Sonnenkollektor

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Sonnenkollektoren - die Sonne ins Haus geholt

Flachkollektor
  • Ressource:
    solare Direkt- und Diffusstrahlung
  • Standorte:
    weltweit
  • Einsatzgebiete:
    Heizung, Warmwasser
  • Leistungsbereich:
    1,5 bis 200 MWh/a; keine eigentliche Leistungsobergrenze
  • Kosten heute:
    10 bis 25 Cent/kWh


Mit Solarkollektoren (Solaranlagen) wird die Strahlung der Sonne in Wärme umgesetzt, um etwa Wasser für den täglichen Bedarf zu erwärmen oder Gebäude zu heizen. Das Prinzip kann man verstehen, wenn man im Sommer einen mit Wasser gefüllten Gartenschlauch in die Sonne legt: Schon nach kurzer Zeit ist das Wasser heiß.

In der einfachsten technischen Ausführung fließt ein Wärmeträgermedium durch nicht abgedeckte, schwarze Kunststoffmatten, auch Absorber genannt. Mit solchen Anlagen können keine hohen Temperaturen erreicht werden. Dafür weisen sie geringe Anschaffungskosten auf und werden für die Erwärmung des Badewassers in Freibädern genutzt. Da sie meistens kostengünstiger als fossil gefeuerte Heizkessel sind, tragen sie bereits heute dazu bei, die Haushaltskasse der Schwimmbadbetreiber zu entlasten.

Technisch ausgefeilter sind Flachkollektoren. Um die Wärmeverluste des Kollektors durch Konvektion und Leitung zu vermindern, ist bei diesem Kollektortyp der Absorber, der aus Metall besteht, gut isoliert. Auf der Seite, wo die Sonne auf den Absorber auftrifft, ist er mit einer Glasscheibe abgedeckt, auf der Rückseite ist eine dicke Dämmschicht aufgebracht. Verluste durch Abstrahlung der schon eingefangenen Wärme lassen sich durch Aufbringung von schwarzem Solarlack oder noch wirksameren selektiven Schichten vermindern.

Bei gleicher Sonnenstrahlung kann ein solcher Flachkollektor durch diese Maßnahmen höhere Temperaturen erreichen als die zuerst beschriebenen schwarzen Kunststoffmatten. Auch wenn es draußen schon kälter ist, können sie noch Wärme liefern. Daher sind Flachkollektoren heute die bevorzugte Wahl, wenn man mit der Sonne Brauchwasser erwärmen möchte. Gegenwärtig auf dem Markt erhältliche Kollektoren weisen eine Fläche zwischen 2 und 5 m² auf. Mehrere Module werden kombiniert, bis die erforderliche Wärmeleistung erreicht wird. Ein System für ein Einfamilienhaus nimmt gewöhnlich eine Dachfläche von 6 m² ein und kann damit typischerweise 60 % des jährlichen Brauchwasserbedarfs bereitstellen. Dabei deckt eine solche Anlage im Sommer den Bedarf vollständig ab, in den anderen Jahreszeiten muss der konventionelle Kessel das vom Kollektor vorgewärmte Wasser noch nachheizen.

Vakuumröhren

Wärmeverluste durch Leitung und Konvektion sind bei Vakuumröhrenkollektoren fast gänzlich unterbunden. Die Absorber liegen in gläsernen Röhren, in denen ein Vakuum herrscht. Diese Isolation ähnelt der von Thermoskannen. Kollektoren solcher Bauart haben die höchsten Wirkungsgrade unter den Kollektortechnologien. Sie können auch noch bei niedrigen Außentemperaturen im Winter Wärme liefern, wenn bei Flachkollektoren die solaren Gewinne durch die Wärmeverluste wieder verloren gehen, und eignen sich daher besonders für die Heizung von Gebäuden und die Bereitstellung von Prozesswärme.

Um einen hohen Wirkungsgrad des Kollektors, egal welcher Bauart, zu erreichen, sollte das erforderliche Temperaturniveau der genutzten Wärme möglichst niedrig sein. Sollen mit der Sonne auch Räume beheizt werden, bieten sich daher Fußboden- oder Wandflächenheizungen an. Es ist deshalb auch wichtig, das zu beheizende Gebäude sehr gut zu dämmen, um so den Heizbedarf möglichst gering zu halten. Mit einer Anlage von 11 m² (Vakuumröhrenkollektor) bzw. 14 m² (Flachkollektor) lassen sich bei einem gut gedämmten Haus etwa 20 bis 30 % des gesamten Wärmebedarfs solar abdecken. Insbesondere in den Übergangszeiten im Frühling und Herbst leisten die Kollektoren gute Dienste. Typische Anlagen zur Brauchwassererwärmung erzeugen jährlich 330 kWh pro m², Anlagen zur Heizungsunterstützung etwas weniger.

Die Ausrichtung des Kollektors nach Süden und seine Neigung spielen dabei eine weit geringere Rolle als gemeinhin angenommen. Modellrechnungen zeigen, dass Abweichungen von plus / minus 60° von der genauen Südausrichtung eine Einbuße der Sonnenernte von nur 10 % zur Folge haben. Weicht die Neigung um 20° von der in unseren Breiten optimalen Neigung von 50° ab, so geht der Energieertrag um etwa 5 % zurück.

Für eine Solarkollektoranlage ist ein Speicher unerlässlich. Er nimmt die vom Kollektor bereitgestellte Wärme auf, falls kein aktueller Wärmebedarf gegeben ist und gibt die Wärme dann wieder ab, wenn Wärme benötigt wird. Solarkollektoranlagen zur Brauchwassererwärmung benötigen im Einfamilienhaus typischerweise einen Speicher von 350 l Inhalt. Soll der Sonnenkollektor auch zur Raumheizung eingesetzt werden, werden größere Speicher benötigt. Normalerweise geht man von 70 l Speichervolumen je Quadratmeter Kollektorfläche aus. Zu beachten ist, dass diese Speicher nur für wenige Tage die Unterschiede zwischen Energieangebot und Wärmenachfrage ausgleichen können. Sie sind jedoch nicht groß genug, um gespeicherte Sonnenwärme bis in den Winter warm zuhalten.

Zwei Fliegen mit einer Klappe: solare Wärme und lärmgeschützte Wohngebiete

Für diese Zwecke sind erheblich größere Speicher und auch Kollektorflächen nötig. Hierzu gibt es in Europa eine Vielzahl von Demonstrationsprojekten. Die derzeit größte deutsche Anlage in Neckarsulm wird im Endausbau 1.200 Wohnungen auch im Winter mit solarer Wärme aus 15.000 m² Kollektoren und einem 150.000 m³ großen Speicher versorgen. Die Kollektoren befinden sich teils auf den Dächern der Schule, der Sporthalle und einigen Wohngebäuden, teils wurden sie über Parkplätzen oder entlang eines Lärmschutzwalls installiert. Für die in derartigen Projekten eingesetzten saisonalen Speicher müssen kostengünstige Lösungen gefunden werden, da sie im Unterschied zu den normalen Speichern in den Heizungskellern nur einmal im Jahr be- und entladen werden. Neben dem Neckarsulmer Ansatz, den vorhandenen Lehmboden mittels Erdsonden als billiges Speichermedium zu verwenden, gibt es noch weitere vielversprechende Entwicklungslinien. Hierzu gehört die Wärmeeinspeisung in unterirdische, wasserführende Schichten (Aquifere), die Nutzung von Schüttungen aus grobkörnigem Kies und Wasser oder die Konstruktion von wenigstens teilweise ins Erdreich versenkten, wassergefüllten Betonbehältern. Jedes dieser Speicherkonzepte hat seine Vor- und Nachteile. Eine erfolgreiche Entwicklung kostengünstiger Langzeitspeicher wird der Solarenergie Anwendungsfelder erschließen, die weit über die heute noch vorherrschende sommerliche Brauchwassererwärmung hinausgehen.

Technische Trends

Tests belegen, dass die Solarkollektoranlagen mittlerweile einen hohen Reifegrad erreicht haben, der einen zuverlässigen Betrieb über 20 Jahre ermöglicht. Trotzdem gab es in jüngster Zeit noch weitere technische Verbesserungen. Durch den Einsatz neuer selektiver Schichten auf der Absorberoberfläche konnten die Abstrahlung verringert und damit der Wirkungsgrad erhöht werden. Zudem sind diese selektiven Schichten umweltfreundlicher als die bisher eingesetzten galvanischen Beschichtungen und zeigen sich auch unempfindlicher gegenüber mechanischen Einflüssen oder hohen Temperaturen.

Bei Flachkollektoren konnten die Reflexionsverluste an der Abdeckungsverglasung durch eine besondere Oberflächenbehandlungen reduziert werden. Niedrigere Durchflussraten durch den Kollektor erlauben den Einsatz von Zu- und Ableitungen mit geringerem Durchmesser. Dadurch können dünnere Rohrisolierungen eingesetzt, der Materialaufwand erheblich reduziert und Pumpstrom eingespart werden.

Um die Kosten weiter zu mindern, geht der Trend zu immer größeren Einzelmodulen. Außerdem wird die Montagetechnik auf dem Dach vereinfacht. Dies geht soweit, dass die Kollektoren die konventionelle Dachhaut, z.B. Dachpfannen und -sparren, komplett ersetzen, so dass die Kosten für Teile des Dachstuhls eingespart werden können.

Regelung und Pumpen werden in vormontierten, integrierten Baugruppen geliefert. Es werden lötfreie Rohrverbindungen angeboten, so dass die Montage vor Ort erheblich vereinfacht ist und von begabten Laien selbst ausgeführt werden kann.

Kosten

Durch technische Fortentwicklung und Marktausweitung konnten die Preise für das Gesamtsystem in den letzten 15 Jahren deutlich gesenkt werden. Derzeit kann man mit spezifischen Investitionskosten für eine komplette Anlage inklusive Speicher, Verrohrung und Montage von 850 Euro/m² Kollektorfläche rechnen.

Wenn Solarkollektoren bei den gegenwärtigen Preisen fossiler Energieträger noch nicht ganz mithalten können, so kann man sich doch gegen die Risiken zukünftiger Energiepreiserhöhungen zuverlässig schützen. Außerdem: Energetisch betrachtet macht sich eine Anlage schon nach ein bis zwei Jahren bezahlt. Dann hat sie schon so viel Energie hereingeholt, wie für ihre Herstellung notwendig war.

Marktentwicklung

2001 wurden rund 900.000 m² verglaste Kollektorfläche in Deutschland verkauft. Insgesamt sind weit über 4 Mio. m² Kollektoren auf deutschen Dächern installiert. Hierdurch werden über 2.000 GWh an fossilen Brennstoffen ersetzt, was einer Menge von 200 Mio. l Heizöl entspricht.

Dank des Marktanreizprogramms der Bundesregierung, der Kampagne “Solar – na klar!” und vieler engagierter Bürger hat sich in den letzten beiden Jahren der Absatz von Kollektoren in Deutschland mehr als verdoppelt.

Trotzdem ist unser Land noch nicht Spitzenreiter bei der Nutzung der Solarenergie. Im Nachbarland Österreich ist je Kopf der Bevölkerung die fünffache Menge an Solarkollektoren installiert. Dort sind die Kollektoren außerdem bereits zu einem lukrativen Exportschlager geworden. Andere EU-Länder wie Frankreich, Italien oder England hinken dagegen der Entwicklung noch weit hinterher.

Ein weiterer Schub für die Marktausweitung kann durch eine Erhöhung der Nachfrage nach größeren Anlagen erhofft werden. Noch wird der ganz überwiegende Teil der Sonnenkollektoranlagen auf Dächern von Einfamilienhäusern installiert. Auf Mehrfamilienhäusern oder sonstigen großen Gebäuden finden sich bisher kaum Anlagen. Dabei können die Kosten für solare Wärme gerade bei Großanlagen deutlich gesenkt werden. Das Marketing für diese Anlagen ist dennoch schwieriger:
Die solare Wärme kommt nicht mehr dem Eigentümer der Anlage, sondern den Mietern zugute. Hierdurch entfällt die Freude des Anlagenbesitzers beim Duschen mit selbst erzeugter Wärme aus einer unerschöpflichen Quelle. Statt dessen treten verstärkt wirtschaftliche Kriterien in den Vordergrund. Einige Wohnbaugesellschaften haben sich für Solaranlagen auf ihren Miethäusern entschieden, weil hierdurch die Vermietbarkeit verbessert und die Leerstände reduziert werden konnten.

Perspektiven

In Neckarsulm werden sogar die Parkplatzflächen zur Wärmeerzeugung genutzt.

Langfristig kann solare Wärme erheblich zu einer nachhaltigen Energieversorgung in Deutschland beitragen. Auf den Dächern von Gebäuden ist Platz für 800 km² Kollektoren. Weitere Installationsflächen gibt es an Südfassaden, über Parkplätzen oder an Straßenböschungen. Insgesamt können bis zu 1.300 km² Kollektoren installiert werden, wobei schon berücksichtigt ist, dass ein Teil der Dachflächen für die Nutzung von Solarzellen zur Stromerzeugung (Photovoltaik) reserviert bleiben muss. Mit dieser Kollektorfläche könnte rechnerisch etwa die Hälfte des heutigen Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser gedeckt werden. Heute liegt der Beitrag solarer Wärme aber noch bei 2 ‰.

Um solare Wärme zu einem Standbein der Energieversorgung zu machen, genügt es nicht, jedes Dach mit Kollektoren zu belegen und einen Solarspeicher in jeden Keller zu stellen. Es ist vielmehr notwendig, eine große Anzahl von Gebäuden über ein Nahwärmenetz miteinander zu verbinden und an einen großen gemeinsamen Speicher anzuschließen. Nur so kann zu vertretbaren Kosten Sommersonnenwärme bis in den Winter gespeichert werden.

Der Aufbau von Nahwärmenetzen ist eine entscheidende Voraussetzung für die umfassende Nutzung solarer Wärme. Auch zur kostengünstigen Nutzung von Holzhackschnitzeln, Stroh, Miscanthus oder Geothermie kann Nahwärme in erheblichem Maße beitragen. Als Beispiel kann hier Dänemark dienen, wo bereits heute 58 % aller Wohnungen mit Fern- oder Nahwärme beheizt werden. Mehr als ein Drittel der in die Netze eingespeisten Wärme stammt dabei aus erneuerbaren Energien und der überwiegende Rest aus der ebenfalls umweltfreundlichen Kraft-Wärme-Kopplung.

Nahwärme ist flexibel und zukunftsoffen. Zugunsten einer nachhaltigen Wärmeversorgung ist für die kommenden Jahrzehnte ein entschiedener Ausbau derartiger Systeme auch in Deutschland anzustreben. Dies wird keine einfache Aufgabe sein.



Quellen


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