PVT-Kollektor-Einbindung bei Wärmepumpen

Bei der Bestands-sanierung von größeren Gebäuden mit hohem Heizwärme- und bzw. oder Trinkwarmwasserbedarf können Wärmepumpen u. a. durch folgende Aspekte auf Hindernisse stoßen:

• Das Heizsystem wird mit hohen Temperaturen betrieben, sodass dies zu einem hohen Stromverbrauch der Wärmepumpe führen kann. Somit ist die Wirtschaftlichkeit der Investition in das neue Heizsystem (im Vergleich zu den bisherigen Kosten mit einem fossilen Energieträger) eventuell nicht gegeben, bzw. die Kosten für Warmmiete könnten über den bisherigen Kosten liegen.
• Die Option, zunächst die Gebäudehülle zu sanieren, scheitert eventuell bei den aktuell gestiegenen Baukosten und Zinsen an der ebenfalls schwierig darstellbaren Wirtschaftlichkeit bzw. Sozialverträglichkeit.
• Im städtischen Bereich bei Mehrfamilienhäusern scheiden eventuell ohne zusätzliche Maßnahmen Luft/Wasser-Wärmepumpen aufgrund der Geräuschentwicklung oder Sole/Wasser-Wärmepumpen wegen nicht möglicher Erdarbeiten aus.

Potenzial PVT-Luft-Sole-Kollektoren

Eine Lösung für die Sanierung des Gebäudebestands, vor allem im städtischen Raum, können sogenannte PVT-Kollektoren sein. Die Gewinnung von Strom über Photovoltaik (PV) und die Solar-Thermische (T) Wärmegewinnung erfolgen dabei gleichzeitig. Das heißt: Ein PVT-Modul auf dem Dach kann sowohl Strom produzieren als auch Wärme bereitstellen. Übliche PVT-Kollektoren haben auf der Rückseite des PV-Moduls einen flachen Wärmetauscher, der die vom PV-Modul nicht genutzte Abwärme z. B. zur Regeneration einer Erdsonde nutzt.

Des Weiteren bieten sich PVT-Luft-Sole-Kollektoren an, z. B. „Solink“ von Consolar, die zu einer neuen Generation von PVT-Kollektoren gehören und speziell für Geothermie-Wärmepumpen entwickelt wurden. Ein großflächiger Wärmetauscher auf der Kollektorunterseite ergänzt dabei die solarthermische Wärmegewinnung um Energie aus der Luft und ermöglicht die Wärmeversorgung einer Wärmepumpe auch in der Nacht, die dann ohne weitere Wärmequelle betrieben werden kann. Am Beispiel von „Solink“ gewinnen die Kollektoren bis zu 10 % mehr elektrische Energie im Vergleich zu herkömmlichen PV-Modulen und liefern zusätzlich das Zwei- bis Dreifache der Strommenge als Wärmeenergie. Die PVT-Wärmepumpenkollektoren können auf dem Dach oder an der Fassade die komplette Heiz- und Warmwasserwärme liefern und ersetzen sowohl Geothermie als auch Luftgebläse-Außeneinheiten.

65 % Wärme aus erneuerbarer Energie

Anstatt einer vollständigen Gebäudesanierung kann zunächst auch das fossile Heizsystem durch eine Wärmepumpe ergänzt werden. Die Wärmepumpe muss dann meist nur 35 % bis 50 % der Heizlast abdecken, um insgesamt mehr als 65 % der Heizenergie zu liefern. Die reduzierte Leistung und damit Größe der Wärmepumpe sowie des PVT-Kollektorfelds führt zu einer verbesserten Gebäude-Wirtschaftlichkeit. Dazu reicht dann i. d. R. die Dachfläche eines Mehrfamilienhauses, ggf. ergänzt mit Fassadeflächen, aus, um die Wärmepumpe nur mit PVT-Kollektoren, ohne Erdarbeiten o. ä. zu versorgen. Der von der PVT-Fläche produzierte Strom entspricht bei üblicher Dimensionierung ungefähr der im Jahr von der Wärmepumpe verbrauchten elektrischen Energie.

In einem zweiten, späteren Schritt kann dann die Gebäudehülle auf ein Niveau saniert werden, bei dem der fossil beheizte Kessel ganz entfallen kann. Durch die Dämmung des Gebäudes sinken gleichzeitig die erforderlichen Vorlauftemperaturen, was dann – ggf. ergänzt mit punktuellen Maßnahmen beim Heizungsverteilsystem – einen monovalenten Betrieb einer Wärmepumpe ermöglicht.

Aufgrund der zeitlichen Entzerrung kann diese zweite Maßnahme zu einem hinsichtlich der Finanzierung der Baumaßnahmen günstigeren Moment erfolgen. Zudem ist davon auszugehen, dass in den kommenden Jahren zunehmend Angebote u. a. zur seriellen Sanierung von Gebäuden auf den Markt kommen werden.

Untersuchung eines Sanierungsfalls

Zur Überprüfung der Wirtschaftlichkeit des Konzepts unter den aktuellen Randbedingungen wurde der Sanierungsfall eines Mehrfamilienhauses aus dem Bestand der städtischen Wohnbaugesellschaft der Stadt Darmstadt, der bauverein AG, durchgerechnet. Es handelt sich um ein Gebäude Baujahr 1935 mit 1.276 m² beheizter Wohnfläche für 24 Wohnungen, das aktuell mit zwei Gaskesseln mit jeweils 55 kW beheizt und mit Warmwasser versorgt wird. Der Jahreswärmebedarf Heizung beträgt 170.000 kWh bei einer Heizkreisvorlauftemperatur von 75 °C, im Ist-Zustand ohne Witterungsführung. Der Jahreswärmebedarf für das Warmwasser beträgt 45.700 kWh. Die Warmwasserbereitung erfolgt über einen zentralen Warmwasserspeicher mit 500 l und Zirkulationsleitung sowie einen Pufferspeicher mit 500 l für die Heizungsversorgung. Für den Jahresnutzungsgrad des Kessels werden 80 % angesetzt. Der Stromverbrauch der 24 Haushalte wurde mit insgesamt 60.000 kW/a berücksichtigt.

Es wurde der Fall gerechnet, dass das Gebäude ohne weitere Maßnahmen weiter mit Gas versorgt wird und im Vergleich dazu, dass für den bivalenten Hybridbetrieb eine Wärmepumpe mit PVT-Luft-Sole-Kollektoren installiert wird. Für die Anlagenauslegung wurden folgende Randbedingungen berücksichtigt, um konform zur erneuerbaren Energien-Vorgabe von 65 % zu sein: Mindestens 30 % der Heizlast wird von der Wärmepumpe abgedeckt, und es erfolgt ein Parallelbetrieb von Kessel und Wärmepumpe mit Vorrang für die Wärmepumpe. Mit diesen Vorgaben wurden drei Fälle simuliert und dabei die Dimensionierung der Kollektorfläche optimiert:

• a) Wärmeversorgung wie bisher mit Gaskesseln 2 x 55 kW.
• b) Bestehende Gaskessel plus Sole-Wärmepumpe 34,1 kW (B0/W35) thermisch versorgt durch 34 „Solink“-PVT-Wärmepumpenkollektoren à 2,4 m² Bruttofläche.
• c) Bestehende Gaskessel plus  Sole-Wärmepumpe 51,3 kW (B0/W35) thermisch versorgt durch 52 „Solink“-PVT-Wärmepumpenkollektoren à 2,4 m² Bruttofläche.

In Tabelle 1 und Bild 2 sind die Ergebnisse dargestellt. Es ergibt sich ein großer Eigenverbrauch unter der Voraussetzung, dass der Strom auch als Mieterstrom genutzt wird. Die ausgewiesenen CO₂-Einsparungen beziehen sich jedoch lediglich auf die Reduktion im Bereich Wärmeerzeugung; CO₂-Vermeidung durch von den Haushalten genutzten oder in das Netz eingespeisten Solarstrom ist nicht berücksichtigt.

Für die beiden Sanierungsvarianten wurden außerdem die Investitionskosten ermittelt (Tabelle 2). Dabei wurde davon ausgegangen, dass die Sanierung durch die Wohnbaugesellschaft oder durch einen beauftragten Contractor im Rahmen eines standardisierten Sanierungsprogramms durchgeführt wird, was Voraussetzung für eine gute Wirtschaftlichkeit ist: Das Material (Wärmepumpen, Kollektoren und Zubehör) werden durch den Contractor direkt beim Hersteller bezogen und die Montage wird durch ein geschultes eigenes Montageteam durchgeführt.

Annahmen für Energiekosten

Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der drei Varianten (Gaskessel als alleinige Energiequelle, WP und Kollektorfeld klein + Gaskessel, WP und Kollektorfeld groß + Gaskessel) ist die zukünftige Entwicklung der Gas- und Stromkosten und deren Verhältnis. Hierfür wurden unterschiedliche Veröffentlichungen evaluiert, die im Folgenden kurz vorgestellt werden:

Prognos (März 2023)

Von der Prognos AG wurde im März 2023 ein Gutachten von 2022 zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen aktualisiert [1]. Im Mittel wird ein Gaspreis von 11 Cent brutto inkl. CO₂-Preis für die nächsten 15 Jahre angenommen und ein mittlerer Wärmepumpen-Strompreis von 26 Cent brutto. Hieraus ergibt sich für das Verhältnis von Strom- zu Gaspreis ein Mittelwert von 2,36.

Mercator Research Institute (April 2023)

Eine Studie des Mercator Research Institute [2] geht dagegen von der Möglichkeit eines massiven Anstiegs der CO₂-Bepreisung ab 2027 durch die Umstellung auf europaweiten Emissionshandel aus. Ab diesem Jahr wird nicht mehr der CO₂-Preis von der Bundesregierung festgelegt, sondern es wird der neue EU-ETS 2 eingeführt [3]. Dieser ist getrennt vom bestehenden EU-ETS 1 und gilt für Emissionen im Straßenverkehr, den Gebäuden und den Industrie- und Energieanlagen, die auf Grund ihrer Größe nicht unter den EU-ETS 1 fallen. Damit wird europaweit die Menge der Emissionen festgelegt, um die EU-Klimaziele zu erreichen. Dadurch könnte ein starker Preisanstieg für Zertifikate eintreten, falls nicht vorher durch entsprechende andere Maßnahmen, z. B. Technologiestandards, der Gebäudesektor auf Kurs gemäß Klimazielen kommt. Gemäß dieser Studie könnte der Gaspreis 2027 auf ca. 13 Cent und in 2038 auf ca. 16 Cent inkl. CO₂-Preis ansteigen. Bei einem Strompreis von 28 Cent würde dies bereits 2027 zu einem Verhältnis Strom- zu Gaspreis von 2,15 führen.

Bundesregierung (August 2023)

Die Bundesregierung hat in der Drucksache 20/8076 [4] am 22.8.2023 Zahlen zu der von ihrer erwarteten Entwicklung der Strom- und Gaspreise bis 2035 vorgelegt. Aus diesen Zahlen ergibt sich ein Verhältnis Strom/Gas im Mittelwert von 2024 bis 2028 von 2,47 und bis 2035 von 2,37.

In der Tabelle 3 sind die vorgestellten Annahmen für das Preisverhältnis Strom zu Gas dargestellt. Dort ist weiterhin die Annahme des Darmstädter Energieversorgers „Entega“, in dessen Versorgungsgebiet sich das betrachtete Objekt befindet, aufgeführt. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurde die Wirtschaftlichkeitsrechnung für zwei unterschiedliche Verhältnisse Strom/Gas über den Betrachtungszeitraum von 20 Jahre gerechnet: 2,47 und 2,98.

Mieterstrom

Ein ebenfalls wichtiger Faktor der Wirtschaftlichkeitsrechnung ist die Frage, ob bzw. in welchem Maß der mit einer PVT-Anlage selbst erzeugte und von der Wärmepumpe nicht direkt verbrauchte Strom ebenfalls innerhalb des Gebäudes genutzt und ggf. vergütet werden kann.

Bislang waren die rechtlichen und bürokratischen Anforderungen zur Realisierung von „Mieterstrom“, d. h. dem Verkauf des auf dem Gebäude produzierten Stroms an die Mieter, für viele Wohnbaugesellschaften zu hoch. I. d. R. wurde dieses Konzept über einen Dienstleister oder Energieversorger realisiert, für die aber ein gewisser Gesamtstromverbrauch Voraussetzung für ein wirtschaftliches Angebot ist.

Große Erwartungen werden daher auf das Modell der Gemeinschaftlichen Gebäudeversorgung gesetzt, das Bestandteil des Solarpakets I ist, das am 26.4.2024 im Bundestag und Bundesrat beschlossen wurde. Hier entfallen für den Betreiber die Verpflichtungen eines Energieversorgers, wodurch die Abrechnung wesentlich vereinfacht wird. Die Mieter können nach wie vor bei dem Stromlieferanten ihrer Wahl Strom beziehen. Zusätzlich können sie einen Vertrag mit dem Betreiber der PV(T)-Anlage abschließen. Wird nun auf dem Gebäude Solarstrom produziert, wird er in einer Aufteilung gemäß Vertrag den Mietern zur Verfügung gestellt und reduziert zu dieser Zeit deren Bezug an Netzstrom. Hierfür sind für die einzelnen Wohnungen digitale Zähler erforderlich sowie ein automatisches Abrechnungsverfahren.

Für den Betreiber entfallen für den direkt im Gebäude genutzten Solarstrom Netzgebühren und weitere Umlagen. Den Mietern wird er den Bezug des Solarstroms dementsprechend günstiger anbieten, auch, um einen Anreiz zu schaffen. Für „Mieterstrom“ gilt aktuell, dass der Strompreis maximal 90 % des örtlichen Grundversorgertarifs entsprechen darf. In der Wirtschaftlichkeitsrechnung wurde für den Bezug selbstproduzierten Stroms von einer Reduzierung um 10 % gegenüber dem ansonsten für das Gebäude angesetzten Netzstrompreis ausgegangen.

Wirtschaftlichkeitsrechnung

Der auf Basis der oben vorgestellten Ergebnisse und Annahmen durchgeführten Wirtschaftlichkeitsrechnung wurden folgende weitere Annahmen zugrunde gelegt:

• Inflationsrate: 2 %,
• kalkulatorischer Zins: 4 %,
• Lebensdauer (Betrachtungszeitraum): 20 Jahre.

Tatsächlich wird die Lebensdauer eines Bestandskessels kürzer sein, und bei den PVT-Kollektoren sowie Sole-Wärmepumpen kann von einer höheren Lebensdauer ausgegangen werden [5].

Es wird die Basisförderung von 30 % angesetzt. Falls eine Sole-Wärmepumpe mit Propan als Kältemittel gewählt wird, erhöht sich die Förderung aufgrund des Effizienzbonus von 5 % auf 35 %. Der Geschwindigkeitsbonus (25 %), kommt nicht zur Anwendung, da kein Austausch der Altheizung erfolgt (bivalentes System), ebenfalls gibt es keinen Einkommensbonus von 30 %, da es sich nicht um selbstnutzende Eigentümer mit geringem Einkommen handelt. Das Gebäude hat 24 Wohnungen, die maximal förderfähige Summe beträgt damit 249.000 Euro und wird nicht überschritten.

Tabelle 4 und Bild 3 zeigen die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsrechnung. Dargestellt sind die beiden betrachteten Strom-/Gaspreisverhältnisse. In der Tabelle ist die Amortisationszeit jeweils für den günstigsten Fall (mit Förderung und ohne Zins), und den ungünstigsten Fall (ohne Förderung und mit Zins) und dazwischen für den aktuell relevanten Fall (mit Förderung und mit Zins) ausgewiesen.

Realisierung durch Eigentümer

Falls die Investition und der Betrieb durch den Eigentümer, also die Wohnbaugesellschaft durchgeführt würde, wäre der Eigentümer verpflichtet, die reduzierten Betriebskosten an die Mieter weiterzugeben. Im Gegenzug könnte er die Kaltmiete erhöhen. Dabei müssen folgende Randbedingungen berücksichtigt werden [6]:

• Die Kaltmiete kann max. um 3 Euro/m² angehoben werden, wenn sie über 7,00 Euro/m² lag, und wenn sie darunter liegt, kann sie max. um 2 Euro/m² steigen.
• Insgesamt dürfen die Mieterhöhungen 8% der Investitionskosten nicht übersteigen.

Da mit den monatlichen Einsparungen der Betriebskosten pro m² mit 0,83 Euro/m² bzw. 0,92 Euro/m² beide Voraussetzungen erfüllt sind, kann die Kaltmiete um diesen Betrag erhöht werden, ohne dass sich die Warmmiete ändert. Auf diese Weise kommen die Einsparungen dem Eigentümer (Investor) zugute. Damit ergibt sich bei einem Strom-/Gaspreisverhältnis von 2,47 bereits ohne Förderung und mit Zins eine Amortisationszeit von nur 6,4 bzw. 8,0 Jahre; beim Verhältnis von 2,98 ergibt sich eine Amortisationszeit von 8,6 bzw. 10,9 Jahre.

Bild 4 zeigt, dass sich die kleinere Variante mit 34 kW und 34 Kollektoren zwar etwas schneller gegenüber dem Status Quo mit Gas rechnet, dass aber die größere Variante über den Betrachtungszeitraum eine etwas bessere Wirtschaftlichkeit aufweist.

Realisierung durch Contractor

Beim Contracting ist ebenfalls die Warmmietenneutralität einzuhalten. Hier kann die Kaltmiete unverändert bleiben. Der Contractor ermittelt die Betriebskosten (im Wesentlichen Energie, Wartung und Schornsteinfeger) der letzten 3 Jahre und kann diese Kosten dann in Zukunft auch bei reduzierten Betriebskosten den Mietern weitergeben, und auf Basis bestimmter Indizes auch später erhöhen.

Um die Wirtschaftlichkeit für einen Contractor zu rechnen, wurden die jährlichen Gesamtkosten unter Berücksichtigung der Investitionen nach der Annuitätsmethode ermittelt. Hierbei wurden die Einnahmen aus Mieterstrom und Einspeisevergütung berücksichtigt. Als zusätzliche Marge zur Deckung der Verwaltungskosten des Contractors wurden 7 % angesetzt.

Bereits bei einem Betrachtungszeitraum von etwa 4 bis 5 Jahren ergeben sich beim Strom-/Gaspreis-Verhältnis von 2,47 die gleichen jährlichen Gesamtkosten wie für die Bestandslösung; beim Verhältnis von 2,98 ergeben sich etwa 5 bis 6 Jahre.

Vergleich: Ohne Standardisierung, über Ausschreibung

Bei den vorgestellten Wirtschaftlichkeitsrechnungen wurde davon ausgegangen, dass die Sanierung durch die Wohnbaugesellschaft oder durch einen beauftragten Contractor im Rahmen eines standardisierten Sanierungsprogramms durchgeführt wird mit Direktbezug des Materials (Wärmepumpen, Kollektoren und Zubehör) beim Hersteller und Montage durch ein eigenes spezialisiertes Montageteam.

Die heute gängige Praxis ist dagegen, dass das Sanierungsprojekt individuell geplant, ausgeschrieben und von dem Installationsbetrieb, der die Ausschreibung gewonnen hat, installiert wird. Dieser Fall wird im Folgenden untersucht. Tabelle 6 zeigt die Investitionskosten für den Fall, dass das Material durch den Installationsbetrieb bezogen und mit Listenpreisen berechnet wird. Falls der Betrieb eine solche Heizungsanlagenerweiterung zum ersten Mal bzw. selten macht, muss mit deutlich höheren Montagezeiten gerechnet werden. Um diesen Einfluss mit zu berücksichtigen, wurden die Zeiten für Montage, Planung und Bauüberwachung verdoppelt. Tabelle 7 zeigt die damit berechneten Amortisationszeiten. Selbst bei diesen kann bei dem vom BMWK prognostizierten Verhältnis von Strom- zu Gaspreis eine Amortisationszeit unter 10 Jahren erreicht werden. Dennoch wird das Potenzial, das in einer standardisierten Sanierung liegt, deutlich: Die Amortisationzeiten im herkömmlichen Fall liegen um mehr als 30 % über dem Fall der Standardisierung.

Literatur

Die Literatur steht online zur Verfügung unter dem Link: www.t1p.de/tab-10-24-PVT-Literatur bzw. dem angehängten QR-Code.