Solarwärme bei Tag und Nacht - billiger als Öl und Gas

Nach den Hurrikans des Jahres 2005 und den damit verbundenen Ölpreissteigerungen erinnern die Konflikte um russisches Erdgas zum Jahresbeginn eindringlich an die Abhängigkeit Europas von ausländischen Gas- und Öllieferungen. Solarthermie ist eine der Möglichkeiten, die Importabhängigkeit durch stärkere Nutzung erneuerbarer Energien zu senken. Dass Solarwärme fossile Brennstoffe nicht nur ersetzen, sondern auch wirtschaftlich mit Öl und Gas konkurrieren kann, zeigt ein Projekt der Universität Kassel in der ehemaligen Sowjetrepublik Kirgisien, heute Kirgisistan. Ein neuartiges Solarthermie-System des Kasseler Instituts für Thermische Energietechnik (ITE) macht Sonnenenergie an einem kirgisischen Fernheizwerk nutzbar, billiger als aus fossilen Brennstoffen.

Wasserdurchströmter Solarkollektor aus schwarzen Gummischläuchen auf dem Heizwerk "Rotor" im Stadtteil Djal der kirgisischen Hauptstadt Bishkek: Sonnenenergie unterstützt die Warmwasserbereitung für ein Fernwärmenetz, ersetzt fossile Brennstoffe und senkt CO2-Emissionen.

Foto: Institut für Thermische Energietechnik (ITE) der Universität Kassel

Ziel: Die größte Solarwärmeanlage der Welt

Ein Wissenschaftlerteam der Universität Kassel um den promovierten Physiker Professor Klaus Vajen hat eine solarthermische Anlage zur Wassererwärmung entwickelt, die tags und nachts funktioniert und Energie unterhalb der Preise fossiler Brennstoffe bereitstellt. Das wird möglich, indem das so genannte Multikomponenten-System zusätzlich zur Sonneneinstrahlung auch die Wärme der Umgebungsluft nutzt (Enthalpie).

Derzeit wird das System in einem deutsch-kirgisischen Kooperationsprojekt auf einem Heizwerk in der kirgisischen Hauptstadt Bishkek erprobt. Die Kooperationspartner stimmen die solarthermische Anlage auf die klimatischen und technologischen Bedingungen in der ehemaligen Sowjetrepublik ab. Bis zum Ende des Jahrzehnts wollen die Wissenschaftler in Kirgisistan die größte Solarwärmeanlage der Welt bauen. Professor Vajen und sein Team sehen diese Herausforderung als Entwicklungsperspektive für die an Rohstoffen arme Kirgisische Republik, aber auch als Chance für den deutschen Export. Die VolkswagenStiftung fördert das Vorhaben mit 360.000 Euro.

Warme Luft plus warmes Wasser von der Sonne

Das Multikomponenten-System ist derzeit als Experimentieranlage auf dem Dach und an der Fassade des Fernwärmeheizwerkes in Bishkek angebracht. Mit Hilfe moderner Simulations- und Optimierungsmethoden arbeiten die Wissenschaftler daran, seine Effizienz weiter zu erhöhen und es für eine kommerzielle Anwendung fit zu machen. Das System besteht aus drei Komponenten: Einem Luftkollektor, einem Luft-Wasser-Wärmeübertrager und einem wasserdurchströmten Solarkollektor. Diese drei Einheiten sind miteinander gekoppelt, so dass sich ihre Wirkung tagsüber addiert.

Funktionsschema des Multi-Komponenten-Systems. Die durch den Luftkollektor (tagsüber) vorerwärmte Luft erhitzt das 12 Grad kalte Wasser im Luft-Wasser-Wärmeübertrager auf zirka 20 Grad, bevor es im nicht abgedeckten Solarkollektor etwa 35 Grad erwärmt wird. Grafik: ITE.

Sonne ersetzt ein Drittel fossiler Brennstoffe

Der Luftkollektor macht den Anfang in der Serie: Er sieht aus wie ein schwarzer Heizkörper, durch den über mehrere Lochleisten Luft nach innen gesogen wird. Über die absorbierte Sonneneinstrahlung heizt sich die Umgebungsluft bis auf 45° Celsius auf. Ein Ventilator bläst diese Luft weiter in einen Block, so groß wie ein Kleiderschrank. Das ist der Luft-Wasser-Wärmeübertrager, die zweite Komponente. Die eingeblasene Luft erwärmt hier Grundwasser, das durch dünne Kupferrohre fließt, von 12° auf etwa 20° Celsius. In der dritten Komponente, dem wasserdurchströmten Solarkollektor, läuft das Wasser durch einen dichten Teppich schwarzer Gummischläuche. Die Absorption der Sonnenstrahlen bringt die Austrittstemperatur des Wassers hier auf etwa 35° Celsius. Danach wird das durchgeleitete Fernwärmewasser zwar noch konventionell weiter auf 60° Celsius erhitzt. Doch durch die solarthermische Experimentieranlage vorgewärmt, muss für diese Wassertemperatur ein ganzes Drittel weniger fossiler Energieträger (Kohle, Gas oder Öl) verbrannt werden.

Solarkollektor (Auf dem Dach oben links) und Luftkollektor an der Fassade (Bildmitte); Wärmeübertrager (Foto rechts; im linken Bild oberhalb des Fassadenkollektors). Fotos: ITE.

Bei Nacht, wenn der Solar- und der Luftkollektor keine Wirkung mehr erzielen, stellt der Luft-Wasser-Wärmeübertrager immer noch Energie bereit. So bringt die Anlage auch nachts etwa ein Viertel ihrer Spitzenleistung am Tage. Der Luft-Wasser-Wärmeübertrager nutzt die Umgebungsluft, die am Tag zuvor von der Sonne erwärmt wurde und die sich im sommerheißen Kontinentalklima Kirgisistans auch nachts nur wenig abkühlt.

Luftkollektor an der Fassade; Ansicht von innen. Fotos: ITE.

Beispiellos preiswerte Sonnenenergie

Das Multikomponenten-System nutze durch seine neuartige serielle Schaltung die örtlichen geoklimatischen und technologischen Bedingungen in einer bisher beispiellosen Effizienz und Wirtschaftlichkeit, betonen die Wissenschaftler des ITE. Dadurch könne es eine Kilowattstunde Sonnenenergie zum Preis von lediglich ein bis zwei Cent bereitstellen. Das ist etwas weniger, als Energie aus fossilen Brennstoffen im Großhandel kostet. Die Kosten für Energie aus herkömmlichen solarthermischen Anlagen sind bislang noch weit höher. Laut Ergebnissen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) getragenen Förderkonzepts "Solarthermie 2000" können konventionelle solare Großanlagen in Deutschland Sonnenwärme für zehn bis 13 Cent pro Kilowattstunde liefern und sind damit deutlich konkurrenzfähiger als kleine Anlagen mit Nutzwärmekosten von 20 - 30 Cent/kWh.

Voraussetzungen: Günstiges Klima und Fernwärmenetz

Mit dem Multikomponenten-System kann Sonnenenergie allerdings nur so preiswert gewonnen werden, wenn ein günstiges Klima mithilft - mit hohen Temperaturen auch bei Nacht. Und wenn die Anlage in einem so genannten offenen Fernwärmenetz arbeitet: In der ehemaligen Sowjetunion sind früher häufig solche Fernwärmesysteme gebaut worden, bei denen das Warmwasser im Gegensatz zu der in Mitteleuropa üblichen Technologie ohne zwischengeschaltete Wärmeübertrager direkt aus dem Fernwärmenetz entnommen wird. Das Frischwasser wird zentral im Fernheizwerk zugeführt und durch Verbrennen von Gas oder Kohle auf die (sommerliche) Nutztemperatur von etwa 60 bis 70°C gebracht. Dass in den Fernwärmekraftwerken kontinuierlich große Mengen von sehr kaltem Wasser (12° Celsius) erwärmt werden müssen, begünstigt den Wirkungsgrad des Niedertemperatur-Solarwärmesystems, welches das Wasser per Luftkollektor auf rund 20° erwärmt und mit dem Solarkollektor auf dem Dach eine Austrittstemperatur des Wassers von etwa 35° erreicht. In Bishkek beispielsweise müssen im Sommer pro Stunde zwischen 2.000 und 4.000 Kubikmeter Wasser auf das Nutztemperaturniveau gebracht werden. Offene Fernwärmenetze - und damit potenzielle Einsatzorte für das ITE-System - gibt es in allen ehemaligen Sowjetrepubliken, der heutigen Gemeinschaft unabhängiger Staaten (GUS).

Auf dem Weg zur weltgrößten solarthermischen Anlage

Gegenwärtig erwärmt die Experimentieranlage in Bishkek nur einen Bruchteil des Warmwasserausstoßes des Fernwärmeheizwerks. Doch damit will sich die Kasseler Forschergruppe nicht zufrieden geben: "Wir planen mit deutscher Technologie in Kirgisistan als Fernziel die weltgrößte solarthermische Anlage zu bauen", sagt Elimar Frank, Projektkoordinator des Multikomponenten-Systems. "In Bishkek könnten wir eine Anlage mit einer Größe von zehn Fußballfeldern bauen, die zum konkurrenzlos günstigen Energiepreis im Sommer alles Wasser des Fernheizwerkes vorwärmt. Die bisher größte Anlage im dänischen Marstall auf der Insel Aero misst nur vier Fußballfelder." Würde die ITE-Solartechnik in Kirgisistan flächendeckend angewendet, könnte das Land deutlich weniger fossile Brennstoffe verbrauchen als bisher: Ein Plus für den Geldbeutel und die Umwelt.

Projektkoordinator Elimar Frank vor der Anlage in Kirgisistan; Teamchef Prof. Klaus Vajen, Vizepräsident der International Solar Energy Society (ISES). Fotos: ITE

Die deutsche Solartechnologie soll jedoch nur für ein Übergangsstadium importiert werden. Mittelfristig wollen die Kasseler Wissenschaftler die Entwicklung und den Bau solarthermischer Anlagen in Kirgisistan verankern. "Es ist unser Ziel, dass die Kirgisen eine solarthermische Multikomponenten-Anlage mit Fachkräften, Technologie und Materialien aus ihrem Land bauen. Sie könnten die Anlage sowohl selbst nutzen als auch auf dem russischen Markt anbieten", sagt Professor Vajen. Daher werde derzeit auf der Grundlage der deutscher Technik ein zweites System entwickelt, dass allein aus kirgisischen Komponenten besteht. Hierbei arbeiten die Kasseler mit dem halbstaatlichen kirgisischen Institut für die Erforschung erneuerbarer Energien (KUN) und der Kirgisischen Technischen Universität in Bishkek zusammen.

Material und Bilder: Universität Kassel, Institut für thermische Energietechnik, idw. Redaktion Solarserver: Rolf Hug.

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