Pufferspeicher & Estrich als Solar-Akku: Heizen auf Vorrat?

Das thermische Laden von Estrich oder Pufferspeicher mit mittäglichem Solarstrom klingt nach dem perfekten Null-Euro-Stromspeicher, stößt in der Praxis jedoch schnell an physikalische Grenzen. Während ein herkömmlicher 300-Liter-Heizwasserpuffer kaum eine einzige Kilowattstunde Solarstrom aufnehmen kann, birgt der massive Estrich zwar beachtliche Kapazitäten, erkauft sich diese aber durch steigende Raumtemperaturen und sinkende Pumpeneffizienz. Wer seine Wärmepumpe unbedacht per SG-Ready-Kontakt in den Hochtemperaturbetrieb zwingt, spart häufig keinen Cent, sondern vernichtet wertvolle Exergie.

Die Grundidee: Stromüberschuss in Wärme wandeln statt teuer einspeichern

Die Motivation hinter dem sogenannten Power-to-Heat im Eigenheim liegt auf der Hand: Eine Kilowattstunde Strom, die für rund 7 bis 8 Cent Einspeisevergütung ins Netz fließt, spart bei späterem Netzbezug rund 30 bis 35 Cent ein. Ein chemischer Heimspeicher kostet in der Anschaffung zwischen 400 und 700 Euro pro Kilowattstunde Kapazität. Der Gedanke, das ohnehin vorhandene Heizungswasser oder die Bausubstanz des Gebäudes als kostenlosen thermischen Akkumulator zu nutzen, liegt daher nahe.

Die Wärmepumpe fungiert dabei als Verstärker: Aus einer Kilowattstunde photovoltaischem Überschussstrom erzeugt sie über ihren Kältekreis typischerweise 3 bis 4 Kilowattstunden Nutzwärme. Doch Wärme lässt sich nicht verlustfrei in beliebiger Menge konservieren. Drei Faktoren bestimmen, ob das Vorratsheizen wirtschaftlich ist oder zur reinen Stromverschwendung degeneriert: die reale Speicherkapazität der Medien, die Bereitstellungsverluste und der Effizienzabfall der Wärmepumpe bei steigendem Temperaturniveau.

Gebäudemasse vs. Pufferspeicher: Wie viel kWh passen realistisch ins Haus?

In Heizungsforen und Werbeprospekten wird der Heizwasser-Pufferspeicher gern als zentraler Solar-Akku angepriesen. Ein Blick auf die spezifische Wärmekapazität von Wasser ($c = 1,163\text{ Wh/(kg}\cdot\text{K)}$) ernüchtert jedoch schnell.

Wird ein handelsüblicher 300-Liter-Pufferspeicher von seiner normalen Betriebstemperatur für eine Fußbodenheizung (z. B. 35 °C) um 10 Kelvin auf 45 °C überhöht, errechnet sich die thermisch gespeicherte Energie nach der Formel $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$:

$Q = 300\text{ kg} \cdot 1,163\text{ Wh/(kg}\cdot\text{K)} \cdot 10\text{ K} = 3.489\text{ Wh} \approx 3,5\text{ kWh}_{\text{th}}$

Bei einer Arbeitszahl der Wärmepumpe von 3,5 entspricht diese Wärmemenge gerade einmal 1,0 kWh an elektrischer Solarenergie. Ein solcher Puffer ist nach 20 bis 30 Minuten Teillastbetrieb der Wärmepumpe vollständig geladen. Ein 800-Liter-Schichtspeicher nimmt bei 15 Kelvin Überhöhung immerhin rund 13,9 kWh thermisch auf – was etwa 4 kWh PV-Strom bindet, aber bereits das Temperaturniveau auf 50 °C treibt.

Völlig andere Dimensionen eröffnet der Heizestrich: In einem Einfamilienhaus mit 140 m² beheizter Wohnfläche und einem 6,5 cm starken Zementestrich liegen rund 20 Tonnen Speichermasse direkt auf den Heizrohren. Rechnet man tragende Innenwände und Rohdecken hinzu, die über Strahlung und Konvektion thermisch angekoppelt sind, stehen im Gebäude rasch 35 bis 40 Tonnen aktive Speichermasse bereit.

Estrich besitzt eine spezifische Wärmekapazität von rund $0,28\text{ Wh/(kg}\cdot\text{K)}$. Erwärmt man 40 Tonnen Bauteilmasse um lediglich 1,5 Kelvin – was die Raumluft um rund 1 bis 1,5 °C anhebt –, ergibt sich:

$Q = 40.000\text{ kg} \cdot 0,28\text{ Wh/(kg}\cdot\text{K)} \cdot 1,5\text{ K} = 16.800\text{ Wh} \approx 16,8\text{ kWh}_{\text{th}}$

Dies entspricht rund 4,5 bis 5 kWh elektrischem Solarstrom. Der Estrich schlägt den standardmäßigen 300-Liter-Heizungspuffer um das Fünffache – und das gänzlich ohne Investitionskosten für zusätzliche Speicherbehälter, Umwälzpumpen und Verrohrungen.

Der thermodynamische Haken: Warum Vorlauftemperaturanhebung Effizienz vernichtet

Dass man den Pufferspeicher nicht beliebig als Solar-Akku vollpressen sollte, liegt am zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Die Leistungszahl (COP) einer Wärmepumpe hängt maßgeblich vom Temperaturhub ab – also der Differenz zwischen der Umwelt-Quellentemperatur (Außenluft oder Erdreich) und der Vorlauftemperatur des Heizkreises.

Als Faustformel gilt in der Kältetechnik: Jedes Kelvin zusätzlicher Vorlauftemperatur senkt den COP um 2,0 bis 2,5 Prozent. Wer einen Heizungspuffer mittags von 35 °C auf 55 °C hochjagt, um möglichst viele Kilowattstunden unterzubringen, zwingt den Verdichter in einen extrem ungünstigen Betriebspunkt. Bei 2 °C Außentemperatur bricht der COP einer modernen Luft-Wasser-Wärmepumpe von rund 3,9 (bei 35 °C Vorlauf) auf etwa 2,3 (bei 55 °C Vorlauf) ein.

Das führt zu einem ökonomischen Paradoxon: Zwar stammt der Strom vom eigenen Dach, doch die Wärmepumpe verbraucht für dieselbe Wärmemenge rund 70 Prozent mehr Strom. Hinzu kommen exponentiell steigende Abstrahlverluste des Speichers. Steht der Puffer in einem unbeheizten Kellerraum, geht ein spürbarer Teil der mühsam eingelagerten Exergie über die Dämmung verloren, bevor die Wärme abends die Heizkreise erreicht.

Beim Laden des Estrichs tritt dieses Effizienzproblem in viel geringerem Maße auf. Da die Fußbodenheizung eine enorme Übertragungsfläche besitzt, reicht eine minimale Vorlaufanhebung von 2 bis 3 K aus, um über mehrere Stunden kontinuierlich Wärme in die Estrichplatte einzuspeisen. Der COP sinkt dabei lediglich um 4 bis 7 Prozent – ein Verlust, der durch den finanziellen Vorteil des billigen PV-Eigenstroms mühelos aufgewogen wird.

SG-Ready und Smart Grid: Was Standard-Schnittstellen leisten – und was nicht

Um die Wärmepumpe wissen zu lassen, dass die Photovoltaikanlage Überschuss produziert, greifen viele Installateure zum Branchenstandard: dem Label SG Ready des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP). Die Schnittstelle basiert technisch auf zwei simplen Schaltkontakten (Relais), die vier standardisierte Betriebszustände abbilden:

• Betriebszustand 1 (1:0): Sperrzeit (EVU-Sperre), Verdichter ruht für maximal 2 Stunden.
• Betriebszustand 2 (0:0): Normalbetrieb nach der eingestellten außentemperaturgeführten Heizkurve.
• Betriebszustand 3 (0:1): Verstärkter Betrieb. Die Wärmepumpe hebt Soll-Temperaturen im Puffer oder Vorlauf um einen fest hinterlegten Wert an (meist 2 bis 5 K).
• Betriebszustand 4 (1:1): Definierter Anlauf. Maximale Vorlauf- und Speicherüberhöhung; teils wird sogar der elektrische Heizstab freigegeben.

Das gravierende Manko: SG Ready ist blind für Leistungsmengen. Der Kontakt schaltet binär (Ein/Aus). Meldet der Wechselrichter bei 1.500 Watt Solarüberschuss das Signal für Zustand 3, kann er der Wärmepumpe nicht mitteilen, wie viel Energie exakt zur Verfügung steht. Schaltet die Wärmepumpe daraufhin ihre Leistungsstufe hoch und zieht 3.000 Watt elektrisch, werden die fehlenden 1.500 Watt unbemerkt und teuer aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen. Zieht zudem eine Wolkenbank auf, schaltet SG Ready ohne Dämpfung oft zeitverzögert ab – was zu unerwünschtem Verdichter-Taktbetrieb führt.

Moderne Energiesysteme setzen deshalb zunehmend auf dynamische Protokolle wie EEBUS oder Modbus TCP über LAN. Hierbei übergibt das Home Energy Management System (HEMS) der Wärmepumpe stufenlos den exakten Watt-Überschuss, sodass der Inverter-Kompressor seine Drehzahl millimetergenau der PV-Kurve anpassen kann.

Die saisonale Realität: Der solare Fehlabgleich im Winter

Jede Betrachtung des Vorratsheizens muss die saisonale Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage berücksichtigen. Eine typische 10-kWp-Photovoltaikanlage auf einem deutschen Satteldach erzeugt an klaren Sommertagen 50 bis 65 kWh Strom pro Tag. An diesen Tagen benötigt das Haus jedoch keinerlei Raumheizung, sondern lediglich rund 2 bis 3 kWh thermische Energie für das Trinkwarmwasser. Das Warmwasser auf 60 °C aufzuheizen, bindet höchstens 1,5 bis 2 kWh Strom – der verbleibende Ertrag fließt ins Netz.

Im Dezember und Januar kehrt sich das Bild radikal um: Bei trübem Hochnebel liefert dieselbe PV-Anlage oft tagelang nur 1 bis 4 kWh Strom pro Tag – während das Gebäude gleichzeitig eine Heizlast von 40 bis 80 kWh thermisch pro Tag aufweist. In dieser Phase gibt es schlicht keinen Überschuss, den man im Estrich vorhalten könnte; der gesamte Solarertrag wird bereits vom Grundbetrieb der Wärmepumpe und den Haushaltsgeräten sekundengenau aufgesaugt.

Das reale Zeitfenster für thermisches Vorratsheizen beschränkt sich daher auf die Übergangsmonate März bis Mai sowie September bis Oktober. In diesen rund 120 Tagen des Jahres trifft nennenswerter Solarertrag auf reale Heizlast. Hier lässt sich die Heizkurve tagsüber so manipulieren, dass die Wärmepumpe den Estrich durchlädt und in den kühlen Abend- und Nachtstunden komplett pausieren kann.

Praxis-Regelstrategie: Sanfte Anhebung ohne Effizienz-Kollaps

Wer den Estrich als thermischen Akku wirtschaftlich nutzen möchte, sollte die Steuerung nicht blind den Werkseinstellungen der SG-Ready-Relais überlassen. Aus der Praxis haben sich folgende Parameter bewährt:

Ein oft unterschätzter Nebeneffekt bei Fußbodenheizungen ist der bauphysikalische Selbstregeleffekt: Scheint mittags kräftig die Sonne durch Südfenster ins Wohnzimmer, erwärmt die solare Einstrahlung den Raum passiv auf 23 oder 24 °C. Hat die Wärmepumpe den Estrich zur selben Zeit auf Vorrat hochgeheizt, kann der Boden keine Wärme mehr an den Raum abgeben – oder heizt diesen unerträglich auf 25 °C auf. Öffnen die Bewohner daraufhin die Fenster auf Kipp, verpufft der sorgsam gesammelte Solarstrom buchstäblich in der Frühlingsluft.

Eine erfolgreiche Strategie verzichtet daher auf extreme Peaks. Viel wirksamer ist eine leichte zeitgesteuerte Sollwertanhebung der Heizkurve um 1,5 K im Zeitfenster von 11:00 bis 15:30 Uhr, kombiniert mit einer dezenten Nachtabsenkung um 1,5 K ab 20:00 Uhr. Dadurch verschiebt sich der Hauptenergiebedarf ganz ohne teure Zusatzhardware und ohne nennenswerte COP-Verluste in die sonnenreichen Stunden des Tages.