Hochwertige Sanierung von Gebäuden
Solarthermie
Mit großer Wahrscheinlichkeit werden im Jahr 2030 bei einer weltweit gestiegenen
Energienachfrage wesentlich weniger Öl und Gas zur Verfügung stehen
als heute. Die Verknappung von fossilen Energieträgern wird die Öl-
und Gaspreise weiter ansteigen lassen.
Wärmeversorgung ohne fossile Energieträger - Vision für 2030
Da es im Verkehrsbereich wenig Alternativen zu fossilen Energieträgern
gibt, werden die noch zur Verfügung stehenden Ressourcen vor allen Dingen
der Mobilität dienen und ihr Einsatz in der Wärmeversorgung von Gebäuden
überproportional stark sinken. Unabhängig davon macht der voranschreitende
Klimawandel eine drastische Reduzierung des Verbrauchs fossiler Energiequellen
erforderlich.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde im Rahmen der Europäischen
Solar Thermie Technologie Plattform (ESTTP) von den führenden europäischen
Solarforschungsinstituten und der Solarindustrie die Solarthermie-Vision 2030
entwickelt, die in den kommenden Jahren umgesetzt werden soll.
Möglichkeiten der Solarwärme unterschätzt
Die Solarthermie wurde bislang von vielen Kreisen als ausgereifte Technik
ohne weiteres Entwicklungspotenzial angesehen und ihr Anwendungsbereich meist
nur im Bereich der Warmwasserbereitung mit Kleinanlagen gesehen. Diese Einschätzung
hat sich eindeutig als falsch und zu eng erwiesen. In den vergangenen Jahren
wurden die heute vornehmlich eingesetzten Solarsysteme zur Trinkwassererwärmung
und teilweise zur Heizungsunterstützung deutlich in Bezug auf Effizienz,
Zuverlässigkeit und Integration sowohl der Kollektoren in die Dachhaut
oder Fassade als auch des Solarsystems in die konventionelle Heizungstechnik
verbessert. Dabei konnten die Kosten kontinuierlich gesenkt werden. Der Kostenreduktionsprozess
wird sich verstärkt fortsetzen, wenn die Innovationspotenziale in der Produkt-
und der Produktionstechnologie gezielt erschlossen werden, zum Beispiel durch
den Einsatz neuer Materialien und einer industriellen Massenfertigung.
Der Anteil der Solarwärmeanlagen zur Raumheizungsunterstützung nimmt
kontinuierlich zu. Diese haben heute in Österreich in der Regel eine Kollektorfläche
zwischen 12 und 20 m² und decken in einem gut gedämmten Haus bis zu
40% des Gesamtwärmebedarfs. Allerdings werden auch Gebäude mit deutlich
größeren Kollektorflächen und größeren Solarspeichern
gebaut, die beispielsweise 50% bis 70% des Gesamtwärmebedarfs decken oder
eine solare Vollversorgung ermöglichen. Die durchschnittliche Anlagengröße
und damit die solare Deckungsrate weist eine kontinuierliche Steigerung auf.
In künftigen Solarsystemen wird die Solarwärme die Hauptwärmequelle
des Gebäudes darstellen und weitere Wärmequellen nur noch als Backup
vorhanden sein. Die Reduzierung der Rolle konventioneller Heizgeräte auf
reine Backupsysteme entspricht einer qualitativen Änderung des Wärmeversorgungskonzeptes.
Das Solarhaus
Die Gebäudeheizung wird bis 2030 weitgehend ohne fossile Energiequellen
erfolgen. Ein Teil der Neubauten wird als Passivhäuser mit einem minimierten
Wärmebedarf ausgeführt werden. Die Mehrzahl der Neubauten und vor
allem die Mehrzahl des Gebäudebestands wird jedoch weiter aktiv beheizt
werden.
Die Solarbranche hat das Ziel, bis 2030 das 100% mit Solarenergie beheizte Haus
zum Standard zu machen. Hocheffiziente, innovative und intelligente Solarsysteme
werden einen hohen Komfort bieten bei geringem Platzbedarf. Die Solarheizung
wird die kostengünstigste Form der Gebäudebeheizung darstellen.
Solarempfangsflächen
Der steigende Bedarf nachhaltiger, dezentraler Energieversorgung wird dazu
führen, dass bis 2030 die südlich orientierten Dachflächen (von
Ost über Süd bis West orientiert) bis auf Dachfenster und Gauben vollständig
mit Solarflächen belegt sein werden. Solarwärmekollektoren und Solarstrommodule
in einheitlichem Design werden sich die vorhandenen Flächen teilen, wobei
die Flächenanteile von der Solarwärmenutzung bestimmt werden, da die
Netzkopplung die Installation von Solarstromanlagen wesentlich flexibler macht.
Zusätzlich zu den Dachflächen werden teilweise auch die südlich
orientierten Fassaden als Solarempfangsflächen genutzt werden, teilweise
werden sich auch Ost- und Westfassaden als Solarflächen eignen. Die Solarflächen
werden vollständig in die Bauteile der Gebäudehülle integriert
werden. Eine kompakte Bauweise und die intelligente Mehrfachnutzung von Gebäudeteilen
wird neue Synergieeffekte erschließen.
Wärmespeicherung
Die vollständige Deckung des Wärmebedarfs im Gebäude wird in der Regel eine saisonale Speicherung der im Sommer erzeugten Solarwärme erfordern. Die Entwicklung von Speichern mit hohen Energiedichten ist daher eine der wesentlichen Herausforderungen bis zum Jahr 2030. Heute sind dazu Wasserspeicher mit einem großen Volumen von 30 und mehr Kubikmetern allein für ein sehr gut gedämmtes Einfamilienhaus erforderlich (siehe Abbildung 1, linkes Bild). Die saisonalen Speicher werden bis 2030 dieselbe Wärmespeicherkapazität bei wesentlich reduziertem Volumen zur Verfügung stellen auf Basis von einer stark verbesserten Wärmedämmung, z.B. mit Vakuumdämmung, die sowohl die Speicherverluste als auch das Volumen der Dämmschicht deutlich reduziert (siehe Abbildung 1, rechtes Bild). Neue Speichermedien und -technologien werden eine gegenüber Wasser wesentlich höhere Energiedichte zur Verfügung stellen. Ein zukünftiger Solarspeicher wird also mit kleinem Volumen Wärme für Warmwasser, Raumheizung und Kühlung zur Verfügung stellen. Das Ziel ist die Steigerung der Energiedichte um den Faktor acht.
Abbildung 1: Derzeitiger Saisonspeicher (links) und zukünftige Solarspeicher (rechts) für Einfamilienhäuser
Solarvision Gebäudebestand: Die Solaraktive Sanierung
Die sinkende Bevölkerungszahl, der hohe Flächenbedarf bei dezentralen
Wohneinheiten und steigende Fahrtkosten werden dazu führen, dass in den
kommenden Jahrzehnten der Neubau weiter an Bedeutung abnimmt. In bezug auf die
Energieversorgung sind deshalb vor allem Lösungen für die energetische
Sanierung des Gebäudebestands zu entwickeln.
Aktive Solarsysteme bieten, neben der verbesserten Wärmedämmung in
der energetischen Gebäudesanierung, eine hervorragende Möglichkeit,
das Gebäude mit einem nachhaltigen und emissionsfreien Wärmeversorgungssystem
auszurüsten. Das Ziel ist es deshalb, bis 2030 die solare Sanierung des
Gebäudebestands zum Standard der energetischen Gebäudesanierung zu
machen.
Abbildung
2: Aktive Solarsysteme sollen ein
selbstverständlicher Bestandteil der Gebäudesanierung werden
(Grafik: M. Zimmermann ,
Quelle: EMPA)
Hierzu werden konventionelle opake Bauteile (Dächer, Fassaden, etc.) praktisch
mit aktiv solaren Elementen verschmelzen. Vorgefertigte Dachelemente (mit und
ohne Tragkonstruktion) sowie Fassadenelemente ermöglichen die einfache
Integration von Solarwärme in der Gebäudesanierung. Farbenvielfalt
beim Erscheinungsbild nach außen ermöglicht ein breites Anwendungsspektrum
in sämtlichen Bereichen der Architektur.
Hydraulische Versorgungsleitungen (Solaranlage und Wärmeverteilung) sind
einfach und flexibel in vorgefertigten Dach- oder Fassadenelementen integriert.
Solare Nahwärme
In verdichteten Räumen sind mit erneuerbaren Energieträgern beheizte
solare Nahwärmesysteme im Einsatz, die in allen Größen existieren
werden und wenige Gebäudeeinheiten bis große Wohnsiedlungen umfassen
werden.
Hierbei werden sowohl Konzepte der zentralen wie der dezentralen Einspeisung
von Solaranlagen und Backup-Kesseln verfolgt. Letztere Variante hat den Vorteil,
dass Wärmenetze sukzessive ausgebaut werden können, ohne dass es zu
Problemen mit Rohrleitungsquerschnitten und Pumpleistungen kommt.
Solare Kühlung
Solare Kühlung ist heute auf der Basis sorptiver Systeme im Demonstrationsstadium
und wird weltweit immer häufiger eingesetzt. Es existieren eine Vielzahl
unterschiedlicher Systemansätze mit einer Reihe verschiedener Materialien
und Konzepte (absorptive, adsorptive, offene, geschlossene, einstufige, zweistufige
Systeme). Die notwendigen Antriebstemperaturen liegen je nach System im Bereich
zwischen 60°C und 150°C, wobei nach oben hin keine Grenzen gesetzt sind.
Bislang gibt es Kaltwassersysteme (geschlossene Verfahren) zum Anschluss an
wassergestützte Raumeinheiten und Systeme zur Integration in Lüftungsanlagen
(offene Verfahren).
Thermisch angetriebene Kühlsysteme können beliebige Wärmequellen
mit ausreichendem Temperaturniveau nutzen. Sie eignen sich allerdings ideal
für den Einsatz von Solarwärme aufgrund der Koinzidenz von solarer
Einstrahlung und Kühlbedarf. Da in den meisten Fällen auf große
Speicher verzichtet werden kann, wird die Solarwärme sehr effizient eingesetzt.
Gewerbe und Industrie
Unter den Sektoren Industrie, Transport, Haushalte und Dienstleistungssektor
weist der Sektor Industrie in den Mitgliedsländern der Europäischen
Union mit einem Anteil von rund 30% den höchsten Anteil am Energieverbrauch
auf.
Rund 26 PJ des industriellen Wärmebedarfs im Niedertemperaturbereich in
Spanien, Portugal und Österreich könnten solarthermisch abgedeckt
werden /1/. Bis zum Jahr 2030 lassen sich voraussichtlich 15% dieses Potenzials
erschließen, was allein für diese drei Länder zur Installation
einer Kollektorleistung von 2,1 GWth (3 Mio m²) führt. Bezogen auf
die EU 25 wird das bis 2030 umsetzbare Potenzial auf 20 - 30 GWth geschätzt.
Ähnlich wie in vollsolaren Gebäuden ist es auch für den Einsatz
in Industrie und Gewerbe entscheidend den Energiebedarf vor dem Einsatz solarer
Wärme auf ein Minimum zu reduzieren. Das bedingt, dass zuerst durch prozessintegrierte
Maßnahmen (Einsatz von energieeffizienten Technologien) und Wärmerückgewinnung
die Energie in einem Produktionsbetrieb effizient eingesetzt wird. Erst nach
Optimierung des Energieverbrauchs wird der Einsatzbereich für solare Prozesswärme
geprüft und eine Solaranlage in das System integriert.
Wesentliche Einsatzbereiche für solarthermische Anlagen bestehen in der
Lebensmittel- und Getränkeindustrie, in der Textil- und Chemieindustrie
sowie bei Waschprozessen. Dies liegt vor allem an den Temperaturniveaus von
30°C bis maximal 90°C, die für die Prozesse dieser Branchen erforderlich
sind. Neben der Prozesswärmebereitstellung werden künftig in Gewerbe
und Industrie auch die Produktionshallen in großem Umfang mit Solarwärme
beheizt werden.
Über die Niedertemperaturprozesse bis 90°C hinaus besteht ein beachtliches
Potenzial für die Solarwärmenutzung im mittleren Temperaturbereich
bis ca. 250°C. In den kommenden Jahren sind hierfür Kollektoren zu
entwickeln, die dieses erforderliche Temperaturniveau mit hohem Wirkungsgrad
erreichen. Entsprechende Technologiekonzepte sind vorhanden, beispielsweise
Flachkollektoren mit Mehrfachverglasung und Antireflex-Beschichtung, stationäre
CPC-Kollektoren oder kleine Parabolrinnenkollektoren.
*) Dipl.-Päd. Ing. Werner Weiss ist Geschäftsführer der AEE INTEC, office@aee.at, www.aee-intec.at [^]