Onischke: Erneuerbare Energien - Teil 2: Nutzung der Sonnenenergie
Planungsberatung für Haus- und Grundbesitzer
Nutzung erneuerbarer Energien in Gebäuden Teil 2 – Nutzung der Sonnenenergie Grundlagen, allgemeine Aspekte und thermische Solaranlagen
Nachdem im ersten Teil dieser Reihe die verschiedenen Arten von Wärmepumpen, ihre Besonderheiten, Unterschiede, Vor- und Nachteile besprochen wurden, sollen im hier vorliegenden zweiten Teil zunächst die Grundlagen und allgemeine Aspekte zur Aufstellung von Solaranlagen allgemein betrachtet werden. Im Anschluss daran werden verschiedene Aspekte zu thermischen Solaranlagen beleuchtet.
Grundlagen zur Nutzung der Sonnenenergie
Die Sonnenenergie zählt zu den regenerativen (= erneuerbaren) Energien, weil sie sich - nach menschlichen Maßstäben - nicht verbraucht und somit die Erde dauerhaft von der Sonne mit Energie versorgt wird.
Auch in der Betrachtung eines größeren zeitlichen Rahmens wird uns die Sonne zuverlässig Energie liefern. Sogar mehr, als uns Menschen in sehr ferner Zukunft lieb sein kann. Alleine dadurch, dass die Sonne sich in ihrem Lebenszyklus aktuell immer weiter erwärmt, werden in etwa 900 Millionen Jahren auf der Erde Durchschnittstemperaturen von cirka 30 Grad Celsius herrschen, wodurch sämtliches höheres Leben auf der Erde wohl aussterben wird, bevor dann wiederum eine Milliarde Jahre später auf der Erde durch die Erwärmung der Sonne bereits ungemütliche Durchschnittstemperaturen von 100 Grad erwartet werden.
Da es im Moment aber noch nicht so weit ist und auch unsere Nachfahren in den nächsten zig-tausend Jahren noch andere Probleme auf der Erde zu bewältigen haben, bietet sich die Sonne in unserer Zeit als dauerhafte, kostenlose und umweltfreundliche Energiequelle an.
Insgesamt unterteilt man die mögliche Nutzung der Sonnenenergie in zwei Bereiche. Zum Einen spricht man von passiver Nutzung der Sonnenenergie an Gebäuden. Dabei wird ohne die Verwendung technischer Systeme wie beispielsweise Motoren und Pumpen die Sonnenenergie in Gebäuden eingefangen. Man richtet dabei Baukörper oder Bauteile nach dem Lauf der Sonne aus und konstruiert nach Süden orientierte Gebäudeteile als „Sonnenfallen“. Dabei wird die Sonnenenergie aufgefangen durch Bauteile, die überwiegend Glasfassaden haben. Massive Bauteile, wie zum Beispiel Ziegelwände, speichern diese Wärme und geben sie in der kühleren Tageszeit dann wieder ab.
Bei der aktiven Nutzung der Sonnenenergie wird durch mehr oder weniger aufwendige technische Systeme die von der Sonne eingestrahlte Energie nutzbar gemacht. Wärmepumpensysteme zählen hierzu, genauso wie die thermische Nutzung der Sonnenenergie in Sonnenkollektoren oder die Erzeugung von Strom in entsprechenden Systemen, den Solarzellen. (Photovoltaik)
Beitrag der Sonnenenergie insgesamt
Die Sonnenenergie kann - bei aller Begeisterung – momentan nur für unterstützende Energiegewinnung sinnvoll genutzt werden. In Deutschland ist auf die Sonnenscheindauer und die Intensität sowohl im Tages- als auch im Jahresverlauf zu wenig Verlass, als dass man ausschließlich auf Sonnenenergie setzen könnte.
Dennoch ist die Nutzung der Sonnenenergie eine interessante Technologie, weil sie die CO2 Bilanz verbessert, indem insbesondere fossile Energiequellen geschont werden und – weil sie uns von der Natur als Energiequelle kostenlos und direkt vor Ort zur Verfügung gestellt wird.
Insgesamt liefert die Sonne in Mitteleuropa je nach Jahreszeit in der Mittagszeit etwa 250 bis 700 Watt pro Quadratmeter, wir müssen sie nur möglichst effizient nutzen.
Allgemeine Aspekte für die Aufstellung von Sonnenkollektoren und Solarzellen
Aufstellung von Solaranlagen - Global
Grundsätzlich kann man festhalten, dass die Sonneneinstrahlung auf der Erde in Äquatornähe am intensivsten ist, weil der Weg der Sonnenstrahlen durch die Erdatmosphäre dort am kürzesten ist. Idealerweise sollte die Sonne außerdem nicht durch hohe Luftfeuchtigkeit oder gar häufige Wolkenbildung abgehalten werden. Diese Rahmenbedingungen sind in den großen Wüsten der Erde am ehesten gegeben. Aber gerade in Wüsten ist der Energiebedarf eher gering. Deshalb ist es nötig, dass die effiziente Speicherung und der möglichst verlustfreie Transport der Energie weiterentwickelt werden, damit die in den Wüsten im Überfluss vorhandene Sonnenenergie künftig mit möglichst geringen Verlusten an die Orte des Energiebedarfes geliefert werden kann.
Aufstellung von Solaranlagen - National
In Deutschland befinden sich die etwas besser geeigneten Gebiete für die Nutzung der Sonnenenergie eher im Süden. Dort ist der Anteil der direkten Sonneneinstrahlung höher als im Norden, wo die diffuse Strahlung einen höheren Anteil hat. Dennoch können auch im Norden Deutschlands Solaranlagen sinnvoll betrieben werden.
Aufstellung von Solaranlagen - Lokal
Die optimale Ausrichtung aller Solaranlagen ist dann gegeben, wenn die Sonne senkrecht auf die Oberfläche der Kollektoren fällt. Nachdem die Sonne im Tages- und im Jahresverlauf aus unterschiedlichen Himmelsrichtungen und in verschiedenen Neigungswinkeln auf die Erde einstrahlt, wäre es in der Theorie optimal, wenn Solaranlagen ständig dem aktuellen Sonnenstand nachgeführt würden. Jeder Kollektor müsste sich demnach – je nach Jahreszeit unterschiedlich – im Tagesverlauf von Osten über Süden nach Westen drehen und ständig in seiner Neigung zum Horizont verändert werden.
Da der Aufwand für eine derartige Nachführung sehr hoch ist, kommt das unter ökonomischen Aspekten nur bei Großanlagen und insbesondere bei Anlagen in Äquatornähe in Frage, weil dort die Sonne immer senkrecht scheint und somit die Nachführung nur in einer Achse nötig ist.
In unseren Breitengraden ist eine Ausrichtung nach Süden in einem Winkel von etwa 30 Grad ideal. Interessanterweise müssen bei Abweichungen von diesen Idealwerten nur relativ geringfügige Einbußen hingenommen werden. So beträgt der Nutzungsgrad bei Ausrichtung nach Süden und einem Winkel zwischen 20 und 50 Grad immer noch 95 %. Bei Abweichungen nach Osten oder Westen werden ebenfalls die Nutzungsgrade eingeschränkt, die Einbußen sind häufig geringer als man zunächst vermuten würde. Die Wirkungsgrade werden bei der Planung einer Solaranlage berücksichtigt und gegebenenfalls durch größere Kollektorflächen ausgeglichen.
Bei der Aufstellung von Solaranlagen müssen zusätzlich Verschattungen im jahrezeitlichen Verlauf beachtet werden, wie zum Beispiel durch andere Gebäude, Bäume, eigene oder fremde Dachaufbauten. All diese Verschattungen können den Ertrag einer Solaranlage erheblich schmälern. Wichtig ist, dass die Besonnung um die Mittagszeit für etwa 6 Stunden gegeben ist.
Bei steilerer Aufstellung rutscht angewehtes Laub oder Schnee zumeist von selbst ab, während flachere Kollektoren unter Umständen gelegentlich hiervon befreit werden müssen. Alle Kollektoroberflächen sollten regelmäßig auf Verschmutzungen (Ruß, Moos, Pollen, Staub, etc) überprüft und gegebenenfalls fachgerecht gereinigt werden.
Die oben dargestellten Hinweise für die Aufstellung von Solaranlagen gelten sowohl für
• thermische Solaranlagen, als auch für
• Photovoltaik-Anlagen,
da in beiden Fällen naturgemäß eine möglichst große Sonneneinstrahlung gewünscht ist.
Baugenehmigungen für Solaranlagen?
In Bayern dürfen gemäß Bayerischer Bauordnung (BayBO) Art. 57 Solarenergieanlagen und Sonnenkollektoren auf Dach- und Fassadenflächen, sowie auf Flachdächern verfahrensfrei aufgestellt oder errichtet werden. Gebäudeunabhängig ist das mit einer Höhe bis zu 3 m und einer Gesamtlänge von 9 m zulässig. Für eine fallweise Beurteilung erkundigen Sie sich bitte bei den Genehmigungsbehörden
Thermische Solaranlagen (Solarthermie)
Als thermische Solaranlagen bezeichnet man Anlagen, die die Wärme der Sonneneinstrahlung nutzbar machen. Im Falle der Nutzung für die Gebäudetechnik wird die so gewonnene Energie für die Erwärmung des Brauchwassers und/oder die Unterstützung der Gebäudeheizung verwendet.
Bestandteile und Funktionsweise einer thermischen Solaranlage
Eine thermische Solaranlage besteht hauptsächlich aus folgenden Bauteilen:
- Kollektor
- Speicher
- Solarregler (Solarstation)
Der Kollektor ist der Bestandteil der thermischen Solaranlage, der die Wärmeenergie aus dem Sonnenlicht aufnimmt (Absorption). Über einen Solarkreislauf wird die Wärme vom Kollektor zu einem Wärmespeicher transportiert und dort vorgehalten. Der Solarregler übernimmt die Steuerung und Regelung dieses Vorganges.
Kollektoren
Sonnenkollektoren arbeiten nach dem Prinzip des Glas- oder Treibhauseffektes. Das kurzwellige Sonnenlicht scheint dabei durch eine Glasscheibe auf eine Fläche oder einen Gegenstand. Dabei wird das Sonnenlicht in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt. Je dunkler die beschienenen Flächen sind, desto mehr Wärme entsteht, weil weniger Strahlung reflektiert wird. Diese Wärmestrahlung kann nicht mehr durch das Glas zurück und somit steigt die Temperatur im Inneren stetig weiter an. Dieses einfache physikalische Prinzip wird für Sonnenkollektoren kontrolliert genutzt.
Ein Kollektor besteht – vereinfacht dargestellt - aus einen festen Gehäuse, das mit geeignetem Material gegen Wärmeverlust isoliert ist. In dem Gehäuse befindet sich der Absorber, das sind schwarze Platten, auf die ein Röhrensystem aufgebracht ist. Dort wird die Wärme erzeugt. In dem Röhrensystem zirkuliert eine frostsichere Sole, also Wasser, das mit einen Frostschutzmittel angereichert ist. Das Gehäuse ist abgedeckt mit einer geeigneten Glasscheibe, die möglichst viel Sonnenenergie durchlässt (Transmissionsgrad).
Für thermische Solaranlagen gibt es zwei verschiedene Bauarten von Kollektoren:
- Flachkollektoren und
- Vakuum-Röhrenkollektoren.
Flachkollektoren sind mit herkömmlichem Dämmmaterial isoliert und kosten etwa 250 bis 450 Euro pro Quadratmeter. Vakuum-Röhrenkollektoren erreichen die Dämmung durch ein Vakuum wie in einer Thermoskanne. Die Kosten für Vakuum-Röhrenkollektoren belaufen sich auf 600 bis 1000 Euro pro Quadratmeter. Der höhere Preis macht sich in der gewonnenen Wärmemenge bemerkbar. Vakuum-Röhrenkollektoren liefern bei gleicher Fläche etwa 50 % mehr Energie als Flachkollektoren.
Speicher
Damit die gewonnene Wärme auch unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung verfügbar ist, muss sie entsprechend gespeichert werden. Als Speichermedium wird hierfür überwiegend Wasser verwendet, weil es kostengünstig ist und eine vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität aufweist. Solarspeicher werden besonders hochwertig und effizient gedämmt, damit die Wärmeverluste möglichst gering gehalten werden. In diesem Zusammenhang ist bedenkenswert, dass die Wärmeverluste bei größeren Speichern proportional geringer sind als bei kleinen, weil die Hüllfläche im Verhältnis zum Inhalt dann kleiner ist.
Als Alternative zur Wärmespeicherung mit Wasser gibt es sogenannte Latentwärmespeicher. Diese nutzen zum Beispiel Paraffine zur Wärmespeicherung. Deren Speicherkapazität ist bei gleichem Volumen erheblich höher als bei der Speicherung mit Wasser.
Häufig werden Solarspeicher bivalent ausgeführt. Diese Systeme können bedarfsweise in Phasen mit geringer Sonneneinstrahlung mit einer – oder auch mehreren - anderen Energiequelle nachgeheizt werden. So könnte je nach Situation eine kleine Gastherme zusammen mit einem entsprechenden Holzofen den Solarspeicher vor allzu großer Auskühlung bewahren und so die Wärmeversorgung sicherstellen.
Bei Solarspeichern unterscheidet man zwischen Trinkwasserspeichern und Pufferspeichern. Letztere werden jeweils eingesetzt, wenn Wärme für die Gebäudebeheizung vorgehalten werden muss. Sinnvolle Größen von Pufferspeichern beginnen bei 700 bis 1.000 Litern. Kombispeicher leisten in einem Behälter sowohl die Erwärmung von Trinkwasser als auch die Bevorratung von Warmwasser für die Gebäudebeheizung.
Bei Trinkwasserspeichern ist die Legionellenverordnung zu beachten, die für Trinkwasserspeicher mit mehr als 400 Litern Inhalt gilt. Aus diesem Grund werden oft Frischwasserstationen installiert. Hierbei wird das Trinkwasser vom Speicherwasser getrennt und das Trinkwasser über entsprechende Wärmetauscher im Pufferspeicher im Bedarfsfall erwärmt.
Rohrleitungssysteme
Die Anforderungen an die Verrohrung zwischen Kollektor und Solarspeicher sind vergleichsweise gering. Es werden normalerweise nur geringe Querschnitte mit DN 15 bis DN 25 benötigt (also Rohre mit Innendurchmesser von 15 bis 25 mm), die Materialien müssen chemisch beständig sein und die relativ hohen Temperaturen aushalten. So scheidet zum Beispiel Zink als Rohrmaterial aus, weil es nicht gegen die verwendeten Frostschutzmittel resistent ist. Bei der Wärmedämmung der Rohrsysteme ist zu beachten, dass diese Temperaturen bis zu 110 Grad aushalten muss.
Es gibt reine Schwerkraftsysteme, die ohne Pumpen auskommen. Anderenfalls werden kleine geregelte Solarpumpen verwendet, die durch ihren geringen Stromverbrauch im Betrieb dauerhaft Energie einsparen.
Solarregler (Solarstation)
Die Solarstation stellt die Steuerzentrale des gesamten Systems dar. Je nach Ausbau- und Komfortstufe werden hier die verschiedenen Temperaturwerte verarbeitet und dementsprechend die Pumpen geschaltet. Wenn beispielsweise die Temperatur im Kollektor über der Speichertemperatur liegt, dann werden die Pumpen in Betrieb genommen. Bei Umkehrung der Temperaturverhältnisse werden die Pumpen ausgeschaltet.
Für kleine Einheiten gibt es Solarregler als Kompaktgeräte, die die wesentlichen Funktionen in einem kleinen Gerät vereinen, das etwa so groß ist wie ein Schuhkarton. Wie immer sind solche Kompaktgeräte günstiger, aber voraussichtlich weniger reparaturfreundlich als Steuerungen, die aus einzelnen Komponenten aufgebaut sind.
Kosten und Amortisation
Die Kosten für eine thermische Solaranlage können – im Rahmen dieser Reihe – nicht pauschal angegeben werden. Zunächst unterscheiden sich die Anlagen je nach Einsatzgebiet, ob sie nur für Trinkwassererwärmung oder auch für die Gebäudebeheizung eingesetzt werden sollen. Von Bedeutung sind auch die Anzahl der angeschlossenen Einheiten, die Ausrichtung des Baukörpers, die Unterscheidung Neubau oder Nachrüstung. Mit Hilfe dieser Informationen kann der Fachmann jede konkrete Situation bewerten und die Kosten für die gewünschte Anlage konkret kalkulieren.
Als Anhaltspunkt kann man ansetzen, dass bei einem Einfamilienhaus für vier Personen eine thermische Solaranlage für die Warmwasserbereitung etwa ab 5.000 EUR kostet. Wenn man von jährlichen Einsparungen an fossilen Brennstoffen in Höhe von 250 EUR ausgeht, dann würde sich diese Anlage nach cirka 20 Jahren amortisiert haben, wenn man Verzinsung und vermutete Preissteigerungen bei Erdöl und Erdgas außer Acht lässt. Bei der Heizungsunterstützung durch eine Solaranlage sind die zu erwartenden Einsparungen naturgemäß höher. Diesen stehen aber auch höhere Investitionskosten gegenüber. Eine Rendite im klassischen Sinne lässt sich bei den aktuell immer noch relativ niedrigen Energiepreisen nicht erzielen.
Versicherung
Denken Sie dran, die thermische Solaranlage in Ihre Gebäudeversicherung aufnehmen zu lassen. Das sollte in der Regel möglich sein. Erkundigen Sie sich bei Ihrer Versicherung.
Zuschüsse und Förderungen
Die Förderungen für thermische Solaranlagen wurden inzwischen erheblich zurückgefahren. Verblieben sind kleine Anreize, meist im Zusammenhang mit energetischen Gebäudesanierungen. So fördert zum Beispiel die Stadt München im Rahmen Ihres Programms „100% ige Wärmeversorgung mit erneuerbaren Energieträgern bei niedrigem Wärmebedarf“ unter hohen Auflagen entsprechende Sanierungen mit 150 Euro pro Wohnung. Es darf befürchtet werden, dass dieser Zuschuss alleine durch den erheblichen Aufwand für die Antragsstellung zu einem guten Teil aufgebraucht wird.
Dennoch lohnt sich eine aktuelle Recherche auf Bundes- Länder- und Gemeindeebene, da Förderprogramme oft kurzfristig aufgelegt oder geändert werden. Wichtig ist in jedem Fall eine wirklich gründliche Information, damit korrekte Annahmen in die Überlegungen einbezogen werden.
Zusammenstellung der Vor- und Nachteile einer thermischen Solaranlage
Vorteile
- Sonnenenergie ist die umweltschonendste bekannte Energieform.
- Sonnenenergie ist kostenlos, es fallen nicht einmal Transportkosten an.
- Auch bei trübem Wetter sind noch Wärmegewinne möglich.
- Thermische Solaranlagen sind technisch relativ einfache Systeme, die mit geringem Wartungsaufwand und sehr geringen Betriebskosten betrieben werden können.
Nachteile
- Die Zuverlässigkeit der Sonneneinstrahlung ist in unseren Breiten nicht gegeben, gerade im Winter, wenn wir Heizung benötigen, scheint die Sonne nur kurz.
- Hohe Kosten und hoher Energiebedarf bei der Herstellung der Kollektoren.
- Lange Amortisationszeiten, schlechte „Rendite“.
Schlussbetrachtung
Thermische Solaranlagen haben sich im Neubau einen festen Platz gesichert durch das Inkrafttreten des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes am 1. Januar 2009. Danach werden Eigentümer künftiger Gebäude verpflichtet, einen Teil ihres Energiebedarfes aus erneuerbaren Energien zu decken. Diese Verpflichtung wird häufig durch den Einsatz von Solaranlagen erfüllt.
In der Altbausanierung spielt die thermische Solaranlage zur Gebäudebeheizung nur im Zusammenhang einer energetischen Gesamtsanierung eine ernstzunehmende Rolle; die Unterstützung zur Brauchwassererwärmung ist auch als alleinige Maßnahme eine Überlegung wert.
Das Gesamtsystem einer thermischen Solarnutzung bedarf einer sorgfältigen Planung vom Kollektor bis zum Speicher, damit die verschiedenen Komponenten effizient zusammenarbeiten. Der Investor kann sich dann über die solaren Wärmegewinne, die Schonung von fossilen Brennstoffen, seinen Beitrag zur CO2 Einsparung und der Reduzierung von anderen schädlichen Emissionen freuen.
Ausblick
Der folgende dritte Teil der Reihe wird sich mit der Gewinnung von Strom aus Sonnenenergie befassen.
Abdruck mit freundlicher Genehmigung des Verfassers und unseres Netzwerkpartners
Stefan Onischke
(Dipl. Ing. Architekt)
Waldperlacher Str. 39
81739 München
Telefon 089 60 600 774
Wichtiger Hinweis:
Das Landgericht Hamburg hat mit Urteil von 12.05.1998 entschieden, dass man durch die Ausbringung eines Links die Inhalte der gelinkten Seite ggf. mit zu verantworten hat. Dies kann, so das LG, nur dadurch verhindert werden, dass man sich
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