IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 3/1998, Seite 51 ff.

Die thermische Nutzung der Sonnenenergie

- Stand und Perspektiven -

Prof. Dr.- Ing. M. N. Fisch · IGS, TU-Braunschweig

Das technische Potential der solarthermischen Nutzung beträgt in Deutschland etwa 20% des heutigen Endenergieverbrauches zur Wärmebereitstellung (Temperatur unter 100°C). Bis zum Jahr 2005 könnten unter wirtschaftlichen Randbedingungen jährlich rund 11.500.000 MWh solarthermisch genutzt werden. Die dazu notwendige Kollektorfläche von rund 30.000.000 m2 erfordert rund hundertfache Steigerung der momentanen jährlichen Installationsraten.

Was kann die Sonne leisten?

Die Strahlungsleistung der Sonne beträgt bei klarem Himmel maximal etwa 1000 W/m2. Bei vollständig bewölktem Himmel liegen die Strahlungsleistungen tagsüber zwischen 50 bis 150 W/m2 und nehmen nachts auf 0 W/m2 ab.

Für die technische Nutzung ist die übers Jahr bzw. der Anlagenbetriebszeit verfügbare Strahlungsenergie von Bedeutung. Die auf eine horizontale Fläche jährlich auftreffende gesamte Strahlung wird als "Jahressumme der Globalstrahlung" bezeichnet. Die mittlere jährliche Globalstrahlungssumme variiert in Deutschland zwischen ca. 980 kWh/(m2a) und rd. 1170 kWh/(m2a). In Süddeutschland ist im Vergleich zum Norden ein 15 bis 20% höheres Strahlungsangebot vorhanden.

Ist die Solartechnik marktreif?

Der 1994/95 vom Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen (TZS) am ITW, Universität Stuttgart, durchgeführte Test von Sonnenkollektoren, Warmwasserspeichern und kompletten Solaranlagen bescheinigt die Marktreifen dieser Technologie. Die Ergebnisse sind im Heft "Test Spezial - Energie und Umwelt", März 1995 der Stiftung Warentest, Berlin, veröffentlicht. Das folgende Zitat ist daraus entnommen:

"Die Solartechnik hat ihre Hausaufgaben gemacht. Ihre Systeme und Komponenten sind ausgereift. Die Anlagen der dritten Generation sind wirtschaftlich sinnvoll dimensioniert, die Kollektoren und Speicher genau aufeinander abgestimmt. Trotzdem gibt es bemerkenswerte Unterschiede - sowohl in der Effektivität als auch im Preis".

Im Gegensatz zu den engen Leistungsspannen sind erhebliche Preisunterschiede vorhanden. Die auf die wirksame Kollektorfläche (Apertur) bezogenen Preise (inkl. Zubehör) lagen in folgenden Bereichen:

Obwohl die Montagekosten bei Röhrenkollektoren etwas geringer sind, haben Flachkollektoren ein günstigeres Preis-/Leistungs-Verhältnis für Solaranlagen zur Warmwasserbereitung.

Was sind die Empfehlungen zur Auslegung der Solaranlage?

Gute Einzelkomponenten sind keine Garantie für eine gut funktionierende Solaranlage. Es kommt auf die richtige Abstimmung, korrekte Dimensionierung und Integration in die Heizungsanlage an.

Allgemein gelten folgende Empfehlungen für kleinere Solaranlagen zur Warmwasserbereitung (Kollektorfläche < 10 m2):

Besonders wichtig für die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage ist die Dimensionierung bezüglich des Warmwasserbedarfs. Dieser kann zwischen 20 bis 100 Liter pro Tag und Person variieren, ohne daß der Verbrauch von Wasch- und Spülmaschine eingerechnet ist.

Für Ein- und Zweifamilienhäuser mit einem normalen, täglichen Warmwasserverbrauch von 30 bis 40 l/Person mit 45°C gilt die Daumenregel:

Diese Auslegung führt in unseren Breitengraden zu einer ca. 50%igen solaren Deckung des Jahresenergiebedarfs zur Warmwasserbereitung.

Eine Abweichung der Kollektorausrichtung von der Südrichtung zwischen Südwest und Südost und dem optimalen Neigungswinkel 40° um +15° führt zu einer Reduzierung des Wärmegewinns um weniger als 5%.

Was können Sonnenkollektoren leisten?

Die Kinderkrankheiten der siebziger und achtziger Jahre sind überwunden. Die Entwicklung bei den Sonnenkollektoren ist weitgehend abgeschlossen. Zwei Bauarten beherrschen den Markt:

Flachkollektoren undVakuum-Röhrenkollektoren

Welcher Kollektor zum Einsatz kommt wird von mehreren Kriterien bestimmt. Nicht immer steht das Kosten-/Nutzen-Verhältnis beim Endkunden an erster Stelle sondern z.B. Design, Verarbeitungsqualität, Garantiezeit, Integration ins Dach oder Umweltverträglichkeit sind entscheidend für seine Wahl.

Bild 1: Leistungsbewertung der Kollektoren.

Die Jagd der Hersteller nach Kunden wird oft mit den Wirkungsgradparametern des Kollektors geführt. Eine regelrechte Olympiade nach dem größten "optischen Wirkungsgrad" und kleinsten Wärmedurchgangskoeffizienten des Kollektors ist entstanden. Selbst für einen Solarexperten ist aus dem Vergleich dieser Kollektorparameter noch keine Aussage darüber möglich, wieviel Energie der Kollektor letztendlich liefert.

Bild 2: Vergleich der Testergebnisse 1995/96 von Vakuum-Röhren-Kollektoren und Flachkollektoren.

In dem oben genannten Test wurde der jährliche solare Energieertrag für die untersuchten Kollektoren mit einer Computersimulation ermittelt. Dazu wurde eine Referenzanlage definiert, bestehend aus dem "Testkollektor" und sonst gleichem Warmwasserspeicher, Rohrleitungen, Wärmetauscher und Regelung. Für einen täglichen Warmwasserverbrauch einer vierköpfigen "Normfamilie" und einem Referenz-Wetterdatensatz mit stündlichen Klimadaten wurde der jährliche Energieertrag des "Testkollektors" ermittelt. Die Ergebnisse des Tests 1994/95 zeigt Bild 1. Die untersuchten Kollektoren liefern zwischen ca. 400 und rd. 600 kWh/(m2a). Die Leistungsspanne unter den getesteten Flachkollektoren beträgt lediglich etwa 12%. Etwa 3 m2 des besten Vakuum-Röhrenkollektors (A) leisten etwa gleich viel wie 4 m2 eines guten Flachkollektors. Dies bestätigen die Testergebnisse der am ITW, Uni Stuttgart in 1995 und 1996 untersuchten Kollektoren (Bild 2).

Was leisten Solaranlagen?

Im Test 1994/95 wurden elf komplette Solaranlagen auf "Herz und Nieren" geprüft. Die Leistungsfähigkeit einer Solaranlage wird einerseits durch den solaren Deckungsanteil (%) und andererseits durch den flächenbezogenen Jahresenergieertrag (kWh/m2a) beschrieben. Ein hoher solarer Deckungsanteil führt zu einer Verminderung des jährlichen Energieertrages je Quadratmeter Kollektorfläche der Solaranlage (Bild 3). Ein hoher Deckungsanteil reduziert zwar den fossilen Brennstoff, doch ist der flächenbezogene Energieertrag direkt proportional zur Wirtschaftlichkeit der Solaranlage.

Bild 3: Solarer Deckungsanteil und flächenbezogener Jahresenergieertrag der getesteten
Solaranlagen 1996.

Bild 3 zeigt das Wechselspiel zwischen Deckungsanteil und flächenbezogenen Energieertrag sowie die Ergebnisse der getesteten Solaranlagen. Die solaren Energieerträge der Systeme lagen im Bereich von:

Ein umgekehrtes Bild ergab sich bei den Anlagenkosten (inkl. Montage):

Schaut man sich die Auslegung der elf getesteten Solaranlagen in Bild 2 an, fällt eine Konzentration im Bereich von 50% des solaren Deckungsanteils auf. Die Hersteller dieser Systeme haben sich bei der Dimensionierung der Fläche bewußt beschränkt - wegen des sommerlichen Wärmeüberschusses und damit möglichst hohen flächenbezogenen Energieerträgen.

Bild 4: Energetische Amortisationszeiten der untersuchten Solaranlagen.

Ein erfreuliches Kennzeichen aller elf Solaranlagen ist deren energetische Amortisation. Sie benötigen zwischen 1,9 und 3,4 Jahre, um die Energiemenge zu liefern, die für ihre eigene Herstellung verbraucht wurde - dies bei einer zu erwartenden Standzeit von mehr als 20 Jahren (Bild 4).

Unter mitteleuropäischem Klima lassen sich jährlich pro m2 Kollektorfläche etwa 40 bis 65 l Heizöl substituieren und rund 110 bis 175 kg CO2-Emissionen verhindern.

Bild 5: Einsatzzweck der untersuchten Solaranlagen.

Wie zuverlässig sind Solaranlagen?

Die folgenden Ergebnisse beruhen auf Angaben von rd. 160 Anlagebesitzern die aus Förderprogrammen des Landes Baden-Württemberg finanziell unterstützt wurden. Bild 5 zeigt, daß jede zweite Anlage zur "reinen" Brauchwassererwärmung genutzt wird. Bemerkenswert ist, daß in etwa 40% der Systeme eine zusätzliche Einbindung in die Raumheizung erfolgt ist.

 

gut

befriedigend

unzufrieden

nicht
beantwortet

Zuverlässigkeit

85,0%

9,4%

2,5%

3,1%

Techn. Leistungsfähigkeit

56,9%

33,8%

3,8%

5,5%

Wirtschaftlichkeit

35,6%

40,6%

15,0%

8,8%

Als Gründe für den Kauf einer Solaranlage gaben 52% der Betreiber ökologische Überlegungen an. Andere nannten Gründe wie z.B. Idealismus, Förderung, Überlegung als Folge der Ölkrise 1973 (befürchteter Anstieg des Ölpreises), hohe Sonnenscheindauer des Standorts, gute Eignung des Daches bezüglich der Ausrichtung. Die Hauptmotivation für die Investition in eine Solaranlage lag demnach in Gründen wie Energieeinsparung und aktiver Beitrag zum Umweltschutz.

Entscheidend für die Auswahl der Solaranlage waren die Beratung durch eine Fachfirma bzw. eigene Begutachtung von Anlagen auf Ausstellungen.

1994 waren noch etwa 90% der Solaranlagen in Betrieb, die in den Jahren 1974 bis 1979 installiert wurden.

Die Erfahrungen mit ihrer Solaranlage beurteilen die Befragten wie aus der Tabelle ersichtlich.

Insgesamt ergab die aktuelle Umfrageaktion bei Besitzern von Solaranlagen ein positives Bild zur Zuverlässigkeit und zum Betriebsergebnis von Solaranlagen. Dies gilt auch für Systeme, die vor über 15 bis 20 Jahren installiert wurden.

Was sind die Perspektiven?

Die Leistungsfähigkeit der Anlagen ist heute mit "gut" zu bewerten. Weiterentwicklungen bei selektiven Absorberschichten, innovativen Schichteladesystemen für Warmwasserspeicher und eine integrale Systemtechnik (Solar- und konv. Heiztechnik) mit adaptiven Regelungssystemen werden nur noch zu geringen Steigerungen der solaren Energieerträge führen.

Bild 6: Kosten-/Nutzungsverhältnis für kleine, mittlere und große Solaranlagen zur Brauchwarmwasserbereitung (fww = solarer Deckungsanteil).

Im Vergleich dazu sind Maßnahmen die zu erheblichen Kostenreduktionen der Solartechnik führen, im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit gewichtiger. Dabei spielen die industrielle Fertigung der Komponenten und eine Reduzierung des Montageaufwands eine wichtige Rolle. Das größte Einsparpotential liegt in den Vertriebswegen (Groß- und Einzelhandel). Im Mittel zahlt ein Endkunde für einen Flachkollektor etwa 750 DM/m2. Mit großen Solaranlagen (Kollektorfläche über > 15 m2 für Mehrfamilienhäuser, Altenwohnheime usw.) lassen sich gegenüber Kleinanlagen die Nutzungsgrade steigern und die Investitionskosten auf weniger als die Hälfte reduzieren. Bild 6 zeigt das Kosten-/Nutzungsverhältnis (Systempreis bezogen auf den jährlichen solaren Energieertrag) für Klein-, Mittel- und Großanlagen zur solar unterstützten Brauchwarmwasserbereitung. Es ist zu erkennen, daß sich die "Wirtschaftlichkeit" durch größere Anlagen erheblich verbessert. Deshalb fördert das Bundesministerium für Bildung, Forschung und Technologie im Rahmen des Programms "Solarthermie 2000" Solaranlagen mit mindestens 100 m2 Kollektorfläche.

Die technische Nutzung der Sonnenenergie ist ausgereift - ähnlich wie die Traube am Rebstock - es gilt sie nun breit anzuwenden.

B i l d e r :   TU Braunschweig Institut für Gebäude- und Solartechnik

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