1. Thermische Solaranlagen: Besser mit Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren?

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1 Söll, 2. September Thermische Solaranlagen: Besser mit Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren? Um keine Pauschalaussage zu treffen haben wir die wichtigsten Punkte genauer dargestellt: Inhalt 1. Thermische Solaranlagen: Persönliche Überzeugung oder reine Berechnung? Auf die Bezugsfläche kommt es an: Appertur oder Bruttofläche? Leistungsvergleich bezogen auf m² Bruttofläche Stagnationsvergleich Flachkollektor zu Vakuumröhrenkollektor Regelung der Solaranlage Komplexität des Kollektoraufbaus Montagevergleich: Flachkollektoren zu Vakuumröhrenkollektoren Persönliche Überzeugung oder reine Berechnung? Vakuumroehrenkollektor In einem Vergleichstest mit der Simulationssoftware Polysun 5.0 wurden Röhrenkollektoren eines österreichischen Produzenten und TiSUN Modulkollektoren verglichen[1]. Das Ergebnis war in Bezug auf die Effizienz klar: Röhrenkollektoren haben einen ca. 7 % erhöhten Deckungsgrad, sind in der Anschaffung im Vergleich aber bis zu 50 % teurer. Die Simulation ergab, dass der Flachkollektor vom Solarthermie-Spezialisten TiSUN jährlich 580 Liter Heizöl einspart, der Vakuum-Röhrenkollektor ca. 784 Liter. Die Überraschung: Man spart mit den derzeitigen Heizölpreisen mit dem Vakuum-Röhrenkollektor über zehn Jahre[2] um 1.020,-- Euro mehr, die Anschaffungskosten liegen aber rund 2.000,-- Euro über denen der Flachkollektoren für die installierten 15m2 Kollektorfläche[3]. Der Vakuumkollektor muss in diesem Fall maximal um den Faktor 1,24 (Listenpreise) teurer sein, um dem Kosten-Nutzen-Vergleich stand zu halten. Was für den Vakuum-Röhrenkollektor spricht, spricht gleichzeitig gegen ihn: Durch die gute Isolierung ist der Röhrenkollektor effizienter, das Vakuum verhindert aber auch das 1

2 Abschmelzen des Schnees, der bei Flachkollektoren durch die abgestrahlte Wärme schneller wieder von den Kollektoren rutscht. Tritt der Vakuum-Röhrenkollektoren bei hohen Temperaturen in die Stagnation, so bleibt dieser Zustand durch die gute Isolierung länger als beim Flachkollektor erhalten und die hohen Temperaturen können nicht abgeschöpft werden. Bei Anlagen mit hohen Betriebstemperaturen und langen und häufigen Stagnationszeiten müssen Frostschutzmittel mit hoher Temperaturbeständigkeit eingesetzt werden, die kostenintensiv sind und eine begrenzte Lebensdauer haben. Das Glas der Vakuumkollektoren ist in der Regel bei Hagel und Frost empfindlicher. Beispiel Österreich: 91,23% der in Österreich neu installierten Flachkollektoren im Jahr 2008 wurden im Inland produziert, von den neu installierten Vakuum-Röhrenkollektoren stammen allerdings nur knapp die Hälfte, 48,94 Prozent, aus heimischer Produktion, der Rest wird großteils aus nicht europäischen Ländern importiert[4]. Fazit: Der Wirkungsgrad der Vakuum-Röhrenkollektoren begünstigt den Einsatz für industrielle Prozesswärme, wird die Solarthermische Anlage aber für Heizungsunterstützung, Warmwassererzeugung oder Schwimmbaderwärmung benötigt, sprechen viele Gründe für Flachkollektoren, nicht zu letzt die Arbeitsplatzsicherung in der heimischen Solarthermie- Produktion. Im Jahr 2008 wurden in Europa (EU 27 + CH) m2 Flachkollektoren und m2vakuum-röhrenkollektoren installiert, das entspricht bzw kw jährlicher Leistung4. [1] Es wurden die gleichen Parameter verwendet: Standort Kitzbühel (Tirol, Ö), Bruttogesamtfläche 15,3 m2 FK und 15,42 m2 VK, Einfamilienhaus mit 148 m2 beheizte Wohnfläche [2] Diese Zeitspanne wurde gewählt, da dies der Gewährleistungsdauer der meisten Hersteller für Kollektoren entspricht [3] Grundlagen der Berechnung: Preis für 1 Liter Heizöl Extra 0,50; Preis/m2 Flachkollektor (TiSUN FM-S) entspricht 284,31 (Listenpreis), Preisunterschiedsfaktor zu einem Röhrenkollektor entspricht 1,5 [4] Zahlen aus Market Statistics 2008, European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF) 2

3 1.2 Auf die Bezugsfläche kommt es an: Appertur oder Bruttofläche? Auf die richtige Fläche kommt es an: Das zeigt der Vergleich Flachkollektor - Röhrenkollektor. "Flachkollektoren erzeugen bei gleicher Fläche weniger Energie als Röhrenkollektoren". das ist die Meinung welche üblicher aber falscher Weise in der Öffentlichkeit vertreten wird. Denn hierbei wird oft falscher Weise Apertur und Bruttofläche miteinander verwechselt. Denn bei den Vakuumröhrenkollektoren wird meisten dies Aperturfläche (Lichteintrittsfläche) angegeben welche im Vergleich zum Flachkollektor natürlich erheblich geringer ist. Bei Röhrenkollektoren wird der Zwischenraum zwischen den Röhren nicht genutzt und stellt somit einen Verlust dar. Dach mit Flachkollektor und Vakuumröhrenkollektor Jeder Kunde hat eine gewisse Dachfläche zur Verfügung die er nutzen kann. Egal welchen Kollektortyp er installiert, es ist immer die Bruttofläche(gelb markiert) die er dabei verliert. Jedoch wird die Kollektoreffizienz auf die Aperturfläche(blau markiert) bezogen berechnet, was aber nur theoretischen Nutzen hat. Praktisch muss der Endkunde wissen, wie der mit seiner Dachfläche den maximalen Jahresertrag erzielen kann. Der Flachkollektor nützt die vorhandene Bruttodachfläche optimal aus. 3

4 Wird richtigerweise für Leistungskurvenvergleich die Bruttofläche (tatsächlich Kollektorfläche) der Kollektoren verglichen ergibt sich ein ganz anderes Bild. Der Flachkollektor zeigt bei der Verwendung für Brauchwassererwärmung und in Kombisystemen(Heizungsunterstützung) höhere Wirkungsgrade: Brauchwassererwärmung und Kombisysteme Prozesswärme Brauchwassererwärmung und Kombisysteme Prozesswärme Quelle: 4

5 1.3 Leistungsvergleich bezogen auf m² Bruttofläche Dieses Kapitel stellt einen Vergleich zwischen Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren dar. Die Notwendigkeit dieses Dokumentes begründet sich in der bekannten Tatsache, dass bei der Angabe von Kollektorwirkungsgraden oftmals verschiedene Bezugsflächen herangezogen werden. Die gängigsten Bezugsflächen sind Absorber-, Apertursowie die Bruttofläche eines Kollektors. So gibt beispielsweise das Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) in seinen Prüfberichten die Koeffizienten der Kollektorwirkungsgradkurve diese in Bezug auf alle drei Bezugsflächen an. In der Vergangenheit gab es immer wieder Versuche, die Bezugsflächen zu vereinheitlichen bzw. sogar eine neue Bezugsfläche, die so genannte Konversionsfläche, zu definieren. Der heutige Stand der Dinge ist jedoch der, dass verschiedene Normen und somit unterschiedliche Prüfbedingungen für Solarkollektoren existieren. Grundsätzlich ist festzustellen, dass es in der Solarbranche Usus ist, Kollektorpreise auf Basis der Bruttofläche auszupreisen. Da der Kunde somit auch die Bruttofläche als Kalkulationsbasis verwendet, erscheint es angemessen, die Energieausbeute auch auf die Bruttofläche zu beziehen. Zudem wird auch die gesamte Bruttofläche auf einem Dach verbaut. Die folgenden Darstellungen sollen in technischer und auch wirtschaftlicher Weise verdeutlichen, dass es sinnvoll ist, die Bruttofläche als Bezug zu verwenden. Weiters wird die Nachteilhaftigkeit einer Investition in Vakuumröhrenkollektoren aufgezeigt. Vergleich der Kollektorleistung in Bezug auf die Bruttofläche Als Basis für die nachfolgenden Darstellungen dienten die Leistungen pro Kollektormodul welche auf 1m² Bruttofläche berechnet wurden 1. 1 Daten wurden aus den Anlagen zu den jeweiligen Solar Keymark-Zertifikaten entnommen. Diese sind im Anhang auffindbar. 5

6 Vergleich der Leistungen je m² Bruttofläche Leistung [W] FM-S FM-W RS RS RS RS RS Vitosol 200-T SD-2A 2m² Vitosol 200-T SD-2A 3m² K 10K 30K 50K 70K Tm-Ta [K] Abbildung 1: Vergleich der Leistungen je m² Bruttofläche Tabelle 1 verdeutlicht diesen Sachverhalt auf relativer Basis, die Leistungsausbeute des TiSUN FM-S wurde als 100% definiert. Hersteller Produktbezeichnung Vergleich Leistungen/m² Bruttofläche FM-S = 100% Tm-Ta = Tm-Ta = Tm-Ta = Tm-Ta = Tm-Ta = 0K 10K 30K 50K 70K TiSUN FM-S 100% 100% 100% 100% 100% TiSUN FM-W 100% 100% 100% 99% 98% RS RS % 49% 51% 55% 62% RS RS % 53% 56% 60% 68% RS RS % 54% 56% 60% 68% RS RS % 54% 56% 61% 68% RS RS % 52% 55% 59% 67% Viessmann Vitosol 200-T SD-2A 2m² 75% 78% 84% 93% 107% Viessmann Vitosol 200-T SD-2A 3m² 75% 78% 84% 94% 110% Tabelle 1: relativer Vergleich Es ist deutlich erkennbar, dass gemessen an der Bruttofläche die Performance der Flachkollektoren besser ist. Einzig die hochwertigen, denn einfach verglasten Vakuumkollektoren können bei hohem Temperaturunterschied zwischen Absorber und Umgebung die Leistungsausbeute der Flachkollektoren minimal übertreffen. 6

7 1.4 Stagnationsvergleich Flachkollektor zu Vakuumröhrenkollektor Um dem Vergleich durchzuführen, wurden zwei Simulationsberechnungen mit der Software Polysun 5.3. durchgeführt 2. Es wurde eine Anlage zur Warmwasserbereitung angenommen. Die Eckdaten sind aus Abbildung 2 zu entnehmen. Abbildung 2: Eckdaten der Simulationsberechnungen 2 Die detaillierten Ergebnisse der Simulationsberechnungen liegen im Anhang vor 7

8 Die Simulationsberechnungen wurden, mit Ausnahme der Kollektoren, mit identischen Parametern durchgeführt. Es wurden jeweils 2 Kollektoren mit einer Gesamtbruttofläche von ca. 5m² angenommen 3. Die Abbildungen 3 und 4 verdeutlichen den Sachverhalt, dass Röhrenkollektoren zu längeren Stagnationszeiten neigen als Flachkollektoren. Dies begründet sich in der Technologie, da das isolierende Vakuum der Röhrenkollektoren bewirkt, dass die überschüssige Energie im Kollektor langsamer als beim Flachkollektor an die Umgebung abgegeben wird. Die Simulation ergibt, dass sich die Flachkollektoren durchschnittlich in 0,05% der Jahresstunden im Stagnationszustand befinden, die Röhrenkollektoren hingegen in 0,8% aller Stunden im Jahr. Abbildung 3: Stagnationszeiten Flachkollektor Abbildung 4: Stagnationszeiten Röhrenkollektor 3 8

9 Die erhöhten Stagnationszeiten führen zu höherer thermischer Belastung der installierten Komponenten, insbesondere der Solarflüssigkeit. Hält man sich vor Augen, dass Solaranlagen mehrere Jahrzehnte funktionieren sollten sind vom Gesichtspunkt der Belastung und Haltbarkeit Flachkollektoren zu bevorzugen. Umgekehrt verhindern die guten Dämmeigenschaften der Vakuumröhren im Winter ein rasches Abschmelzen einer möglichen Schneeschicht. 9

10 1.5 Regelung der Solaranlage Bauartbedingt können die Kollektortemperaturfühler bei Vakuumröhrenkollektoren nicht direkt in den Rohren plaziert werden und befinden sich in dem Wärmetauschern in welche die Röhren gesteckt sind. Um korrekte Temperaturwerte zu erhalten müssen Solarregler mit einer Röhrerkollektorfunktion ausgestattet werden um ca. alle 30min. die Kollektorkreispumpe für einen gewissen Zeitraum zu aktivieren um das Wärmeträgerfluid zu bewegen und korrekte Temperaturen für die Regelung zu liefern. Dies führt zu einem schlechteren Regelverhalten, unnötigen Betriebzeiten der Kollektorkreispumpe und dem Transport kalten Fluides aus der Solarverrohrung in das Wärmespeicherregister. Bei Flachkollektoren werden die Temperaturfühler üblicherweise mittels Tauchhülsen in das obere Sammelrohr plaziert, welche aufgrund des temperaturabhängigen Dichteunterschiedes direkt umspühlt werden und somit korrekte Temperaturwerte für die Regelung liefern, welche dann bei der richtigen Temperaturdifferenz die Kollektorkreispumpe aktiviert. Im Betrieb befindet sich die Tauchhülse direkt im Wärmeträgermedium und der somit rektionsschnelle Temperaturfühler zeigt den aktuellen Zustand der Kollektortemperatur. Dies führt wiederum zu einem guten Regelverhalten. 1.6 Montagevergleich: Flachkollektoren zu Vakuumröhrenkollektoren Bauartbedingt haben Vakuumröhren nicht genug Stabilität bzw. die Geometrie um direkt am Dach montiert zu werden. Dafür muss entweder ein zusätzlicher stabiler Kollektorrahmen oder ein dementsprechend gut dimensioniertes Untergestell verwendet werden. Flachkollektoren werden großteils in Rahmenbauweise hergestellt, wodurch die Kollektorbox bereits hohe Stabilität erreicht. Diese Rahmenbauweise kann einfach mit den jeweiligen Untergestellen verschraubt werden und erhalten dadurch eine höhere Stabilität bei geringeren Materialeinsatz und einfacherer Ausführung. 10

11 1.7 Komplexität des Kollektoraufbaus Im Endeffekt wollen wir mit thermischen Solaranlagen mit möglichst einfachen, stabilen Komponenten einen möglichst Größen nutzen der Sonnenenergie erreichen. Vergleicht man den technischen Aufbau eines Vakuumröhrenkollektors mit einem Flachkollektor, wird schnell klar, dass der Vakuumröhrenkollektor um einiges komplexer ist. Höhere Komplexität führt im Regelfall zu einer höheren Fehleranfälligkeit. Sollte die Solaranlage für Brauchwassererwärmung und Kombisysteme eingesetzt werden(was der Regelfall ist) wird aber klar, dass der Vakkuumröhrenkollektor bei den benötigten Temperaturspreizungen keine besseren Wirkungsgrade bezogen auf die Bruttofläche zeigt.(siehe 1.2, 1.3) Würden die Vakuumröhren nicht vorwiegend in Billiglohnländern wie China produziert werden, sondern in aus europäischer Sicht fairen Arbeitsverhältnissen, könnten die Kosten von Flachkollektoren gar nicht erreicht werden. Aus Sicht der regionalen Wertschöpfung sollte ein umsichtiger Kunde in Europa produzierte Flachkollektoren kaufen. Dabei hat er weder hinsichtlich Wirkungsgrads noch in Haltbarkeit Nachteile bei seinen typischen Solaranlagenanwendungen. 11