Möglichkeiten der thermischen Nutzung von Solarenergie

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1 Möglichkeiten der thermischen Nutzung von Solarenergie Dipl. Phys. Manfred Reuß Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Abteilung: Techniken für Energiesysteme und Erneuerbare Energien Walther-Meißner-Str. 6, D Garching

2 Übersicht Wir konzentrieren uns nur auf das Thema Wärme und hier auf Solarthermie! Strom und Verkehr sind zwar auch von großer Bedeutung werden ausgeklammert Klimapolitisches Ziel Leitszenario 2009 im Bereich Wärme Zukünftige Bedeutung der Erneuerbare Energien Grundlagen thermischer Solarenergienutzung Solare Brauchwarmwasserbereitung, Prozesswärme und Heizung Solare Nahwärmeversorgung Projektbeispiele Attenkirchen und Ackermannbogen 2

3 Motivation Beschluss zur Energiewende 2035 im Landkreis Freising Energiewende heißt: 100 % Umstellung der Energieversorgung im Landkreis auf Erneuerbare Energien als Beitrag zur Lösung der Klimaschutzproblematik Information für Mitglieder des Kreistages, Bürgermeister und Energiebeauftragte Aktueller Bezug: Energiekonzept der Bundesregierung (Sept. 2010) 3

4 Klimapolitisches Ziel Die globale Erwärmung darf lt. IPCC 1 eine Wert von 2 K gegenüber vorindustrieller Zeit nicht überschreiten Die CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre muss dafür auf ca. 450 ppm (momentan ~380 ppm) begrenzt werden Alle Industriestaaten müssen deshalb ihre Treibhausgas- Emissionen dramatisch reduzieren Die Treibhausgas-Emissionen in Deutschland sollen bis 2050 auf 20 % des Wertes von 1990 gesenkt werden 1 IPCC = Intergovernmental Panel on Climate Change 4

5 Leitszenario 2009 und seine Gestaltungselemente Das Leitszenario 2009 beschreibt Wege, wie das Klimaschutzziel erreicht werden kann: substantieller Ausbau erneuerbarer Energien (EE) deutlich erhöhte Nutzungseffizienz in allen Sektoren (EFF) erhöhte Umwandlungseffizienz durch einen verstärkten Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung und den Ersatz von Altkraftwerken durch effizientere Kraftwerke (KWK) 5

6 Leitszenario 2009 Energieeinsatz zur Wärmebereitstellung (Raumwärme, WW, Prozesswärme) ~ 50 % Wärme aus Erneuerbaren Quellen 6 Quelle: Nitsch, DLR, BMU Leitszenario PJ = 278 TWh = = kwh

7 Strahlungsangebot der Sonne Solares Strahlungsangebot auf der Erde: Weltenergieverbrauch (2009): ~1,6 * kwh/a ~1,1 * kwh/a Solarstrahlung 1,6 * kwh/a = 100 % Atmosphärenobergrenze 69 % Atmosphäre 46 % 31 % Reflexion 23 % Absorption 0.1 % Biomasse Erdoberfläche kurzwellige Strahlung Abstrahlung 100% langwellige Strahlung 46 % Umweltwärme 7

8 Umwandlung solarer Energie photothermisch Kollektor Wärme chemische Umwandlung Wärmekraftmaschine thermoelektrisch Solarzelle Elektrizität Elektrochemie Elektrolyse photovoltaisch chem. Energie photochemisch Solarreaktor 8

9 Vorteile thermischer Solarenergie Solarstrahlung ist: nach menschlichen Maßstäben zeitlich unerschöpflich auch in Mitteleuropa in ausreichender Menge verfügbar eine qualitativ sehr hochwertige Energieform mit sehr hoher Effizienz nutzbar mit verfügbaren Techniken nutzbar sind ohne jede Emission von Klimagasen kostenlos Nachteilig ist: geringe Energiedichte hoher Flächenbedarf Nutzung erfordert hohe Anfangsinvestition 9

10 Nutzung von Solarwärme Solarwärme im Wohnungsbau Wo? Einfamilienhaus Mehrfamilienhaus Geschosswohnungsbau Solarwärme im Wohnungsbau Wie nutzen? Brauchwasserbereitung Heizungsunterstützung Gebäudeheizung 10

11 Nutzung von Solarwärme Solare Schwimmbadheizung Solarwärme in Industrie, Landwirtschaft und Gewerbe solare Prozesswärme Waschprozesse Trocknung Heizung 11

12 Solarthermische Warmwasserbereitung Kleinanlagen Brauchwasseranlagen für Ein- und Mehrfamilienhäuser Anlagen mit einer Fläche < 30 m² Energieertrag kwh/m²/a spez. Investitionen Kollektor ~ /m² System ~ /m² solare Deckung 60 % BW bzw % Gesamtwärmeverbrauch Mit Heizungsunterstützung solare Deckung % Gesamtwärmeverb. Energieertrag kwh/m²/a 12

13 Solare Deckung einer Standardsolaranlage Brauchwasserbereitung 100% 80% 60% 40% 20% 0% Jan Feb Mrz Solare Deckung Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 13

14 Solares Heizen in Kombianlagen Kombination von Brauchwasserbereitung und Heizung Systemanforderungen Unterschiedliche Dynamik: Warmwasserbedarf ist relativ konstant Heizwärme schwankt jahreszeitlich Rücklauftemperatur: bei Brauchwasserbereitung niedrig (~10 C) bei Gebäudeheizung höher (35 50 C) Integration Zusatzheizung Dies beeinflusst das Systemkonzept maßgeblich! 14

15 Solares Heizen in Kombianlagen Zwei-Speichersystem Zusatzheizung Brauchwasser M M Solarkollektor M Heizung 15

16 Standard-Flachkollektor Glasrahmen Sammelleitung Spezialsolarglas Wärmeträgerrohr Gehäusewanne Dichtring Absorber mit selektiver Beschichtung Wärmedämmung Sammelleitung 16

17 Solare Brauchwarmwasserbereitung im Einfamilienhaus 17

18 Solare Brauchwarmwasserbereitung im Mehrfamilienhaus 18

19 Große Solarthermische Anlagen Was sind große Anlagen? Anlagen mit einer Fläche >> 100 m² Warum große Anlagen? hoher Energieertrag kwh/m²/a niedrige spez. Investitionen Kollektor ~ /m² System ~ /m² hoher Integrationsgrad von Kollektoren in Gebäude (solar roof) 19

20 Großflächenkollektor 20

21 Solar Roofkollektor 21

22 Klinikum Solingen (Solarthermie 2000) Kollektorfläche: 192 m² Solare Deckung: 25 % 22

23 Mittlere Anlagenkosten in Solarthermie 2000 Systemkosten 574 /m² 10,0% 10,7% 8,5% 15,1% 34,6% 4,1% 3,4% 13,6% Kollektor 198 /m² Planung 78 /m² Sonstiges 19 /m² Regelung 24 /m² sonstige Verrohrung 87 /m² Speicherkreis 57 /m² Montage Kollektorkreis 61 /m² Unterbau 49 /m² 23

24 Solare Schwimmbadheizung mit Absorbern 24

25 Solare Schwimmbadheizung 25

26 Solare Prozesswärme Solare Wärmebereitstellung in Industrie, Gewerbe und Landwirtschaft Trocknungsprozesse Waschprozesse Kochen Sterilisieren, Pasteurisieren Autowaschanlage ~25 m² Flachkollektor 850 l Pufferspeicher ~ 50 % solare Deckung Trocknung von Saatgut und Hallenheizung ~150 m² Flachkollektor 42 m³ Pufferspeicher ~ 75 % solare Deckung 26

27 Leitszenario 2009 Struktur der Erneuerbaren Energien zur Wärmebereitstellung Solare Nahwärme steigt stark ab Quelle: Nitsch, DLR, BMU Leitszenario 2009 Nahwärme wird zukünftig dominant Biomasse stagniert ab 2020 Zuwachs bei Solarthermie und Geothermie 2050: ~30% Solar

28 Solarenergie kann im Wärmesektor erheblich zur CO 2 -Einsparung beitragen Bild: DGS 2050 kommt 50 % der Endenergie aus Erneuerbaren Quellen 28 % erneuerbare Wärme ist Solarenergie jeweils die Hälfte aus Einzelanlagen und die Hälfte aus Nahwärmeversorgungen mit saisonalem Speicher 28

29 Angebot und Nachfrage solares Strahlungsangebot und Wärmebedarf sind zeitlich verschoben saisonale Wärmespeicherung ist notwendig JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ Heizwärmebedarf solare Einstrahlung 29

30 Speicherung sensibler Wärme Speichertypen: Wasser als Speichermedium: => Erdbeckenspeicher Festkörper als Speichermedium z.b. Erdreich/Gestein: => Erdwärmesonden-Speicher Untergrund (allg.) als Speichermedium: => Aquifer-, Kies-/Wasserspeicher 30

31 Komponenten solarer Nahwärmeanlagen große Solaranlagen (>> 100 m²) Wärmespeicher zur Anpassung von Strahlungsangebot und Wärmebedarf Zusatzheizsystem zur Deckung des Restwärmebedarfs Nahwärmenetz zur Wärmeverteilung Verbraucher Systemtechnik der Heizung 31

32 Solare Nahwärmeversorgung Neckarsulm Solarkollektoren m² EWS-Speicher m³ (528 Sonden) Abb.: ITW Universität Stuttgart 32

33 Querschnitt einer Erdwärmesonde 33

34 Solare Nahwärme Neckarsulm 34

35 Solare Nahwärme Neckarsulm 35

36 Solare Nahwärme Attenkirchen Wohnsiedlung: 20 Einfamilienhäuser 5 Doppelhäuser 6200 m² Nutzfläche Gesamtwärmbedarf: Hz +WW = 487 MWh/a 55 % Deckungsanteil 58 % CO 2 -Einsparung 36

37 Solare Nahwärme Attenkirchen Solaranlage 800 m² Solar Roof Saisonaler Hybridspeicher Wärmepumpen 37

38 Erdbecken- / Erdwärmesonden-Speicher Der Speicher besteht aus einem zentralen Erdbecken aus Beton, das ringförmig von Erdwärmesonden umgeben ist. Die Speicherdeckfläche ist wird nach oben wärmegedämmt und mit Erde überdeckt. 38

39 Erdbeckenspeicher 39

40 Solare Nahwärme Ackermannbogen 320 Wohneinheiten Gesamtfläche: m² Wärmebedarf Heizung: 1350 MWh/a Warmwasser: 650 MWh/a Verluste: 300 MWh/a Gesamt: 2300 MWh/a Heizleistung: 1600 kw spez. Wärmebedarf: 45 kwh/m²/a Heizzentrale Solarkollektoren Saisonaler Speicher Nahwärmenetz 40

41 Solaranlage 41 Kollektorfläche: 3086 m² (Apertur 2761 m²) verteilt auf 3 Gebäude Großflächenkollektor Solar-Sammelnetz

42 Langzeit-Wärmespeicher Volumen Behälter: 6000 m³ (5700 m³) Betonbehälter aus Fertigteilen Edelstahlauskleidung Schichtlader Feste Tassen unten und oben Mobile Tasse 8,70 11,70 m 42

43 Solare Nahwärme in Solarthermie 2000 Quelle: T. Schmidt, Solites 43

44 Solare Nahwärme in Solarthermie 2000 München (2007) Quelle: T. Schmidt, Solites 44

45 Substitutionspotenzial für NT- Wärme Kumulierte Endenergie [ TWh/a ] Schwimmbäder 1-2 Fam.-Häuser (WW+Hz) 0,3 1-2 Fam.-Häuser (WW) 0,2 kleine Mehrfam.-Häuser (WW) 0,2 solare Nahwärme (WW+Hz) 0,6 mit saisonalem Speicher Gewerbliche Gebäude (WW) 0,3 Solare Nahwärme (WW) 0,2 0,0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 solarer Wärmepreis [ /kwh ] solarer Deckungsanteil 45

46 Kombinierte Biomasse/Solar-Nahwärme 46

47 Schlussfolgerungen Klimaschutz erfordert massive Änderungen in unserer Energieversorgung Leitstudien zeigen Wege für den Umbau unserer Energieversorgung auf Energieeinsparung, Steigerung der Energieeffizienz und Erneuerbare Energien Umsetzung erfordert neue Formen der Wärmeversorgung Nahwärme Beispiele zeigen die Gangbarkeit der neuen Wege 47

48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Der Bau der Solaren Nahwärme Attenkirchen wurde durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr, Infrastruktur und Technologie gefördert, die Begleitforschung durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit im Rahmen des Programms Solarthermie2000 (FKZ: D) Das Projekt Solare Nahwärme Ackermannbogen in München wurde durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit im Rahmen des Programms Solarthermie2000 (FKZ: G) Die Autoren danken für dies Unterstützung 48 Möglichkeiten der thermischen Nutzung von Solarenergie ZAE in Freising Bayern