Verwendung von überschüssigem PV-Strom für heißes Wasser

Viele Betreiber ärgern sich über ihre geringen Einspeise-Vergütungen und nicht jeder kann oder mag viele tausend Euro in einen Stromspeicher investieren oder hat Zugriff auf eine PV-taugliche Wärmepumpe. Hinzu kommt, dass sich gekaufter Strom und fossile Brennstoffe erheblich verteuert haben, so dass es sich für Betreiber von PV-Anlagen inzwischen durchaus lohnen kann, den eigenen, überschüssigen PV-Strom für die Erwärmung von Brauchwasser und/oder die Heizungsunterstützung zu verwenden.

Exemplarisch möchte ich hier eine Lösung vorstellen, bei der ein elektronischer Energiemanager dynamisch einen Heizstab mit der Erzeugung von Wärme beauftragt und somit hilft, Erdgas für die Erwärmung des Trinkwasserspeichers einzusparen.

Und das ist die Ausgangslage:

• Wärmeerzeuger:  Erdgas-Brennwerttherme
• PV-Anlage mit knapp 10 kW peak, Südausrichtung
• Energiemanager: SMA Sunny Home Manager mit Erfassung der Bezugs- und Einspeiseleistung
• Wallbox:   Ja, administriert vom Energiemanager
• Batterie:  Ja, administriert vom Energiemanager
• Der vom Kunde beigestellte Heizstab
  • ist kompatibel mit, bzw. wird administriert vom SMA Sunny Home Manager
  • kommuniziert mit diesem über LAN-Kabel und muss deshalb ins häusliche Datennetz einkonfiguriert werden
  • kann seine Heizleistung auf Anforderung des Energiemanagers zwischen 0 und 3.000 Watt einregeln, je nach Sonneneinstrahlung und Stromverbrauch im Haus
  • hat beim Energiemanager geringste Priorität nach Batterie und Wallbox
  • Betriebsmodus = Optimierung Eigenverbrauch
  • hat Heizwedel aus Edelstahl
  • und einen 1 1/2-Zoll-Anschluss mit Kunststoff-Außengewinde
• Verrohrung:  Verzinktes Stahlrohr, im Trinkwaserbereich teilweise erheblich mit Rost zugesetzt
• Wärmespeicher:
  • Edelstahl-Speicher für Brauchwasser
  • 350 Liter Inhalt
  • Unteres Heizregister belegt von der Brennwerttherme
  • Oberes Heizregister frei, aber ungeeignet für Heizstab
  • Zirkulationsleitung: ja
  • Freier Anschluss für E-Heizstab: Nein
• Härte des Trinkwassers:  8,8° d. H.
• Pufferspeicher zur Heizungsunterstützung: Nicht vorhanden

Nach Abwägung aller Für und Wider wurde beschlossen, dass der neue Heizstab nicht in den Vorlauf der Gastherme eingebaut werden sollte. Stattdessen wurde eine Bypass-Leitung aus Edelstahl zwischen dem Kaltwasser-Zulauf unten am Speicher und dem Anschluss der Zirkulationsleitung auf halber Speicherhöhe neu errichtet. Der Rücklauf aus der bisher schon bestehenden Zirkulationsleitung und der Vorlauf vom Heizstab teilen sich nun also gemeinsam den Zirkulations-Anschluss am Wasserspeicher.  Der Heizstab beheizt unmittelbar das umströmende Trinkwasser, wodurch mögliche Einflüsse auf die Hydraulik der Gastherme vermieden werden. Im Hinblick auf  Korrosion wurde darauf geachtet, dass zwischen der neuen Bypass-Leitung  und der bestehenden Verrohrung aus verzinktem Stahlrohr jeweils Fittinge, bzw. Armaturen aus Rotguss, bzw. Messing liegen. Ebenfalls geachtet wurde darauf, dass mögliche Luftblasen aus der Bypass-Leitung nach oben in den Speicher entweichen können. Ebenso wurde darauf geachtet, dass der Heizstab bei Bedarf im eingebauten Zustand entkalkt werden kann, ohne dass Entkalkungs-Chemikalien in die umgebenden verzinkten Stahlrohre gelangen können.

Die Bypass-Leitung besteht somit im Wesentlichen aus

• einem 2-Zoll-Rohrabschnitt zur Aufnahme des Heizstabs
• einer  9-Watt Trinkwasser-Zirkulationspumpe zur Kühlung des Heizstabs, bzw. Transport von dessen Wärme in den Speicher
• Absperr- und Entleerventilen zur punktgenauen Entkalkung des Heizstabs
• je einem Bimetall-Thermometer vor und nach dem Heizstab zur direkten Überwachung der Aufheizung des am Heizstab vorbeiströmenden Wassers

Der Heizvorgang ist zusätzlich auch noch über das Bedien-Interface unmittelbar am Heizstab und auch über dessen Web-Interface beobachtbar - aber eben nicht die erzielte Temperaturspreizung.

Damit jeden Morgen der Speicher maximal für  Wärme aus dem Heizstab aufnahmefähig ist, wurde die Gastherme so konfiguriert, dass Sie nur am frühen Abend eine Chance erhält, den Speicher auf 45 Grad zu beheizen - sofern der Heizstab am Nachmittag den Speicher nicht bereits auf höhere Temperatur aufgeladen hat. Dadurch ist zumindest jederzeit ein warmes Duschbad möglich, auch wenn tagsüber nicht genügend Überschussstrom zur Verfügung stand.

Die maximale Beladetemperatur wurde am Heizstab mit Rücksicht auf die alten Wasserleitungen und in Ermangelung eines Sicherheits-Temperaturbegrenzers auf 60 Grad eingestellt.

Damit die neue Trinkwasser-Zirkulationspumpe, die den Heizstab kühlen soll, tatsächlich nur läuft, wenn auch der Heizstab heizt, wurde eine 3.500-Watt-Master-Slave-Steckdosenleiste eines Marken-Herstellers beschafft und der Heizstab mit seinem Stecker dort auf dem Master-Anschluss aufgesteckt.  Der Stecker der zugehörigen Zirkulationspumpe wurde in einen zugehörigen Slave-Anschluss gesteckt. Schaltet der Heizstab nun von Standby auf Heizbetrieb, so erkennt das die Steckdosenleiste und versorgt augenblicklich auch die zugehörigen Slave-Steckdosen mit Strom. Schaltet der Heizstab zurück in auf Standby, so unterbricht die Steckdosenleiste sofort die Stromzufuhr zu den Slave-Steckdosen und schaltet damit die angeschlossene Zirkulationspumpe wieder aus. Aus reiner Vorsicht, wegen der hohen Stromstärken und weil die Anlage sich im Dach eines Holzhauses befindet, haben wir die Steckdosenleiste zunächst einmal bis auf weiteres in einem feuerhemmenden Keramiktopf einquartiert und auch geprüft, dass ein Brandmelder in der Nähe installiert ist. Sicher ist sicher.

Nachfolgend einige Bilder zu  dem Projekt:

1. Ausgangslage - verzinkte Zirkulationsleitung direkt auf Edelstahl-Anschluss am Speicher aufgelegt:

Die beiden Stopfen oberhalb und unterhalb des Zirkulationsanschluses gehören zum oberen Heizregister.

Das obere Heizregister ist alleine schon durch seine hohe Position im Speicher für eine komplette Aufladung des Speichers ungeeignet.

2. Das Ergebnis jahrelanger Galvanik zwischen Stahl und Edelstahl nach teilweiser Demontage der verzinkten Zirkulationsleitung:

 3. Gesamtansicht der neuen Bypass-Leitung (alles noch ohne Isolierung):

Angst ist die Mutter eines langen Lebens: Die Master-Slave-Steckdose arbeitet "auf Bewährung" in einem feuerhemmenden Keramiktopf.

4. Genauer betrachtet - Sicht auf den Heizstab:

 5. Genauer betrachtet - Seitenansicht:

 6. Anschluss am Speicher unten:

Durch Abgriff des nachzuheizenden Wassers ganz unten am Speicher ist die vollständige Beheizung des Speichers möglich. Werksseitig vorbereitete Speicheranschlüsse für Heizstäbe befinden sich oft auf halber Speicherhöhe und erlauben dadurch einem Heizstab nur die Beheizung der oberen Speicherhälfte.