Thermische Solaranlagen - BINE Informationsdienst
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basisEnergie 4 Energiethemen begreifen Thermische Solaranlagen Mit Sonnenenergie heizen und Brauchwasser erwärmen Rund zwei Millionen Kollektoranlagen sammeln auf deutschen Dächern solare Wärme, damit Hausbewohner duschen, waschen und heizen können. Bis zum Jahr 2020 möchte die Bundesregierung den Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch von Wärme von 11 Prozent auf 14 Prozent steigern. Solaranlagen werden hierzu einen großen Beitrag leisten. Ohne die Energie der Sonne wäre das Leben auf der Erde undenkbar. Alle Lebensprozesse sind direkt oder indirekt von der Aktivität der Sonne abhängig. Selbst die fossilen Brennstoffe – Kohle, Öl und Erdgas – sind nichts anderes als in Jahrmillionen gespeicherte Sonnenenergie. Schon die Sonnenenergie, die in weniger als einer halben Stunde die Erde erreicht, genügt theoretisch, um den jährlichen Weltenergiebedarf zu decken. Selbst in Deutschland, einem Land mit relativ hohem Energiebedarf und weniger günstigen klimatischen Verhältnissen, fällt pro Jahr 80-mal so viel Sonnenenergie ein, wie das komplette Land an Energie verbraucht. Dieses Potenzial an Solarenergie lässt sich zur Stromerzeugung (Photovoltaik) oder zur Wärmeerzeugung nutzen (Solarthermie). Solaranlagen sorgen für warmes Wasser beim Spülen, Duschen und Waschen. In der kälteren Jahreszeit unterstützen sie die Raumheizung. Auch bei industriellen Prozessen, Klimaanlagen, Kraftwerken oder in Schwimmbädern kommt die solare Wärme zum Einsatz. Der Großteil der Solaranlagen in Deutschland wird mittlerweile als sogenannte Kombi-Anlagen betrieben – mit steigender Tendenz. Diese Systeme tragen sowohl ganzjährig zur Warmwassererzeugung als auch während der Übergangsperiode und im Winter zur Heizungsunterstützung bei. 2 BINE-basisEnergie 4 Diffuse und direkte Sonnenstrahlung Die Strahlung der Sonne trifft mit einer Intensität von 1.340 W/m2 auf die Atmosphäre der Erde. Auf dem Weg durch die atmosphärische Hülle unseres Planeten verliert die Sonnenstrahlung durch Reflexion und Absorption an Intensität. Das Strahlungsangebot der Sonne hängt aber auch vom Einstrahlwinkel der Sonne ab. Bedingt durch die Schrägstellung der Erdachse zur Umlaufbahn der Erde, treten abhängig von der Jahreszeit unterschiedliche Sonnenhöchststände auf. An Wintertagen erreicht weniger Sonnenenergie die nördliche Halbkugel als im Sommer, da die Tage kürzer sind und die Sonne niedriger steht. Globalstrahlung nennt man die solare Strahlung, die letztlich auf der Erdoberfläche messbar ist. Sie setzt sich zusammen aus der an Wolken oder Dunst gestreuten diffusen Strahlung und der direkten Solarstrahlung, die ohne Ablenkung die Atmosphäre passiert. Direkte Strahlung lässt sich mit Spiegeln und Linsen bündeln und so für Prozesse mit hohen Temperaturen, wie in Dampfturbinen zur Stromgewinnung, einsetzen. Diffuse Strahlung hingegen kommt aus dem gesamten Himmelsbereich und lässt sich daher nicht optisch fokussieren. Abb. 1 Globalstrahlung besteht in Mitteleuropa je nach Jahreszeit zu 50 – 70 % aus diffuser Strahlung. Um ein Maximum an direkter Strahlung nutzbar zu machen, sind Systeme nötig, die dem Verlauf der Sonne nachgeführt werden. Da der Anteil der diffusen Strahlung in unseren Breiten im Jahresmittel etwa 50 % der Globalstrahlung ausmacht und nachführende Systeme aufwendig und teuer sind, finden bei uns nur Anlagen Anwendung, die Globalstrahlung nutzen. So funktionieren Solaranlagen Solarkollektoren sammeln Sonnenlicht und wandeln es in den Absorbern in Wärme um. Die Absorberstreifen sind mit Rohren verbunden, die ein frostsicherer Wärmeträger durchströmt, in der Regel ein Wasser/GlykolGemisch. Der Wärmeträger nimmt die Wärme auf und transportiert diese in einen Solarwärmespeicher. Da die Zeit der Sonneneinstrahlung und der Verbrauch von Wärme zeitlich oft auseinander liegen, ist ein Speicher für die Wärme wesentlicher Bestandteil eines Solarsystems. Der Speicher soll die Wärme solange vorhalten, bis der Verbraucher sie nachfragt. Angetrieben durch eine Pumpe transportiert der Solarkreis die Wärme zum Wärmetauscher, der diese an den Pufferspeicher abgibt. Die Regelung ist so angelegt, dass die Pumpe in Gang gesetzt wird, sobald die Temperatur im Kollektor einige Grade über der Temperatur im Speicherteil der Anlage liegt. Im Sommer reicht die gewonnene Sonnenwärme meist für den gesamten Warmwasserbedarf. In den Wintermonaten muss das solar vorgewärmte Wasser zusätzlich mit einer konventionellen Öl-, Gas- oder Holzheizung oder Wärmepumpe erwärmt werden. Soll die Solarwärme neben der Erwärmung des Brauchwassers auch die Raumheizung unterstützen, wird ein zweiter, größerer Speicher als Wärmepuffer für die Heizung benötigt. Üblich ist ein sogenanntes Tank-in-Tank-System. Abb. 2 Solaranlage zur Brauchwassererwärmung (links) und zur kombinierten solaren Raum- und Warmwasserheizung Rücklauf Glasabdeckung Vorlauf Dämmung Absorber Abb. 3 Prinzipieller Aufbau eines Flachkollektors BINE-basisEnergie 4 Bei dieser platzsparenden Lösung befindet sich ein zusätzlicher, geschlossener Behälter für die BrauchwasserSpeicherung im größeren Heizwasser-Speicher. Steht im Winter nicht genügend Sonnenstrahlung zur Verfügung, wird die konventionelle Heizung zugeschaltet, sobald die Temperatur im oberen Teil des Speichers zu gering ist. Kollektortypen Bei Solaranlagen für die Warmwasserbereitung und Raumheizung werden überwiegend verglaste Flachkollektoren (Abb. 3) oder Vakuumröhrenkollektoren (Abb. 4) verwendet. Erstere besitzen ein gut wärmegedämmtes Gehäuse mit transparenter Abdeckung des Absorbers, welches Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung reduziert. Mit diesem Kollektortyp können bei Temperaturen bis 50 °C Wirkungsgrade von etwa 70 % erreicht werden. Das heißt, 70 % der auftreffenden Strahlungsenergie wird in nutzbare Wärme umgewandelt. Noch bessere Wirkungsgrade und höhere Temperaturen lassen sich mit Vakuumröhrenkollektoren erzielen. Bei ihnen befinden sich die einzelnen Absorberstreifen in nahezu gasfreien (evakuierten) Glasröhren. Dieses Vakuum bietet eine ideale thermische Isolation, die die Wärmeverluste durch Konvektion der Luft verhindert. Insbesondere bei der Heizungsunterstützung, aber auch zur Prozesswärmeerzeugung werden Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Die aufwendigere Technik bedeutet höhere Investitionskosten. Als Absorbermaterialien werden Metalle wie Kupfer oder Aluminium genutzt. Eine sogenannte selektive Beschichtung der Absorber sorgt dafür, dass die Aufnahme von Strahlungsenergie erhöht wird und die Abstrahlung von Wärme minimiert. Eine weitere Steigerung der Energieausbeute erreicht man durch die Verwendung von Antireflexglas als Abdeckung. Haben bislang bei normalem Glas bestenfalls 90 % des Lichts das Kollektorinnere erreicht, so sind es bei Antireflexglas über 95 %. Abb. 4 Vakuumröhrenkollektor 1.250 1.200 1.150 1.100 1.050 1.000 950 900 850 Abb. 5 Regionale Verteilung der Intensität der Sonnenstunden in Deutschland Wärmespeicher Da Wärme oft gerade dann benötigt wird, wenn die Sonne nicht scheint, muss ein Solarsystem mit einem gut gedämmten Speicher ausgerüstet sein. Wenn dieser Trinkwasser vorhalten soll, muss er darüber hinaus aus Edelstahl hergestellt oder geeignet beschichtet sein. Durch geschickte Be- und Entladung von schlanken, hohen Wärmespeichern kommt es zu einer Temperaturschichtung des Wassers. Aufgrund seiner geringeren Dichte steigt das warme Wasser in den oberen Teil des Speichers, während das kalte Wasser im unteren Bereich bleibt. Die thermische Beladung des Speichers erfolgt über einen Wärmetauscher in das niedrigere Temperaturniveau. Da hier die Differenz zur Kollektortemperatur am größten ist, wird die Kollektorbetriebstemperatur besser abgesenkt. Dies wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad der Anlage aus, da kaltes Wasser mehr Wärme aufnehmen kann als warmes Wasser. Die Entnahme als Brauchwasserwärme oder Heizwärme erfolgt aus dem oberen, wärmeren Speicherbereich. Reicht die solar gewonnene Warmwasserentnahme Heizungsvorlauf (Nachheizung) Heizungsrücklauf (Nachheizung) Solarkreisvorlauf Solarkreisrücklauf Kaltwasserzulauf Abb. 6 Solarspeicher benötigen neben dem Wärmetauscher für die Heizung einen weiteren zur Einbindung des Kollektorkreises. 3 BINE-basisEnergie 4 Solarthermie-Branche in Deutschland Kurzprofil zum Ende 2013 1 Im Jahr 2013 neu installierte Solarkollektorfläche 1,02 Mio. m2 Insgesamt installierte Solarkollektorfläche 2013 17,5 Mio. m2 Im Jahr 2013 neu installierte Solarwärme-Leistung 714 MW th bitte Original senden Insgesamt installierte Solarwärme-Leistung 201312,3 GW th Entwicklung Solarkollektorabsatz von 2012 auf 2013 – 11 % Anzahl der im Jahr 2012 neu installierten Solarwärme-Anlagen 136.000 Insgesamt installierte Solarwärme-Anlagen bis Ende 2013 1,9 Mio. Solarwärmeerzeugung durch Solarwärme-Anlagen im Jahr 2013 > 7 TWh th CO2-Vermeidung 2013 > 1 Mio. Tonnen Typen von Solaranlagen Inlandsumsätze der Solarwärme-Branche 2003 / 2013 0,55 / 0,9 Bei Solaranlagen werden zwei Typen unterschieden: Systeme, die für die reine Warmwasserbereitung genutzt werden sowie Anlagen, die zusätzlich der Heizungsunterstützung dienen, sogenannte Kombianlagen. Eine vierköpfige Familie in Deutschland kann je nach Klimaregion mehr als die Hälfte ihres Wärmebedarfs für Brauchwasser mit 4 bis 6 m2 Kollektorfläche solar decken. Der wichtigste Schritt der Anlagenplanung besteht in der möglichst genauen Abschätzung des Warmwasserverbrauchs. Dies ist die entscheidende Größe zur Dimensionierung der zu installierenden Kollektorfläche. Solaranlagen müssen in die bestehende Heizungs- und Warmwasseranlage eines Gebäudes integriert werden. Das Speichervolumen muss auf die Kollektorfläche abgestimmt sein. Ein Speichervolumen des etwa doppelten Tagesbedarfs an Warmwasser oder 50 bis 60 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche haben sich hier bewährt. Eingesparte Brennstoffkosten durch Entweder wird das kalte Wasser, das von den Heizkörpern zurückkommt, solar vorgewärmt und dann vom Heizkessel auf Solltemperatur gebracht oder die Solarenergie wird in einen großen Speicher geladen, der im oberen Bereich auf Solltemperatur gehalten wird. Der Kreislauf für die Heizung wird aus dem oberen Bereich des Speichers durch die Heizkörper wieder zurück in den Speicher geführt. Für ein Einfamilienhaus mit vier Personen müssen mindestens 10 m2 Kollektorfläche für eine Kombianlage zur teilsolaren Raumheizung und Warmwasserbereitung eingeplant werden. Eine Kombianlage eignet sich vor allem für gut gedämmte Gebäude mit niedrigem Heizenergiebedarf. Solarwärmetechnologie 2000 / 2005 / 201320 / 60 / > 250 Mio. € 1 Quellen: BSW-Solar, BDH, BMU, gerundete Werte 2.500 2.000 1.500 1.000 Vakuumröhrenkollektoren Flachkollektoren Abb. 8 Installation von Vakuumröhrenkollektoren und Flachkollektoren im Vergleich 90 70 50 Solares Nahwärmesystem 30 Ein Nahwärmenetz versorgt von einer möglichst zentral gelegenen Heizzentrale aus mehrere angeschlossene Gebäude mit Wärme. Die großen Kollektorfelder eines solaren Nahwärmesystems sind auf einzelnen Häusern oder zentralen Gebäuden installiert. Dabei können bis zu 20 % der benötigten Wärme aus Solarenergie gewonnen werden. Soll ein deutlich größerer Anteil des jährlichen Wärmebedarfs solarthermisch gedeckt werden, ist der Einsatz von großen, saisonalen Wärmespeichern 10 –90 –70 –50 Ost Azimutwinkel [°] –30 –10 10 Süd 30 50 70 90 West Abb. 9 Der Solarertrag ist abhängig von Ausrichtung und Neigung der Kollektorfläche. 2013 2011 2010 2009 2007 2008 2006 2005 2003 2004 2001 2002 1999 2000 1997 1998 1995 1996 1993 0 1994 500 1992 Neu installierte Kollektorfläche [1.000 m2] Abb. 7 Zahlen zur Solarthermie-Branche in Deutschland Neigungswinkel [°] Kombianlagen arbeiten im Prinzip wie Anlagen zur reinen Brauchwassererwärmung. Die Erzeugung von Heizwärme erfolgt meist zusätzlich. Kollektorfläche und Speicher sind hierzu etwas größer ausgelegt und der Speicher wird zusätzlich an das Heizungssystem angeschlossen. Anteil der Solarwärme am Wärmebedarf deutscher Haushalte 20131 % 2012 Energie nicht aus, um diesen Entnahmebereich auf Solltemperatur zu bringen, so wird mit einer konventionellen Zusatzheizung nachgeheizt. Da im Bedarfsfall nur der Entnahmebereich im oberen Speicherteil und nicht das ganze Speichervolumen nachgeheizt werden muss, können so Energiekosten minimiert werden. Die Temperaturschichtung sollte daher beim Beladen und bei der Entnahme der Wärmefracht möglichst nicht zerstört werden. Schichtladesysteme helfen bei der Optimierung der Temperaturschichtung. 4 5 BINE-basisEnergie 4 (Langzeit-Wärmespeicher) unumgänglich. Systeme mit diesen Speichern sind auf solare Deckungsanteile von 50 % und mehr ausgelegt. Mit ihnen kann ein Teil der im Sommerhalbjahr solar erzeugten Wärme bis in das Winterhalbjahr gespeichert werden. Solare Nahwärmesysteme sind immer Kombianlagen. Es gibt sie sowohl für neu gebaute als auch für sanierte Siedlungen. Klimatisierung Mit Hilfe von Solarenergie wird bei der solaren Klimatisierung die Luft gekühlt und die Luftfeuchte reguliert. Derartige Anlagen findet man meist in Nicht-Wohngebäuden, in denen sich viele Menschen versammeln, z. B. Bürogebäude, Theater, Sporthallen. Bei diesem Verfahren wird die Antriebsenergiequelle einer Kältemaschine oder eines Klimatisierungsverfahrens durch solare Wärme statt elektrischer Energie aus dem Stromnetz, betrieben. Die CO2-Emission ist vergleichsweise gering. Ein weiterer Vorteil bei der Kühlung mit solarer Wärme: Die Sonneneinstrahlung ist in den meisten Fällen am stärksten, wenn auch der höchste Klimatisierungs­ bedarf besteht. Abb. 10 Insgesamt 2.921 Quadratmeter Kollektorfläche speisen in das solare Nahwärmesystem „Am Ackermannbogen“ ein. Prozesswärme in der Industrie Der Prozesswärmebedarf im produzierenden Gewerbe macht einen erheblichen Anteil des Gesamtenergieverbrauchs der industrialisierten Länder aus, allein in Deutschland rund 30 % des gesamten Endenergieverbrauchs. Da Wärme nicht verlustarm über weite Strecken transportiert werden kann, sind für die Nutzung solarer Prozesswärme nur Standorte geeignet, bei denen sowohl günstige Einstrahlbedingungen als auch genügend Fläche zur Aufstellung der Kollektoren vorhanden sind. In Zeiten geringer solarer Einstrahlung muss eine hundertprozentige Energiereserve aus konventionellen Anlagen verfügbar sein. Prozessschritte, für die eine vergleichsweise geringe Temperatur erforderlich ist, bieten gute Voraussetzungen für die Integration thermischer Solaranlagen. Vor allem für Unternehmen mit reinem Tagesbetrieb und zur Kühlung und Klimatisierung ist solare Prozesswärme interessant. Gut geeignete Einsatzgebiete bietet zum Beispiel die Lebensmittelindustrie. Abb. 11 In eine Fassade integrierte Vakuumkollektoren Solarthermische Kraftwerke Solarthermische Kraftwerke nutzen solare Hochtemperaturwärme, um CO2-frei Strom zu erzeugen. Dabei wird die direkte Sonneneinstrahlung mit Spiegelsystemen stark konzentriert. Je nach Art des verwendeten Spiegelsystems unterscheidet man Parabolrinnen- und Turmkraftwerke sowie Fresnelsysteme. Dies sind größere, netzintegrierte Kraftwerke. Damit ein Solarkraftwerk wirtschaftlich sinnvoll arbeiten kann, ist ein hoher Anteil direkter Sonneneinstrahlung nötig. Nur diese lässt sich so auf Punkte oder Linien bündeln, dass hohe Temperaturen entstehen. Geeignete klimatische Voraussetzungen findet man rund ums Mittelmeer und in Nordafrika. Abb. 12 Solarthermische Kraftwerke, hier eine Parabolrinne, brauchen einen hohen Anteil direkter Sonneneinstrahlung. BINE Projektinfo 01/2010 BINE-basisEnergie 4 Perspektiven für die Solarthermie Laut einer aktuellen Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE könnten 2050 ein Drittel der dezentralen Heizungsanlagen und zwei Drittel der zentralen Anlagen in Wärmenetzen mit Solarthermie ausgestattet sein. Voraussetzung ist eine weitere Kosten­ reduktion in diesem Bereich. Im Jahr 2013 wurde eine Solarkollektorfläche von rund einer Millionen Quadratmetern neu installiert. Weit über 90 Prozent der Neuinstallationen fand bei Ein- und Zweifamilienhäusern statt. Anwendungen in den Bereichen solare Nahwärme, Klimatisierung sowie solare Prozesswärme bleiben nach wie vor die Ausnahme. Die Solarthermiebranche in Deutschland hat in den letzten Jahren eine schwere Krise durchlebt. Der Absatz von Solarkollektoren ist von 2012 auf 2013 um 11 Prozent zurück­ gegangen. Weltweit hingegen wächst der Markt für Solarthermie kontinuierlich an. Rund zwei Drittel aller Installationen finden in China statt. Ein weiterer wichtiger Zukunftsmarkt befindet sich in Indien. Durch Forschung und Entwicklung ist die Solarthermie-Technologie vor allem in der solaren Warmwasseraufbereitung und Heizungsunterstützung weitestgehend ausgereift. Verbesserungen können noch erreicht werden, indem zum Beispiel die Kosten ganzer Systeme sowie einzelner Komponenten reduziert und die Installation der Anlagen durch vorgefertigte Systeme vereinfacht wird. Beispiele sind Solarkollektoren, bei denen einzelne Bestandteile aus günstigerem Kunststoff gefertigt werden oder einfache, kompakte Speicherlösungen. Hier besteht die Möglichkeit, die Speicher aus einzelnen Modulen zu fertigen, die erst in den Räumlichkeiten vor Ort zusammengesetzt werden. Gleichzeitig muss die Funktions- und Ertragssicherheit der Anlagen weiter erhöht werden. Weitere Forschungsfelder sind sogenannte solare Plusenergiehäuser oder Solaraktivhäuser. Dies sind Gebäude bei denen ein Großteil des Wärmebedarfs mit Solarenergie gedeckt wird. Eine weitere Möglichkeit ist die Verbindung der elektrischen und thermischen Solarenergiewandlung in einer einzigen Komponente, einem photovoltaisch-thermischen (PVT-) Kollektor. Impressum ISSN 1438-3802 Herausgeber FIZ Karlsruhe · Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen Autorin Birgit Schneider Stand Januar 2015 Urheberrecht Titelbild: www.wagner-solar.com Abb. 1, 3: BINE Informationsdienst Abb. 2: Agentur für Erneuerbare Energien Abb. 4: Viessmann Werke Abb. 5, 6, 9: Solarpraxis AG Abb. 7, 8, 12: BSW-Solar Abb. 10: Landeshauptstadt München Abb. 11: Universität Stuttgart, IBK2 Eine Verwendung von Text und Abbildungen aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion gestattet. Sprechen Sie uns an. Wie hoch die Kostenersparnis durch eine Solaranlage ausfällt, hängt von vielen Faktoren ab: vom Umfang der Sanierung, von den gewählten Maßnahmen und Techniken und nicht zuletzt von der künftigen Entwicklung der Energiepreise. Sicher ist lediglich, dass eine Solaranlage weitgehende Unabhängigkeit von der zukünftigen Energiepreisentwicklung schafft sowie einen Beitrag zur Reduktion des CO2-Ausstoßes leistet. Kontakt · Info Literatur >> Bollin, E.; Huber, K.; Mangold, D.: Solare Wärme für große Gebäude und Wohnsiedlungen. Stuttgart: Fraunhofer IRB-Verl., 160 S., ISBN 978-3-8167-8752-5, 29,80 Euro (Print), 23,80 Euro (E-Book), BINE-Fachbuch >> Weyres-Borchert, B.; Kasper, B.-R.: Solare Wärme. Technik – Planung – Hausanlage. Stuttgart: Fraunhofer IRB-Verl., 160 Seiten, ISBN 978-3-8167-9149-2, 29,80 Euro (Print), 23,80 Euro (E-Book). Das BINE-Fachbuch erscheint im Frühjahr 2015. Links >> Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. | www.dgs.de >> Forschungsverbund Erneuerbare Energien | www.fvee.de >> Bundesverband Solarwirtschaft | www.solarwirtschaft.de >> Öffentliche Förderprogramme | www.energiefoerderung.info Mehr vom BINE Informationsdienst >> Klima und Energie. BINE-basisEnergie 1 >> Altbau – Fit für die Zukunft. BINE-basisEnergie 11 BINE Informationsdienst berichtet aus Projekten der Energieforschung in seinen Broschürenreihen und dem Newsletter. Diese erhalten Sie im kostenlosen Abonnement unter www.bine.info/abo Fragen zu diesem Info? Wir helfen Ihnen weiter: 0228 92379-44 [email protected] BINE Informationsdienst Energieforschung für die Praxis Ein Service von FIZ Karlsruhe Kaiserstraße 185-197 53113 Bonn www.bine.info Gestaltung: KERSTIN CONRADI · Mediengestaltung, Berlin 6
