Thermische Solar-Anlagen (Teil 2)

Thermische Solar-Anlagen (Teil 2)

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Matthias Marx, Stand: 12/2009

Solarthermische Anlagen für Warmwasser und Heizungsunterstützung

Nach einer schöpferischen Pause im Sommer 2009 kommt nun die ruhigere Zeit, wo die Tage kürzer und die Abende länger werden und in der man so manches aus seiner Gutachtertätigkeit aufarbeiten kann.

So musste ich im Rahmen meiner gutachterlichen Tätigkeit überprüfen wann eine solarthermischen Anlage für Brauchwarmwasser in Kombination mit Heizungsunterstützung wirtschaftlich ist. Siehe hierzu auch Teil 1 meiner Publikation - 06/2009.

Zuerst ist es wichtig, dass eine einheitliche Begriffsdefinition vorherrscht. Dies ist in der Regel aber nicht der Fall. Es werden Begriffe wie Primärenergiebedarf, Endenergiebedarf, Nutzenergiebedarf, Nutzfläche, Wohnfläche, thermische Gebäudehüllfläche, sieben-, fünf- und drei Liter Haus, kfw Effizienzhaus 70 oder 55, kfw- 40 Standard, Passivhaus, Nullenergiehaus, Plusenergiehaus und und und, der Art durcheinander geworfen und missbraucht, dass diverse Interessenvertreter, die Industrie, Verkäufer etc. leicht haben, dem “dummen” Laien etwas aufzuschwatzen und zu verkaufen was eventuell unsinnig ist. Aber dazu später mehr.

Viel wichtiger ist doch eigentlich die Aussage und Erkenntnis, wie viel muss man - bei einem Gebäude - vorne reinstecken um hinten eine warme Gebäudehülle und Warmwasser zu erhalten. Zu dieser Energie muss natürlich die Energiemenge addiert werden, die zur Entstehung der eingesetzten Energieeinsparprodukte notwendig war. Sogenannte Energiegesamtbilanz. Diese Energiegesamtbilanz kann  dann über die effektive real genutzte Fläche (Gesamtnutzungsfläche) mit anderen Gebäuden untereinander verglichen werden und gibt Aufschluss über die komplette reale Energieeffizienz des Gebäudes.

Um nun eine Aussage über die Wirtschaftlichkeit - Sinn oder Unsinn - von solarthermischen Anlage zur Heizungsunterstützung treffen zu können, muss man zu allererst einmal klären wie viel Energie in kWh überhaupt eine Solaranlage liefern kann. Ein wichtiges Kriterium ist hier die Sonnenscheindauer. Siehe Grafik

Durchschnittliche Sonnenscheindauer in Deutschland

Die mittlere Sonnenscheindauer liegt etwa bei 1200 bis 1800 Stunden im Jahr und differiert innerhalb Deutschland erheblich. Zum Vergleich beträgt die Sonnenscheindauer im mittleren Afrika etwa doppelt so viel, also 4000 Stunden. Weiter ist von Bedeutung wie die Intensität der Sonnenscheindauer ist. Es leuchtet ein, dass die Intensität in der Sahara wesentlich größer ist als in Nordeuropa.

Vor diesem Hintergrund sind erhebliche Faktoren zur Auslegung einer solarthermischen Anlage, der Standort, die Neigung, die Lage, die Ausrichtung des Kollektorfeldes und vieles mehr. Im Einzelnen muss dann noch geklärt werden, wie groß wird die Kollektorfläche, wie groß wird der Speicher, wird die Solar-Anlage mit Flachkollektoren oder mit Vakuumkollektoren ausgestattet.

Es dürfte auf Grundlage des Vorgenannten jedem klar werden, dass die hydraulische Berechnung einer Solar-Anlage nur mittels aufwendiger Simulationsberechnung, die an die jeweilige erforderliche Heiz- und Gebäudesituation angepasst wird, möglich ist.

Vor diesem Hintergrund kann eine generelle Aussage über die Wirtschaftlichkeit von Solar-Anlagen nicht getroffen werden, zumal die Energieabgabe und die Energieaufnahme über die Kollektoren weder linear noch konstant über die Zeit sind. Sie sind vielmehr abhängig von der Sonnenscheindauer (also klimatische Bedingungen), Lage des Objekts, Neigung der Kollektorfläche, Heiztechnische Versorgung des Gebäudes usw. usw. Somit müssen Solar-Anlagen für jedes Objekt separat berechnet und auf das jeweilige Gebäude und Nutzerverhalten ausgelegt werden.

Der Verfasser betrachtet im nachfolgenden eine typische Anlage für ein Einfamilienhaus mit 150 qm beheizten Nutzfläche und 4 Personen. Einmal mit einem geringen energetischer Standard und einmal mit einem hohen energetischen Standard. Beide Häuser sollen Fußbodenheizung besitzen.

Eine solche Solar-Anlage könnte so wie hier dargestellt aussehen:

Schema einer solarthermischen Analge
Solarfeld, Kombispeicher, Gas-Brennwertkessel, Anbindung an Warmwasser- und Heizsystem

Hierzu werden die einzelnen Komponenten beschrieben und eine kurze Erläuterung gegeben.

Solarkollektoren:

Je größer das Solarfeld, desto größer ist der Ertrag. Dieser Ertrag hängt jedoch entscheiden von der Neigung und Ausrichtung des Solarfeldes sowie ganz erheblich von der Speichergröße ab.

Solar-Speicher:

Je größer der Solar-Speicher, desto mehr Wärmeertrag aus der Solar-Anlage kann kurz- oder mittelfristig für kältere Tage gespeichert werden. Ist der Speicher zu klein oder zu groß bemessen, wird der überschüssige vermeintliche Wärmeertrag schlicht und ergreifend thermisch vernichtet. Zu hydraulischen Auslegung stehen Solar-Feld und Solar-Speicher im direkten Zusammenhang.

Brauchwarmwasser:

Siehe hierzu Beitrag Teil 1 - Solarthermische Anlagen zur Warmwasserbereitung

Heizkreistemperatur:

Für den solarthermischen Ertrag aus der Solaranlage, spielt die vorhanden Heizkreistemperatur eine sehr wichtige Rolle. Je höher die Heizkreistemperatur innerhalb des Gebäudes ist, desto schneller wird der solarthermische Speicher entladen.

Beispiel 1

Randparameter:

Standort Saarland - Klimadatensatz Saarbrücken
Personen 4
Warmwasserbedarf 160 Liter pro Tag
Zirkulation ja
Soll-Temperatur 50 Grad
Jahresenergie ca. 2.700 kWh
Heizlast 13 kW
beheizte Nutzfläche 150 m2
Heizkreistemperatur 40/25 Grad
Innentemperatur 20 Grad
Jahresheizwärmebedarf ca. 20.700 kWh
Kombispeicher 1.000 Liter - Beginn der Betrachtung
Zusatzheizung Gas-Brennwertkessel 17 kW

Somit ergibt sich ein Jahresenergiebedarf aus Warmwasser und Heizung nebst 10 % Anlagen- und Leitungsverlusten von rund 25.700 kWh.

Folgende Ergebnisse ergeben sich bei variable Veränderung der Kollektorfläche von 10 bis 20 m2 und Veränderung des Kombispeichers von 1000 bis 10000 Liter.

Energiezufuhr in Abhängigkeit von der Anzahl der Kollektoren

Beispiel 2

Randparameter:

Standort Saarland - Klimadatensatz Saarbrücken
Personen 4
Warmwasserbedarf 160 Liter pro Tag
Zirkulation ja
Soll-Temperatur 50 Grad
Jahresenergie ca. 2.700 kWh
Heizlast 5 kW
beheizte Nutzfläche 150 m2
Heizkreistemperatur 40/25 Grad
Innentemperatur 20 Grad
Jahresheizwärmebedarf ca. 5.700 kWh
Kombispeicher 1.000 Liter - Beginn der Betrachtung
Zusatzheizung Gas-Brennwertkessel 5 kW

Somit ergibt sich ein Jahresenergiebedarf aus Warmwasser und Heizung nebst 10 % Anlagen- und Leitungsverlusten von rund 9.200 kWh

Folgende Ergebnisse ergeben sich bei variable Veränderung der Kollektorfläche von 10 bis 20 m2 und Veränderung des Kombispeichers von 1000 bis 10000 Liter.

Energiezufuhr in Abhängigkeit von der Anzahl der Kollektoren

Zwischenfazit

Bei einem energetisch schlechten Gebäude ist zwar ein höherer solarer Energieertrag vorhanden, aber der Anteil an der absoluten Abdeckung fällt recht bescheiden aus und beträgt je nach Anlagegröße nur etwa 20 bis 30 %. Bei einem energetischen sehr guten Gebäude hingegen kann zwar eine Abdeckung von 20 bis 40 % des Gesamtenergiebedarf dargestellt werden. In absoluten Energiezahlen können jedoch nur 2.000 bis 4.000 kWh Solarertrag - je nach Größe der Anlage - erwirtschaftet werden.

Woran liegt das?

In den Sonnenscheinschwachen Monaten von November bis Februar benötigt ein Gebäude die meiste Energie (etwa 80 bis 90 % der Jahresenergiebedarfs). Gleichzeitig kann dieser Energiebedarf aber nicht oder nur zu einem geringen Teil durch Solartechnik abgedeckt werden. Außerhalb dieser Zeitspanne verbraucht ein energetisch schlechtes Gebäude mehr Energie als ein energetisch sehr gutes Gebäude. Gleichzeitig herrscht in dieser Zeit eine längere und intensivere Sonnescheindauer vor, so dass auch eine höherer solarer Ertrag erwirtschaftet werden kann.

In unseren Breiten sind dem solaren Ertrag einfach physikalische Grenzen gesetzt, die keine höhere Energieerträge - zu Zeit - erwarten lassen.

Selbst bei absolut geringen Energiebedarf im Gebäude und solaren Großanlage (Kollektorflächen von mehr als 40 m2 und Wärmespeicher von mehr als 30 m3) sind höhere Abdeckungsraten als 80 bis 85 % nicht möglich.

In absoluten Werten sind das gerade mal Energieerträge von 4.000 bis 7.000 kWh pro Jahr, je nach Anlagentyp.

Vergleicht man dann die absoluten Energieeinsparkosten von etwa 300 bis 600 EUR pro Jahr mit den erforderlichen Investitionskosten von mehr als 15.000 EUR bzw. mehr als 30.000 EUR für Großanlagen, kommt man schnell ins grübeln.

Fazit

Bei ordentlicher Würdigung des vorgenannten muss man zur Erkenntnis gelangen, dass zur Zeit solarthermische Anlagen zur Warmwasserbereitunh und Heizungsunterstützung nicht wirtschaftlich sind, da sich die Investitionskosten gegenüber den Einsparungen in keinem vernünftigen Zeitraum refinanzieren.

Es muss also jeder für sich alleine entscheiden ob er aus ökologischer Sicht - trotz der immensen Investitionskosten im Verhältnis zu den geringen Einsparkosten - eine solarthermische Anlage errichtet. In seine Überlegungen sollte der Betrachter aber auch die enorme Immissionen aus Entstehungsenergie (aus fossilen Energiequellen) zur Herstellung der Solaranlagen und anderen Produkte einfließen lassen, denn diese Energie ist nicht mehr ersetzbar.

Wenn nicht wirtschaftlich, warum das Ganze?

Mit den Schlagwörtern “Klimawandel, Kohlendioxid ist Schuld am Klimawandel, Klimakatastrophen, der Ausstoß der Klima schädlichen Gase muss drastisch reduziert werden” etc. etc., lässt sich mit der Angst der Menschen viel Geld verdienen. So werden die Medien gezielt dazu eingesetzt, immer wiederkehrend zu verkünden dass der erhöhte CO2-Ausstoß Schuld am Klimawandel ist. Ein wissenschaftlicher Nachweis existiert jedoch nicht. So wird eine evtl. zukünftige Klimakatastrophe in den Köpfen der Menschen implantiert, die mit logischen Überlegungen nicht mehr wegdiskutiert werden kann. So unterstützt die Wirtschaft Umweltorganisationen, damit aus grüner Kehle immer wieder das gleiche Horrorszenario im Fernsehen, Internet und sonst wo wiedergegeben wird, damit ja nur keiner auf die Idee kommt irgend etwas anzuzweifeln oder gar anders zu denken und vielleicht das Gesagte zu überprüfen, ob dies alles so richtig ist. Im Gegenzug wird dann mit Verunsicherung und der Unwissenheit des Einzelnen Kasse gemacht.

Nutznießer der ganzen Hysterie sind Banken und Börsen, die sich z.B. über erhöhte, aber nicht notwendige Investitionen und somit zunehmende Kredite freuen, Versicherungen über steigende Police aus angeblicher Unwetterzunahme. Für Umweltwissenschaftler werden erhöhte und leicht zugängliche Fördergelder gezahlt. Die Wirtschaft frohlockt wegen erhöhter Auftragseingänge für die Energiewirtschaft und daraus resultierenden energetischen Sanierungen und Nachrüstungen an Gebäuden, die auf so genannter regenerativer Energie basieren. Und dies alles unter der fürsorglichen Hand der Politiker, die sich selbst gern als Weltretter sehen und darin bestärkt werden so zu handeln, da sie ja von den vorgenannten Organisationen und Wirtschaftslobbyisten weitestgehend beraten werden.

Ist dieser Weg richtig?

Alle Produkte die der Mensch so benötigt werden letztendlich aus fossilen und endlichen Energien hergestellt. Die Erde, die in Millionen von Jahren diese fossilen Energieträger geschaffen hat, wurde von der Menschheit in weniger als 300 Jahren wie eine Milchflasche leer gesoffen, ohne Rücksicht auf Nachhaltigkeit. Man muss kein Prophet sein um zu erkennen, dass in naher Zukunft die fossilen Energieträger nicht mehr zur Verfügung stehen und die Energieressourcen versiegen werden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass wegen dieser Verknappung von Energieressourcen und das Nicht gegen steuern der Politik und Wirtschaft, Kriege geführt werden müssen um das Überleben zu sichern. Es werden auf den Weltklimakonferenzen einfang keine Nägel mit Köpfen gemacht, sondern jeder versucht nur die Interesse seines Staaten zu berücksichtigen. Vom globalen miteinander keine Spur.

Wir müssen also einen Weg finden keine fossilen Energieträger mehr in Anspruch nehmen zu müssen und alles, aber auch alles, aus regenerativen nachwachsenden Rohstoffe und Energieträger zu gewinnen und somit einen Kreislauf zu schaffen, der die Nachhaltigkeit auf Dauer und das Weiterleben auf unserer Erde sicherstellt.

Wie kommen wir aus diesem Dilemma raus?

Wir müssen Energie einsparen und Zug um Zug - in den nächsten 20-30 Jahren - alle Energieträger, die zur Herstellung von Produkte bzw. zum Heizen und zur Stromerzeugung dienen, auf erneuerbare und nachwachsende Energieträger umstellen. Es kann und darf nicht sein, dass die privaten Haushalte fast 3/4 der Energie zum Heizen, Stromerzeugen oder Autofahren verschwenden.

Hierzu muss ein drastischer Umdenkprozess in den Köpfen jedes Einzelnen stattfinden um die Nachhaltigkeit für immer zu gewährleisten. Ansonsten steuert die Menschheit global auf eine Katastrophe unermesslichen Ausmaßes zu.

So kann es ebenfalls nicht sein, dass Großkraftwerke - egal mit welcher Energie sie betrieben werden - bis zu 2/3 der Energieausnutzung ungenutzt in die Atmosphäre blasen.

Viel effizienter wäre es doch die Energie - thermisch und elektrisch - dort zu produzieren, wo sie direkt genutzt und verbraucht wird, nämlich dezentral in den Häusern und Fabriken. Darüber hinaus müsste ein Teil der erzeugten Energie der Allgemeinheit zu Verfügung gestellt werden. Das entsprechende Verteilnetz ist flächendeckend bereits vorhanden.

Um dies zu erreichen sind drastische und sofortige Gesetzesänderungen regional als auch national durch die jeweiligen Regierungen zu erlassen, damit Alt- wie Neubauten entsprechend innerhalb einer Übergangsfrist umgestellt werden können.

So könnten energetisch autarke Gebäude entstehen. Wie diese aussehen könnten lesen Sie in der Publikation Autarke Gebäude – Energiekraftwerke der Zukunft