Warmes Wasser von der Sonne

Thermische Solaranlagen zur Wassererwärmung


 

 

Welches europäische Land nutzt am meisten die Solarenergie? Sonnenreiche Länder wie Italien, Spanien oder Griechenland? Mitnichten! Österreich hat hier die Nase vorn, mit ca. 13 m2 installierter Sonnenkollektorfläche je 1.000 EinwohnerInnen

Deutschland kommt gerade mal auf 1 m2 Kollektorfläche je 1.000 EinwohnerInnen.

Obwohl wir die Sonne lieben, genießen und sie für uns lebenswichtig ist, wird sie zur Energieumwandlung nur wenig technisch genutzt. Täglich liefert sie 10.000 bis 15.000 mal soviel Energie, wie wir heute weltweit verbrauchen. Warum wird sie nicht genutzt?

Die solare Wassererwärmung mit Sonnenkollektoren stellt die z.Zt. wirtschaftlich interessanteste Form der Sonnenenergienutzung dar. Dieses Segment der regenerativen Energienutzung bietet erhebliche Marktchancen. Richtig ausgelegte Sonnenkollektoren mit aufeinander abgestimmten Systemkomponenten können 50 - 60% des jährlichen Energiebedarfs für die Wassererwärmung in 1- und 2- Familienhäusern, aber auch Mehrfamilienhäusern und Wohnsiedlungen einsparen. In den Sommermonaten April/Mai bis August/September kann die Sonnenenergie die Erwärmung von Wasser nahezu voll übernehmen.

Thermische Solaranlagen sind Absorber zur Umwandlung der Sonneneinstrahlung in Wärme. Diese wird an ein flüssiges oder gasförmiges Transportmedium abgegeben. Je nach Intensität der auftretenden Strahlung unterscheidet man zwischen Niedertemperaturkollektoren (T<200°C) und Hochtemperaturkollektoren (T>200°C), wobei letztere in unseren Breitengraden weniger in Betracht kommen - in Wüstengebieten und zur Energieversorgung von Entwicklungsländern aber umsomehr.

Thermische Solaranlagen funktionieren relativ einfach: Der Absorber, als Kernstück des Solarkollektors, wandelt die kurzwellige Sonnenstrahlung in langwellige Wärmestrahlung um.

Die Sonnenstrahlung erwärmt die Solarflüssigkeit - in der Regel Wasser-/Glykol-Frostschutzgemisch. Über eine einfache Temperaturdifferenzregelung wird eine Umwälzpumpe geschaltet und bringt die Flüssigkeit im geschlossenen Kollektorkreislauf in einen Warmwasserspeicher. Dabei wird über einen Wärmetauscher Wärmeenergie an der Wasserspeicher abgegeben. Ist das Strahlungsangebot zu gering, wird die Umwälzpumpe abgeschaltet. Die Anlage arbeitet automatisch und wartungsfrei. Reicht die Solarenergie bei Sonnenmangel oder im Winter nicht aus, wird die konventionelle Heizung zugeschaltet und erwärmt das Wasser bis zur eingestellten Temperatur (z.B. 45°C).

 

 

 

Niedertemperatur-Anwendungen

Vom Prinzip her beginnt diese Palette der Absorbersysteme mit dem schwarzen Schlauch, der als Schlange im Garten ausgelegt schon zur Heizung des Swimmingpools geeignet sein kann oder über Absorbermatten, die sich vom Schlauch im wesentlichen durch die Größe ihrer Oberfläche unterscheiden, bis hin zum Flachkollektor und Vakuumkollektor.

Je nach Höhe des benötigten Temperaturniveaus muß man für den einzelnen Anwendungsfall das geeignete Absorbersystem auswählen," wobei ein steigendes Temperaturniveau mit steigenden Kollektorkosten einhergeht." ( *2).

 

 

Flachkollektor

Möglichkeiten der aktiven thermischen Nutzung von Sonnenenergie sind die Erwärmung von Brauch- oder Heizwasser, aber auch die Erzeugung von Warmluft durch Kollektoren. Im Gegensatz zur passiven Solarenergienutzung hängt der Wirkungsgrad aktiver Solarsysteme im wesentlichen von der Temperaturdifferenz Außenluft/Kollektorvorlauftemperatur und der Einstrahlungsdichte ab. Der Kollektorwirkungsgrad bzw. seine Fähigkeit, Solarstrahlung in Nutzenergie umzuwandeln, nimmt deshalb im Winter bei sinkenden Außentemperaturen und abnehmender Einstrahlungsdichte immer mehr ab. Entsprechend gibt es auch für jeden Kollektortyp eine Mindesteinstrahlung, bei der die Kollektorgewinne erstmals die Kollektorverluste überwiegen. (*3).

Die wohl verbreitetste Nutzung der Sonnenenergie geschieht mittels Flachkollektoren. Diese besitzen schwarze Platten (Absorber), die das Sonnenlicht absorbieren und in fühlbare Wärme umwandeln. Darunter befinden sich Rohre, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden, welches die Wärme abtransportiert.

Um die Verluste möglichst klein zu halten, werden Flachkollektoren in unseren Breiten auf der Rückseite mit einer Isolation versehen und erhalten auf der Vorderseite eine oder mehrere transparente Abdeckscheiben oder -folien. Flachkollektoren können wie Solarzellen sowohl direkte als auch diffuse Strahlung nutzen.

 

 

Vakuumröhrenkollektoren

Sie bestehen aus parallel geschalteten langen Glasröhren, in denen sich einzelne Absorberstreifen bei starkem Unterdrduck befinden.

Dadurch ergibt sich ein geringer Konvektionsverlust und ein höherer Energieertrag pro Flächeneinheit. Allerdings bedarf es der regelmäßigen Wartung, das Vakuum aufrecht zu erhalten, und der Preis pro effektiver Kollektorfläche liegt deutlich höher als bei Flachkollektoren. Bei manchen Produkten lassen sich die einzelnen Absorberstreifen in der Röhre drehen, so daß eine optimale Ausrichtung errreicht werden kann, selbst wenn das Dach diese nicht aufweist. (*4).

 

 

Planung und Ausführung von Solaranlagen

Die Kollektorfläche muß so bemessen sein, daß auch im Zeitraum der höchsten Sonneneinstrahlung - also in den Sommermonaten- das Energieangebot nicht wesentlich höher als der Energieverbrauch ist. Die Überdimensionierung der Fläche führt unweigerlich zu nicht nutzbaren Überschüssen, die keine Brennstoffeinsparung bringen. Eine Verdopplung der Kollektorfläche heißt also keinesfalls doppelte Energieeinsparung, da so nur der überproportionale Überschuß wächst.

Als Faustformel zu Errechnung der Flachkollektor- und Speichergröße für eine Jahresdeckung von 60% gilt (in unseren Breiten bei einer Süd-Ausrichtung mit gering anzusehenden Abweichungen von +/- 45°, einer Kollektorneigung von 30° bis 50° und einem mittleren Warmwasserverbrauch von ca. 50 Liter pro Tag und Person):

  • 1,3 bis 1,5 m2 Flachkollektorfläche pro Person;

  • 80 bis 100 Liter Speichervolumen pro Person.

Für einen 4-Personen-Haushalt ergibt das eine Kollektorfläche von 5,2 bis 6 m2 und ein Speichervolumen von 320 bis 400 Litern.

Steht zu wenig Fläche zur Montage der Flachkollektoren zur Verfügung wird der Einsatz von Vakuumröhren-Kollektoren empfohlen.

0,7 bis 1 m2 effektive Vakuumröhren-Kollektorfläche pro Person.

Orientierungsgrundlage für die Dimensionierung der Solaranlage sollten die Sommermonate sein. So kann der Heizkessel im Sommer für drei bis vier Monate total abgeschaltet werden. Der Wegfall der Kessel-Bereitschaftsverluste ergibt eine zusätzliche Energieeinsparung. Solaranlagen sind deshalb besonders in Kombination mit modernen Niedertemperatur- und Brennwertkesseln geeignet (Verringerung der CO2 Emissionen).

Zur genauen Berechnung der solaren Deckungsrate an der Trinkwassererwärmung gibt es Simulationsberechnungen. Die mit diesem Simulationsprogramm ermittelten Deckungsraten sollten bei kleineren Anlagen mindestens 50 bis 60%, bei größeren Anlagen mindestens 40% betragen.

 

Anwendungsgebiete im kommunalen Rahmen und Kosten

Solarbeheizte Schwimmbäder

Zur Erwärmung des Beckenwassers in Freibädern kommen Absorbermatten aus Kunststoff zum Einsatz, die das Beckenwasser direkt erwärmen. Die Systemkosten betragen für die komplett montierte Anlage 120 bis 200 DM pro m2 Absorberfläche. Ein Verhältnis von Absorberfläche zu Beckenoberfläche von ca. 0,7 bis 0,8 reicht sogar in Norddeutschland aus, um die gewünschte Temperaturerhöhung zu erbringen. ( *4, S.16).

In unseren Breiten ist dies mit 5 bis 8 Pfennig pro kWh die profitabelste Nutzung der Solarenergie. (*5).

Brauchwasserbereitung

Auch in kommunalen Einrichtungen ist die Warmwasserbereitung wie im privaten Ein- bzw. Zweifamilienhaus machbar: Hier finden Sonnenkollektoranlagen mit Kollektorflächen zwischen 5 und 15m2 Verwendung, bei Systempreisen für die komplettmontierte Anlage von 1700 bis 3000 pro m2 Kollektorfläche.

Die Wassererwärmung wird jedoch in Übergangszeiten und im Winter auf konventionelle Komponenten zurückgreifen, deren Anteil am Verbrauch jedoch bei hiesigen Einstrahlungsverhältnissen und über das Jahr gemittelt um etwa 40-60% reduziert werden. Eine thermische Anlage dieser Größenordnung ist zwischen 5.000 und 18.000 DM teurer als ein herkömmliches System. Unter günstigen Voraussetzungen erreicht man somit einen Leistungspreis von 10-20 Pf/kWh. Bei den derzeitigen Brennstoffpreisen ist die Wassererwärmung daher (leider) wirtschaftlich (noch) nicht konkurrenzfähig. (*5).

Solare Hausheizung

Da bei einer ausschließlich solaren Hausheizung auch für den Januar genügend Kapazität bereitzustellen ist und dann für das übrige Jahr die Kollektorfläche völlig überdimensioniert wäre, kann auf eine zusätzliche konventionelle Heizung nicht verzichtet werden.

Solare Hausheizungen mittels Kollektoren werden derzeit in der Regel mit einem Deckungsgrad von nur 15-19% ausgelegt, da hier der Preis mit ca. 22 Pf/kWh am niedrigsten ist (*6).

Wollte man die gesamte Raumheizung thermisch decken, so würde sich für ein Einfamilienhaus eine notwendige Kollektorfläche von 650m2 ergeben, was einem Preis von bis zu einer DM/kWh entspricht.(*6).

Durch die Verbesserung saisonaler Speicher kann sich der wirtschaftlich günstigste Deckungsgrad steigern lassen.

Solaranlagen zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung werden wegen der höheren Kosten vor allem dort eingesetzt, wo für das Heizungssystem sowieso ein Pufferspeicher benötigt wird, z.B. bei Anlagen mit Feststoffkessel oder Brennwertgerät. Verbesserte Wärmedämmung bis hin zum Niedrigenergiehaus machen derartige Anlagen zunehmend interessanter, da sich die Anlagengröße und damit die Kosten reduzieren.

(*4; S.16).

Beim Nullenergie-Haus ist eine hundertprozentige Deckung jedoch schon relativ kostengünstig realisiert worden. "Der Verzicht auf die konventionelle Heizung ist aber weniger mit Substitution durch Kollektoren erreicht worden , als vielmehr durch konsequente Isolation, ein die Abwärme der Abluft nutzendes Lüftungssystem, und passive Solarenergienutzung bei der Architektur." (*2, S.24).

Dezentrales Heizsystem

Mittels Flachkollektoren gewonnenes Warmwasser wird beim dezentralen Heizsystem in ein Nahwärmeversorgungsnetz eingespeist. Bei uns entstehen dabei Wärmebereitstellungskosten von 18-25 Pf/kWh. Dies ist ungefähr das doppelte von konventionellen Fernwärmeversorgungsanlagen (*7).

Größere Anlagen zur Warmwasserbereitung und Prozeßwärmeerzeugung im Geschoßwohnungsbau, Reihenhäusern, Siedlungen, Krankenhäuser, Sportstätten, Campingplätzen, Altenheimen, Gewerbebetrieben usw. wurden in der Vergangenheit zu wenig gebaut. Doch gerade hier ist ein Potential für die Solartechnik vorhanden, denn die spezifischen Kosten für derartige Anlagen sind um den Faktor 2 bis 3 geringer als bei Anlagen im Ein- und Zweifamilienhaus.

Förderung und Arbeitsplätze

"Die Förderung von solartechnischen Anlagen liegt bei ca. 15 bis 50 Prozent, je nach Bundesland und Anlagentyp, wobei die Geldmittel insgesamt beschränkt sind. Betrachtet man die Geldmenge, die in die Förderung regenerativer Energiequellen gesteckt wird, so fällt auf, daß es sich dabei eher um einen "Tropfen auf den heißen Stein" handelt, besonders wenn man vergleicht, welche Mittel in andere Bereiche fließen. So gesehen hat die Solaranlagenförderung heute eher den Charakter einer Alibifunktion und dient mangels politischem Willen nicht der großflächigen Einführung von Solartechnologie.

Schon in den letzten Jahren bemerkten wir eine Zunahme der Arbeitsplätze im Sonnenenergiemarkt - im Gegensatz zu den meisten anderen Branchen. Um die notwendige Klimaentlastung wirklich herbeizuführen, ist ein extrem verstärkter Einsatz der Sonnenenergie notwendig. Entsprechend wächst auch das Arbeitsplatzangebot." (Peter Stenhorst in *4) S.18).

 

 

Diese Seite ist Teil des Themenpaketes "Energiepolitik" der Kommunalpolitischen Infothek der Heinrich-Böll-Stiftung, zusammengestellt von der GAR NRW .

© Heinrich-Böll-Stiftung 1999

Anmerkungen/weitere Informationen:

1) Sonnenenergie-Schlüssel zur Zukunft?/ "Begegnungen 3/94", Evangelische Akademie Mühlheim, 1995 ; S.10.)

2) Erneuerbare Energien - Darstellung basierend Ringvorlesung im SS1992/WS 1994/95 ;

Prof. Dr. Meliß, FH Aachen/Abt. Jülich; Solar Initiative an der RWTH e.V., Aachen, 1995; S. 22.

3) Solarenergetische Planungsfibel, Dipl. Ing. VDI, Reinhard Müller, Köln

4) Umwelt direkt -. Messemagazin; Öko- Zentrum NRW, Hamm, Juni 1995; S.19

5) Meiß, M.: Erneuerbare Energien verstärkt nutzen, BMWI, Referat für Öffentlichkeitsarbeit, Oktober 1993 in *2

6) Knoche, K:F:: Solarenergietechnik, Vorlesungsumdruck, WS 1994/1995 in *2

7) Meliß,M.: Sonnenenergie, Vortrag i.R. d. Vortragsreihe "Erneuerbare Energien" der Solarinitiative an der RWTH Aacken, am 22.11.1994 in *2.

8) Grüne Ideen zur Energiepolitik Nr. 0/6 -Warmes Wasser von der Sonne ; Bündnis 90/Die Grünen, Kreisverband Aachen, Energiegruppe; 1996

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