Solarthermie im Megawattsektor

Solarthermie

Abbildung 1: Solarthermische Großanlage für die Fernwärmeversorgung in Ullstedt/Dänemark

Im Rahmen des EU-Vorhabens "Solar District in Europe" wurden solarthermische Großanlagen in Nah- und Fernwärmesystemen bezüglich ihrer Entstehungsgeschichte und der Erfolgsfaktoren bei Realisierung und Betrieb analysiert. Jan-Olof Dalenbäck von der Chalmers University in Göteborg, SE hat die Ergebnisse in einer aktuellen Publikation "Success Factors in Solar District Heating" veröffentlicht.

Erfolgsfaktoren für solarthermische Großanlagen

Von Jan-Olof Dalenbäck, Heiko Huther *

Solarthermische Großanlagen erlangen in den letzten Jahren immer größere Bedeutung in Europa. Dabei werden diese Anlagen für die Wärmeversorgung von großen Wohngebäuden eingesetzt, aber auch in Kombination mit größeren Nah-/Fernwärmesystemen zur Versorgung gesamter Wohngebiete realisiert. Ziel ist jeweils die Steigerung der Effizienz der Wärmeversorgung sowohl bei der Modernisierung bestehender Gebäude als auch bei der Erschließung neuer Wohngebiete. Daher wird die Umsetzung dieser Technologie beispielsweise durch EU-Richtlinien sowie nationale und regionale Förderprogramme unterstützt. Auch steigende Preise für fossile Energieträger tragen dazu bei, dass solarthermische Großanlagen immer wettbewerbsfähiger werden.

Historische Entwicklung

Nicht in den südeuropäischen Ländern mit hoher solarer Einstrahlung, sondern vor allem in Schweden entstanden in den 70er Jahren die ersten solarthermischen Großanlagen, die meist in Kombination mit saisonalen Speichersystemen zur Wärmeversorgung realisiert wurden. Neben Schweden gehören Dänemark und die Niederlande zu den Pionieren, Deutschland und Österreich folgten in den 90er Jahren. Seit Mitte der 90er Jahren wurden mehr als 100 neue Anlagen mit einer Kollektorfläche von insgesamt mehr als 500 m² in Betrieb genommen (Tabelle 1).
Aktuell werden große solarthermische Systeme vorwiegend mit Tagesspeicher zur Wärmeversorgung von großen Wohngebäuden realisiert; aber auch Anlagen zur Versorgung von Industrie-/Gewerbebetrieben mit Wärme und zur solaren Kühlung gewinnen insbesondere in Südeuropa immer mehr an Bedeutung. Lediglich in Dänemark und in Deutschland bleiben solarthermische Anlagen mit saisonalen Speichern im Fokus der Entwicklung.

Tabelle 1: Solarthermische Großanlagen zur Wärme- und Kälteversorgung in Europa

xS: Fernwärmesystem als Speicher;
SS: saisonaler Speicher;
DS: Tagesspeicher

Anwendungen und Technologien

Solarthermische Großanlagen werden überwiegend zur Wärmeversorgung von großen Wohngebäuden und von Nah-/Fernwärmesystemen eingesetzt. Die typischen Betriebstemperaturen reichen dabei von 30 °C bis zu 100 °C (Speichersysteme mit Wasser). Dabei kommen zwei verschiedene Montagearten für die Kollektorsysteme zum Einsatz: dachmontiert und auf Freiland bodenmontiert.
Die meisten Anlagen bestehen aus dachmontierten Kollektorfeldern, rd. 22 Anlagen in Schweden und Dänemark sind als bodenmontierte Kollektorfelder ausgeführt. Als Kollektortypen kommen vorwiegend Flachkollektoren zum Einsatz, die druckbeaufschlagt mit einem Glykol-Wasser-Gemisch als Frostschutzmittel betrieben werden.
Vorwiegender Einsatzbereich ist die Deckung des Wärmebedarfs in den Sommermonaten. Darüber hinaus sind rd. 20 Anlagen sind mit einem saisonalen Speicher ausgestattet und können so einen größeren Teil des jährlichen Wärmebedarfs auch in der Heizperiode decken. Als saisonale Speicher kommen dabei große wärmegedämmte Erdbeckenspeicher (Wasserspeicher), Aquiferspeicher oder Erdsondenspeicher zum Einsatz. Rund 10 Anlagen sind so konzipiert, dass der Kältebedarf im Sommer über eine mit Wärme betrieben Kälteanlage gedeckt wird.

Solarthermische Großanlagen in der Fernwärme

In Schweden werden große solarthermischen Anlagen von Fernwärmeunternehmen oder Immobiliengesellschaften betrieben, um bestehende Gebäudekomplexe oder Wohngebiete mit Wärme zu versorgen. Dabei kommen beide Montagearten für die Kollektorsystem zu Einsatz. Die älteste noch in Betrieb befindliche Anlage stammt aus dem Jahr 1985.
Die größte Anlage wird von dem schwedischen Energieversorger Kungälv Energi AB als Ergänzung für eine bestehende Holzhackschnitzelanlage betrieben (Abbildung 2). Vom gesamten Wärmebedarf in Höhe von rd. 100 GWh/a trägt die solarthermische Anlage rd. 4 GWh/a bei. In letzter Zeit entstehen in mehreren schwedischen Städten immer mehr Anlagen, bei denen dezentrale Solaranlagen in das primäre Fernwärmesystem eingebunden werden (z.B. Malmö).

Abbildung 2: Solarthermische Großanlage für die Fernwärmeversorgung in Kungälv/Schweden

In Dänemark versorgen solarthermische Großanlagen überwiegend kleine Fernwärmesysteme. Bei allen Anlagen sind die Kollektoren bodenmontiert ausgeführt. Auf der Basis der schwedischen Erfahrungen entstand im Jahr 1987 in Saltum die erste Anlage, die aus einem 1000 m² großen bodenmontierten Solarkollertorfeld besteht.
Das dänische Fernwärmeunternehmen Marstal Fjernvarme A.m.b.a. entschied sich im Jahr 1995 für den Bau einer 8000 m² großen solarthermischen Anlage mit einem 2100 m³ großen Wärmespeicher. Ziel war es, rd. 15 % des gesamten Wärmebedarfs mit Solarenergie zu decken. Die Anlage in Marstal wurde inzwischen erweitert auf 18 300 m² Kollektorfläche (12,8 MW) und ist zurzeit die größte solarthermische Anlage in Europa (Abbildung 3).

Abbildung 3: Solarthermische Anlage in Marstal/Dänemark

Solare Nahwärme

Die schwedische Immobiliengesellschaft EKSTA Bostads AB hat bereits Anfang der 80er Jahre erste dachintegrierte Solaranlagen auf neuen Gebäudekomplexen errichtet. Heute betreibt das Unternehmen Anlagen mit einer gesamten Kollektorfläche von rd. 7000 m². Anfangs wurden Kollektorsysteme eingesetzt, die auf der Baustelle fertig montiert werden mussten. Heute stehen vormontierte Modulsysteme für die Dachintegration in bestehende oder neue Gebäude zur Verfügung, die direkt auf den Dachstuhl montiert werden. Erfahrungen bei ersten Projekten mit diesen Systemen zeigen, dass diese besser in die Gebäudehülle integriert werden können und die Wärmeverluste dadurch sinken. Auch führt dies zu einer deutlichen Reduzierung der Investitionskosten.
In Deutschland werden solarthermische Großanlagen vorwiegend bei der Erschließung neuer Wohnsiedlungen realisiert. Zum Einsatz kommen dabei meist dachintegrierte Solaranlagen. Einige der größten Projekte haben sogenannte „Solar Roofs“. Im Rahmen des Programms Solarthermie 2000/Solarthermie2000plus wurden elf größere Projekte mit saisonalem Speicher und rd. 50 große bzw. mittlere Anlagen mit Kurzzeitspeicher realisiert. Beispiele hierfür sind zwei Anlagen mit einer Kollektorfläche von jeweils über 5000 m² in Neckarsulm-Amorbach und in Crailsheim. Eine relativ neue Anlage mit einer Kollektorfläche von 2900 m² wird in München betrieben.
Die erste solarthermische Großanlage in Österreich entstand im Jahr 1995 in Deutsch-Tschantschendorf. Die Solaranlage ergänzt dort ein kleines Biomasseheizwerk. Heute ist Graz die Solarstadt in Österreich mit insgesamt 4 solarthermischen Großanlagen. Die größte Anlage hat eine Kollektorfläche von über 5000 m² und ist auf dem Gebäude des Abfallentsorgungsunternehme AEVG der Stadt Graz installiert. Sie speist die Wärme in das örtliche Fernwärmenetz ein.
In den Niederlanden werden solarthermische Großanlagen vorwiegend in genossenschaftlichen Wohngebäuden, Behörden oder Altersheimen betrieben. Die meisten Anlagen haben eine Kollektorgröße von 100 m². Darüber hinaus gibt es einige wenige größere Anlagen, beispielsweise das Brandaris-Gebäude in Amsterdam mit einer Kollektorfläche von 700 m². Eine neuere Anlage mit 2900 m² wird in Schalkwijk in Verbindung mit einem Aquiferspeicher betrieben.

Weitere Anwendungen

Einige solarthermische Großanlagen in den Niederlanden und in Griechenland stellen Solarwärme für Industrieprozesse bereit. Ein Beispiel ist die Anlage des Industrieunternehmens van Melle in Breda/Niederlande mit 2400 m² Flachkollektoren.
Die erst solarthermische Anlage zur Kälteversorgung entstand in Athen im Jahr 1998. Dort ist eine 2700 m² große Anlage mit Flachkollektoren in Betrieb, die zwei Adsorptionskälteanlagen mit einer Leistung von je 350 kW versorgt. Andere Anlagen zur solaren Kälteerzeugung wurden mit Absorptionskälteanlagen (LiBr) realisiert.
Mittlerweile wurden auch in Italien, Spanien und Portugal mehrere solcher Anlagen realisiert, beispielsweise eine 1579 m² große Anlage auf der größten Bank Portugals, der Caixa Geral de Depositos (CGD) in Lissabon (Abbildung 4).

Abbildung 4: Solarthermie zur Kälteversorgung auf dem Gebäude der Ciaxa Geral de Depositos in Lissabon/Portugal

Erfolgsfaktoren

Ein, wenn nicht sogar der wesentliche Erfolgsfaktor für die Realisierung von solarthermischen Großanlagen ist die aktive Einbeziehung der wesentlichen Entscheidungsträger in Politik, Verwaltung und den relevanten Unternehmen. Nur durch deren aktive Unterstützung können solche Projekte erfolgreich betrieben werden. Darüber hinaus ist von entscheidender Bedeutung, dass die Anlagen- und Betriebskonzepte an die jeweiligen regionalen Rahmenbedingungen angepasst werden.

Dänemark: Optimale Kombination von KWK und Solarthermie

Mit fossilen Energieträgern befeuerte KWK-Analgen dominieren die Stromerzeugung und die regionale Wärmeversorgung in Dänemark. Allerdings hat der Ausbau der Windenergie in Dänemark in den letzten Jahren dazu geführt, dass in Zeiten mit viel Windaufkommen KWK-Anlagen aufgrund der Stromeinspeisung aus Windenergieanlagen heruntergefahren werden mussten. Die Wärmeversorgung erfolgt dann mit weniger effizienten Kesselanlagen.
Dies hat im ersten Schritt zum Einsatz von Kurzzeit-Speichersystemen in den KWK-Anlagen geführt, die dann immer häufiger mit großen solarthermischen Kollektorfeldern kombiniert wurden. Die Auflage der dänischen Regierung zur Reduzierung fossiler Energieträger und zur Erhöhung der erneuerbaren Energien in der Fernwärmeversorgung hat diese Entwicklung weiter beschleunigt. Dies zeigt, dass sich Kraft-Wärme-Kopplung und Solarthermie durchaus optimal ergänzen können.

Österreich: Contracting-Modelle zur Überwindung der Investitionshemmnisse

Solarthermische Großanlagen zeichnen sich durch hohe Investitionskosten und relativ niedrige Betriebskosten aus. Viele Versorgungsunternehmen und Immobilienbesitzer scheuen aufgrund der relativ langen Amortisationszeiten daher das Risiko, in solche Anlagen zu investieren, auch wenn sie auf lange Sicht wirtschaftlich betrieben werden können.
Eine Möglichkeit diesem Investitionshemmnis zu begegnen ist die Zusammenarbeit mit einem Contracting-Unternehmen, das die Anlage errichtet, betreibt und die Wärme an das Versorgungsunternehmen oder den Immobilienbesitzer verkauft. Der Contractor trägt dabei das finanzielle Risiko.
In Österreich ist S.O.L.I.D. der wesentliche Contractor, der die Entwicklung großer solarthermischer Anlagen vorantreibt. So wurden beispielsweise die Anlagen in Graz nach diesem Modell realisiert. Dabei werden Wärmegestehungskosten von rd. 6 bis 8 Ct/kWh erreicht (ohne Förderung).

Deutschland: Optimierung durch saisonale Wärmespeicher

Eine Herausforderung bei der Optimierung großer solarthermischer Anlagen ist die Speicherung der Solarwärme vom Sommer bis zur Heizperiode. So kann ein wesentlicher Anteil des (Fern-) Wärmebedarfs durch Solarthermie gedeckt werden. Mehrere dieser saisonaler Speichersysteme wurden in Deutschland in den letzten Jahren erprobt.
Insbesondere Erdsonden-Wärmespeicher wurden erfolgreich in 2 Projekten getestet: in Neckarsulm-Amorbach seit 1997 und in Crailsheim seit 2008. Rund 50 % des jährlichen Wärmebedarfs der angeschlossenen Gebäude kann bei diesen Anlagen durch Solarthermie gedeckt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, kommt in Crailsheim zusätzlich eine Wärmepumpe zum Einsatz.

Schweden: Einbindung dezentraler Solaranlagen in Fernwärmenetze

Immer mehr Fernwärmekunden wollen zusätzlich solarthermische Anlagen auf ihren Gebäuden installieren. Verschiedenen Lösungen für diese Kundenwünsche wurden in Schweden entwickelt. Eine Möglichkeit ist die solare Vorwärmung des Heizwassers in gebäudeintegrierten Tagesspeichern und die Deckung der Lastspitzen über das Fernwärmesystem. Eine weitere, meist einfachere Lösung ist die Einbindung der dezentralen solarthermischen Anlagen in das Fernwärmenetz, das in diesem Fall als Pufferspeicher fungiert. Der Kunde erhält dabei eine Gutschrift für die eingespeiste Wärmemenge.

Wärmegestehungskosten mit positiven Perspektiven

Insbesondere die Anlagen in Dänemark zeigen, dass mit einfachen Anlagenkonzepten (bodenmontierte Kollektorfelder) relativ geringe Wärmegestehungskosten im Bereich von 4 Ct/kWh (ohne Förderung) erreicht werden können. Auch mit den realisierten Anlagenkonzepten in Österreich (vorwiegend dachmontierte Kollektoren) sind ähnliche Gestehungskosten möglich und können bei einer steigenden Nachfrage weiter reduziert werden.
Die Wärmegestehungskosten der Anlagen in Deutschland sind dagegen relativ hoch. Grund hierfür sind im Wesentlichen die meist aufwendige Integration der Solarkollektoren in die Gebäudehülle und die Errichtung von saisonalen Speichersystemen. Andererseits können mit diesen Anlagenkonzepten hohe solare Deckungsanteile erzielt werden.

Zusammenfassung

Die genannten Beispiele zeigen die Vielfalt der möglichen Systemvarianten solarthermischer Großanlagen. Eine sorgfältige individuelle Planung unter Berücksichtigung der regionalen Rahmenbedingungen ist unerlässlich. Die Beispiele zeigen allerdings auch, dass solarthermische Großanlagen erfolgreich betrieben werden können und nicht als Konkurrenz, sondern als optimale Ergänzung zu bestehenden Wärmeversorgungssystemen angesehen werden sollten.

Weitere Informationen:

Internetseite des Vorhabens "Solar District Heating in Europe": www.solar-district-heating.eu
Die alleinige Verantwortung für den Inhalt dieser Publikation liegt bei den AutorInnen. Sie gibt nicht unbedingt die Meinung der Fördermittelgeber wieder. Die Fördermittelgeber übernehmen keine Verantwortung für jegliche Verwendung der darin enthaltenen Informationen.

*) DJan-Olof Dalenbäck (jan-olof.dalenback@chalmers.se) ist Professor für Gebäudetechnik an der Chalmers University in Göteborg Schweden. Er ist seit über 25 Jahren als Experte mit der Evaluierung, Planung und Entwicklung solarthermischer Großanalgen betraut
Dr. Heiko Huther (h.huther@agfw.de) leitet den Bereich Forschung und Entwicklung bei dem AGFW – Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V. in Frankfurt. AGFW ist der deutsche Projektpartner aus der Fernwärmewirtschaft im EU-Vorhaben SDHtake-off. [^]