Solare Großanlagen zur Trinkwassererwärmung: Energie sparen mit gründlicher Planung und wirtschaftlicher Auslegung

Geeignete Objekte und bewährte Systemkonzepte

Im Idealfall stimmen Angebot und Nachfrage überein. Das gilt auch für Solaranlagen, besonders für das Verhältnis von Sonneneinstrahlung und Warmwasserbedarf. Obwohl die spezifischen Kosten großer Anlagen etwa 25% unter jenen der Kleinanlagen liegen, sind sie nicht überall wirtschaftlich sinnvoll. Zentrales Kriterium ist der Warmwasserbedarf im Jahresverlauf. Eine geringe Wärmenachfrage im Sommer kann die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage beeinträchtigen. Schulen und Sporthallen zum Beispiel werden gerade dann nicht genutzt, wenn die Sonne am meisten Energie liefert - in den Sommerferien. Wohngebäude, Heime oder Krankenhäuser hingegen haben einen ganzjährig hohen Warmwasserverbrauch. Hier lohnt sich die Investition in Kollektoren und Speicher, wenn diese ein optimiertes konventionelles Energiesystem ergänzen. Die "additive" Solartechnik macht Sinn, wenn der Energiebedarf des Gesamtsystems minimiert und die konventionelle Technik an den solar gesenkten Energieverbrauch angepasst wird. Da die Solaranlage 20 oder mehr Jahre arbeitet, sollte auch der Zustand des Dachs betrachtet werden. Spezielle Einsparmöglichkeiten bietet eine Solaranlage, wenn sie beim Bau oder im Zuge der Sanierung einen Teil der herkömmlichen Dacheindeckung ersetzt.

Einfach aufgebaute Systeme senken die Kosten und reduzieren den Wartungsaufwand einer Solaranlage sowie deren Anfälligkeit für Störungen. Im Gegensatz zu den Solaranlagen der ersten Generation wird bei aktuellen Großanlagen der Solarspeicher aus hygienischen Gründen (Legionellenwachstum) nicht mehr mit Trinkwasser gefüllt, sondern mit einem Zwischenmedium (Heizwasser). Die Sonnenwärme wird in einem so genannten Pufferspeicher zwischengelagert und über einen Entlade-Wärmetauscher an das Trinkwasser abgegeben. Im Rahmen von "Solarthermie 2000" wurden zwei Systemvarianten untersucht: das "Durchlauferhitzerprinzip" und ein System mit solarem Vorwärmspeicher. Bei dem kostengünstigen Durchlauferhitzerprinzip wird Wärme nur dann vom Pufferspeicher an das Trinkwasser übertragen, wenn Warmwasser gezapft wird.

Systemauslegung

Damit das System wirksam arbeiten kann und ein gutes betriebswirtschaftliches Ergebnis liefert, ist eine an den Verbrauch angepasste Auslegung nötig. Ein Stillstand des Kollektorkreises bei besonders hoher Sonneneinstrahlung soll vermieden werden, weil eine stagnierende Anlage keinen Nutzen bringt und sie zudem wegen der dann auftretenden hohen Temperaturen in ihrer Lebensdauer beeinträchtigt wird. Deshalb muss die Anlage so dimensioniert werden, dass die von den Kollektoren erzeugte Energie entweder vom Verbraucher abgenommen wird oder gespeichert werden kann. Exakte Messungen des Warmwasserverbrauchs und Berechnungen der Sonneneinstrahlung bilden die Grundlage der Dimensionierung. Entscheidend für eine angepasste Planung ist die Verteilung des Warmwasserbedarfs über das Jahr, die in so genannten Jahresprofilen erfasst wird. Die Erfahrungen zeigen, dass besonders ein Verbrauchsrückgang im Sommer in die Kalkulation eingehen muss. Sonst würden die Anlagen von Schulen oder Studentenwohnheimen zu groß ausfallen und damit weniger wirtschaftlich sein.

Kollektorfeld

An einem sonnigen Sommertag treffen zirka 7 bis 7,5 Kilowattstunden Strahlungsenergie auf einen nach Süden ausgerichteten und etwa 30 Grad geneigten Kollektor. Bei einem mittleren Systemnutzungsgrad liefert die Solaranlage in diesem Fall 3,6 Kilowattstunden Wärme pro Quadratmeter Kollektorfläche. Damit können 65 bis 70 Liter Kaltwasser (12-14°) auf die Solltemperatur im Nachheizspeicher (60°) aufgeheizt werden. Bei einem niedrigeren Verbrauch wird die nicht abgenommene Energiemenge im Puffer gesammelt, der in längeren Schönwetterperioden seine Maximaltemperatur erreicht (oft 95°). Dann schaltet der Kollektorkreis ab, steht still und unerwünschte Effekte treten auf (hohe Temperaturen, Verdampfen).

Eine höhere Auslastung ist günstig für die Systemeffizienz und bei Anlagen mit mehr als 50 m2 Kollektorfläche. Bei Systemen unter 20m2 Kollektorfläche kann eine zu hohe Auslastung zu wirtschaftlich schlechteren Ergebnissen führen, weil dann die spezifischen Systemkosten stärker steigen können als die Effizienz. (Vgl. Grafik links).

Die Größe des Solarspeichers bei Trinkwasseranlagen hängt in erster Linie von der Größe des Kollektorfeldes und dem Warmwasserverbrauchsprofil ab. Je höher der Bedarf in Zeiten mit guter Sonneneinstrahlung und je gleichmäßiger er über alle Tage verteilt ist, desto kleiner kann der Speicher sein. Für knapp dimensionierte Anlagen zur Trinkwassererwärmung empfehlen die "Solarthermie 2000"-Forscher 50 Liter pro Quadratmeter; wird das System größer ausgelegt oder treten im Laufe der Woche Zeiten mit schwachem Verbrauch auf, muss das Speichervolumen erhöht werden. Optimal ist ein einziger, schlanker Behälter als Pufferspeicher. Mehrere Behälter sind sehr teuer und zusätzlich steigen die Wärmeverluste (ungünstiges Verhältnis der Oberfläche zum Volumen). An Stelle mehrerer Speicher kann ein Behälter aus einzelnen Segmenten im Aufstellraum zusammengeschweißt werden, wenn keine großen Öffnungen vorhanden sind, durch die der Behälter eingebracht werden kann. Auch das Aufstellen des Speichers im Freien ist möglich. Dann ist allerdings eine stärkere Wärmedämmung mit gutem Witterungsschutz erforderlich.

Wärmetauscher-Auslegung: Optimierung im Kleinen

Auch die richtige Dimensionierung der Wärmetauscher zwischen dem Kollektorkreis und dem Trinkwasser war Gegenstand der Untersuchungen im Rahmen von "Solarthermie 2000"-Projekten. Auch das hat Einfluss auf die Kosten der Solarwärme: Die Forscher und Techniker empfehlen, die Wärmetauscher so auszulegen, dass die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz 5 Kelvin beträgt. Sonst können sich auch im Detail die Kosten verdoppeln. (s. Abb. 26)

Kosten und Wirtschaftlichkeit

Mit dem Aufwand für die Planung und einschließlich der Mehrwertsteuer kosteten die Anlagen im Programm Solarthermie 2000 durchschnittlich 670 Euro pro Quadratmeter. Dieser Mittelwert bezieht sich auf alle Arten der Montage (Flachdachaufständerung, Montage auf Schrägdächern und dachintegrierte Kollektoren). Anlagen mit Schrägdachintegration können bis zu 200 Euro/m2 preiswerter sein; bei Neubauten vermindern sich die Kosten um die eingesparte Dacheindeckung.

Die Kollektoren machen ein knappes Drittel der Gesamtkosten aus. Große Potenziale zur Kostensenkung sehen die Forscher in einer standardisierten Planung, beim Unterbau der Kollektoren und bei der "sonstigen Verrohrung". Bei einer angenommenen Lebensdauer von mindestens 20 Jahren und einem Kapitalzins von 6% ergibt sich für die Solaranlagen ein gleichbleibender, periodischer Rückzahlungsbetrag von 8,27% (Annuität).

Auf Grundlage der kapitalgebundenen Kosten stellen die "Solarthermie 2000"-Anlagen die solare Nutzwärme für 10 Cent/kWh (über 1.000 m2 Kollektorfläche) bis 13 Cent (100 m2 Kollektorfächer) zur Verfügung. Wenn die Mehrwertsteuer als Vorsteuer angerechnet wird und die Betriebskosten mit etwa 20 % der Gesamtkosten veranschlagt werden, ist dies ein realistischer Wert. Die durch die Solarsysteme eingesparten Brennstoffkosten bewerten die Experten von Solarthermie 2000 mit rund 5 Cent pro Kilowattstunde, je nach dem Wirkungsgrad des konventionellen Brenners. Das kann und wird sich ändern, wenn die Preise für Öl und Gas steigen - dann hilft die Sonne noch mehr zu sparen. Weitere Einsparmöglichkeiten bieten Kombi-Solaranlagen zur Heizungsunterstützung, die bereits mit steigender Tendenz in Eigenheimen installiert werden. Die Stiftung Warentest hat 11 dieser Systeme getestet und ihnen hohe Zuverlässigkeit attestiert ("Test", Heft 4 / 2003). Für Großanlagen zur Heizungsunterstützung ist die Systemgestaltung, -auslegung und -anbindung wesentlich vielschichtiger. Damit ähnliche Entwicklungen wie bei den Kleinanlagen in Gang kommen, müssen künftig auch für diesen Bereich Planungsunterlagen erarbeitet werden.

Das komplette Themen-Info III/02 kann abgerufen werden bei www.bine.info (Publikationen; Service/InfoPlus). Weitere Informationen gibt es unter www.solarthermie2000.de. Die BINE-Broschüre entstand in Zusammenarbeit mit Dr. Felix A. Peuser von der ZfS Rationelle Energietechnik GmbH in Hilden. BINE-Redaktion: Dr. Franz Meyer. Fotos und Grafiken: ZfS. Redaktion Solarserver: Rolf Hug.