Solarthermie

Einführung & Grundlagen #

Potential der Einstrahlung

Die im Laufe eines Jahres zur Verfügung stehende solare Einstrahlung ist von folgenden Faktoren abhängig:

• Standort des Gebäudes
• Dachflächenorientierung (Ausrichtung und Neigung)
• Verschattungssituation

Standort des Gebäudes

Das Energieangebot der Sonne steht mit 75 % der Jahressumme überwiegend in den Monaten Mai bis September zur Verfügung. Lediglich ¼ fällt auf das Winterhalbjahr. Damit die Sonnenenergie im Haupterntezeitraum genutzt wird, ist es vorteilhaft, wenn insbesondere in den Sommermonaten ein gleichbleibend und hoher Energiebedarf vorliegt (z.B. für die Klimatisierung). Das Strahlungsklima in Deutschland zeichnet sich im Prinzip durch einen Nord-Süd-Anstieg aus.

Die Jahressummen auf eine horizontale Fläche schwanken von knapp 940 kWh/m² Empfangsfläche in Norddeutschland bis 1.200 kWh/m² in Süddeutschland. Für eine Fläche von einem Quadratmeter betrachtet entspricht dies einem Energieangebot von 94-120 Litern Heizöl oder 94-120 m³ Erdgas.

In solarthermischen Anlagen wandeln Kollektoren die Sonneneinstrahlung in Wärme um. Transportmittel der solaren Wärme kann eine Flüssigkeit oder Luft sein. In betrieblichen Einrichtungen können solarthermische Anlagen für folgende Anwendungen eingesetzt werden:

• Trinkwassererwärmung (z.B. Mitarbeiterduschen, Wäschereien, Küchen, Friseure, Fleischereien)
• Raumheizung (z.B. Hallen, Hochregallager, Büroräume)
• Prozesswärme (z.B. Flaschenreinigung, Lebensmittelproduktion)
• Kühlung (z.B. Serverräume, Klimatisierung)

Voraussetzungen für eine sinnvolle Nutzung #

Neben einer günstig ausgerichteten und nutzbaren Dachfläche (Statik!) ist es für den wirtschaftlichen Betrieb einer solarthermischen Anlage von zentraler Bedeutung, dass nicht nur der Zeitpunkt des Wärme- oder Kältebedarfs mit dem der erzeugten solaren Wärme oder Kälte möglichst gut übereinstimmt, auch die Höhe des gewünschten bzw. notwendigen Temperaturniveaus ist ausschlaggebend. Neben der Prüfung einer grundsätzlichen Eignung ist die Frage geeigneter Integrationspunkte der solarthermischen Anlagentechnik in die vorhandene Systemtechnik zu klären. Da solarthermische Systeme im Vergleich zum konventionellen Betrieb häufig mit größeren Speichern ausgestattet sind, können auch hier Engpässe aufgrund begrenzter Räumlichkeiten entstehen.

Um insbesondere auch die passende Anlagengröße ermitteln zu können, ist eine möglichst genaue Kenntnis der zeitlichen Verteilung von Wärme- bzw. Kältelasten über den Tag, die Woche und im Jahresverlauf sinnvoll und notwendig. Will man nicht auf Standardwerte zurückgreifen, sind derartige Verbrauchsprofile Voraussetzung für eine optimale Anlagenauslegung. Zur Messung des Warmwasserverbrauchs und Temperaturverlaufs können entsprechende Datenlogger und die dazugehörige Messtechnik temporär eingesetzt werden, um typische Lastgänge zu erfassen.

Solare Trinkwassererwärmung #

Solarthermische Anlagen arbeiten mit deutlich größeren Speichern, damit auch für ein paar strahlungsarme Tage ausreichend Warmwasser zur Verfügung steht. Für die Einbindung von solarer Wärme in das vorhandene System ist im Vorfeld zu prüfen, inwieweit der vorhandene Speicher weiter genutzt werden kann, oder durch den Solarspeicher ersetzt werden sollte.

Erfahrungsgemäß wird die Bedeutung von Solarspeichern unterschätzt. Nicht nur die optimale hydraulische Verschaltung mehrerer Speicher (Tichelmann_[1] ), sondern auch die lückenlose Wärmedämmung und syphonartig ausgeführte Speicheranschlüsse sind Voraussetzung für möglichst geringe Speicherverluste und ein effizientes System. Im Übrigen sollte der Solarkreisertrag mit Hilfe eines Wärmemengenzählers überwacht und dokumentiert werden.

[1] = Die Rohrleitungen vom Solarkreis zu den Speichern werden derart verlegt, dass die Summen der Längen von Vor- und Rücklaufleitung für jeden Speicher etwa gleich ist. Damit erreicht man nahezu identische Volumen- bzw. Wärmeströme

Kollektoren #

Im Bereich der Kollektortechnik stehen im Wesentlichen zwei Bauformen zur Auswahl: Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren. Flachkollektoren können von einem Solarfluid oder Luft durchströmt werden.

Häufig trifft man im gewerblichen Bereich auf Flachdächer. Hier bietet der durchströmte Vakuumröhrenkollektor gegenüber dem Flachkollektor einen entscheidenden Vorteil: der Röhrenkollektor muss nicht aufgeständert, sondern kann dachparallel montiert werden. Dies führt zu einer vergleichsweise schlanken Unterkonstruktion, einer geringeren Dachbelastung und geringeren Kosten für das Montagesystem.

Je umfangreicher und kontinuierlicher die erzeugte solare Wärme genutzt wird, desto wirtschaftlicher ist der Anlagenbetrieb. Eine Schlüsselgröße für die Auslegung der Kollektorfläche ist die sogenannte Auslastung. Sie gibt das Verhältnis der Menge an Warmwasser pro Quadratmeter Kollektorfläche an.

Empfehlenswert sind folgende Richtwerte für die Größe der Kollektorfläche und das dazu passende Speichervolumen:

	Flachkollektoren	Vakuumröhrenkollektoren
Kollektorfläche Auslastung [l/m2]	60 Liter (45°C) pro Quadratmeter Kollektorfläche	40 Liter (45°C) pro Quadratmeter Kollektorfläche
Speichervolumen	60 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche	80 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche

Solare Raumheizung #

Neben der solaren Trinkwassererwärmung spielt die solare Heizungsunterstützung eine zunehmend größere Rolle. Hierbei wird ein im Vergleich zur Trinkwasserwärmung in Bezug auf die Kollektorfläche und das Speichervolumen größeres System gewählt. Bei Vorhandensein eines flüssigkeitsgeführten Heizkreissystems können Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt werden. Besteht ein Heizwärmebedarf für eine Lagerhalle, eine Lackiererei oder eine KFZ-Werkstatt, können zweckmäßigerweise Luftkollektoren zum Einsatz kommen, da in der Regel ein Warmluftverteilsystem bereits vorhanden ist.

Aufgrund der saisonalen Verschiebung zwischen Sonnenenergieangebot und Heizwärmebedarf wird mit vertretbarem Aufwand in den meisten Fällen eine solare Heizungsunterstützung in der Übergangszeit in Frage kommen. Wichtig ist bei Betrachtungen zur solaren Raumheizung, dass eine Abnahme der solaren Wärme (Trinkwarmwasser, solare Kühlung) in den Sommermonaten erfolgt, weil die Anlage ansonsten häufig in der sogenannten Stagnation ist und nicht nutzbare Überschüsse produziert. Für eine saisonale Speicherung solarer Wärme können auch neuere Konzepte wie das des Eisspeichers oder eTank mit Erdspeicher in Verbindung mit einer Wärmepumpe realisiert werden. Der eTank ist ein aus mehreren Schichten Erdreich bestehender Speicher, in dem die gerade nicht benötigte Energie aus der Solaranlage zwischengepuffert und bei Bedarf über eine Wärmepumpe dem Heizsystem zugeführt wird. Der eTank ist zusätzlich nach oben und zu den Seiten wärmegedämmt, nach unten zum angrenzenden Erdreich hin offen.

Solare Prozesswärme #

Der Begriff solare Prozesswärme beschreibt die Nutzung der Solarwärme bei der Bereitstellung industriell und gewerblich genutzter Wärme.

21 % des industriellen Wärmebedarfs liegen im, für thermische Solaranlagen sehr günstigen, Bereich unter 100 °C und weitere 10 % im Temperaturbereich von 100 °C bis 250 °C.

In allen durchgeführten Potenzialstudien zur solaren Prozesswärme wurde das Ernährungsgewerbe als besonders vielversprechend bezeichnet. Verbreitete Prozesse sind das Pasteurisieren bei 60 bis 145 °C, das Kochen um die 100 °C, das Blanchieren von Gemüse- und Fleischprodukten (65 bis 95 °C), das Trocknen von Gemüse und Früchten (40 bis 240 °C) sowie das Reinigen von Produktionsanlagen (60 bis 90 °C). Aber auch andere Gewerbe zeigen ein vielversprechendes Potential auf.

Folgende Abbildung zeigt eine Übersicht von Branchen und der wesentlichen Prozesse innerhalb der Branche, die für eine Nutzung solarer Prozesswärme geeignet sind.

Heute verfügbare Kollektoren, insbesondere Vakuumröhrenkollektoren, können hier mit einer ausreichenden Effizienz Wärme bereit stellen. Die größte Herausforderung im Bereich solarer Prozesswärme bestehet – nach einer intensiven Analyse aller thermischen Prozesse – in der Integration eines geeigneten Solarkonzepts in das bestehende System. Während bei der Anwendung im häuslichen Bereich zur Trinkwassererwärmung oder Raumwärmebereitstellung einige wenige, klar definierte Anlagenkonzepte zur Verfügung stehen, ist dies bei der Anwendung im industriellen Bereich weitaus variabler und komplexer.

Bei der industriellen Anwendung kann die Solarwärme entweder zur energetischen Versorgung bzw. Unterstützung einzelner oder mehrerer Prozesse genutzt werden oder eine Ebene höher im Heißwasser- oder Dampfnetz eingespeist werden. Da für jedes dieser Anwendungsgebiete verschiedene Anlagenkonzepte realisierbar sind, stellt die Systemintegration eine besondere Herausforderung dar. Sie beeinflusst maßgeblich die solar bereitzustellende Solltemperatur, den Betrieb der Solaranlage und den erzielbaren Jahresertrag.

Eine integrale Planung umfasst folgende vier Schritte:

Mit diesem Vorgehen kann ein ökonomisches Gesamtkonzept realisiert werden, in das die solare Bereitstellung von Prozesswärme sinnvoll eingebunden ist. Als Grundlage der integralen Planung dient die strukturierte und umfassende Datenerhebung, die alle relevanten Informationen wie z.B. den Wärmebedarf mit Temperaturniveau und zeitlichem Anfall einbezieht. Diese Informationen sind sowohl für die Umsetzung von Maßnahmen zur Energieeffizienz notwendig, als auch für die Identifikation der am besten geeigneten Art der Systemintegration einer thermischen Solaranlage.

Beispielhaft für eine Anwendung mit hohem Potenzial sei hier die Vorwärmung von Wasser für Brau- und Reinigungszwecke in der Hütt-Brauerei genannt. Bei der mittelständischen Hütt-Brauerei Bettenhäuser GmbH & Co. KG (ca. 6.000 m³ Bier Jahresproduktion, Standort: Baunatal, Nordhessen) wurde im Mai 2010 eine thermische Solaranlage zur Vorwärmung von (Brau-) Wasser realisiert, das für Brau- und Reinigungszwecke benötigt wird. Die Solaranlage ist Teil des Energiekonzeptes, das den Energieeinsatz bei der Würze-Herstellung im Sudhaus verringern soll. Ausgangspunkt des Energiekonzeptes war die Installation einer neuen, energiesparenden Technologie zur Würzekochung. Darauf aufbauend wurde die Betriebsweise der Wärmerückgewinnung verbessert und eine Solaranlage in die Warmwasserreserve der Brauerei integriert.

Die Solaranlage besteht aus 155 m² Flachkollektoren und einem 10 m³ Pufferspeicher. Je nach Füllstand des Entleerungsspeichers der Warmwasserreserve wird kaltes Brauwasser (15°C) aus den sogenannten Vorlaufbehältern über den Pufferspeicher der Solaranlage auf bis zu 90°C aufgeheizt. Da das Brauwasser eine Vorstufe des Bieres darstellt, musste ein spezieller Entlade-Wärmeübertrager verwendet werden, der für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie geeignet ist. Zusätzlich muss der Druck im Brauwasserkreis stets über dem Druck des Pufferkreises liegen, was durch eine entsprechend ausgelegte Pumpe und Sicherheitsarmaturen gewährleistet ist.

Die Investitionskosten für die Solaranlage und die Einbindung in die Warmwasserreserve betrugen ca. 95.000 €. _[1] Im Rahmen des Programmes „Solarthermie2000plus“ wurden 50% der Investitionskosten durch das Bundesumweltministerium gefördert. Die geplante Amortisationszeit von ungefähr neun Jahren für die Solaranlage ließ sich durch die optimierte Wärmerückgewinnung weiter verkürzen.

Häufig scheitern Projekte im Vorfeld im Rahmen der Kostenbetrachtung an den in der Industrie geforderten kurzen Amortisationszeiten. Hinzukommen oftmals besondere Anforderungen (wie z.B. Edelstahlverrohrung in der Lebensmittelindustrie oder besondere Leckagesicherheit), die zu höheren Kosten führen. Zunehmend gibt es jedoch Unternehmen, die aus Gründen steigender Energiepreise oder Marketing-Aspekten längere Amortisationszeiten in Kauf nehmen.

[1] = Spezifische Kosten (netto) 100 – 1.000 m2 Kollektorfläche: 500 – 800 €/m2; > 1.000 m2 Kollektorfläche: < 500 €/m2

Solare Kühlung #

Die Kühlung bzw. Klimatisierung von Gebäuden ist mit einem großen Energieverbrauch insbesondere in den Sommermonaten verbunden. Hier bietet sich eine Nutzung von Sonnenenergie geradezu an. Bei den marktbeherrschenden Kompressionskältemaschinen handelt es sich immer um elektrische Energie. Inwieweit die Photovoltaik dazu einen sinnvollen Einsatzbereich erschließen kann, ist abzuwarten. Unabhängig von dieser Fragestellung werden in den meisten konventionellen Kompressionskälteanlagen Kältemittel eingesetzt, die zwar hinsichtlich ihres Potentials zur Zerstörung der Ozon-Schicht der Erdatmosphäre unbedenklich, hinsichtlich des Treibhauseffekts aber extrem wirksam sind. In den marktverfügbaren solarthermisch angetriebenen Kältetechnologien kommen ausschließlich Substanzen zum Einsatz, die keine Relevanz bezüglich des Treibhauseffekts aufweisen. In den Technologien Adsorption und sorptionsgestützte Klimatisierung ist Wasser sogar das einzige Kältemittel.

Man unterscheidet bei den solarthermisch angetriebenen Kältetechnologien:

• Absorption (Kaltwasser)
• Adsorption (Kaltwasser)
• Sorptionsgestützte Klimatisierung (Luftkonditionierung)

Absorptionskältemaschinen (AbKM) #

Adsorptionskältetechnik #

Die Adsorptionskältemaschine (AdKM) besteht im Wesentlichen aus einem Vakuumbehälter, der in vier Kammern unterteilt ist.