Wärme von der Sonne aktuelle Entwicklungen, technologische Trends, praktische Hinweise

Transkript

1 Wärme von der Sonne aktuelle Entwicklungen, technologische Trends, praktische Hinweise Dr.-Ing. (ITW) Pfaffenwaldring 6, Stuttgart Internet: SOL_HD1.PPT

2 Die Sonne 2

3 Inhalt des Vortrags Vorstellung TZS Motivation - Warum Solarthermie? Status der Solarthermie in Deutschland Solare Trinkwassererwärmung und Raumheizung Solarthermische Kühlung Längerfristige Perspektiven der Solarthermie Zusammenfassung und Ausblick 3

4 Vorstellung TZS (TZS) 4

5 Arten der Solarenergienutzung Fotovoltaik Solarthermie Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom. Solarkollektoren wandeln Sonnenlicht in Wärme, die für Warmwasserbereitung, Heizung und Industrie genutzt werden kann. 5

6 Solare Wärmeversorgung von Gebäuden Kleine Solaranlagen Solare Trinkwassererwärmung und / oder Raumheizung für Einund Mehrfamilienhäuser Große Solaranlagen: Solare Trinkwassererwärmung und / oder Raumheizung für größere Gebäude und Siedlungen (ggf. mit saisonalem Wärmespeicher) 6

7 Solarthermie - Warum 7

8 Energiebedarf in Deutschland 8

9 Weltweiter Primärenergieverbrauch von 1870 bis

10 Reserven an Primärenergieträgern 10

11 Einstrahlungssummen für Deutschland 11

12 Jährlich installierte Wärmeleistung in Megawatt Entwicklung des deutschen Solarthermie-Marktes Marktdaten 2007 Neu installiert: 658 MW = m² Gesamt installiert: MW = 9,21 Mio m² Solarwärmeerzeugung: GWh th Eingesparte Ölmenge: 440 Mio Liter Heizöl Umsatz: 850 Mio Euro Anzahl Mitarbeiter: Rückgang 2007: 37% Anteil Vakuumröhren: 11% * Flachkollektoren Vakuumröhren-Kollektoren Trend 18% Wachstum Jährlich installierte Kollektorfläche in m² * Schätzung Quelle: BSW-Solar Gerhard Stryi-hipp 12

13 Status thermische Solartechnik in Deutschland 2007 wurden ca. 660 MW th bzw. 0,94 Mio m 2 Kollektoren neu installiert Marktanteil Kombianlagen ca. 60 %, Rest Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung Typische solare TW-Anlage: Kollektor: 3-5 kw th bzw. ca. 4-7 m 2 Speicher: 0,2 bis 0,4 m 3 Typische solare Kombianlage: Kollektor: 7-14 kw th bzw. ca m 2 Speicher: 0,5 bis 1 m 3 13

14 Technologische Trends Wie sieht die Technik aus? 14

15 Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung 15

16 Konventionelle Anlage zur Trinkwassererwärmung Zirkulation Speicher Heizkessel Warmwasser Beimischung Kaltwasser 16

17 Typische Solaranlage zur Trinkwassererwärmung Kollektor Zirkulation Regler Warmwasser Kollektorkreispumpe Heizkessel Brauchwasserspeicher Beimischung Kaltwasser 17

18 Solaranlage - Integration in das Gebäude 18

19 Funktion eines Sonnenkollektors ϑ Sky Absorption 2% 100 % Sonneneinstrahlung (0,3 < 2,5 µm) λ< Reflexion 8% Wärmestrahlung 20% (3 < µm) λ<100 Konvektion 9% Transmission = 90 % τ G Reflexion 7% freie Konvektion τ * G α* A = 83 % Photothermische Wandlung Wärmeleitung (4%) Nutzwärme (50 %) 19

20 Bauformen von Sonnenkollektoren Vakuumröhren- Kollektor Sydney- Kollektor Flachkollektor 20

21 Wirkungsgradkennlinien von Sonnenkollektoren Quelle: 2004\Folie28.CDR 21

22 Neu: PVT Kollektoren PVT: Photovoltaik und Thermie --> Kollektor liefert Wärme und Strom 22

23 PVT Kollektoren - thermischer Wirkungsgrad 23

24 PVT Kollektoren - elektrischer Wirkungsgrad 24

25 Solarspeicher - Aufbau und Kenngrößen 25

26 Energieeinsparung durch TW-Solaranlage Energieeinsparung [%] Jan. Feb. März Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. 26

27 Dimensionierung TW-Solaranlage Ziel der Auslegung: Heizkessel soll in der heizungsfreien Zeit ausgeschaltet bleiben Überschüsse im Sommer sollen vermieden werden heizungsfreie Zeit Solarstrahlung Überschuß Energiebedarf Nutzenergie Jan. Mai Juni Sep. Dez. 27

28 Dimensionierung einer TW-Solaranlage Faustformel: pro Person ca. 1-1,5 m² Kollektorfläche pro m² Kollektorfläche ca l Speichervolumen jährliche Energieeinsparung bei der Trinkwassererwärmung: ca % oder ca kwh (4 Personen-Haushalt) entspricht ca. 150 m³ Gas oder 150 l Öl 28

29 Anforderungen an das Gebäude Generell: Solaranlagen sind nicht genehmigungspflichtig Jedes Dach ist geeignet (solange die Sonne drauf scheint), überall in Deutschland Kollektor muss nicht zwangsläufig aufs Dach Platz für Speicher muss vorhanden sein, bestehende Speicher können i.d.r. nicht verwendet werden. 29

30 12 solare Trinkwasseranlagen im Test anteilige Energieeinsparung [%] C D E F G H I J K L Quelle: Stiftung Warentest

31 Zusammenfassung: Kleine Solaranlagen zur TW-Erwärmung im Ein-und Zweifamilienhaus Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung sind seit vielen Jahren auf dem Markt weitverbreitet, gut erprobt und auf technisch hohem Niveau Typische Anlagengröße: 3-6 m 2 Kollektorfläche, ca. 300 l Speichervolumen Energieeinsparung: % (bezogen auf Trinkwassererwärmung) 31

32 solare Kombianlagen Heizen mit der Sonne 32

33 saisonale Verteilung von Angebot und Bedarf 33

34 Energeieinsparung durch Kombianlagen Brauchwasser Heizung Gesamt Energieverbrauch [kwh] % 20% 18% 25% 42% Standardhaus WSchVO '95 BW-Anlage Kombianlagen Niedrigenergiehaus 5 m 2 10 m 2 15 m m 2 Kombi 34

35 Von der Solaranlage zur TW-Erwärmung... 35

36 ... zur solaren Kombianlage 36

37 Anlage mit Pufferfunktion für Heizkessel 37

38 Anlage mit integrierter Wärmequelle 38

39 Dimensionierung von Kombianlagen Pauschale Aussage nicht möglich! wichtig sind: Dämmstandard des Hauses Größe der beheizten Wohnfläche Art der Heizung (Temperaturniveau) Ausrichtung und Neigung des Daches Anzahl der Personen im Haushalt Kosten? Von bis... EUR 39

40 Zusammenfassung Kombianlagen Kombianlagen gewinnen immer stärker an Bedeutung Derzeit typische Größe für Ein- und Zweifamilienhäuser: m² Kollektorfläche, Speichervolumen 750 bis 1000 l Verbesserte Systemtechnik und reduzierter Wärmebedarf moderner Gebäude ermöglichen deutliche Steigerung des solaren Deckungsanteils Marktanteil ca. 55 %, Tendenz steigend 40

41 Rechnen sich Solaranlagen financial aspects zur TW-Erwärmung und solare Kombianlagen 41

42 Rechnet sich das!? ja, für die Umwelt immer! Geringe energetische Amortisationszeiten: TW-Anlagen: 1,3 Jahre Kombianlagen: 2,0 Jahre 42

43 Kostenentwicklung 43

44 Energieeinsparung und solare Wärmepreise 44

45 Wie lange financial ist die Lebensdauer aspects von Solaranlagen bzw. Sonnenkollektoren? 45

46 Experimentelle Untersuchung des Alterungsverhaltens Beschleunigte Alterung durch Exposition im Freien unter Stagnationsbedingungen (d.h. ohne die Abfuhr von Wärme über einen Zeitraum von 3 Jahren. 46

47 Experimentelle Untersuchung des Alterungsverhaltens Ermittlung der Leistungskennwerte der neuen Kollektoren Exposition (3 Jahre) Ermittlung Leistungskennwerte der exponierten Kollektoren Vergleich des Leistungsfähigkeit auf Basis der Kollektorkennwerte η 0, a 1, a 2. in einer typischen Solaranlage zur TW-Erwärmung 47

48 Einfluss auf die thermische Leistungsfähigkeit Bestimmung der anteiligen Energieeinsparung f sav Berechnung mit dem Simulationsprogramm TRNSYS für eine typische Solaranlage zur Trinkwassererwärmung unter Verwendung der im Neuzustand und nach der Exposition ermittelten Kollektorkennwerte f sav = Q Q Q conv, net aux, net conv, net 100% Qconv,net = jährlicher Wärmebedarf einer konventionellen (nicht solaren) Anlage zur Trinkwassererwärmung = 3589 kwh Qaux,net = Wärmebedarf für die Nachheizung 48

49 Anteilige Energieeinsparung f sav vor / nach Exposition 68 neu new after nach exposure Exposition fsav [%] collector 49

50 relative Veränderung von f sav rel. change Änderung mean Mittelwert value relative change Änderung of f sav [%] collector Mittelwert: % --> Alterung führt zu keiner signifikanten Leistungsabnahme!! 50

51 solarunterstützte Nahwärmeversorgung 51

52 Solarunterstützte Nahwärmeversorgung (SuN) Gebäudekomplexe oder kleine Siedlungen werden zu einem Nahwärmenetz zusammengeschlossen große, zentrale Kollektorfelder und häufig saisonale Wärmespeicherung 52

53 Kollektoraufdachmontage mit Aufständerung 53

54 SuN in Friedrichshafen-Wiggenhausen Inbetriebnahme 1996 (Ausbau 2002) 280 WE (387 WE) m² (4.300 m²) Kollektorfläche Heißwasser-Wärmespeicher ( m³) 54

55 SuN in Neckarsulm-Amorbach Inbetriebnahme 1997 (Ausbau 2001) 140 WE, soziale Einrichtungen, Ladenzentrum Kollektorfläche m²; Erdsonden-Wärmespeicher ( m³) 55

56 SuN in Crailsheim Größe Solaranlage Deutschlands: ca m² Kollektorfläche 56

57 SuN in Crailsheim 100 m³ 480 m³ 57

58 Längerfristge Perspektiven solarthermischer Anlagen Zeit

59 Die Vision der ESTTP für 2030 Neubau: Solar-Aktiv-Haus als Baustandard deckt Wärme- und Kältebedarf zu 100 % durch Solarenergie Bestand: Solar-Aktive-Renovierung Solare Deckungsanteile > 50 % Industrie: Solarwärme im Temperaturbereich unter 250 C Solare Kühlung als Standardtechnologie 59

60 Die Zukunft Es kommt nicht darauf an, die Zukunft exakt vorherzusagen, sondern für sie vorbereitet zu sein! Perikles, 500 v. Chr. 60

61 Die Zukunft Die beste Möglichkeit die Zukunft vorherzusagen ist sie zu gestalten! Tun Sie es!!! 61