Sonnenwärmenutzung

 

Sonnenenergie ist weltweit die bedeutendste der erneuerbaren Energiequellen. Die jährlich auf die gesamte Erdoberfläche eingestrahlte Sonnenenergie ist etwa 20.000 mal größer als der weltweite Energieverbrauch pro Jahr. Die eingestrahlte Energiemenge beträgt in Deutschland durchschnittlich 860 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr.

 

Thermische Solaranlage

Der Warmwasserbedarf eines Haushalts ist -je nach Gewohnheiten seiner Mitglieder -recht unterschiedlich. Er kann zwischen täglich 10 und 80 Litern pro Person schwanken. Als Durchschnittswert können 35 Liter pro Person und Tag angesetzt werden. Bei einer Brauchwassertemperatur von 60° C entsteht also ein Nutzenergiebedarf pro Person von 1,9 kWh am Tag bzw. 700 kWh im Jahr, was etwa 70 Liter Heizöl entspricht.

Je nach System ist zur Bereitstellung und Verteilung dieser Nutzenergie jedoch ein unterschiedlich hoher Einsatz von Primärenergieträgern (Öl, Gas, Kohle, Kernbrennstoffe etc.) erforderlich. Der Primärenergiebedarf liegt aufgrund der Umwandlungs-und Verteilverluste höher. Er kann z. B. bei einem Gasgerät das Eineinhalbfache, bei elektrischer Warmwassererzeugung mehr als das Dreifache betragen.

Durch marktgängige thermische Solaranlagen können bis zu 65 % des jährlichen Energiebedarfs für Brauchwasser eingespart werden. Ein guter baulicher Wärmeschutz schafft die Voraussetzung für einen hohen solaren Deckungsbeitrag. In die energetische Betrachtung muss auch der Herstellungsaufwand für die Solaranlagen mit einbezogen werden. Dieser beträgt etwa ein Fünftel bis ein Zehntel der möglichen Energieeinsparung. Energetisch hat sich also die Solaranlage nach einer Betriebszeit von 2 bis 4 Jahren amortisiert.

 

1. Der Kollektor — eine Falle für die Sonnenstrahlen

Wichtigste Komponente einer Solaranlage ist der Kollektor. Er besitzt die Aufgabe, das Sonnenlicht einzufangen und die gewonnene Energie in nutzbarer Form abzugeben. Der Kollektor besteht im Wesentlichen aus dem Absorber und dem Gehäuse, das diesen umschließt.

Der Kollektor wirkt wie eine „Falle“ für das auftreffende Sonnenlicht. Er ist auf der Oberseite mit einer lichtdurchlässigen Abdeckung versehen. Die hindurchtretenden Sonnenstrahlen fallen auf den Absorber, ein schwarzes Blech, von dem sie fast vollständig „geschluckt“ (absorbiert) werden. Die Sonnenenergie wird dabei in Wärme umgewandelt. Da der Absorber vollständig vom wärmegedämmten Gehäuse umschlossen ist, kann nur noch wenig Wärme entweichen. Somit steigt die Temperatur des Absorbers bei Sonneneinstrahlung an. Die absorbierte Wärme wird ihm durch eine Flüssigkeit, das Wärmeträgermedium, entzogen. Zu diesem Zweck sind in das Absorberblech Rohre oder Kanäle integriert, die vom Wärmeträgermedium durchströmt werden.

 

1.1 Der Flachkollektor

Der Flachkollektor ist die einfachste und für Brauchwasser-Solaranlagen übliche Bauart. Er besitzt einen großflächigen Absorber, der von einem kastenförmigen Gehäuse umgeben ist. Als transparente Abdeckung werden meist Glasscheiben, aber auch Kunststoffe in Folien-oder Plattenform eingesetzt. Auf der Rückseite und an den Seiten reduzieren handelsübliche temperaturbeständige Dämmmaterialien (Mineralfaser-, Polyuhrethanplatten o. ä.) die Wärmeverluste. Das Gehäuse besteht aus verzinktem Stahlblech oder Aluminium.

 

Eine spezielle Variante des Flachkollektors ist der so genannte Vakuumflachkollektor. Er ist ähnlich aufgebaut wie der Flachkollektor, die Dämmwirkung wird allerdings durch einen Unterdruck im Gehäuse erreicht, der den Wärmetransport durch Luftströmung (Konvektion) verringert. Um den von außen wirkenden Luftdruck aufzunehmen, sind zwischen Glasabdeckung und Rückseite Stützen aufgebaut, die den Absorber durchstoßen.

Von Zeit zu Zeit muss der Kollektor nachevakuiert werden, um den Druckanstieg durch konstruktionsbedingte Undichtigkeiten auszugleichen. Achten Sie beim Kauf diesbezüglich auf die Herstellerangaben. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist möglich, indem die restliche Luft im Kollektor gegen das Edelgas Krypton ausgetauscht wird.

 

1.2 Der Vakuumröhrenkollektor

Kollektoren dieser Bauart bestehen aus einem Gestell mit mehreren nebeneinander befestigten Glasröhren, in denen sich jeweils ein Absorberstreifen befindet. Die Röhren sind evakuiert -das Vakuum ist wesentlich besser als in Vakuumflachkollektoren. Zwei Funktionsprinzipien werden unterschieden:

a. Das in der Mitte des Absorberstreifens verlaufende Rohr wird direkt vom Wärmeträgermedium durchströmt.

b. Der Energietransport findet durch Zirkulation einer speziellen Flüssigkeit (Verdampfen und Kondensieren) innerhalb des Absorberrohres statt („heat-pipe“-Prinzip). Über einen Wärmetauscher wird am Rohrende die Wärme an den Solarkreis abgegeben. Diese Bauart besitzt den Vorteil, dass einzelne Rohre bei Defekt leichter ausgetauscht werden können. Außerdem ist diese Bauart besonders unempfindlich gegen Überhitzung bei längerem Stillstand der Anlage.

 

Die Glasröhren werden werkseitig dauerhaft abgedichtet. Allerdings kann es bei besonderer mechanischer oder thermischer Belastung vorkommen, dass einzelne Rohre undicht werden (besonders bei Transport und Einbau). Den Vakuumverlust erkennt man daran, dass die defekte Glasröhre außen wesentlich wärmer wird als die Umgebungstemperatur.


1.3 Schwimmbadabsorber

Zur Schwimmbeckenwassererwärmung werden einfache Absorber ohne Abdeckung eingesetzt. Sie bestehen aus witterungsbeständigen Kunststoffen, die als Rohrschleifen oder als Matten mit eingearbeiteten Röhrchen verlegt werden. Sie werden vom Beckenwasser direkt durchströmt.

Schwimmbadabsorber weisen extrem niedrige Anschaffungskosten auf, können jedoch nur bei niedrigen Mediumtemperaturen (unter 30° C) und warmer Witterung sinnvoll eingesetzt werden. Sie sind daher für ganzjährig betriebene Brauchwassererwärmungsanlagen ungeeignet.

 

1.4 Sonstige Bauformen

Es gibt eine Reihe weiterer Typen von thermischen Sonnenkollektoren, die sich in Aufbau, Wirkungsprinzip oder Anwendungsbereich von den vorstehend genannten unterscheiden:

Speicherkollektoren für den Einsatz in südlichen Ländern oder im Ferienhaus (Speicher und Absorber in einem Gehäuse) konzentrierende Systeme für höhere Temperaturen (Solarrinnenkraftwerke)

Luftkollektoren. Für die Warmwasserbereitung im häuslichen Bereich werden sie in unserer Klimaregion jedoch nicht eingesetzt.

 

Weitergehende Infos:
Energiesparinformation 14
Brauchwasserbereitung mit Sonnenenergie
Die Broschüre liefert Wissenswertes über thermische Solaranlagen für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung

 

 

2. Anordnung der Kollektoren

Der ideale Aufstellungsort ist eine nach Süden ausgerichtete, und 30° bis 45° geneigte Dachfläche. Bei stärkeren Abweichungen kann eine spürbare Beeinträchtigung des jährlichen Energieertrages auftreten, die durch eine größere Kollektorfläche kompensiert werden müsste.

Probleme mit der Statik des Dachstuhls sind in der Regel nicht zu befürchten -bei der Dachintegration ist der Kollektor meist sogar leichter als die entfernten Dachziegel. Wichtig ist in jedem Fall die fachgerechte Abdichtung der unvermeidbaren Dachdurchdringung. Unbedingt erforderlich ist ein geeigneter Blitzschutz.

Auch wenn keine geeignet orientierten Dachflächen zur Verfügung stehen, können oft Lösungsmöglichkeiten gefunden werden:

Bei Flachdächern wird der Kollektor auf ein Gestell mit entsprechender Ausrichtung montiert. Auch an Fassaden können ähnliche Gestelle angebracht werden.

Bei manchen Röhrenkollektoren kann durch Drehen der Röhren die Absorberausrichtung variiert werden, was z. B. die senkrechte Montage des Kollektors an einer Außenwand erlaubt. (Die Röhren werden dabei waagerecht angeordnet)

Sogar eine Aufteilung des Kollektorfeldes in unterschiedlich ausgerichtete Flächen ist möglich. Wegen der Ungleichzeitigkeit der Bestrahlungsintensität im Tagesgang muss allerdings jeder Teilkollektor mit einer eigenen Regelung versehen sein.

Auch losgelöst vom Gebäude lassen sich Standorte finden, z. B. auf einer Pergola oder einer Garage.

 

 

3. Denkmalschutz

Die Anbringung von Solaranlagen auf Dächern verändert optisch das Aussehen von überlieferten denkmalgeschützten Ortsbildern und Baudenkmälern. Daher ist vom Gesetzgeber vorgesehen worden, dass die Installation von Solarthermie- und Photovoltaikmodulen in Gesamtanlagen und auf Einzelkulturdenkmälern anzeige-und genehmigungspflichtig ist. Erkundigen Sie sich daher zuerst bei den Denkmalschutzbehörden der Kreise und kreisfreien Städte oder beim Landesamt für Denkmalpflege, ob Ihr Haus unter Denkmalschutz steht und in welcher Form eine Solaranlage genehmigt werden kann.

 

 

4. Kollektorkenngrößen — dem Wirkungsgrad auf der Spur

Nur ein Teil des auf den Kollektor treffenden Sonnenlichts kann durch den Wärmeträger abgeführt werden, der Rest geht verloren. Kleinere Mengen des einfallenden Lichtes werden an der Glasabdeckung und am Absorber reflektiert -dies sind die „optischen Verluste“. Aber auch ein Teil der vom Absorber aufgenommenen und in Wärme umgewandelten Sonnenenergie strömt wieder durch die Abdeckung und die Rückseite nach außen und kann nicht genutzt werden -dies sind die „thermischen Verluste“.

Was von der einfallenden Sonnenenergie übrig bleibt, wird dem Absorber durch das Wärmeträgermedium entzogen und der Nutzung zugeführt.

 

An einen guten Kollektor werden im Wesentlichen zwei Anforderungen gestellt: Er soll viel Sonnenstrahlung aufnehmen und wenig Wärme verlieren. Ausgedrückt wird dies durch zwei Kenngrößen:

Der optische Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der einfallenden Strahlung vom Absorber aufgenommen wird. Er ist abhängig von der Lichtdurchlässigkeit der Abdeckung und dem Absorptionsvermögen des Absorbers. Typisch sind Werte zwischen 70 und 85%.

Der Wärmeverlustkoeffizient („U-Wert“) gibt den Wärmeverluststrom pro m² Kollektorfläche und Grad Celsius (bzw. Kelvin) Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Außenluft an. Typische Werte liegen zwischen 2 und 5 W/(m²K). Kollektoren mit kleinerem U-Wert erzielen in der kalten Jahreszeit größere Gewinne.

 

Der optische Wirkungsgrad und der U-Wert sind Qualitätsmerkmale eines Kollektors und sollten vom Hersteller in jedem Fall angegeben werden. Mehr Information über die Leistungsfähigkeit bietet jedoch die Darstellung der Kollektor-Kennlinie. Aus ihr kann für jede Einstrahlung und Außentemperatur der momentane Wirkungsgrad des Kollektors und damit die mögliche Nutzleistung abgelesen werden.

Die Kollektor-Kennlinie stellt den Kollektor-Wirkungsgrad bei Variation der Klima- und Betriebsbedingungen dar. Der Wirkungsgrad ist definiert als Verhältnis der vom Kollektor abgegebenen nutzbaren Wärme zur solaren Einstrahlung.

Wichtig ist, dass vom Kollektor-Hersteller angegebene Kennlinien nach einem standardisierten Test-Verfahren (DIN 4757 oder ISO TC 180 SC5) aufgenommen worden sind.

 


5. Auf die Dimensionierung kommt es an

Voraussetzung für die wirtschaftliche Arbeitsweise der Solaranlage ist eine vernünftige Dimensionierung von Kollektor und Speicher. Dabei kommt es eher auf die Größenordnung an, als auf eine exakte Bemessung von Kollektorfläche und Speicherinhalt. In der Regel reichen daher Erfahrungswerte völlig aus. Einfache Computerprogramme können grobe Anhaltswerte über monatliche Deckungsraten liefern. Eine wirkliche Optimierung der einzelnen Komponenten ist nur mit genaueren Simulationsprogrammen möglich, in der Regel wegen des hohen Aufwands jedoch zu teuer.

Damit Ihre Solaranlage richtig dimensioniert werden kann, sollten Sie - soweit möglich - Ihren Warmwasserverbrauch feststellen (z. B. durch Einbau eines einfachen Wasserzählers in den Zulauf des Speichers). Je nach Gewohnheiten und Ausstattung mit Geräten kann der Verbrauch sehr stark variieren, so dass die Verwendung von Standard-oder Durchschnittswerten keine gute Dimensionierungsgrundlage ist.

 

Empfehlenswert ist der Anschluss von Waschmaschinen über ein entsprechendes Vorschaltgerät, das dafür sorgt, dass für die Spülgänge auch weiterhin nur kaltes Wasser verwendet wird. Der Anschluss von Geschirrspülern an die Warmwasserversorgung kann problematisch sein. Die Geräte sind von den Herstellern in der Regel nicht dafür konzipiert, funktionieren in manchen Fällen aber trotzdem gut.

 

Der Speicher sollte etwa das Eineinhalb- bis Zweieinhalbfache des täglichen Warmwasserbedarfs beinhalten. Wenn der Warmwasserverbrauch nicht ermittelt werden kann, können für jede Person etwa 60 bis 100 l Speichervolumen angesetzt werden. Bei Einsatz von Flachkollektoren werden pro Person etwa 1,5 m² Kollektorfläche, bei Vakuumröhrenkollektoren etwa 1 m² Kollektorfläche benötigt (z. B. 4-Personen-Haushalt, täglicher Warmwasserverbrauch 160 Liter: ca. 6 m² Flachkollektor und 300 Liter Speichervolumen). Bei Mehrfamilienhäusern ist -aufgrund der höheren Anlageneffizienz -pro Hausbewohner eine kleinere Dimensionierung möglich.

Lassen Sie vom Solar-Fachbetrieb im Planungsstadium den jährlichen Energieertrag der Anlage bestimmen. Er sollte etwa bei 50 bis 65 % des jährlichen Brauchwasserbedarfs liegen. In den Sommermonaten sind solare Deckungsraten über 90 %, in den Wintermonaten meist kaum mehr als 10 % erreichbar.

 

 

6. Die Solaranlage - mehr als ein Kollektor

Der Solarkreislauf besteht aus dem mit dem Wärmeträgermedium gefüllten Rohrsystem, der Solarkreispumpe, der Regelung, einem Ausdehnungsgefäß und verschiedenen Sicherheitseinrichtungen.

Das Wärmeträgermedium im Solarkreislauf ist üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, so dass der Gefrierpunkt unter -15° C liegt.

Bei allen Rohrleitungen ist auf eine hochwertige Wärmedämmung zu achten, die auch die Armaturen und Rohrbögen einschließt und doppelt so dick sein sollte wie der Rohrdurchmesser. Die Dämmung im Außenbereich liegender Leitungen sollte mit einer regendichten und UV-beständigen Ummantelung versehen sein.

Die Leitungen sollten so kurz wie möglich gehalten werden, um die Wärmeverluste zu begrenzen.

Eine möglichst klein dimensionierte Solarkreispumpe (Hocheffizienzpumpe der Klasse A) vermeidet unnötig hohen Stromverbrauch. Ideal sind elektronisch regelbare Pumpen deren Leistung vom Solarregler gesteuert werden kann (mehr dazu unter dem Punkt Regelung).

 

 

7. Speicher

Um einen Ausgleich zwischen Zeiten mit hohem Strahlungsangebot (Mittagszeit) und solchen mit großem Warmwasserverbrauch (z. B. morgens und abends) zu schaffen, ist ein Warmwasserspeicher erforderlich. Je größer der Speicher ist, desto mehr Sonnenenergie kann genutzt werden, da strahlungsarme Tage überbrückt werden können. Dem werden jedoch durch mit dem Volumen steigende Anschaffungskosten Grenzen gesetzt.

 

Standspeicher ermöglichen die Ausbildung einer thermischen Schichtung im Speicher (oben warm, unten kalt) und sind daher unbedingt zu bevorzugen. Das obere Speicherdrittel enthält normalerweise die Nachheizung und wird auch „Bereitschaftsteil“ genannt, da es ständig auf der gewünschten Temperatur gehalten wird. Bleibt der Bereitschaftsteil des Speichers immer auf mindestens 60° C, ist auch eine ausreichende Keimfreiheit des Wassers gewährleistet. Bei Speichern, die auch mit geringeren Temperaturen betrieben werden sollen, werden heute aus Gründen der Hygiene (Legionellen) Speicher bevorzugt, bei denen das Brauchwasser nicht den Speicher füllt, sondern durch einen internen Wärmetauscher oder durch eine außen am Speicher angebrachte „Frischwasserstation“ erwärmt wird. So wird vermieden, dass in Zeiten mit geringer Einstahlung und absinkender Speichertemperatur das Wasser aufkeimt. Kritisch ist der Temperaturbereich zwischen 30° und 50° C. Für Anlagen, die über 400 l Brauchwasser enthalten, ist deshalb einmal am Tag die Erwärmung des gesamten Inhaltes auf 60° C vorgeschrieben. Dadurch wird die Effizienz der Solaranlage natürlich drastisch vermindert. Bei kleineren Anlagen ist der Installateur dazu verpflichtet, den Betreiber auf die Möglichkeit einer Verkeimung hinzuweisen. Er betreibt die Anlage dann „auf eigene Gefahr“.

Ein guter Speicher zeichnet sich durch eine hochwertige Wärmedämmung aus (mindestens 10 cm), die -insbesondere am Bereitschaftsteil -möglichst wenig durch Rohranschlüsse und Armaturen unterbrochen wird. Die Dämmung soll an der Speicherwand anliegen und darf keine Fugen aufweisen (auch nicht bei Rohranschlüssen, Flanschen, Thermometern etc.), da andernfalls Konvektionsströmungen mit erheblichen Wärmeverlusten entstehen können. Die Dämmung sollte den Speicher wie eine dichte Glocke umhüllen. Die vorhandene Reinigungsöffnung muss jedoch zugänglich bleiben. Der Bereitschaftswärmeverlust eines Speichers wird nach DIN 4753 Teil 8 bestimmt und in kWh pro Tag angegeben (gemessen bei 45 K Temperaturdifferenz zwischen Speichermedium und Umgebungsluft).

 

Im Solarkreislauf befindet sich außerdem ein Ausdehnungsgefäß, das die Volumenausdehnung des Wärmeträgermediums bei Erwärmung aufnimmt, und ein Sicherheitsventil, das bei zu hohem Druck kleine Mengen des Wärmeträger-Mediums abbläst, die in einem Behälter aufgefangen werden. Mit einem Manometer wird der Anlagendruck kontrolliert. Ferner muss das Rohrsystem an seinem höchsten Punkt entlüftet werden können (Handventil + Schnellentlüfter). Ein weiteres wichtiges Element im Solarkreislauf ist die Schwerkraftbremse. Sie verhindert, dass in der Nacht oder bei bewölktem Himmel das warme Wasser aus dem Speicher zu den Kollektoren strömt (Schwerkraftumlauf!). Die Funktion der Bremse lässt sich mit einem Blick auf die Thermometer der Solarstation prüfen. Geben die Kollektoren keine Wärme ab, müssen die Thermometer nach einiger Zeit bis auf die Raumtemperatur absinken.

 

Gute Speicher mit einem Volumen zwischen 300 und 500 l weisen Werte zwischen 0,9 und 2 W/K auf. Ein geladener Speicher verliert also täglich etwa (0,9 W/K • 45 K • 24 h/d ≈ 0,9 kWh/d) ein bis zwei Kilowattstunden.

 

Bei gewöhnlichen Solaranlagen werden Druckspeicher in unterschiedlichen Ausführungen verwendet:

-    

6       

7    7.1 Stahlspeicher mit Email-Beschichtung

K    Kostengünstig und am weitesten verbreitet sind emaillierte Stahlspeicher. Das Email bietet wirksamen Schutz gegen innere Korrosion des Stahlbehälters. Da sich bei Transport und thermischer Belastung feine Haarrisse ausbilden können, werden zusätzlich Magnesium-Schutzanoden oder Fremdstromanoden eingebaut, deren schwacher lonenstrom Korrosion dauerhaft verhindert. Eingebaute Wärmetauscher, Temperaturfühler etc. müssen in diesem Fall gegen die Speicherwandung elektrisch isoliert sein.

 

7.2 Stahlspeicher mit Kunststoffbeschichtung

Diese Ausführung ist bei guter Verarbeitung dauerhaft gegen Korrosion geschützt.

-         Edelstahlspeicher Edelstahlspeicher besitzen generell eine hohe Lebensdauer, sind allerdings relativ teuer. Auch hier ist eine gute Verarbeitung (insbesondere der Schweißnähte) wichtig. Im Vorfeld ist die Brauchwasserzusammensetzung zu beachten -bei hohem Chloridgehalt sollten Edelstahlspeicher nicht eingesetzt werden.

-         Drucklose Speicher werden verwendet, wenn ein besonders großes Volumen gefordert ist (bis zu 2 m³ sind als ein Speicher erhältlich), wenn zusätzlich die Funktion eines Pufferspeichers, z. B. für einen Holzkessel, realisiert werden soll oder wenn das preislich günstige Material Kunstsoff verwendet wird. Bei Verwendung von Kunststoffspeichern ist die maximal mögliche Temperatur auf etwa 80° C beschränkt.

 

 

8. Regelung

Damit die Solarkreispumpe nur dann in Betrieb ist, wenn das Energieangebot der Sonne zur Speicherbeheizung ausreicht, muss die Solaranlage mit einer entsprechenden Regelung ausgestattet werden (außer bei Schwerkraftanlagen, bei denen der Speicher höher als der Kollektor angeordnet ist). Am gebräuchlichsten sind Temperatur-D i ff e renz-Regelungen, bei denen die Temperatur am Ausgang des Kollektors und im Speicher in der Höhe des Wärmetauschers verglichen wird. Die Regelung muss so eingestellt sein, dass die Temperatur des Mediums am Kollektorausgang um mehrere Grad Celsius (z. B. 6° C) höher als die Speichertemperatur liegt. Die Verwendung leistungsregelbarer Pumpen erlaubt einen konstanten Betrieb, ohne dass die Pumpe taktet. Das korrekte Ein-und Ausschalten sollte überprüfbar sein (Temperatur-und Funktionsanzeige). Eine schlecht eingestellte Regelung beeinträchtigt erheblich die Effizienz der Gesamtanlage. Im Extremfall kann es vorkommen, dass die tagsüber gewonnene Solarwärme nachts wieder aus dem Speicher in den Kollektor transportiert und nach außen abgegeben wird.

Bei einer längeren Schönwetterperiode wäre technisch ein Anstieg der Speichertemperatur auf über 90° C leicht möglich. Aus Sicherheitsgründen und zur Reduzierung der Kalkbildung wird jedoch eine Temperaturbegrenzung aktiv (je nach System und Wasserhärte zwischen 60 und 80° C).

Wenn kein Warmwasser verbraucht wird, können dabei über längere Zeiten hohe Stillstandstemperaturen bis ca. 200° C im Kollektor auftreten. Die verwendeten Materialien sind aber in der Regel so beschaffen, dass sie diesen Belastungen standhalten. Die Solarflüssigkeit verdampft. Das dadurch verdrängte Volumen wird im Ausdehnungsgefäß gespeichert.

 

 

9. Nachheizung

Da die Solaranlage in den Wintermonaten nur wenig Ertrag liefert, ist eine Nachheizung erforderlich. Empfehlenswert ist der Anschluss an die Heizungsanlage, da hier die Wärme relativ effizient bereitgestellt wird. Die meisten Kesselregelungen können die Steuerung der Speicherladepumpe mit übernehmen: Wenn die Temperatur im oberen Bereich des Speichers (Bereitschaftsteil) unter eine festgelegte Grenze fällt, wird die Pumpe eingeschaltet, die Wärme aus dem Kessel über einen zusätzlichen Wärmetauscher in den Speicher transportiert. Im Sommer sollte der Kessel wegen des geringen Zusatzwärmebedarfs nicht ständig in Bereitschaft gehalten werden, sondern erst bei Unterschreiten eines bestimmten Speicherladezustands anlaufen. Möglich ist ebenso eine nachgeschaltete Erwärmung des im Speicher vorerwärmten Wassers. Dafür können in ihrer Leistung elektronisch geregelte Durchlauferhitzer eingesetzt werden.

Eine Nachheizung des Speichers mit Strom ist soweit wie möglich zu vermeiden. Wegen des geringen Aufwands für den Einbau eines elektrischen Heizstabs ist sie heute leider immer noch verbreitet. Verglichen mit einer herkömmlichen zentralen Warmwasserbereitung mit Heizkessel (ohne Solaranlage) liegen hier nicht nur die Betriebskosten höher, auch für die Umwelt ergibt sich keine Entlastung.

 

 

10. Weitere Einsatzgebiete von Solaranlagen

 

10.1 Solare Nahwärme

Soll Sonnenwärme für mehrere Wochen oder gar Monate gespeichert werden, so sind im Haus installierte große Speicher, selbst wenn sie sorgfältig gedämmt sind, ungeeignet. Auch bei einer Größe von mehreren Kubikmetern haben sie im Verhältnis zum Wärmeinhalt eine zu große Oberfläche. Ein Ausweg besteht darin, bei mit Nahwärme versorgten Wohngebieten die Speichervolumina für die einzelnen Häuser zentral in einem Großspeicher zusammenzufassen. Derzeit wird mit verschiedenen Anlagen- bzw. Wärmenetzkonzepten experimentiert. Es wird daran gearbeitet, die Wirtschaftlichkeit zu verbessern und die Verteilverluste weiter zu minimieren.

 

10.2 Erwärmung von Schwimmbeckenwasser

Besonders empfehlenswert ist die solare Beheizung von Freibädern, da die Nutzungszeit der Zeit des größten Strahlungsangebots entspricht. Es werden dazu im Vergleich zu Flachkollektoren sehr preiswerte Absorber verwendet. Die Größe der Absorberfläche sollte etwa 50 bis 70% der Wasseroberfläche betragen.

Auf eine konventionelle Nachheizung sollte wenn möglich ganz verzichtet werden. Um die Verluste zu begrenzen, ist - wie auch bei konventionellen Anlagen - der Einsatz einer dämmenden Becken-Abdeckung für die Nacht sinnvoll.

 

 

11. Wirtschaftlichkeit und Umweltentlastung

Die Wirtschaftlichkeit der thermischen Solarenergienutzung hängt entscheidend davon ab, dass der Wärmebedarf und die Größe der Anlage (Investitionssumme) im richtigen Verhältnis stehen. Anlagen in Mehrfamilienhäusern stellen sich günstiger dar, weil sie in der Regel auf einen geringeren Deckungsanteil ausgelegt werden. Hierbei wurden in mehreren Modellprojekten Wärmekosten von etwa 13 ct/kWh ermittelt.

Für ein typisches Einfamilienhaus (Neubaustandard) ermittelte die Stiftung Warentest folgende Preise (inkl. Einbau):

-          Anlagen zur Warmwasserbereitung: 4.500 bis 6.500 Euro

-          Anlagen mit zusätzlicher Heizungsunterstützung: 8.000 bis 20.000 Euro, wobei die teureren Anlagen einen im Solarspeicher integrierten Heizkessel beinhalten.

 

Im Mittel dürften die Wärmekosten bei Kleinanlagen in einer Größenordnung von 20 ct/kWh liegen. Diesen Kosten müssen die Ausgaben für die bestehende konventionelle Warmwasserbereitung gegenübergestellt werden. Im Gegensatz zur solar erzeugten Wärme unterliegen die Kosten der konventionellen Brauchwasserbereitung den Weltmarktpreisen für fossile Energieträger.

Um die für die Umwelt entstehende Entlastung durch eine Solaranlage abzuschätzen, ist es nötig, die Emissionen der bisher für die Warmwasserbereitung verwendete Technik zu kennen. Wenn Sie vor der Frage stehen, ob sich eine Solaranlage für Ihr Gebäude finanziell und ökologisch betrachtet lohnt, sollten Sie einige Punkte bedenken:

 

Voraussetzung für die Installation einer Solaranlage sollte in jedem Fall sein, dass auch auf der Bedarfsseite alle Bedingungen gegeben sind, um gute Deckungsgrade zu erreichen. Dazu gehört auch die Begrenzung der Verluste durch Verteilung und Speicherung des Warmwassers. Eine Solaranlage, die übers Jahr gesehen kaum mehr als die Verluste einer ungedämmten Zirkulationsleitung decken könnte, wäre eine Fehlinvestition. (Ähnlich uneffektiv wäre der Versuch in einem völlig ungedämmten Altbau durch eine solare Heizungsunterstützung Heizkosten sparen zu wollen.)

 

In kleineren Gebäuden sollte auf eine Warmwasser-Zirkulation verzichtet und Leitungen mit einem geringen Querschnitt verlegt werden. Die Waschmaschine, die häufig Warmwasser in jeweils kleinen Mengen benötigt, sollte möglichst nahe am Solarspeicher aufgestellt werden.

 

Generell sollte die Dämmschicht der Leitungen (eingeschlossen auch Armaturen und Bögen) etwa doppelt so dick sein wie der Rohrdurchmesser.

 

Auch wenn Sie sich derzeit noch nicht für den Einbau einer Solaranlage entscheiden, sollten Sie sich die Option dafür offen halten, z. B. indem im Neubau bzw. bei Umbauten oder Renovierungen schon an die Steigleitungen zum Kollektor gedacht wird. Im Altbau bieten sich besonders stillgelegte Kaminzüge für diesen Zweck an. Denken Sie auch an eine ausreichende Fläche für einen Solarspeicher im Heizraum.

 

 

12. Praktische Tipps für Anlagenbetreiber:

 

In regelmäßigen Abständen Sichtkontrollen durchführen:

-        Einhaltung des Betriebsdrucks,

-        Plausibilität der Betriebszustände der Regelung,

-        Verschmutzung der Kollektorabdeckung,

-         Kondenswasser im Kollektorgehäuse,

Beschädigung oder Durchfeuchtung der Dämmung außen liegender Leitungen.

Betriebszustände der Anlage protokollieren, um bei zu geringen solaren Erträgen dem Fachbetrieb Hinweise auf mögliche Ursachen geben zu können.

 

In den vom Hersteller festgelegten Abständen überprüfen lassen:

-         Magnesium-Anode (soweit vorhanden),

-         Kalkansatz der Wärmetauscher,

-         Frostschutzsicherheit des Wärmeträgermediums

Den Energieverbrauch vor und nach der Installation der Solaranlage vergleichen.

 

 

13. Fördermöglichkeiten

Die öffentliche Hand fördert das Energiesparen an Wohngebäuden auf mehreren Wegen. Die Programme dazu werden ständig weiterentwickelt und angepasst. Deshalb können in dieser Druckschrift nur grob die Struktur dargestellt und die wichtigsten Ansprechpartner genannt werden.

Folgende Institutionen sind Ansprechpartner für alle Interessierten, die in Maßnahmen zur Energieeinsparung investieren möchten:

 

a) Bundesprogramme:

– Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) Servicetelefon: 06196 -908-0 Postanschrift: Frankfurter Straße 29-35, 65760 Eschborn Die Vor-Ort-Beratung durch einen Energieberater, die Ihnen einen Überblick über die technischen Möglichkeiten an Ihrem Gebäude, die entstehenden Kosten und die Quellen für Fördermittel gibt, wird vom BAFA gefördert. Die aktuellen weiteren Programme zum Beispiel zur Förderung regenerativer Energien und deren Förderkonditionen können Sie auf den Internetseiten nachlesen. www.bafa.de

– KfW Bankengruppe Info-Center, Servicetelefon: 0180 1335577 Beratungszentrum: Bockenheimer Landstraße 104, 60325 Frankfurt a.M. Die Durchführung von Dämmmaßnahmen an Gebäuden sowie der Einbau moderner Heizungs-und Lüftungstechnik, werden von der KfW-Bankengruppe durch zinsverbilligte Kredite oder direkte Zuschüsse gefördert. Die aktuellen Programme und Konditionen werden jeweils auf der Internetseite der KfW veröffentlicht. www.kfw.de

 

b) Programme des Landes Hessen:

– Wirtschafts- und Infrastrukturbank Hessen, WI-Bank Postanschrift: Strahlenbergerstraße 11, 63067 Offenbach am Main Telefon: 069 -9132-01 Einzelheiten zu den hessischen Förderprogrammen finden Sie auf der Internetseite der WI-Bank. www.wibank.de

– Auf der Internetseite des HMUELV unter www.energieland.hessen.de werden Sie rund um das Thema „Energie“ informiert. Der Förderkompass der Hessischen Landesregierung unterstützt Sie bei der Suche nach dem geeigneten Förderprogramm für Ihre Bau- und Sanierungsmaßnahmen.

 

Regionale Beispiele

 

Gute Beispiele energetische Sanierung Fuldaer Zeitung
Zum Vergrößern bitte auf die Abb. Klicken

 

 

Solarkataster Hessen

 

Rentabilitätsprüfung durch neues Internetangebot

Foto und Text: Timo Schadt

Quelle: Monatsmagazin printzip, Ausgabe Dezember 2016


Mit einem besonderen Internet-Angebot will das Hessi-
sche Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und
Landesentwicklung alle Haus- und Grundstückseigentü-mer*innen sowie Besitzer*innen von Gewerbe-Immobilien, aber auch Städte und Gemeinden, Wohnungsbaugesellschaften und Energieversorger ansprechen.
Mit geringem Aufwand bietet das Solar-Kataster Hessen einen direkten Blick auf das Solarenergie-Potenzial von allen Dach- und Freiflächen in Hessen. Bei einer Veranstaltung in Fulda wurde Ende Oktober geladenen Multiplikator*innen aus Behörden, Interessenverbänden und Unternehmen das neue Angebot präsentiert.
Laut Dr. Justus Brans vom hessischen Wirtschaftsministerum verfolgt sein Haus mit dem Angebot das Ziel, den negativen Ausbaustand zu stoppen, den Ausbau zu intensiveren und eine Unabhängigkeit vom Erneuerbare-Energien-Gesetz der Bundesregierung zu erreichen. Der Ministerumsvertreter beschrieb, dass schon nach nur einem Monat mehr als 50.000 Zugriffe mit täglich 100 Berechnungen verzeichnet werden konnten. 5 Millionen Gebäudedächer mit insgesamt 175 Millionen Quadratmetern sind im Solarkataster Hessen erfasst.

Nutzer*innen der Website können mit wenigen Klicks erfahren, ob ihr Wohnhaus sich für eine solarthermische oder Photovoltaik-Anlage eignet. Im Weiteren können zudem detaillierte Wirtschaftlichkeitsberechnungen vorgenommen werden. Das Solar-Kataster basiert auf mit Spezialflugzeugen an den nur etwa 15 bis 20 wolkenfreien Tagen im Jahr über einen großen Zeitraum erstellten Landsschaftsaufnahmen. 90 Millionen Oberflächenpunkte wurden mit einer Genauigkeit von 50 cm in Hessen so erfasst. Dabei wurde auch die Verschattung berechnet. Seit 2015 bis 2021 werden die Geodaten durch erneute Befliegungen vervollständigt. Die Punktdichte soll dabei verdoppelt und der Baubestand aktualisiert werden. 21.114,94 Quadratkilometer sind im aktuellen Kataster, basierend auf der Datenerhebung von 2007 bis 2014, berechnet. Gebäude, die danach gebaut wurden, sind natürlich nicht enthalten.

Vorstellung Solar-Kataster Hessen in Fulda
Zahlreiche Multipikator*innen waren der Einladung nach Fulda gefolgt und lauschten interessiert den Redebeiträgen zur Entwicklung der Photovoltaik in Deutschland und der Funktion des hessischen Solar-Katasters.

Den Besucher*innen der Präsentation lieferten Praktiker*innen der Solarbranche in Kurzvorträgen weitere Impulse. Lars Kirchner von der Alheimer Kirchner Solar Group ist mit 300 Mitarbeiter*innen weltweit ein Globalplayer der Solarbranche. Er erklärte, die Solarenergienutzung wäre nie lohnender gewesen als heute und äußerte sich zufrieden darüber, dass es das Solarkataster erst jetzt gibt: „Vor fünf Jahren hätte es zu Wettbewerbsverzerrungen geführt.“ Der Beweis könne heute angetreten werden, dass auch Dachflächen mit Ost-West-Ausrichtung attraktive Renditen von 40 bis 50 Prozent bringen, wenn die Photovoltaikanlage zusammen mit einem Energiespeicher betrieben werde.
Christof Schneider stellte den Besucher*innen der Tagung die vielfältigen Aktivitäten der Caritas Fulda vor (printzip berichtete darüber in der Ausgabe ...2015). Die Caritas war mit Photovoltaikanlagen mit Energiespeichern Pionier in der Region Osthessen. Volker Klös von der 2003 gegründeten Sonneninitiative e.V. aus Marburg bestätigte, dass „solare Speicherung der Königsweg“ sei und widersprach - ähnlich dem Solarunternehmer Kirchner der gängigen Meinung „es lohne sich nicht mehr“. Rezept der Marburger Sonneninitiative sei jedoch, die Bürger*innen auch beim solaren Aspekt der Energiewende mitzunehmen. Der Energieberater und Architekt Dieter Kirsch blies ins gleiche Horn: „Klimaschutz und Energiekosten müssen angeglichen werden.“ Er äußerte sich erfreut über das Solarkataster, welches in seiner zukünftigen Arbeit definiv aktives Beratungsinstrument sein werde.
Doch nicht nur Energieberater*innen und mit der Installation betraute Unternehmen werden mit dem Angebot der Landesregierung sinnvoll arbeiten können. Privatleute können unverbindlich und vor allem anbieterneutral das Solarenergie-Potenzial ihrer Dachflächen prüfen und zwar unter der Internetadresse:
www.energieland.hessen.de/solar-kataster

 

Regionale Beispiele

 

Vorbildliches Engagement:

Caritas erzeugt nicht nur Strom, sie speichert Sonnenenergie

Erneuerbare Energie ist zwar unaufhaltsam im Kommen, doch sie hat Einschränkungen bei den Witterungsverhältnissen und findet schlicht beim Wetter, aber auch den Tages- und Jahreszeiten ihre Grenzen.
Bei der Photovoltaik ist der große Haken, wenn die Sonne richtig stark scheint wird der Strom in diesem Ausmaß oft nicht gebraucht und umgekehrt.

Die Caritas im Bistum Fulda suchte dafür nach Lösungen. Im Jugendhilfeverbund St. Elisabeth fand man für diese Problematik eine Antwort. Für die vielfältigen Solarstromerzeugungen auf Caritas eigenen Gebäuden wurden Speicherungslösungen geschaffen.

Elektro-Mobilität
Ein wesentlicher Faktor ist dabei die Elektro-Mobilität. Denn inzwischen fünf E-Fahrzeuge werden bei der Caritas eingesetzt und finden zunehmend auch bundesweit Interesse. Sie werden dann als Speicher verwendet, wenn selbst erzeugter Strom verfügbar ist.
In Fulda-Maberzell können mittels Ladestation gleichzeitig zwei Fahrzeuge bei einer Leistung von jeweils maximal 22 Kilowatt laden. Die Fahrzeuge kommen beim Pendeln zwischen den Caritas-Einrichtungen und bei Besorgungsfahrten in der Region zum Einsatz. Außerdem ist für kürzere Dienstfahrten im Stadtgebiet die Nutzung des E-Bikes möglich.


Sonnen-Batterie Caritas Fulda

Solar-Speicher
Neben der Zwischenspeicherung in den Batterien der Fahrzeuge ist ein weiterer Baustein in dem Konzept ein stationärer Stromspeicher vom Typ „Sonnenbatterie“. Er speichert mit einer Kapazität von 13,5 Kilowattstunden überschüssig produzierten Strom, um ihn dann verbrauchen zu können, wenn die Sonne keine Energie liefert. Die Kapazitäten sind dabei stets im Auge, denn mittels eines Großdisplays im Eingangsbereich im Hauptgebäude in Maberzell kann jederzeit eine Energiebilanz gezogen werden, welche den Verbrauch, die Eigenversorgung, den Eigenverbrauch, den Bezug von Strom und die Netzeinspeisung darstellt. Eine tages- und jahreszeitabhängige Prognose gibt sogar Handlungsempfehlungen, so dass die von der Einrichtung genutzten Elektrogroßgeräte, wie Waschmaschinen und Trockner daran ausgerichtet zum Einsatz kommen können.

Christof Schneider Caritas Fulda

Schonung von Ressourcen
Christof Schneider (Foto) begleitet bei der Caritas im Bistum Fulda diese Energiefragen und zeichnet für das Projekt verantwortlich. Er tüftelte viel, bis eine schlüssige Umsetzung erreicht war. Seine Motivation dabei ist „Nachhaltigkeit, die Schonung von Ressourcen und zukunftsfähige Lösungen zu finden“.
Doch das Ganze muss sich auch wirtschaftlich rechnen. „Den Stromspeicher und die ersten beiden Elektrofahrzeuge hätten wir ohne die Förderung des regionalen Energieunternehmens Rhönenergie nicht anschaffen können“, erläutert Schneider. Die Aktivitäten der Caritas waren und sind allerdings nicht auf den Komplex der Erzeugung und Speicherung begrenzt. Ein wichtiger Bestandteil der Konzeption ist die Einsparung im Verbrauch. So verbraucht beispielsweise ein moderner Wärmepumpen-Wäschetrockner weniger als ein Drittel eines älteren Ablufttrockners.

80 Prozent Ersparnis
Noch plakativer ist der komplette Austausch der Leuchtmittel in den Gebäuden. Die Umstellung auf LED hat eine Energieeinsparung von über 80 Prozent erbracht. Dabei wurden etwa 500 alte Leuchtmittel gegen moderne LEDs ausgetauscht. Die alten Leuchtmittel stehen mit einem Gesamtverbrauch von 18500 Watt den neuen mit nur noch 2350 Watt gegenüber.
Im nächsten Schritt sollen die letzten der Gebäude energetisch saniert werden. In den von acht bis neun Jugendlichen und Betreuern bewohnten Häusern aus den 1960er und 1970er Jahren werden letzte Fenster auf den neusten energetischen Stand gebracht und die oberen Geschosse durch zusätzliche Wärmedämmung verstärkt. „Solarthermie ist noch ein Thema“, erklärt Christof Schneider und deutet eine Blockheizkraftwerk-Idee an. Doch wird hier Schritt für Schritt vorgegangen und dabei jeder auch ökonomisch geprüft. „Bei Elektrogroßgeräten wie zum Beispiel älteren Kühl- und Gefriergeräten macht es einfach Sinn sie auszutauschen“, denn die Einsparungen würden laut Schneider die Investitionen schnell wieder wettmachen. Im Caritasverband für die Diözese Fulda gibt es sieben Altenhilfeeinrichtungen sowie drei Kinder- und Jugendhilfeeinrichtungen, auf deren Dächern insgesamt 357,16 kWp Photovoltaikstrom erzeugt werden. Zu dem vielfältigen Engagement der Einrichtung, in der über 300 Kinder, Jugendliche und Familien von den rund 250 Mitarbeitern betreut werden, gehört auch immer mehr die Betreuung von Unbegleiteten minderjährigen Flüchtlingen. Das Thema Energie ist dabei oft präsent und wird auch pädagogisch vermittelt, was neben der praktischen Einsparung somit eine weitergehende Wirkung hat.

Weitere Informationen zu den Energieprojekten: umwelt@caritas-fulda.de

Fotos und Text: Timo Schadt

 

Quelle: Monatsmagazin printzip, Ausgabe 2/2016