2009-03
Solarthermie
Abbildung 1: Anlage Neukirchen
Unabhängig von Öl oder Gas die Hauswärme aus der Sonne gewinnen und dabei bis über 70 Prozent CO2-Emission einsparen: Möglich wird das mit der neuentwickelten Solarheizung SOLAERA, die bereits mehrfach ausgezeichnet wurde. Das patentierte System ist nach umfassenden Feldtests im Sommer 2009 in Serie gegangen. SOLAERA gewinnt nachweislich mehr solare Energie als andere Solaranlagen und ermöglicht dadurch erstmals die komplette Wärmeversorgung mit nur einem System.
Die Vision vom solaren Heizen wird Wirklichkeit
Nach Forderung der Europäischen Technologie-Plattform ESTTP sollte der Wärmebedarf in Wohngebieten im Bereich Neubau künftig zu 100 Prozent und im Gebäudebestand zu 50 Prozent mittels Solarthermie gedeckt werden. Nötig sind dazu neue Systemkonzepte und größere, für den Heizbetrieb optimierte Kollektorflächen. Mit der patentierten neuen Solarheizung SOLAERA ist Consolar hier einen wesentlichen Schritt vorangegangen, befanden die Experten. 2007 wurde die erste kompakte Solarheizung weltweit vom Internationalen Symposium Thermische Solarenergie mit dem OTTI-Innovationspreis ausgezeichnet. Damals wurde SOLAERA erstmals der Branchenöffentlichkeit vorgestellt. Inzwischen hat die Lösung eine umfassende Feldtestphase durchlaufen und ist seit Juli im Markt als Kompaktsystem erhältlich.
SOLAERA ist nicht mehr – wie herkömmliche Solaranlagen – Zusatz- oder Ergänzung zum konventionellen Heizsystem, sondern stellt selbst eine komplette Wärmeversorgungslösung für ein Ein- oder Mehrfamilienhaus nach EnEV (Energieeinsparverordnung)-Standard dar. Dabei kann SOLAERA aufgrund seiner Kompaktheit in „normalen“ Häusern installiert werden, zum solaren Heizen wird nicht ein speziell konzipiertes Solarhaus mit großem integriertem Wärmespeicher benötigt. Die Solarheizung besteht aus Hybridkollektoren, einem Latentwärmespeicher auf Wasser-Eis-Basis, einer Wärmepumpe und einem Kombispeicher. Die Hybridkollektoren wurden speziell auf die Anforderungen hin entwickelt: Bei Sonnenschein funktionieren sie als Sonnenkollektoren, die die Strahlungsenergie aufnehmen, die Solarflüssigkeit damit erwärmen und die Energie dann an den Kombi- beziehungsweise Latentwärmespeicher oder die Wärmepumpe direkt abgeben. Auch bei bedecktem Himmel fangen die Kollektoren Wärme ein – und das ist neu: Die Kollektoren nutzen nämlich nicht nur die Sonneneinstrahlung, sondern auch die Wärme in der Umgebungsluft. Die Außenluft wird bei Bedarf durch den Hybridkollektor geschleust (siehe Abbildung 2 - Hybridkollektoren) und gibt dabei ihre Wärme an die zirkulierende Solarflüssigkeit ab, die dann wiederum zu Latentwärmespeicher und Wärmepumpe transportiert wird. So kann selbst bei schlechtem Wetter und völlig bedecktem Himmel solare Wärme erzeugt werden. Die Hybridkollektoren wurden von Consolar entwickelt und zum Patent angemeldet. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE, Freiburg) wurden sie umfassend getestet.
Abbildung 2: SOLAERA Hybridkollektor
Bislang ließen sich selbst mit den leistungsfähigsten herkömmlichen Solaranlagen nur 20 bis 40 Prozent der Hauswärmeversorgung durch Sonnenenergie abdecken. SOLAERA kann 80 bis 85 Prozent der Hauswärme solar gewinnen. Im Vergleich zu einem konventionell mit Öl oder Gas beheizten Haus sind nur 15 bis 20 Prozent Energie (Strom) nötig, um das System zu betreiben. Kommt der Strom aus erneuerbaren Energien, wird das Haus komplett CO2-emissionsfrei beheizt. Dies ist beispielsweise bei einer Kombination einer PV-Anlage auf dem Dach mit SOLAERA-Kollektoren an der Fassade gegeben. Der Traum vom solaren Heizen, den Consolar seit der Gründung vor 15 Jahren verfolgt, wird damit Realität.
Wärme aus dem Eisspeicher
Neben der Gewinnung von Wärme ist die Wärmespeicherung für die hohe Effizienz der Solarheizung verantwortlich. Der Latentwärmespeicher speichert die Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau verlustfrei und erlaubt so einen effizienten Betrieb selbst in kalten Nächten. Durch Auftauen und Einfrieren von Wasser kann er sehr viel Energie auf sehr kleinem Raum vorhalten. So fasst der Wasser-Eisspeicher 320 Liter, was von der Wärmekapazität her dem Achtfachen entspricht, nämlich einem 2.500-Liter-Wärmespeicher bei einem für Wärmepumpen sinnvollen Temperaturhub von 10 K. Dabei nimmt das Energiezentrum, in dem sich zusammen mit der kompletten Technik auch der Speicher befindet, nur 0,67 Quadratmeter Fläche in Anspruch. Wird mehr Wärme benötigt als von den Kollektoren geliefert, zum Beispiel nachts, kann die Wärmepumpe dem Latentwärmespeicher tagsüber eingespeicherte Niedrigtemperaturwärme entziehen und diese auf ein höheres Temperaturniveau bringen. Damit ist die Wärmeversorgung Tag und Nacht gesichert. (siehe Abbildung 3 Energiefluss) Der Hausbesitzer beziehungsweise Bauherr braucht keine zusätzlichen Gasanschlüsse, Tanks, Lagerbehälter, Schornsteine oder Erdsonden zu installieren.
Abbildung 3: Energiefluss
Umweltfreundlichste Heizung im Vergleich
Im Sinne der Umwelt und des Klimaschutzes sollte eine maximale CO2-Reduktion oberstes Gebot sein. Die verschiedenen Heizsysteme am Markt geben unterschiedlich viel Kohlendioxid ab. Durch den hohen solaren Anteil ermöglicht SOLAERA CO2-Einsparungen von mehr als 50 Prozent im Vergleich zu Öl- oder Gasheizungen beziehungsweise Wasserwärmepumpen. Gegenüber Luftwärmepumpen-Heizsystemen kann man sogar über 70 Prozent CO2 einsparen. SOLAERA ist damit die umweltfreundlichste Heizung im Markt, das zeigt eine Vergleichsstudie zwischen sechs unterschiedlichen Heizsystemen in Verbindung mit einer Solaranlage (siehe Abbildung 4). Dabei wurde der CO2-Ausstoß aus dem CO2-Faktor der GEMIS-Studie 4.4 für den jeweiligen Energieträger ermittelt und gegenübergestellt. Die für die Heizsysteme angesetzten Verbrauchsdaten beruhen auf unterschiedlichen unabhängigen Testergebnissen (Stiftung Warentest, Wärmepumpen-Feldteststudie). Für SOLAERA wurde das Testergebnis des ITW, Universität Stuttgart, das unter analogen Bedingungen wie für Stiftung Warentest ermittelt wurde, verwendet. Verglichen wurden auch die Gesamtkosten der verschiedenen Heizsysteme (siehe ebenfalls Abbildung 4). Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass SOLAERA in fast allen Fällen kostengünstiger ist als konventionelle Heizungen (Ölheizungen, Gasheizungen, Wasserwärmepumpen und Sole-Wasserwärmepumpen). Die Gesamtkosten beinhalten die jährlichen Kosten für Solaranlage und Heizungskomponenten, Installation und Material, Wartung und Brennstoff/Strom und die in Deutschland erteilte BAFA-Förderung.
Deutlich unter anderen Heizsystemen liegt auch der Stromverbrauch von SOLAERA: Dieser ist 20 bis 30 Prozent geringer als bei Sole-Wasserwärmepumpen. Die Systemjahresarbeitszahl von SOLAERA liegt bei 5 bis 7, was mit gängigen Wärmepumpen-Heizsystemen nicht annähernd erreicht wird.
Abbildung 4: CO2-Ausstoß und Gesamtkostenvergleich
Im Feldtest zur Serienreife
Seit Ende 2006 sind die ersten Pilotanlagen in Betrieb, zusätzlich wurden seit 2007 zehn Feldtestanlagen mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet, wobei die Solarheizung in Altbauten wie Neubauten eingebaut wurde. Der Feldtestbericht von Consolar zeigt auf, wie die Anlagen in der Praxis funktionieren und welche Herausforderungen gelöst wurden. Durch die Datenüberwachung via Internet konnten alle Daten und Fakten über den gesamten Zeitraum hinweg kontinuierlich verfolgt und ausgewertet werden. So können nach Abschluss der Feldtests Mitte 2009 sichere, erprobte Funktionen und Leistungsdaten garantiert werden.
Abbildung 5: Täglich von den Kollektoren an das Heizsystem abgegebene Energiemengen.
Blau: bei Ventilatorbetrieb (kombinierte Nutzung von Strahlung und Luftwärme).
Grün: absorbierte Strahlungsenergie von der Wärmepumpe genutzt.
Rot: absorbierte Strahlungsenergie, die direkt für Warmwasser und Heizung genutzt wird.
Abbildung 5 beispielsweise zeigt die Kollektorerträge der Feldtestanlage „Schäfer“ in einem Neubau nördlich von Frankfurt über das Jahr 2008 hinweg. Gut zu erkennen ist, dass von Mai bis Oktober praktisch die vollständige Wärmeversorgung durch direkte Nutzung der Solarstrahlung ohne Wärmepumpe erfolgte (rote Striche). Zudem wird in der Abbildung deutlich, dass bei besonders tiefen Temperaturen, wie sie Ende Dezember 2008 vorherrschten, der Anteil der Strahlungsenergie zur Versorgung der Wärmepumpe (grün) gegenüber der Nutzung von Luftwärme anstieg. Während bei diesen kalten Wetterbedingungen eine Luftwärmepumpe nur mit sehr schlechter Effizienz funktioniert, hat sich die kombinierte Nutzung von Strahlungsenergie und Luft bei dem SOLAERA-System sehr gut bewährt.
Die Wintermonate 2008/2009 hatten zum Teil außergewöhnlich tiefe Temperaturen. Dadurch konnten wichtige Erfahrungen im Betriebsverhalten bei kaltem Wetter gewonnen werden, insbesondere zur Entfernung von Eis und Schnee auf der Verglasung. Wie die Untersuchungen zeigen, kann der Schnee mit Hilfe einer Antaufunktion von den Kollektoren gut abrutschen. Die Wärmetauscher der Hybridkollektoren werden bei Bedarf mit einer Enteisungsfunktion – bei Sonnenschein auch ohne aktive Wärmezufuhr aus dem Kombispeicher – enteist, wenn die Temperatur entsprechend angehoben wird. Auch dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber Luftwärmepumpen, bei denen zum Enteisen immer Energie von der Wärmepumpe, das heißt Strom, zugeführt werden muss.
Ein wichtiges Ergebnis des Feldtest ist auch die Bestätigung der Simulations- und Testergebnisse des ITW (Uni Stuttgart).
Zur Überprüfung des Simulationsprogramms wurden die realen Messdaten mit simulierten Daten mehrerer Anlagen verglichen, wobei die gemessenen Wetterdaten (Einstrahlung und Außentemperatur) sowie die gemessenen Wärmeverbräuche in die Simulation eingegeben wurden.
Abbildung 6: Stromverbrauch der WP im Monat Dezember – Tageswerte
Abbildung 6 zeigt die gemessenen und simulierten Stromverbräuche der Wärmepumpe einer Feldtestanlage im Monat Dezember 2008.
Gemittelt über den Monat ergibt sich eine Abweichung kleiner 1 Prozent. Ähnliche Ergebnisse ergaben sich für die anderen Anlagen. Damit konnte nachgewiesen werden, dass die mit Simulation berechneten Energieeinsparungen, die zum Beispiel der Vollkostenrechnung zu Grunde liegen, auch tatsächlich erreicht werden.
Hohe Förderungen für Solarwärmeanlagen
SOLAERA eignet sich für Neubauten wie Altbauten. Der Gesamtwärmebedarf des Gebäudes für Heizung und Warmwasserbereitung sollte bei maximal 13.000 kWh pro Jahr liegen. In Verbindung mit einem von dem SOLAERA-Systemregler angesteuerten wasserführenden Pellets-Kaminofen ist jedoch auch ein Gesamtwärmebedarf von bis zu 23.000 kWh problemlos zu decken. Die Hybridkollektoren sollten wenn möglich eine Neigung von 60 bis 90 Grad haben. In schneearmen Gebieten und wenn der Schnee leicht entfernt werden kann, sind auch Mindestneigungen von 45 Grad möglich. Zudem sollte Platz für eine 22 bis 28 Quadratmeter große Kollektorfläche bestehen, um das Haus optimal mit Wärme zu versorgen. Die Aufstellung der Kollektoren ist dabei flexibel: Bei gleicher Ausrichtung und Neigung ist beispielsweise auch eine Aufteilung der Kollektoren auf Fassade, Dach und/oder Gartenaufstellung möglich. SOLAERA wird aufgrund seiner zukunftsfähigen und nachhaltigen Energieversorgung in den meisten Ländern umfassend gefördert. Eine hocheffiziente Solarheizung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad ist damit eine Investition, die sich für Bauherren und Hausbesitzer gleich mehrfach auszahlt und die die Umwelt und das Klima schont.
*) Dr. Ulrich Leibfried, Jahrgang 1961, ist als Geschäftsführer bei der Consolar Solare Energiesysteme GmbH für den Bereich Forschung und Entwicklung verantwortlich. Seit seinem Maschinenbaustudium beschäftigt er sich mit Solartechnik und hat in diesem Bereich promoviert. Leibfried hat mehrere richtungweisende Neuentwicklungen geleitet und ist Erfinder zahlreicher Patent-Schutzrechte [^]