Am 24. Februar lagen bereits einfachere Bedingungen vor. Mit Temperaturen von weit über 80 °C wurden insgesamt knapp 4,3 MWh in den Speicher eingespeist. Das sind immerhin 3,2 kWh pro Quadratmeter Bruttokollektorfläche – für einen Februartag auch ein ausgezeichnetes Ergebnis.

Es ist fraglich, ob es einen Flachkollektor gibt, der wenigstens an einem schönen Augusttag das gleiche Ergebnis erbringen würde.

Kollektorkennlinien

Zunächst muss ein in den Medien, vor allem im Internet und auf Herstellerprospekten oft verbreiteter Irrtum über die Ertragsverhältnisse in Deutschland klargestellt werden. Das Problem liegt in der beliebten Präsentation von Kollektorkennlinien bei exotischen Strahlungsbedingungen, z. B. bei 800 W/m². Das gilt am Referenzstandort Würzburg bei einem Süddach mit 45 Grad Neigung aber nur für 11 % der energetischen Strahlungsbilanz bzw. nur 159 Stunden im Jahr. Davon verbringt eine gut dimensionierte Anlage aber viele in der thermischen Stagnation. Dagegen kommen mehr als 13 % der Sonnenstrahlung mit weniger als 200 W/m² vom Himmel. Das Jahresmittel der Strahlungsleistung liegt in Würzburg bei 397 W/m². Der Anteil unter 100 W/m² wurde hier weggelassen, weil dieser für Flachkollektoren völlig bedeutungslos ist und auch bei Röhrenkollektoren nur noch mit maximal 5 % in der Jahresbilanz zu Buche schlagen kann. Ohne diese Vernachlässigung läge das Mittel noch tiefer.

Es muss auch kritisch bedacht werden, dass die Leistungsermittlung nach DIN EN 12975 zwar bei allen Kollektoren mit Wasser durchgeführt und die mit Wasser erzielten Ergebnisse sozusagen "amtlich" ohne Abschlag anerkannt werden, dass aber derzeit nahezu alle Hersteller die Kollektoren in der Realität mit einem Wärmeträger füllen, der z. B. bei 40 °C eine 12 % geringere Wärmekapazität, die 3,8-fache Zähigkeit (Viskosität), eine 38 % geringere Wärmeleitfähigkeit, nur ein Viertel der Reynoldzahl (weshalb diese Kollektoren überwiegend bei ungünstigerer, laminarer Strömung arbeiten müssen), einen 25 % geringeren Wärmeübertragungskoeffizienten und einen um 42 % (bei turbulenter Strömung) bis 385 % (bei laminarer Strömung) höheren Druckverlust als Wasser besitzt. Zu tieferen Temperaturen hin werden die Verhältnisse immer ungünstiger. Solange nur wenige Hersteller mit Wasser arbeiten, müssen diese die Schlechterstellung einfach schlucken. Werden das aber einmal mehr, wird man sich fragen müssen, was die Zahlen der Leistungstests ohne Frostschutzmittelkorrektur eigentlich wert sind. Dann wird selbst Stiftung Warentest nicht länger abwiegelnd schreiben wollen: "Wir... sind zu der Überzeugung gekommen, dass die Unterschiede unwesentlich sind...". Jeder kann sich selbst ganz schnell davon überzeugen, wie wesentlich die Unterschiede jedoch tatsächlich sind. Wenn man einmal einen beliebigen Plattenwärmetauscher mit den Auslegungsprogrammen der Hersteller (z. B. SWEP, Alfa Lavall, Gea WTT usw.) ehrlich ausrechnet, wobei einmal Wasser gegen Wasser und zum Vergleich Wasser gegen Frostschutzmittel zu tauschen ist, stellt man fest, dass im Übergangsbereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung mit Frostschutzmittel etwa die 3-fache Plattenanzahl notwendig ist, um das gleiche Wärmetauschergebnis zu erzielen. Genau diese Strömungsverhältnisse herrschen aber auch in den Kollektoren. Mit Frostschutzmittel werden Kollektoren überwiegend laminar durchströmt, mit Wasser ist die Strömung überwiegend turbulent. Nahezu alle Solarertrags-Simulationsprogramme ignorieren die physikalische Abbildung dieser Zusammenhänge durch Anwendung zu einfacher Modelle vollständig. Das geradezu regelmäßige Verfehlen der vorhergesagten Jahreserträge bei Solaranlagen mit Frostschutzmitteln, was man in der Literatur über Großanlagen am besten verfolgen kann, hat vermutlich hier eine systematische Ursache. Das Rechenergebnis ganz ohne Plattenwärmetauscher, wie bei Wassersystemen, sollte nicht mehr zu übertreffen sein. Tatsächlich kann man in den bekanntesten Simulationsprogrammen die Wärmetauscher überhaupt nicht entfernen.

Dynamischer Jahresvergleich

Im Folgenden soll gezeigt werden, dass die Zukunft der solaren Prozesswärmetechnik in der Röhrentechnologie liegt. Dazu wurde untersucht, wie sich die 3 eben kurz vorgestellten Röhrenkollektoren und die 3 Flachkollektoren in einer ähnlichen Anwendung wie beim Projekt FESTO verhalten würden. Es gibt zwei Lastkreise, davon eine Prozesswärmeanwendung mit einem Sollwert von 90°C, sowie eine Raumheizung mit variablem Sollwert zwischen ca. 45°C und 70°C während der Heizperiode.

Das Kollektorfeld wurde für alle Kollektoren als gleich angenommen, obwohl es für die Vergleichskollektoren meist deutlich komplizierter und mit mehr Rohraufwand im Außenbereich aufgebaut sein müsste, da z. B. keine Rückführungsrohre vorhanden sind und bei manchen gar nicht so viel Fläche in Serie angeordnet werden kann. Der Heatpipe-Kollektor lässt z. B. nur 6 m² Bruttofläche in Serie zu. Betriebsdruck und statische Höhe gestatten eine Beladung des Speichers bis 103°C. Aus Vergleichsgründen werden alle Kollektoren mit dem Paradigma-Anschlussset mit integriertem Fühler ausgestattet. Alle Vakuum-Röhrenkollektoren werden mit Wasser und der Regelung SystaSolar Aqua betrieben, die Flachkollektoren dagegen mit Glykol und der Regelung SystaSolar (mit Drehzahlregelung). Bei den Flachkollektoren befindet sich ein externer Wärmetauscher zwischen Solaranlage und Speicher, wobei sich ein Delta T von 5 K einstellt. Der Kollektordurchsatz beträgt einheitlich 0,35 l/m² bezogen auf die Aperturfläche. Obwohl die meisten Systeme einen deutlich größeren Druckabfall haben und daher stärkere Pumpen bräuchten, wird der Einfachheit halber nicht der Pumpenstromverbrauch, sondern nur die reine Pumpenlaufzeit verglichen.

Lastkreis 1: Die Vorlauftemperatur beträgt mindestens 90 C, d.h., der Solarspeicher wird erst entladen, wenn am oberen Speicherfühler T1 mindestens 90 C herrschen. Die Rücklauftemperatur beträgt 70 C. Gezapft wird nur montags bis freitags von 8:00 Uhr bis 17:00 Uhr mit einem maximalen Massenstrom von 10.000 kg pro Stunde. Der Jahresenergiebedarf beträgt 145 MWh.

Lastkreis 2: Bei der 70/50-Raumheizung wird die Solaranlage zur Vorwärmung des Rücklaufs verwendet, d. h., der Solarspeicher wird entladen, sobald am oberen Speicherfühler mindestens Heizkreis-Rücklauftemperatur + 5 K herrschen. Es gibt keine Speichernachheizung, der Jahresenergiebedarf beträgt 165 MWh. Beim AquaSystem schaltet die Pumpe des Lastkreises 2 kurz ein, wenn unten im Speicher 10°C unterschritten werden und aus, wenn 15°C überschritten werden. Nur beim Referenzkollektor wird die Einspeisezeit nach dem "Eimerprinzip" zur Begrenzung der Pumpenlaufzeit zeitlich beschränkt. Die Wetterdaten sind von Würzburg mit einer Einstrahlung in die Kollektorebene von 1214 kWh pro Jahr.

Das seit langem bewährte Rechenmodell wurde im Programm COLSIM aufgestellt. Gerechnet wurde im Messabstand von 5 Sekunden. Da aus DIN CERTCO Solar Keymark von den Wettbewerbs-Kollektortypen nur die Parameter für das 1xn-Knoten-Modell bekannt sind, wurden alle Berechnungen in diesem Modell durchgeführt. In der Jahressumme sind die Unterschiede zum 2xn-Knoten-Modell, auf denen Ertragsprognosen von Paradigma AquaSystem-SGAs sonst basieren, eher gering. Der CPC-Vakuumröhrenkollektor CPC 45 Azzuro wird als Referenz verwendet, die mit ihm zu erwartenden Werte werden als 100 % definiert.

Mehr Speicher oder mehr Kollektor – was ist effektiver?

Das Ergebnis dieser Simulation steht stellvertretend annähernd auch für die FESTO-Anlage, wenn dort der Speicher von 17 m³ auf 34 m³, 57 m³ bzw. auf 114 m³ vergrößert würde. Bei Prozesswärmeanlagen bringt eine Vergrößerung des Speichers nicht viel. Da der Speicher durch die hohen Rücklauftemperaturen (hier 70°C) im Sommer nicht richtig entleert wird, bräuchte man absurd große Speicher, um Tage ohne Last (hier das Wochenende) komplett zu überbrücken. Viel wichtiger ist es, den Bedarf schnell decken zu können, wenn er da ist.

Diese Ergebnisse sind nicht ganz neu. Bereits 2004 wurde vom ITW Stuttgart zum 14. solarthermischen Symposium in Staffelstein anhand von simulierten Betriebsergebnissen für verschiedene Speichergrößen und Kollektorflächen gezeigt, dass auch bei der klassischen Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung Vakuumröhrenkollektoranlagen sowohl mit deutlich kleineren Speichern als auch mit deutlich kleineren Kollektorflächen zum selben Solargewinn fsav kommen wie Flachkollektoranlagen. Die Simulationsstudie basiert auf folgenden Annahmen: EFH nach EnEV in Würzburg mit 128 m² Wohnfläche, Südausrichtung, Dachneigung 45°, Heizwärmebedarf 71 kWh/(m²a) bzw. 9090 kWh/a, witterungsgeführte Heizungsregelung mit 50/30 °C, WW täglich 200 Liter bei 45 °C, Kesselnutzungsgrad 85 % sowie Jahresenergiebedarf von ca. 14900 kWh. Der Parameter fsav gibt an, wieviel Energie durch die Solaranlage im Vergleich zu einer konventionellen, nichtsolaren Wärmeversorgungsanlage eingespart werden kann.

Abschließende Anmerkungen zum MAP

Weil es sich bei dem oben angeführten Prozesswärmebeispiel um eine Heizungsunterstützung handelt, müsste der Speicher einen Inhalt von 100 l/m² Kollektorfläche bzw. von 25 m³ Inhalt haben, damit die ganze Anlage als "innovativ" gelten könnte und nach der jüngsten Fassung des Marktanreizprogrammes (MAP) eine Förderung bekäme. Der Kollektorertrag würde um ca. 15 % steigen, die Systemkosten dagegen schätzungsweise mindestens um ein Drittel, ganz abgesehen davon, dass für solche überdimensionalen Speicher in der Regel gar kein Platz vorhanden ist. Das ist ein sehr schlechtes, aber typisches Beispiel, wie der Gesetzgeber in guter Absicht überreguliert und dabei energiesparendere und volkswirtschaftlich sinnvollere Lösungen verhindert.

Noch schwerer nachvollziehbar ist die Förderung von Kollektoren nach ihrer Brutto-Kollektorfläche. Wie die Kennlinien und die Simulation zeigen, wären für Prozesswärmeanwendungen wie bei der Kollektoranlage FESTO mit leistungsschwächeren Röhrenkollektoren als CPC-Vakuumröhren für den gleichen Ertrag bis zur doppelten Bruttofläche erforderlich, bei Flachkollektoren wäre es sogar ein Vielfaches dieser Fläche. Mit dem MAP würde der Mehrbedarf an Kollektorfläche infolge geringerer Kollektorleistung durch die staatliche Zuwendung großzügig kompensiert. Kurz gesagt: Je schlechter ein Sonnenkollektor ist, umso mehr Förderung erhält er bezogen auf seine Leistung. Das ist eine sehr kurzsichtige und innovationsfeindliche Politik, zumal sie das Effizienzkriterium vermissen lässt, das nach EU-Vorgaben für eine Förderung eigentlich notwendig ist. Dass aufgrund dieses Gesetzes inzwischen bereits Billigstkollektoren zum Preis unterhalb der Förderhöhe auf den Markt drücken, ist daher nur folgerichtig und man muss es in der Marktwirtschaft gelassen sehen. Man kann es aber auch für eine hausgemachte Verschwendung von Steuergeldern halten, mit der zusätzlich das verfügbare Solarenergiepotential sträflich vergeudet wird. Wie man heute die Diskussion um Anbauflächen für Biosprit führt, wird man morgen auf unseren Dächern um jeden noch verfügbaren Quadratmeter Kollektorfläche feilschen müssen.

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