Wärmepumpe mit PV- oder Solarthermie-Anlage kombinieren? Das ist effizienter
15. April 2024 | Gero Gröschel
Forscher haben in einer aktuellen Studie untersucht, welche Energiegewinnung in Kombination mit Wärmepumpen die effizienteste Lösung darstellt. Dabei standen zwei Systeme im Fokus: Solarthermisch unterstützte Wärmepumpen und Luftwärmepumpen, die mit Solarstrom aus Photovoltaik betrieben werden.
Das deutsche Fraunhofer-Institut für Energieinfrastrukturen und Geothermische Systeme (IEG) wollte wissen, welche Art der Energieerzeugung als Unterstützung von Wärmepumpen im großindustriellen Maßstab wirtschaftlicher ist. Dafür wurden folgende Annahmen getroffen: Die solarthermisch unterstützte Wärmepumpe weist eine Leistung von 10,95 Megawatt auf und ist an ein 74.829 Quadratmeter großes solarthermisches Feld angeschlossen. Im Vergleich dazu hat die Photovoltaik(PV-)-betriebene Luftwärmepumpe eine Leistung von 8,37 Megawatt, wobei die PV-Anlage eine Fläche von 71.518 Quadratmetern abdeckt. Laut PV-Magazine sind beide Systeme für den Einsatz in Fernwärmenetzen konzipiert und integrieren Grubenwärmespeicher (PTES) zur Effizienzsteigerung.
Durch die Verwendung der Open-Source-Software "Python" haben die Forscher eine Vielzahl von Simulationen durchgeführt, um die Leistung der Systeme unter verschiedenen Szenarien zu evaluieren. Die Modellierung basiert auf gemischter ganzzahliger linearer Programmierung (MILP), welche es ermöglicht, optimale Lösungen für komplexe Versorgungsstrukturen zu finden. Es wurden insgesamt 90 Szenarien erstellt, die verschiedene Temperatur-, Strom- und Flächenpreise berücksichtigen.
PV-basierte Kombinationen benötigen weniger Platz
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass der Einsatz von Photovoltaik-Anlagen in Kombination mit Luftwärmepumpen insbesondere in dicht besiedelten Gebieten signifikante Vorteile bietet. Dies liegt vor allem daran, dass PV-Anlagen im Vergleich zu solarthermischen Anlagen weniger Fläche benötigen, was in urbanen Räumen ein entscheidender Faktor ist.
Ein wichtiger Aspekt der Forschung war die Betrachtung der Rentabilität beider Systeme. Trotz potenzieller Anstiege der Strompreise hat die Studie ergeben, dass beide Systeme wirtschaftlich tragfähig bleiben. Allerdings eignen sich Grubenwärmespeicher besser für Netze, die Betriebstemperaturen über 70 Grad Celsius benötigen, was die solarthermische Variante in bestimmten Anwendungsbereichen bevorzugt.
Obwohl beide Systeme einen hohen Flächenbedarf haben, reagieren sie besonders empfindlich auf steigende Flächenpreise. Die Forschungsergebnisse des Fraunhofer IEG zeigen, dass in Fernwärmenetzen die Kombination aus Photovoltaik und Wärmepumpen weniger Fläche benötigt als die solarthermischen Pendants. Dies macht das PV-basierte System besonders attraktiv für städtische Umgebungen, wo der Platz oft begrenzt ist. Auch wenn die Studie für einen industriellen Maßstab ausgelegt war, lassen sich die Ergebnisse auf Privathäuser übertragen. Die Entscheidung für eines der Systeme hängt letztlich von spezifischen lokalen Bedingungen und Zielsetzungen ab.