IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 2/1998, Seite 45 ff.
Effektive Solarenergienutzung
Vakuumröhren-Kollektoren in Verbindung mit neuer Speichertechnologie
Dipl.-Ing. Wilfried Grießhaber*
Düstere Aussichten für die Zukunft verspricht ein Szenario, das vom gegenwärtigen Energieverbrauch, den dabei zum Einsatz kommenden Energieträgern und dem erwarteten Bevölkerungswachstum ausgeht. Rund um den Globus wird derzeit eine jährliche Energiemenge verbraucht, die etwa zwölf Milliarden Tonnen SKE (Steinkohleeinheiten) entspricht. Erzeugt wird sie überwiegend mit fossilen Brennstoffen. Diese sind bekanntlich weder unbegrenzt verfügbar, noch sonderlich freundlich zur Umwelt. Weiterhin eine Außenseiterrolle spielen die regenerativen Energien, zumindest jedenfalls in den hochindustrialisierten Ländern, obwohl sie bereits seit Jahren als Hoffnungsträger gehandelt werden.
Nicht von der Hand zu weisen ist demnach, daß die gefährliche Schieflage im Energiemix nach wie vor besteht. Kräftig zuspitzen könnten sich die daraus entstehenden Folgen für die Umwelt, falls die Prognose zahlreicher Experten eintreten wird: Aufgrund der fortschreitenden Industrialisierung und des geschätzten Bevölkerungswachstums rechnet man mit einer Verdoppelung des weltweiten Energiebedarfs bis zum Jahre 2025.
Bild 1: Verursacher des Treibhauseffektes.
Hauptverursacher des Treibhauseffektes
Sollte sich vor diesem Hintergrund am derzeitigen Energiemix nicht viel ändern, wäre die befürchtete Klimakatastrophe durch einen weiteren Anstieg der CO2-Emissionen, die mit einem Anteil von 50% als Hauptverursacher des Treibhauseffektes gelten (Bild 1), wohl endgültig vorprogrammiert. Will man hingegen das auf der Rio-Konferenz vereinbarte Ziel einer dauerhaft umweltgerechten Entwicklung erreichen, ist das Engagement sämtlicher Nationen gefragt, wobei den Industrieländern als Hauptverursacher von Schadstoffemissionen eine zentrale Rolle zukommt.
Das gilt nicht nur für die USA, die mit einem im Jahre 1990 ermittelten jährlichen Pro-Kopf-Ausstoß von rund 22 t CO2 eine unrühmliche Spitzenposition einnahmen. Durchschnittlich rund 11 t produzierte im gleichen Jahr auch jeder Bundesbürger, und damit immerhin rund fünfmal so viel wie ein Bürger aus den industriell wenig entwickelten Schwellenländern, wie zum Beispiel China. Eine Zahl, die verdeutlicht, daß auch hierzulande noch gewaltiger Handlungsbedarf besteht. Dabei sollte ebenfalls ins Kalkül gezogen werden, daß Schadstoffemissionen auch in volkswirtschaftlicher Hinsicht Unheil anrichten. Expertenschätzungen zufolge liegen die sozialen Kosten, die durch eine Tonne CO2 verursacht werden, bei etwa 400 DM.
Ein hohes Potential zur Energieeinsparung und Schadstoffreduzierung liegt in unseren Landen im Bereich der Gebäudeheizung und der Brauchwassererwärmung. Über 80% beträgt der Anteil für Heizung und Brauchwasser am gesamten Energiebedarf der Haushalte - mit entsprechenden Folgen für die Umwelt. So entstehen beispielsweise durch die Beheizung eines durchschnittlichen Einfamilienhauses von etwa 150 m2 Wohnfläche sowie für die Warmwasserbereitung jährlich 10 t CO2. Durch entsprechende Wärmeschutzmaßnahmen und den Einsatz moderner Heiztechnologien, wie zum Beispiel Gas-Brennwerttechnik sowie Nutzung regenerativer Energien, könnten unnötige Emissionen vermieden werden.
Thermische Solaranlagen mit hohen Zuwachsraten
Eine durchaus erfreuliche Entwicklung zeichnet sich im Bereich solarthermischer Anlagen ab. Nach Angaben des Deutschen Fachverbandes Solarenergie (DFS) stieg die Fläche installierter Kollektoren im Zeitraum 1990 bis Ende 1996 von 376.000 auf 1,8 Mio. m2. Dies entspricht jährlichen Zuwachsraten von immerhin 20%. Auf 100 Einwohner entfallen nunmehr bereits etwa 2,5 m2 Kollektorfläche.
Relativiert wird diese positive Trendwende jedoch beim Blick auf unser Nachbarland Österreich. Dort ist pro Kopf der Bevölkerung bereits siebenmal so viel Sonnenkollektorfläche installiert wie bei uns. Im Unterschied zur Alpenrepublik, wo inzwischen mit einer Marktsättigung im Segment thermischer Solaranlagen gerechnet wird, ist hierzulande trotz derzeitigem Wachstum noch immer ein enormes Steigerungspotential vorhanden.
Die Kollektoren gelten mittlerweile als technisch ausgereift. Neue Impulse für die Solartechnik gehen derzeit insbesondere vom Speichermarkt aus, wo die Entwicklungsmöglichkeiten noch längst nicht komplett ausgeschöpft sind. Über eine innovative Technologie, die als Prototyp der neuen Speichergeneration gilt, wird im letzten Kapitel dieses Beitrages ausführlich berichtet.
Sonne größte Energiequelle
Die Sonne ist die größte Energiequelle. In Deutschland liefert sie pro Jahr eine durchschnittliche Energiemenge von etwa 1000 kWh/m2, wobei die Schwankungsbreite je nach Region zwischen 900 und 1200 kWh/m2 liegt. Diese insgesamt auf die Horizontale auftreffende Strahlung wird als Globalstrahlung bezeichnet. Sie setzt sich zusammen aus Direkt- und Diffusstrahlung. Bei der Direktstrahlung gelangt der von der Sonne ausgehende Energiefluß in Form elektromagnetischer Wellen ohne Streuung auf die Erde. Ein Teil der einfallenden Sonnenstrahlen wird jedoch durch Reflexion sowie Streuung durch Wolken, Nebel oder Dunst abgelenkt bzw. geschwächt. Dieser Strahlungsanteil wird als Diffusstrahlung bezeichnet.
Gebiete mit überwiegend starker Bewölkung weisen einen hohen diffusen Strahlungsanteil bei insgesamt geringer Globalstrahlungssumme auf. Geringe Bewölkung bedeutet hingegen einen hohen Anteil an Direktstrahlung bei hoher Globalstrahlungssumme. Der für Mitteleuropa charakteristische Globalstrahlungs-Jahresmittelwert von 1000 kWh/m2 setzt sich wie folgt zusammen: Rund 730 kWh sind auf die direkte, ca. 270 kWh auf die diffuse Strahlung zurückzuführen.
| Bild 2: Strahlungsangebot im Jahresmittel. |
Für die thermische Nutzung der Sonnenenergie ist allerdings lediglich die Höhe der Globalstrahlungssumme entscheidend. Die in Deutschland geringe Schwankungsbreite der Globalstrahlungssumme von 900 bis 1200 kWh (Bild 2) beweist wiederum, daß die thermische Sonnenenergienutzung auch in vom Wetter nicht unbedingt verwöhnten Gebieten, wo der Anteil der diffusen Strahlung recht hoch ist, durchaus ihre Berechtigung hat.
| Bild 3: Monatsdurchschnitt der Global- und Diffusstrahlung. |
Die eigentliche Problematik der Sonnenenergienutzung in unseren Breitengraden liegt weniger in den regionalen Unterschieden, sondern in erster Linie in den jahreszeitlich bedingten Schwankungen zwischen dem Strahlungsangebot der Sonne und unserem Energiebedarf. Über zwei Drittel der jährlichen Globalstrahlungsenergie fallen im Sommer und nur knapp ein Drittel im Winterhalbjahr an. An einem sonnigen Sommertag wird etwa 10 mal soviel Energie eingestrahlt wie an einem bewölkten Wintertag (Bild 3). Um solarthermische Anlagen und Komponenten in der richtigen Größe dimensionieren zu können, müssen die Globalstrahlungswerte des Aufstellungsortes für das ganze Jahr zumindest als Monatssumme bekannt sein. Gleiches gilt für den zu erwartenden Warmwasserbedarf.
Maximierung der solaren Deckungsrate?
Als Bewertungskriterium für die Leistung einer Solaranlage wird oftmals eine möglichst hohe solare Deckungsrate zugrundegelegt. Diese gibt an, wieviel Prozent der für die Warmwasserbereitung pro Jahr benötigten Energie solar erzeugt werden kann. Die einseitige Zielsetzung, eine möglichst hohe jährliche solare Deckung zu realisieren, führt zwangsläufig zu erheblichen Überdimensionierungen von Solaranlagen. In Monaten mit hoher Globalstrahlungssumme wird eine überdimensionierte Anlage wesentlich mehr Energie liefern, als an den Zapfstellen abgenommen werden kann. Die Folge: Es wird überschüssige Wärme produziert, die nicht genutzt werden kann. Dadurch verschlechtert sich der Jahresnutzungsgrad, was auch im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage negativ zu Buche schlägt. Eine solare Deckungsrate von 100% sollte man daher nur für die Sommermonate anstreben. Bezogen auf das Gesamtjahr bedeutet dies einen Zielwert von etwa 65%.
Idealausrichtung und Dimensionierung
Eine möglichst hohe Energieausbeute wird bei nach Süden ausgerichteten Kollektoren erzielt, wobei die Kollektorfläche in unseren Breitengraden einen Neigungswinkel von etwa 45° aufweisen sollte. Abweichungen von der Südrichtung um weniger als 45° und vom optimalen Neigungswinkel um weniger als 20° führen lediglich zu geringen Ertragseinbußen. Bei sinnvoll dimensionierten Anlagen vermindern sie den jährlichen Ertrag um höchstens 10%. Ein Vier-Personen-Haushalt, dessen Wasser mit Hilfe von Vakuumröhren-Kollektoren beheizt werden soll, benötigt bei Idealausrichtung des Kollektorfeldes sowie gemessenem Pro-Kopf-Tagesverbrauch von 50 l Warmwasser ein 30 Röhrenmodul mit 3 m2 Absorberfläche. In den Sommermonaten können damit im Schnitt 200 l Brauchwasser von 10 auf 45°C erwärmt werden, im Frühjahr und im Herbst etwa 140 l und während der Wintermonate mit immerhin fast 100 l noch nahezu die Hälfte des Gesamtbedarfs.
Effizienz auch während der Übergangszeit und im Winter
Die Systementscheidung, ob ein Flachkollektor oder ein teurerer, dafür aber leistungsfähigerer Vakuumröhrenkollektor eingesetzt wird, hängt vom spezifischen Anwendungsfall ab. Wer lediglich das Wasser seines kleinen Gartenpools während der Sommermonate erwärmen möchte, tut seinem Geldbeutel mit der Anschaffung eines Hochleistungskollektors nicht unbedingt einen Gefallen. In allen Anwendungsfällen mit höherer Nutztemperatur sind die Vakuumröhren-Kollektoren aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile, die einen höheren Preis rechtfertigen, durchaus konkurrenzfähig.
| Bild 4: Prinzipieller Aufbau eines Vakuum-Röhrenkollektors und des Sammlers. |
Bei Vakuumröhren-Kollektoren erfolgt die Umwandlung der Solarstrahlung in Wärmeenergie über eine schwarze, in eine Vakuumglasröhre integrierte Absorberfläche aus Kupfer (Bild 4). Wichtig ist die Materialqualität der Vakuumröhre. Die Verwendung von robustem, reflexionsarmem Glas garantiert eine höhere Hagelfestigkeit und eine höhere Ausbeute als konventionelles Weichglas. Die Absorberfläche aus selektiv beschichtetem Kupfer ist wärmeleitend mit einem Kupferrohr (Heatpipe) verschweißt, das idealerweise mit Wasser gefüllt ist. Wasser ist anderen Wärmeträgermedien vorzuziehen, weil es eine höhere Wärmekapazität und bessere Wärmetransporteigenschaften besitzt. Das Kupferrohr endet außerhalb der Vakuumröhre in einem Kondensator.
Die vom Absorber in Wärme umgewandelte Solarstrahlung erhitzt das Wasser in der Heatpipe und bringt es zum Verdampfen. Der Dampf steigt auf, kondensiert und gibt dabei seine Wärme an das Wasser-/Glykolgemisch des Solarkreislaufs ab. Das Kondensat läuft schließlich im Wärmerohr nach unten zurück, und der Prozeß nach dem "Heat-Pipe"-Prinzip beginnt erneut. Um einen Überhitzungsschutz zur Vermeidung von Schäden durch Stromausfall sicherzustellen, wird je nach Kollektorhersteller der beschriebene Kreislauf bei Erreichen einer Grenztemperatur durch ein Ventil unterbrochen, das sich im Kondensator der Röhre befindet.
Bild 5: Wirkungsgradlinien verschiedener Kollektortypen.
Die gute Isolierung durch das Vakuum zahlt sich insbesondere in der Übergangszeit und in den Wintermonaten aus. Vakuumröhren-Kollektoren sind in der Lage, einen Großteil der diffusen Einstrahlung selbst bei niedrigen Umgebungstemperaturen in nutzbare Wärme umzuwandeln (Bild 5). In der Regel erreichen sie, bezogen auf die Absorberfläche, gegenüber Flachkollektoren einen jährlichen Energie-Mehrertrag von mindestens 25 bis 30%.
Problemlose Anbringung
Bei der Auswahl eines Kollektors sollte auch die Montagefreundlichkeit mit einbezogen werden. Unkompliziert für den Fachhandwerker ist die Anbringung von Vakuumröhren-Kollektoren. Leichte Einzelteile ermöglichen die Montage ohne Kran durch ein bis zwei Personen. Bei der Montage werden lediglich vier Dachziegel entfernt, die nach Anbringung der korrosionsbeständigen Halterungen wieder eingehängt werden. Bei Abweichung der Dachfläche von der Südrichtung kann der jährliche Energieertrag zudem durch leichtes Drehen der Röhren noch geringfügig gesteigert werden.
Effizienz auch von den Komponenten abhängig
Eine Solaranlage muß zum einen dem Gesamtsystem der Haustechnik angepaßt werden. Zum anderen ist es erforderlich, daß die einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt sind bzw. werden. Vorteilhaft für Endverbraucher und Fachhandwerk ist, wenn dies bereits werkseitig erfolgt. Der Installationsaufwand sowie die Inbetriebnahme werden hierdurch deutlich vereinfacht. Eine hinreichende Erklärung also, warum in letzter Zeit immer mehr Heizsystemanbieter ihr Systemprogramm mit der Einführung thermischer Solaranlagen und entsprechender Komponenten abgerundet haben.
Einfluß des Warmwasserspeichers
Warmwasserspeichern wurde lange Zeit kaum Beachtung geschenkt, obwohl sie zu den integralen Bestandteilen eines Solarsystems gehören. Erhältlich sind heutzutage Modelle, die bereits werkseitig mit einem zweiten Wärmetauscher für die nachträgliche Einspeisung regenerativer Energien ausgerüstet sind. Wichtig ist außerdem die Qualität der Wärmedämmung.
| Bild 6: Pumpenbaugruppe mit Wärmedämmung und Solarregler. |
Auch bei Solarpumpenbaugruppen sind in letzter Zeit etliche Innovationen realisiert worden. So zum Beispiel Modelle, die mit einer zweischaligen Verkleidung versehen und mit einem integrierten Solarregler ausgestattet sind (Bild 6).
| Bild 7: Prototyp eines Speichers für die Heizungsunterstützung. |
Weitere Einsparungen von fossilen Brennstoffen und Schadstoffemissionen sind realisierbar, wenn das Solarsystem die gewonnene Wärme auf intelligente Art und Weise speichert und darüber hinaus auch einen Teil der für die Raumheizung benötigten Energie bereitstellen kann. Ermöglicht wird dies unter anderem durch den Einsatz spezieller solarer Schichtenspeicher, die den herkömmlichen Brauchwasserspeichern in bezug auf eine effektive Solarenergienutzung deutlich überlegen sind. Ein prototypisches Beispiel dieser neuen Generation zeigt Bild 7.
Es handelt sich hierbei um einen 500 l-Speicher, bei dem ein neues Prinzip der geschichteten Be- und Entladung über drei hocheffiziente Thermosiphon-Wärmetauscher realisiert wurde. Die zentralen Anforderungen innovativer Speichertechnologie werden erfüllt: Er bietet den Komfort, solar erwärmtes Wasser ohne nennenswerte zeitliche Verzögerung bereitzustellen, speichert die gewonnene Wärme äußerst verlustarm und ermöglicht eine solare Heizungsunterstützung.
Im oberen Bereich des Speichers befindet sich der im Durchlauferhitzerprinzip arbeitende Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung. Auch bei Temperaturen unter 60° C stellt er eine hygienische, legionellenfreie Warmwasserbereitung im 500 Liter fassenden Speicher sicher. Hohe Zapfraten werden realisiert. Bei einer Warmwassertemperatur von 45° C sind 15 l/min. verfügbar.
Ebenfalls im oberen Drittel plaziert ist ein Wärmetauscher, der gleich zwei Funktionen erfüllt: Er dient zur Nachheizung durch den Heizkessel, kann darüber hinaus aber auch Wärme entziehen, die für die Raumheizung verwertbar ist. Hierdurch wird eine solare Heizungsunterstützung ermöglicht.
Der dritte im Bunde, der Solarwärmetauscher, befindet sich im unteren Speicherbereich. Solar erwärmtes Wasser stellt er mit Hilfe eines speziellen Aufströmrohres innerhalb kurzer Zeit zur Zapfung bereit. Eine Nachheizung des Warmwassers durch den Heizkessel erfolgt daher im Vergleich zu konventionellen Speichertechnologien viel seltener.
Fazit
Durch die Anwendung effizienter Kollektoren und intelligenter Speicherkonzepte ergeben sich für die Solartechnik ohne Frage neue Dimensionen. Zu hoffen ist, daß ihre Akzeptanz bei Fachhandwerk, Architekten und Planern sowie Endkunden weiter steigen wird. In Anbetracht der eingangs geschilderten Situation unserer bedrohten Umwelt ist dies dringend erforderlich.
*) Dipl.-Ing. Wilfried Grießhaber, Jahrgang 1963, Studium mit Fachrichtung Maschinenbau an der FH Konstanz, Diplom 1989, Mitarbeiter beim Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (1989 bis 1993), seit Januar 1994 Mitarbeiter in der Abteilung Produkttechnik bei Elco Klöckner Heiztechnik GmbH.
B i l d e r : Elco Klöckner Heiztechnik, Hechingen
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