Die Bedeutung der Solarthermie

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1 Die Bedeutung der Solarthermie Aktionskreis Energie Uhr (3 UE) Dipl.-Ing. B.- R. Kasper Quelle: Paradigma 1 Die Bedeutung der Solarthermie Inhaltsverzeichnis 1 1. Einleitung 1.1 Wo liegt das Problem? Verknappung - Klimaveränderung 1.2 Das Strom-Wärme-System 2. Welche solarthermischen Systeme gibt es? 2.1 solare Trinkwassererwärmung (TWE) 2.2 solare TWE und Heizungsunterstützung (HU) - mit Kurzzeitspeicher - mit Saisonspeicher 2

2 Die Bedeutung der Solarthermie Inhaltsverzeichnis 2 - Saisonspeicher auf Nutztemperaturniveau - Saisonspeicher als kalter Speicher mit Wärmepumpe 3. EnEV und EEWärmeG 4. Förderung 5. Kosten und Erträge 6. Ausblick 3 1. Einleitung 4

3 Weltweiter Energieverbrauch Quelle: 5 Peak oil Weltweites Fördermaximum (Peak Oil) : bei steigendem Verbrauch führt es zu einer Verknappung und damit zu starken Preissteigerungen zeitversetzt gilt dies auch für Gas, Kohle und Uran Quellen: BGR, Zentrum für Transformation der Bundeswehr 6

4 Rohölpreise (Jahresmittelwerte), Trend 7 Entwicklung Heizölpreis Quelle: TECSON 8

5 Ölsandabbau Versuch der Lösung des Mengenproblems: nicht konventionelles Öl Ölsand (Alberta/Kanada) Quelle: Jin Rezac/Greenpeace 9 Fracking Versuch der Lösung des Mengenproblems: Fracking Erdgas aus Schiefergestein Quelle: UBA 10

6 weltweite Erdöl- und Erdgasförderung einschließlich nichtkonventioneller Vorkommen Verlängerung des fossilen Zeitalters Quelle: ASPO 11 Stern-Report Klimaveränderungen Klimaschutz heute erfordert ca. 1% des BIP, das bedeutet auch Entwicklung innovativer Produkte, neue Geschäftsfelder kein Klimaschutz kostet ca. 5 bis 20% (überwiegend Reparaturen)z Quelle: Prof. N. Stern

7 Stern-Report Klimaveränderungen Quelle: Prof. N. Stern Schadensstatistik der Münchner Rückversicherung Quelle: Munich Re 14

8 Meeresspiegelanstieg Quelle: Helmholtzzentrum für Ozeanforschung, Kiel 15 Fazit steigender Energieverbrauch wachsende Weltbevölkerung höhere Ansprüche des Einzelnen Verknappung nicht erneuerbarer Energien zunehmende CO 2 -Emissionen führen zu stärkeren Klimaveränderungen Ölsandabbau und Fracking hohe Kosten große Umweltschäden lösen das Verknappungsproblem nicht, geben lediglich zeitlichen Aufschub verschärfen das Klimaproblem durch zusätzliche CO 2 -Emissionen 16

9 Fazit Was tun? Vollständige Umstellung auf erneuerbare Energien Geht das? Nein! Was fehlt? Erhöhung der Energieeffizienz 17 also: Erhöhung der Energieeffizienz und vollständige Umstellung auf erneuerbare Energien CO 2 -Emissionen und Klimaschutzanforderungen Quelle: Prof. V. Quaschning 18

10 Jeweils: linke Säule Energieträger, rechte Säule Energieverwendung Im Gebäudebestand den Heizwärmebedarf stark senken (Heizwärme betrifft die Gebäudehülle) und den Restbedarf durch erneuerbare Energien decken Umrechnung: 1 kwh 3600 kj 1 kj 0,278 Wh Quelle: Prognos AG 19 Strom-Wärme-System 100 % EE 2050 Quelle: Fraunhofer ISE

11 2. Welche solarthermischen Systeme gibt es? 21 Systeme zur TWE (Kleinanlagen) a) c) d) b) a) Standardsystem b) Frischwassersystem mit externem TW-WÜ c) Tank-in-Tank-System d) Frischwassersystem mit Schichtenspeicher und externem TW-WÜ Vermeidung der thermischen Desinfektion TW-WÜ: Trinkwasserwärmeübertrager Quelle: DGS Berlin Brandenburg (Hrsg.): Leitfaden Solarthermische Anlagen, Berlin

12 Wärmeversorgung im Passivhaus Erweiterung der Standardtechnik durch Sonnenkollektoren zur Trinkwassererwärmung Quelle: DGS Berlin Brandenburg nach Vorlage drexel und weiss 23 Wärmebedarf und solare Einstrahlung Bei solarer Heizungs- Unterstützung ergibt sich das Problem sommerlicher Überschüsse und der Unterdeckung im Winter Quelle: DGS Berlin Brandenburg (Hrsg.): Leitfaden Solarthermische Anlagen, Berlin

13 solarer Deckungsanteil f sol Der solare Deckungsanteil ist das Verhältnis von abgegebener solarer Wärmemenge zur gesamten bereitgestellten Wärmemenge, die zur Deckung des Gesamtwärmebedarfs notwendig ist. Quelle: DGS Berlin Brandenburg (Hrsg.): Leitfaden Solarthermische Anlagen, Berlin Wärmebedarf und solare Nutzwärme Quelle: DGS Berlin Brandenburg (Hrsg.): Leitfaden Solarthermische Anlagen, Berlin

14 Wärmebedarf und solare Nutzwärme Quelle: DGS Berlin Brandenburg (Hrsg.): Leitfaden Solarthermische Anlagen, Berlin Abhängigkeit des solaren Deckungsanteils vom energetischen Standard des Gebäudes und der Anlagengröße Quelle: DGS-Leitfaden Solarthermische Anlagen

15 System zur TWE und Heizungsunterstützung mit Kurzzeitspeicher geringer solarer Deckungsanteil Quelle: DGS-Leitfaden Solarthermische Anlagen System zur TWE und Heizungsunterstützung mit Kurzzeitspeicher geringer solarer Deckungsanteil Quelle: DGS-Leitfaden Solarthermische Anlagen

16 System zur TWE und Heizungsunterstützung mit Kurzzeitspeicher geringer solarer Deckungsanteil Quelle: DGS-Leitfaden Solarthermische Anlagen System zur TWE und Heizungsunterstützung mit Kurzzeitspeicher geringer solarer Deckungsanteil Quelle: DGS-Leitfaden Solarthermische Anlagen

17 Typische Erträge und Kosten Anwendungsbereich Art der Anlage spezifischer Anlagenertrag Systemkosten Trinkwassererwärmung (TWE) Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung Kleinanlage kwh/(m²a) /m² Großanlage (Vorwärmung) kwh/(m²a) /m² Kleinanlage kwh/(m²a) /m² Großanlage kwh/(m²a) /m² Bezug: m² Kollektorfläche (A C ) 33 Wärmeversorgung im Niedrigenergiehaus Hydraulikschema mit Solaranlage, Abluftwärmepumpe und Pelletofen Kurzzeitspeicher Quelle: DGS Berlin Brandenburg nach Vorlage IWU 34

18 Wärmebedarf und solare Nutzwärme Quelle: DGS Berlin Brandenburg (Hrsg.): Leitfaden Solarthermische Anlagen, Berlin Solarthermische Anlage mit Saisonspeicher Speicher auf Nutztemperaturniveau Quelle: Jenni, Schweiz 36

19 Sonnenhäuser Beispiel: 276 m² Solarkollektorfläche auf Süddachseite Saisonwärmespeicher Liter Quelle: Jenni, Schweiz 37 Sonnenhäuser Quelle: Jenni, Schweiz 38

20 Solare Nahwärme Quelle: Solites GmbH 39 Großanlagen Flachkollektoren Dachmontage (Kran) Quelle: Paradigma 40

21 Großanlagen Fassadenmontage Quelle: Wagner & Co 41 Großanlagen VRK Fassadenmontage Quelle: Viessmann 42

22 Systeme mit kaltem Saisonspeicher und Wärmepumpe 43 Zusatzeffekte Nutzung latenter Wärme Definition: latente Wärme ist die Wärme, die notwendig ist, bei einem Stoff den Phasenwechsel zu bewirken Verdampfungswärme von Wasser : 2260 kj/kg = 0,63 kwh/kg *) Kondensatanfall: ca. 1,5 l/m³ Erdgas bei 100 % Kondensation 44

23 Zusatzeffekte Erhöhung des Kollektorertrages Potenzial und Nutzung von Solarwärme mit HT-Speicher Potenzial Solarwärme (Monatswerte) Überschüsse durch Kurzzeitspeicherung durch HT-Speicher nicht nutzbar Nutzung Solarwärme Quelle: Parabel - deematrix 45 Zusatzeffekte Erhöhung des Kollektorertrages Warmwasser (TWE) ca. 400 kwh/(m² * a) WW+ Heizungsunterstützung ca. 350 kwh/(m² * a) Überschüsse saisonal speichern TWE + Heizung + Speicher HT+ NT (z.b. etank) + WP ca. 700 kwh/(m² * a) Niedertemperaturbereich nutzen Quelle: Parabel - deematrix 46

24 Zusatzeffekte - Erhöhung der Flächenerträge aus Solarstrahlung in Deutschland Quelle: Parabel - deematrix 47 Zusatzeffekte - Zusammenhang zwischen Jahresarbeitszahl und Temperaturdifferenz Worauf kommt es an? Je niedriger die Differenz zwischen Wärmequellen- und Vorlauftemperatur, desto größer die Jahresarbeitszahl. Faustregel: eine Verringerung des Temperaturhubs um 1 K verbessert die Leistungszahl um ca. 2,5 % Quelle: ASUE 48

25 Zusatzeffekte Erhöhung der Jahresarbeitszahl Verringerung des erforderlichen Temperaturhubs der Wärmepumpe durch solare Temperaturerhöhung des Erdreichs (Wärmequelle) Quelle: Parabel - deematrix 49 Kombination Solarthermie und Wärmepumpe Eisspeichersystem Quelle: Viessmann 50

26 Kombination Solarthermie und Wärmepumpe System Solaera Quelle: Consolar 51 System etank Dieses System besteht aus einem Kollektorfeld, einem Pufferspeicher (mit Nutztemperaturniveau), dem etank ( kalter Speicher) und einer Sole/Wasser- Wärmepumpe Saisonalspeicher etank offener oszillierender Pufferspeicher Quelle: Solvis Energiesysteme 52

27 Einbaumöglichkeiten Neubau Sanierung Quelle: Parabel - deematrix 53 Quelle: Parabel - deematrix 54

28 Sommerfall Solarwärme wird genutzt oder in den Pufferspeicher geleitet. Überschüsse werden im Erdspeicher gepuffert. Quelle: Parabel - deematrix 55 Übergangszeitraum Solarwärme wird genutzt oder in den Pufferspeicher geleitet. Niedrigere Temperaturen werden in den Erdspeicher geleitet und bei Bedarf mit einer Wärmepumpe auf Heiztemperatur gebracht. Quelle: Parabel - deematrix 56

29 Winterfall Solarwärme wird auf Heiztemperatur gebracht. Restwärme wird in den Erdspeicher geleitet und bei Bedarf mit einer Wärmepumpe auf Heiztemperatur gebracht. Quelle: Parabel - deematrix 57 Temperaturen im Erdreich Quelle: Parabel - deematrix 58

30 Beispiel 1: EFH in Kleinmachnow, 2009 Erdspeicher, reiner Sand 3 Literhaus, Holzrahmenbau 10 kw Heizlast 222 m² beheizte Fläche JAZ > 7,1 (gemessen) Standarddämmung ohne Passivhausverglasung Quelle: Parabel - deematrix 59 Beispiel 2: EFH in Panketal, 2011 Erdspeicher, reiner Sand Massivbau 7,5 kw Heizlast 197 m² beheizte Fläche Quelle: Parabel - deematrix JAZ > 7,2 (gemessen) Standarddämmung ohne Passivhausverglasung 60

31 Zusammenfassung Verdopplung der Solarerträge auf ca. 700 kwh/m² Erhebliche Steigerung des solaren Deckungsanteils bis auf 80 % Signifikante Steigerung der Systemjahresarbeitszahl (SJAZ) Elektrische Antriebsenergie für die Wärmepumpe wird minimiert durch hohe Wärmequellentemperaturen über die ganze Heizperiode Saisonalspeicher etank offener oszillierender Pufferspeicher Quelle: Solvis Energiesysteme 61 Staatliches Handeln (Klimaschutz, Energieversorgungssicherheit) - Zielsetzung (Energiekonzept 2010) - Ordnungspolitik (EnEV 2009, EEWärmeG) - Förderpolitik (BAFA, KfW) 62

32 Ziele des Energiekonzeptes 2010 Quelle: BMU 63 EnEV 2014 Bilanzgrenze Rechenweg Grenzwerte Lenkungsinstrument: stellt Mindestanforderungen q T = F GT * H T Quelle: DIN V

33 EnEV 2014 Anforderungen Neubau Wohngebäude Q P, geplant Q P,max und H T,geplant H T,max Es müssen immer beide Grenzwerte eingehalten werden 65 Berechnung der Kennwerte (1) Transmissionswärmeverlust H T = Σ (U i * A i * Fx i ) + ΔU WB * A [W/K] H T Grenzwert H T = [W/(m² * K] A Lüftungswärmeverlust H V = n * c L *ρ L * V [W/K] Jahresheizwärmebedarf Q h = F GT * (H T + H V ) η*(q i + Q s ) [kwh/a] Verluste Gewinne 66

34 Berechnung der Kennwerte (2) Endenergiebedarf Q E = Q h + Q h,t Q h,r Q h,l + Q w + Q w,t Q w,r [kwh/a] Jahresprimärenergiebedarf Q P = Q E * f P [kwh/a] Q P Grenzwert Q P = [kwh/(m² * a] A N Nutzfläche (Bezugsgröße) A N = 0,32 m -1 * V e *) [m 2 ] Anlagenaufwandszahl e P = Q P / (Q h + Q w ) [-] *) für Geschosshöhen von 2,50 bis 3 m, sonst s. Anlage 1, Ziffer EnEV 67 Legende (1) 68

35 Legende (2) 69 EnEV-mäßige Berücksichtigung der Solarthermie 70

36 Primärenergiefaktoren f P für verschiedene Energieträger Sie beinhalten die Verluste für Förderung, Umwandlung und Transport nicht erneuerbare Anteile aus DIN V Werte für Strom entsprechend der EnEV 2002, 2007, 2009 und 2014 bis Quelle: DIN V EnEV Primärenergiefaktor für Strom Der Primärenergiefaktor für Strom wird für den nicht erneuerbaren Anteil auf zunächst 2,4, ab dem 1. Januar 2016 auf 1,8 abgesenkt. Die EnEV verweist bei den Primärenergiefaktoren auf die Fassung 2011 der DIN V Darin wird für den nicht erneuerbaren Anteil beim allgemeinen Strommix ein Wert von 2,4 angegeben. Dadurch und besonders ab 2016 schneiden strombasierte Wärmeerzeuger wie z.b. Wärmepumpen in der rechnerischen Bewertung deutlich besser ab. Quelle: Gebäudeenergieberater, Gentner Verlag, 11/

37 EnEV Energieausweise (1) Der Bandtacho im Energieausweis für Wohngebäude wird um Endenergieeffizienzklassen von A+ (unter 30 kwh/(m 2 a)) bis H (über 250 kwh/(m 2 a)) ergänzt. Die ermittelte Energieeffizienzklasse wird im Energieausweis vergrößert dargestellt. Die Klasse A soll dem ab 2016 geltenden Neubaustandard entsprechen. Die Energieeffizienzklasse muss künftig in Immobilienanzeigen bei Verkauf und Vermietung angegeben werden, wenn ein Energieausweis mit der Angabe der Effizienzklasse vorliegt. Die Regelung betrifft allerdings nur neue Energieausweise für Wohngebäude, die nach dem Inkrafttreten der neuen EnEV ausgestellt werden. Quellen: EnEV online, Gebäudeenergieberater 11/2013, Gentner Verlag 73 EnEV Energieausweise (3) Die Effizienzklasse eines Gebäudes mit bestimmtem Wärmedämmstandard kann durch unterschiedliche Anlagentechnik unterschiedlich ausfallen: Nehmen wir als Ausgangspunkt einen Gasbrennwertkessel, so würde sich die Effizienzklasse durch einen Pelletkessel verschlechtern und durch eine Wärmepumpe oder durch eine thermische Solaranlage verbessern. Endenergiebedarf Q E = Q h + Q h,t Q h,r Q h,l + Q w + Q w,t Q w,r [kwh/a] 74

38 EEWärmeG 75 KfW-Programme - Übersicht sanieren bauen KfW-Effizienzhäuser Q P max [%] bezogen auf das Referenzgebäude H T max KfW [%] bezogen auf das Referenzgebäude H T max EnEV [W/(m 2 K)] Bestand Neubau 0,56 0,56 0,56 0,56 0, ,4 0,4 0,4 KfW-Tilgungszuschuss [%] Nr. 151 sanieren 7, ,5 17,5 22,5 - KfW-Tilgungszuschuss [%] Nr. 153 bauen KfW-Zuschussprogramm [%] Nr.430 sanieren 10 12, Quelle: KfW 76

39 KfW-Programme Einzelmaßnahmen*) Folgende Einzelmaßnahmen werden gefördert: Wärmedämmung von Außenwänden Wärmedämmung von Dachflächen Wärmedämmung von Geschossdecken Erneuerung der Fenster und Außentüren Erneuerung/Einbau einer Lüftungsanlage Erneuerung der Heizungsanlage Optimierung der Wärmeverteilung bei bestehenden Heizungsanlagen Programm Energieeffizient Sanieren Kredit max. 50 TEUR pro Wohneinheit zu 1% Programm Energieeffizient Sanieren Investitionszuschuss: 10 % der förderfähigen Investitionskosten, maximal Euro pro Wohneinheit *) Anforderungen s. Beiblatt zum Förderprogramm, Zuschuss nur für EFH/ZFH Quelle: KfW 77 Einkommensverteilung Quelle: Studie Zukunft Erdgas

40 bafa-förderung Quelle: bafa 79 Kosten, Erträge, Wirtschaftlichkeit Aufzinsung Ein heute angelegter Geldbetrag vermehrt sich je nach Zinssatz und Anlagedauer: K n = K 0 * q n Aufzinsungsfaktor: q n = (1+p) n K 0 : Anfangskapital (Investitionszeitpunkt), K n : Endkapital nach n Jahren, n: Anzahl der Jahre, p: Zinssatz (in Dezimalschreibweise) 80

41 Kosten, Erträge, Wirtschaftlichkeit Abzinsung Zukünftige Kosten und Erlöse werden auf den heutigen Zeitpunkt (Investitionszeitpunkt) bezogen und je nach Zinssatz und zeitlicher Distanz mit einem mehr oder weniger hohen Zinsabschlag versehen (Barwertberechnung). K 0 = K n * 1/q n Abzinsungsfaktor: 1/q n = 1/(1+p) n K 0 : Anfangskapital (Investitionszeitpunkt), K n : Endkapital nach n Jahren, n: Anzahl der Jahre, p: Zinssatz (in Dezimalschreibweise) 81 Kosten, Erträge, Wirtschaftlichkeit - Beispielrechnung Quelle: Umweltinstitut München e. V., solarwaerme.xls

42 Jahr Einnahmen Lauf. Kosten Annuität ZinsenRestschuld Ergebnis Barwert Kapitalwert ,59-120, ,03-121, ,59-122, ,40-123, ,61-124, ,34-126, ,76-127, ,03-128, ,31-129, ,79-131, ,66-132, ,12-133, ,38-135, ,69-136, ,27-137, ,38-139, ,31-140, ,32-142, ,74-143, ,89-144, ,10-146, ,75-147, ,21-149, ,91-150, ,26-152, Amortisationszeit und Kapitalwert Quelle: Umweltinstitut München e. V., solarwaerme.xls 83 Amortisationszeit und Kapitalwert Quelle: Umweltinstitut München e. V., solarwaerme.xls 84

43 Energierücklaufzeit 85 Marktentwicklung Solarthermie Quelle: BSW e. V.

44 Bilanzielle Deckung eines reduzierten zukünftigen Energieverbrauchs (2050) z. Zt. ca. 19 Mio. m² Kollektorfläche dies entspricht einer Leistung von ca. 13 GW. 133 GW 13 GW = 120 GW Zubau in 35 Jahren 3,8 GW/a Vervierfachung des heutigen Zubaus i. H. v. 0,9 GW/a Quelle: Fraunhofer ISE, Strom-Wärme-System % erneuerbare Energien 87 Akteure Hemmnisse/Entwicklung Maßnahmen/Ziele Umsetzung Staat KfW, Bafa Stagnierende/rückläufige Sanierungsaktivitäten Entwicklung von Widerständen gegen Wärmedämmung Kompliziertheit und ständige Änderungen in den Förderprogrammen Mehrwertsteuerreduzierung Förderung Energiecontracting.. Stetigkeit und Vereinfachung bei der Förderung Überzeugungsarbeit durch Forschung Und Politikberatung Lobbyarbeit Verbände Hemmnisse bei der Umsetzung energetischer Gebäudesanierungsmaßnahmen Informationsquellen Negativbeispiele Hervorhebung der negativen Aspekte In vielen Artikeln Halbwahrheiten/Falschinformationen Positive Artikel schreiben und verbreiten Positivbeispiele Verbände Fehlinterpretation Ergebnis Abgasmessung (Schornsteinfeger) Schulung Schornsteinfeger Energielabel für Altkessel HWK/Innung Politik Handwerker Festhalten an überholten Gewissheiten wirtschaftliche Zwänge - geringe Margen - Abhängigkeit von Lieferanten Überforderung durch Komplexität - Schnittstellen - neue Systeme/Materialien Wissenslücken schließen Verringerung des Risikos - Erfahrungsaustausch gebaute funktionierende Beispiele Handwerkskammer unabhängige Weiterbildungsträger Hersteller Gebäudeenergieberatung niedriger Anteil am Sanierungsgeschehen Zersplitterung des Beratungsangebots Unübersichtlichkeit bei den Energieausweisen standardisierte Berichte Zielgruppengenauigkeit Erhöhung der sozialen Kompetenz Verständlichkeit der Beratungs-berichte Verhandlung mit HWK, WB-Trägern Standardisierung der Beratungstypen Energieberatung stärker bekannt machen Hauseigentümer Informationsdefizite zu positive Einschätzung des Gebäudes und der Heizung einfache und verständliche Informationen Einbeziehung der Lebenssituation Überwindung der Unsicherheit Informationsplattform: einfache Beantwortung häufig gestellter Fragen Leitfaden für Hauskäufer Vortragsreihe Haus & Grund Quelle: Konferenz Wildau 2014