltaikanlage und Heizung neu plant, kann alle Komponenten von Anfang an aufeinander abstimmen. Worlitscheks Empfehlung: «Die Photovoltaikanlage möglichst gross und die Wärmepumpe nur so gross wie nötig dimensionieren.» Denn diese werde häufig zu gross ausgelegt. Bei vielen Einfamilienhäusern reichen fünf Kilowatt aus, dennoch werden oft Geräte mit acht oder zehn Kilowatt verbaut.
Wie viel Autarkie ist sinnvoll?
Zurück zu den Speichern: Was in welcher Grösse Sinn macht, hängt neben dem Energieverbrauch auch von persönlichen Zielen ab: Wie wichtig sind Unabhängigkeit und Versorgungssicherheit, wie viel Platz steht zur Verfügung und was darf die zusätzliche Autarkie kosten?
Für Batterie- und Wärmespeicher gilt: «Ein relativ hoher Autarkiegrad lässt sich mit überschaubarem Aufwand erreichen. Je näher die vollständige Unabhängigkeit rückt, desto grösser und teurer wird der Speicher», sagt Jörg Worlitschek. «Rund 75 Prozent Wärmeautarkie sind vergleichsweise gut erreichbar, die restlichen Prozente jedoch nur mit unverhältnismässig grossem Aufwand.»
Wärme lässt sich übrigens auch vom Sommer in den Winter speichern. Im Einfamilienhaus sprechen Platzbedarf und Kosten jedoch meist gegen eine saisonale Autarkie. «Sinnvoller sind solche Lösungen bei Überbauungen, Fernwärmenetzen und Quartieren, wo grosse Speicher im Verhältnis günstiger sind und mehrere Gebäude versorgen können. Künftig könnten auch thermochemische Speicher zum Einsatz kommen, die Wärme über Monate nahezu verlustfrei speichern. Für Einfamilienhäuser sind sie derzeit jedoch noch zu teuer.»
Und so kann man abschliessend sagen: «Für Hauseigentümer ist nicht der grösstmögliche Speicher die beste Wahl, sondern ein effizientes Gesamtsystem, in dem Photovoltaikanlage, Wärmepumpe, Warmwasser, Gebäudemasse und Steuerung zusammenspielen. Eine Speicherlösung erhöht die Unabhängigkeit und Versorgungssicherheit, eine vollständige Loslösung vom Netz muss jedoch nicht das Ziel sein.»