Hallo zusammen, ich begrüße Sie
ganz herzlich zum Thema
thermische Solarenergienutzung.
In diesem Falle geht es um die Dimensionierung
von Solaranlagen, die Ökobilanz
und die Wirtschaftlichkeit.
Man könnte auch sagen, die ökologische
und die ökonomische Wirtschaftlichkeit.
Zunächst zur Dimensionierung.
Hier sehen Sie den Fall
für die Trinkwarmwasserbereitung.
Hier im Diagramm auf der y-Achse
steht die Energiemenge im Jahresverlauf und
der Trinkwarmwasser-Wärmebedarf,
hier konstant dargestellt.
Der ist zumindest relativ konstant, nicht ganz:
In den Sommermonaten ist der Bedarf
in der Regel etwas geringer, weil Sie
vielleicht in den Urlaub fahren
und weil die Kaltwassertemperaturen etwas
höher sind. Aber im ersten Schritt
kann man den Bedarf als konstant ansetzen.
Dann haben Sie hier die Sonneneinstrahlung
auf die Kollektorfläche und
den sich daraus ergebenden Solarertrag
hier in Rot. Und Sie sehen
der Solarertrag steigt natürlich
mit der Solarstrahlung an und dann wird er
je nach Auslegung der Solaranlage gedeckelt
auf den Betrag des Trinkwarmwasserbedarfs
denn mehr als den Bedarf können Sie nicht decken,
selbst wenn die Solarkollektoren,
man sieht das hier, die könnten noch mehr Energie liefern,
das tun Sie aber nicht oder können Sie nicht tun,
weil der Bedarf nicht größer ist.
Das ist ein ganz wichtiger Punkt
bei thermischen Solaranlagen,
dass man den Bedarf mit in die
Dimensionierung einbeziehen muss.
Es ist typisch für eine
Trinkwarmwasseranlage, dass man sie so auslegt,
dass sie im Sommer 100 %
des Trinkwarmwasserbedarfs decken kann.
Ein positiver Nebeneffekt ist,
dass die (konventionelle) Zusatzheizung, die man ja in der Regel braucht,
dann außer Betrieb ist,
außer Betrieb gehen kann.
Im Jahresmittel -und das zeigt diese Grafik,
zumindest qualitativ auch-
im Jahresmittel haben wir etwa
einen Deckungsbeitrag von 60 %
durch die Solaranlage typischerweise,
weil man die Solaranlagen
auf diesen wirtschaftlichen Fall auslegt,
nämlich so auslegt, dass man im Winter schon
noch Deckungsbeiträge hat und
auch hier in der Übergangszeit und
im Sommer nicht zu große Überschüsse.
Und das führt dann dazu,
dass für ein Einfamilienhaus
mit vier Personen eine
typische Standardauslegung entsteht
von 3 bis 5 Quadratmeter Kollektorfläche
und 200 bis 400 Liter Speichervolumen.
Man könnte sagen, etwa ein Quadratmeter
Kollektorfläche pro Person,
und pro Quadratmeter Kollektorfläche
dann etwa 75 Liter Speichervolumen.
Wenn man das anders machen würde,
andere Kollektorflächen wählen würde,
also wenn man sich z.B. vorstellt,
das kleiner zu bauen, dann kommt man
schnell an den Punkt für 1 bis 2 Quadratmeter
Kollektorfläche würde sich
dieser ganze Aufwand nicht lohnen,
wie die ganze Verrohrung zwischen Kollektoren
und Speicher, Regelungstechnik und so weiter.
Die Wärmeverluste an den Rohren würden
überproportional ansteigen
also der Montageaufwand und auch
diese relativ ansteigenden Wärmeverluste
würden sich einfach nicht lohnen und
wenn man sie größer bauen würde,
dann würde hier der Energieertrag zwar ansteigen,
aber dann hier im Sommer
sehr große Überschüsse produziert,
was dann letztlich auch nicht wirtschaftlich ist,
und man deshalb in der Regel nicht tut.
Der zweite Fall,
den ich Ihnen vorstellen will,
das sind Anlagen für Trinkwarmwasser UND Heizung.
Auch wieder auf wirtschaftliche Standarddimensionierung abzielend.
Die Auslegungsrichtlinie ist wiederum,
dass man im Sommer 100 % Deckungsgrad hat.
Sie sehen das hier in den Sommermonaten
hat man wieder 100 % Deckungsgrad
des Trinkwasserbedarfs, aber klar,
mehr als den Bedarf kann man auch hier
nicht decken. Aber um jetzt auch die Heizung
nennenswert unterstützen zu können,
baut man die Anlage natürlich schon größer.
Sie sehen hier für das Einfamilienhaus
6 bis 15 Quadratmeter Kollektorfläche,
sodass im Winter und
vor allem in der Übergangszeit
die Solarerträge jetzt höher sind,
hier und hier, und im Sommer natürlich schon
deutliche Überschüsse produziert werden.
Hier in der Übergangszeit ist dann
der Solarertrag auch wieder gedeckelt,
durch den Heizwärmebedarf.
Das habe ich noch gar nicht angesprochen:
Neben dem Trinkwasserwärmebedarf spielt jetzt hier
natürlich der Heizwärmebedarf im Winter,
vielleicht bis April,
und dann wieder ab September eine Rolle.
Und wenn ich die Kollektorfläche
größer mache,
dann ist natürlich auch die Sonneneinstrahlung
auf die Kollektorfläche größer.
Im Jahresmittel (bezogen
auf den Wärmebedarf für Trinkwarmwasser
und Raumheizung) hat so eine Anlage
typischerweise einen Deckungsbeitrag von etwa 25 %.
Und auch hier kann man überlegen, was wäre,
wenn man das kleiner baut oder größer baut.
Wenn man es kleiner baut, dann
würden hier diese Deckungsbeiträge
für die Raumheizung kleiner ausfallen und
man hätte immer weniger Unterstützung der Raumheizung.
Und wenn man sie größer auslegen würde, dann
steigen hier die solaren Überschüsse im Sommer
aber man hätte natürlich Zugewinne
im Winter und auch etwas in der Übergangszeit,
die wären aber vergleichsweise gering.
Also auch wieder ein Kompromiss
zwischen solaren Überschüssen im Sommer und
ausreichend hohen solaren Deckungsbeiträgen.
Ja, und wenn man das allgemeiner betrachtet,
dann kann man zunächst
auf diesen Punkt hier eingehen:
Man würde jetzt
für eine etwas ungewöhnlichere Anlage
aber vielleicht auch für eine
Einfamilienhausanlage eine Simulation machen,
eine Jahressimulation, um die konkreten Gegebenheiten
vor Ort berücksichtigen zu können,
wie Dachneigung, wie Warmwasserverbrauch,
und so weiter.
Das macht man typischerweise mit Simulationsprogrammen.
Hier sind drei Programme aufgeschrieben, die
weit verbreitet sind: T*SOL, POLYSUN oder GetSolar
- oder (man arbeitet) im wissenschaftlichen Bereich
mit Simulationssoftware
wie TRNSYS, MATLAB, Simulink, Carnot
oder auch Dymola.
Und hier sind
Faustformeln für
zum Beispiel nicht optimale Dachausrichtung.
Die optimale Ausrichtung einer Solaranlage
ist in Nordrhein-Westfalen (in unseren Breitengraden)
37 Grad nach Süden, denn dann ist
die Solareinstrahlung auf die Fläche maximal.
Wenn man nicht diese optimale Dachausrichtung hat,
sondern zum Beispiel eine Südwest-Ausrichtung,
dann kann man das dadurch auffangen,
dass man die Kollektorfläche etwas vergrößert,
etwa um 5 %.
Bei ganz großen Anlagen,
solchen solaren Nahwärmeanlagen, hier sieht man
den saisonalen Wärmespeicher
als Erdbeckenspeicher
im Bau angedeutet.
Bei solch großen Anlagen
macht man natürlich eine Simulation vorher,
aber auch da kann man aus Pilotvorhaben
und aus gebauten Anlagen vor allem in Dänemark
schon entsprechende Auslegungs-Größen ableiten, nämlich
etwa 0,1 bis 0,2 Quadratmeter Kollektorfläche
pro Quadratmeter Wohnfläche.
Wenn man dann 100 bis 150 Quadratmeter Wohnfläche hätte,
dann lägen wir hier bei 15 bis 30
Quadratmeter Kollektorfläche pro Einfamilienhaus,
- also etwa doppelt so viel, wie wir es gerade
bei der (einfachen, alleinstehenden) Einfamilienhaus-Solaranlage hatten
pro Quadratmeter Wohnfläche bei einem
deutlich größeren Speichervolumen.
Gerade eben, ich gehe noch mal zurück,
denn die Zahl hatte ich gar nicht genannt,
hatten wir beim Einfamilienhaus einen Speicher
von 600 bis 1.000 Liter, also
etwa vielleicht 100 Liter grob
über den Daumen pro Quadratmeter Kollektorfläche,
hier etwas weniger.
Wenn Sie das jetzt hier (bei der Anlage mit saisonalem Speicher) sehen,
dann haben wir hier nicht 100, sondern 1.000 Liter Speichervolumen pro
Quadratmeter Kollektorfläche (bis 10.000 Liter),
um diesen Shift hinzubekommen vom Sommer
die Wärme zu transferieren
in den Winter. Und wenn man dies tut
mit diesen solaren Langzeitspeichern, dann
schafft man es, Deckungsgrade zu erzielen,
von 40 bis 60 % - auch wieder bezogen
auf den Gesamtenergiebedarf
für Trinkwarmwasser und Raumheizung.
Vorhin bei der Einfamilienhausanlage
waren das etwa 25 %.
Ja, das war die Dimensionierung.
Jetzt kommen wir zur Wirtschaftlichkeit und zwar
zunächst mal zur ökologischen Wirtschaftlichkeit.
Das heißt, wie lange braucht es,
um die Energie, die zum Bau der Anlage
aufgewendet werden musste,
wieder von der Sonne zurückzubekommen.
Und das zeige ich an einem Beispiel hier
für so eine Trinkwasseranlage im Einfamilienhaus.
Da haben wir den Aufwand an Primärenergie
zunächst für den Bau der Anlage.
Wenn man da in Bilanzierungstools
reinsieht, wie GEMIS,
dann kann man ermitteln, dass
für die Herstellung einer solchen Anlage
etwa 1.500 Kilowattstunden an Primärenergie
aufgewendet werden muss,
vor allem für die Metallteile, den Alurahmen,
die Kupferrohre, den Speicher. Und dann der Betrieb,
den darf man natürlich nicht außen vor lassen,
der ist aber eher untergeordnet.
Wie man hier sieht, das ist abgeschätzt.
Wir haben vielleicht
20 Watt Leistungsaufnahme für die Umwälzpumpe.
Hier ist die Anlage ja noch mal dargestellt. 262 00:11:16.ooo --> 00:11:18.779 Das, was hier bilanziert ist,
hier farblich in diesem Bild dargestellt.
Die Umwälzpumpe, die braucht Strom.
Die Regelung, die braucht Strom.
Um zu berechnen wieviel Strom, schätzt man, daß
die Anlage von den 8.760 Stunden im Jahr
circa 30 % der Zeit läuft, denn
die Hälfte des Tages läuft die Pumpe nicht,
weil es Nacht ist und dann
haben wir nicht immer so ein Wetter,
dass die Solaranlage in Betrieb sein kann.
Diese Energie wird noch multipliziert mit dem
Strom-Primärenergiefaktor von 1,8
und dann kommt man auf diese
rund 100 Kilowattstunden pro Jahr.
Das ist also der Primärenergie-Aufwand und wenn man
das jetzt ins Verhältnis setzt
zur Einsparung an Primärenergie
durch den Betrieb der Anlage, dann kann man
das überschlägig berechnen,
hier mit der solaren Wärme,
die bereitgestellt wird, nämlich 160 Liter
Trinkwarmwasser pro Tag zum Duschen, zum Baden
und so weiter, multipliziert
mit der spezifischen Wärmekapazität von Wasser,
4,2 Kilojoule je Kilogramm und Kelvin
beziehungsweise pro Liter und Kelvin,
multipliziert mit der Temperaturdifferenz (von 40 K),
(produziert wird) 50 Grad heißes Wasser,
(aus) 10 Grad Kaltwassertemperatur und
das an 365 Tagen pro Jahr.
Es fehlt jetzt nur noch die Umrechnung
von Kilojoule in Kilowattstunden, also
Division durch 3.600 Kilojoule pro Kilowattstunde.
Dann noch berücksichtigt, dass der
solare Deckungsgrad im Jahresmittel etwa 60 %
bei so einer Trinkwarmwasseranlage ist,
führt dazu, dass hier
1.630 Kilowattstunden Solarertrag stehen.
Und wenn man die beiden Zahlen
jetzt miteinander vergleicht,
heißt das, wir haben eine Energierücklaufzeit
in der Größenordnung von einem Jahr. Das kann
mal weniger, mal mehr sein, aber so
in der Größenordnung, je nachdem, wie sich
die konkreten Verhältnisse ergeben, also
sehr positiv für die thermische Solarenergienutzung.
Das lohnt sich ökologisch in jedem Fall.
Wie sieht das jetzt ökonomisch aus?
Dazu diese Grafik.
Hier sind aufgetragen die Wärmepreise
in Cent pro Kilowattstunde für verschiedene
thermische Solaranlagen im Vergleich
zu den Wärmepreisen mit Heizöl und Erdgas
und mit elektrischem Strom.
Und für den elektrischen Strom müssen Sie
etwa 0,30 € die Kilowattstunde zahlen
und für Heizöl und Erdgas müssen Sie
etwa 0,07 € die Kilowattstunde zahlen,
(ggf. 0,08 € die Kilowattstunde)
und dann müssen Sie noch berücksichtigen,
dass Sie noch den Wirkungsgrad (z.B. der Gastherme) mit einrechnen müssen,
denn ein Endenergiepreis ist ja noch nicht
warmes Wasser. Da steckt noch
der Wirkungsgrad (des Wärmeerzeugers und der Anlage) dazwischen und
bei Trinkwarmwasserbereitstellung oder
auch bei der Raumheizung ist der nicht 100 %,
sondern 90, 80 %, je nachdem
wie die Anlagentechnik konfiguriert ist.
Das sind also die Benchmarks.
Jetzt schauen Sie sich
die Anlagen für Einfamilienhäuser an,
deren Kosten hier stehen:
rund 5.000 € für eine Trinkwarmwasseranlage,
rund 10.000 € für eine Trinkwarmwasser- und
Raumheizungsanlage und noch das andere Extrem
etwa 50.000 € für ein wärmeautarkes Solarhaus,
dann ergeben sich diese Preisbandbreiten hier
vielleicht von 0,12/ 0,13 € die Kilowattstunde
bis knapp über 0.20 € die Kilowattstunde,
je nachdem wie teuer dann
wirklich die Anlage ist und
wieviel Solarertrag Sie unter Ihren
Randbedingungen generieren können.
Und da ist jetzt noch nicht in all diesen
Beispielen berücksichtigt, dass es natürlich
auch häufig Fördermittel gibt,
die die Investitionen bezuschussen.
Das muss man immer mit einberechnen.
Und einen zweiten Aspekt muss man
natürlich auch mit einberechnen.
Der steht hier. Wenn Sie jetzt
in eine Solaranlage investieren, dann
legen Sie für die Nutzungsdauer der Anlage
Ihren Wärmepreis fest. Der ist dann konstant.
Weil Sie das Geld ja nur einmal ausgeben
und dann sind Sie unabhängig
von allen Energiepreisen,
die Sonne bekommen Sie ja umsonst.
Wie sich diese Preise (Öl, Gas, Strom) hier entwickeln,
über die nächsten 20 Jahre,
(denn 20 Jahre ist eine typische
Nutzungsdauer für eine thermische Solaranlage,
technische Nutzungsdauer)
das kann sicherlich im Moment niemand vorhersehen.
Es zeichnet sich ja schon ab,
dass hier über CO2-Preisung die Preise deutlich
ansteigen werden und der Strompreis
vielleicht sogar etwas sinken wird.
Ja, dann greife ich mal den Punkt hier raus.
Das ist hier links finanziell abgeschätzt:
Wärmeautarkie im Solarhaus.
Ich habe bei einem Fertighaushersteller geschaut,
der das im Programm hat
als ein Ausbaumerkmal für sein Fertighaus.
Der hat etwa 50.000 € Mehrkosten verlangt
für 40 Quadratmeter Solarkollektoren und
20 Kubikmeter Wasserspeicher.
Und wenn man das dann überschlägig berechnet,
wieviel Solarertrag bekommt man denn
in 20 Jahren, dann kommt das
etwa bei 100.000 Kilowattstunden raus,
weil man in diesem sehr gut wärmegeschützten Gebäude
etwa 3.500 Kilowattstunden Heizwärme
pro Jahr benötigt hat.
Ein etwas sparsamerer Trinkwarmwasserbedarf
von 1.500 Kilowattstunden angesetzt,
stehen also hier 5.000 Kilowattstunden pro Jahr mal 20 Jahre,
das sind 100.000 Kilowattstunden Ertrag.
Wenn man dann die 50.000 durch 100.000 dividiert,
heißt das ein solarer Wärmepreis von 0,50 € pro Kilowattstunde,
ohne Zins und irgendwas.
Das ist hier eingetragen.
Das ist viel, aber
auf der anderen Seite, wenn Sie ein Haus bauen,
was 500.000 € kostet,
ich will nicht sagen, dass es egal ist, ob Sie
dann 50.000 € mehr ausgeben für diese Wärmeautarkie,
aber zumindest relativiert sich das dann
im Vergleich zu den Gesamtkosten oder
im Vergleich zu teuren Fliesen
oder Bodenbelägen anderer Art.
Ja, kommen wir zu den großen Anlagen.
Das ist ein echter Lichtblick.
Bei der Freibadbeheizung haben wir
sehr günstige Relationen, zum einen
relativ preiswerte Absorber,
die einfach preiswert sind,
(denn es sind nur) schwarze Schläuche, schwarze Matten.
Und eine sehr gute Überdeckung von dem Wärmebedarf
im Sommer für die Freibadbeheizung und
dem solaren Energieangebot, deshalb ist hier
der Wärmepreis sehr niedrig.
Und das sind große Freiflächenanlagen,
wie wir sie in Dänemark schon sehr viel sehen,
wie wir sie zunehmend auch in Deutschland sehen
und das ist sicherlich
eine ganz, ganz wichtige Zukunftsoption
für die Solarthermie, weil hier die Wärmepreise
sehr niedriger werden können,
einfach durch die, man könnte sagen,
durch die Massenfertigung, nicht nur bei
der Produktion der Kollektoren, die werden schon
in vergleichsweise großen Stückzahlen produziert,
sondern auch beim Aufbau.
Der Aufbau einer solchen Anlage ist
natürlich weitaus preiswerter,
spezifisch preiswerter, wie wenn ein
Monteur auf das Dach klettern muss,
um eine Verrohrung vom Dach in den Keller zu legen und so weiter.
Hinzu kommt natürlich dann auch noch
die gute Möglichkeit, saisonal Wärme zu speichern.
Ja, das war es schon zum Thema
Dimensionierung und Wirtschaftlichkeit.
Hier noch mal die Zusammenfassung, das Fazit.
Ganz wichtig bei der Solarthermie ist,
dass Sie den zeitlichen Verlauf des Bedarfs
mit einbeziehen: Der Bedarf deckelt ihren Solarertrag!
Es macht keinen Sinn,
die Anlage sehr groß zu bauen,
weil Sie die Wärme benutzen müssen,
am Ort der Anlage.
Faustformel für kleine Anlagen:
etwa 1 Quadratmeter Kollektorfläche und
etwa 75 Liter Speichervolumen pro Person.
Bei großen Anlagen haben wir gerade gesehen,
haben wir natürlich größere Kollektorflächen
und vor allem deutlich größere Speichervolumina,
die dann auch solche Langzeitspeicherung
vom Sommer in den Winter ermöglichen.
Bei der Wirtschaftlichkeit ist ökologisch
ganz klar festzustellen:
das ist wirtschaftlich, es lohnt sich,
Energierücklaufzeit in der Größenordnung
von einem Jahr und ökonomisch haben wir
bei kleinen Anlagen hier nochmal das Bild.
Ein klares Ja im Vergleich
zur Wärmebereitstellung mit Strom.
Bei der Wärmebereitstellung mit Heizung und Erdgas
hat die fossile Energie
im Moment noch die Nase vorn, (sprich: ist preiswerter)
aber auf die nächsten 20 Jahre betrachtet
gilt das aller Voraussicht nach nicht.
Also haben wir in Verbindung mit der Aussage,
dass große Anlagen in jedem Fall
günstig sein können und ökonomisch
sich rechnen können, das Fazit,
dass -insbesondere auf lange Sicht gesehen-
bei großen Anlagen und mit Förderung
eine solche Investition
auch wirtschaftlich Sinn macht.
Damit bin ich am Ende dieses Kapitels.