Im Winter mit der Sommersonne heizen

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1 Im Winter mit der Sommersonne heizen Dr. (ITW) Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT) Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 6, Stuttgart Internet: \SOL_BUND_STG1.pptx

2 Das größte Prüfzentrum und das größte universitäre Forschungszentrum TZS für thermische Solartechnik in Europa 2

3 Im Winter mit der Sommersonne heizen? alles eine Frage der richtigen Anlagen- und Speichertechnik 3

4 Inhalt.. was Sie die nächsten 60 min erwartet Motivation Grundlagen Solarthermie Solare Trinkwassererwärmung Solares Heizen - Quartiere - Einzelgebäude Innovative Technologien zur Wärmespeicherung - Phasenwechselmaterialien - Sorptive Wärmespeicherung - Thermochemische Wärmespeicherung Zusammenfassung und Ausblick 4

5 Arten der Solarenergienutzung Fotovoltaik Solarthermie Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Sonnenkollektoren wandeln Sonnenlicht in Wärme um, für Warmwasserbereitung, Heizung, Kühlung, Industrie und ggf. Stromerzeugung 5

6 Solarthermie - Warum 6

7 Energiebedarf in Deutschland 7

8 Solare Wärmebereitstellung Klimatisierung -20 C 20 C Schwimmbadwasser 15 C 30 C Gebäudeheizung 40 C 70 C Warmwasser 50 C 80 C Niedertemperatur- 80 C 250 C prozesswärme Stromerzeugung 250 C 1000 C Hochtemperatur- 250 C 1500 C prozesswärme 8

9 Solaranlage zur Trinkwassererwärmung 9

10 Bauformen von Sonnenkollektoren Vakuum- röhren- Kollektor Sydney- Kollektor Flachkollektor 10

11 Absorption 2% 100 % Funktion eines Sonnenkollektors Sonneneinstrahlung (0,3 < 2,5 µm) Reflexion 8% Sky Wärmestrahlung 20% (3 < µm) Konvektion 9% Transmission = 90 % G Reflexion 7% freie Konvektion * * G A = 83 % Photothermische Wandlung Wärmeleitung (4%) Nutzwärme (50 %) 11

12 Wirkungsgradkennlinien von Sonnenkollektoren 12

13 Beispiele für Kollektorinstallation Quelle: VELUX / ESTIF 13

14 Installationsmöglichkeiten Sonnenkollektoren 14

15 Energieeinsparung [%] Energieeinsparung durch TW-Solaranlage 0 Jan. Feb. März Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. 15

16 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. 16

17 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) 17

18 Heizen mit der Sonne 18

19 saisonale Verteilung von Angebot und Bedarf 19

20 Anlage mit Pufferfunktion für Heizkessel (EFH) 20

21 Anlage mit integrierter Wärmequelle (EFH) Wärmequelle 21

22 Status kleine 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 22

23 Aktuelle und zukünftige Entwicklungstrends Zeit

24 Solare Wärmeversorgung von Wohnsiedlungen Solare Nahwärme 24

25 Solarunterstützte Nahwärmeversorgung (SuN) Gebäudekomplexe oder kleine Siedlungen werden zu einem Nahwärmenetz zusammengeschlossen große, zentrale Kollektorfelder und häufig saisonale Wärmespeicherung 25

26 Warum große Anlagen? Geringere spezifische Investitionskosten durch große Abnahmemengen, z.b. Sonnenkollektoren bessere Wirtschaftlichkeit Höhere energetische Effizienz als kleine Anlagen Qualitativ hochwertige, langlebige Anlagentechnik Sehr hohe solare Deckungsanteile möglich Attratktivität 26

27 Problem: Klima Saisonaler Zeitversatz von Solarenergieangebot und Wärmebedarf ~60% 27

28 Saisonale Wärmespeicher bleibt 20 min warm bleibt 5 min warm bleibt sehr lange warm bleibt sehr sehr lange warm 10 m Sehr große Speicher: geringes Oberflächen zu Volumen Verhältnis geringe volumenspez. Wärmeverluste geringe volumenspezifische Kosten 28

29 Bauformen großer saisonaler Wärmespeicher Tank (40-95 C) Wasser Heißwasser - Erdbecken (40-80 C) Wasser Aquifer Vertikale Erdsonden (40-80 C) Brunnen 29

30 Kies Wasser Wärmespeicher in Eggenstein (4.500 m³) Kies/Wasser Wärmespeicher mit angegliedertem Freiluft Klassenzimmer Bild: PKi 30

31 Baustelle Bestand Europaweit entfallen ca. 40 % des Endenergiebedarfs auf den Gebäudesektor Mehrheit der Gebäude in Deutschland wurde vor 1977 (erste WschVo) errichtet Heizenergiebedarf in Deutschland: Neubau z.b. Passivhaus < Altbau unsaniert ca Gut: Effizienter Neubau (z.b. nur 30 kwh/(m 2 a)) Durchschnitt Deutschland Besser: Bestandssanierung ( kwh/(m 2 a)) 31

32 vorher Sanierung + Solarisierung Quelle: PKi nachher Quelle: PKi 32 Quelle: PKi Quelle: PKi Quelle: PKi

33 Solare Nahwärme im Bestand 1. ehemalige Kasernengebäud e 2. während der Sanierung 3. nach Fertigstellung Abriss des alten Dachs und Aufsetzen eines neuen, stärker geneigten Dachs Solarertrag Wohraumqualität 33

34 SuN in Crailsheim Größte Solaranlage Deutschlands: ca m² Kollektorfläche 34

35 Solare Nahwärme in Crailsheim 35

36 Solare Nahwärme in Crailsheim 36

37 Solarthermie und Wärmepumpe 1 zu 10 Konzept Ziel: Generierung von 10 kwh Wärme mit einer 1 kwh Strom 37

38 Wärmeversorgungskonzept 1zu10 Gewinnung von Wärme durch thermische Solarkollektoren auf dem Hausdach und Zwischenspeicherung in einem großen Warmwasserspeicher Nutzung des oberflächennahen Erdreichs als Wärmequelle für eine Wärmepumpe. Im Sommer wird das Erdreich aktiv thermisch regeneriert und dient somit in gewissem Maße als zweiter Wärmespeicher elektrischer Strom zum Antrieb der Wärmepumpe. Betrieb vorzugsweise in Schwachlastzeiten, dadurch Stabilisierung des Stromnetzes möglich Demoprojekte gesucht! ca. 10 % ca. 50 % ca. 40 % 38

39 Das Solarhaus 50+ bzw. SolarAktivHaus von der Vision zur Wirklichkeit die Zukunft des Heizens 39

40 Beispiel: Speicherkapazität und Wärmebedarf 1 m³ Wasser ( T von 35 bis 85 C) Einfamilienhaus (nach EnEV 2009) 60 kwh Wärme jährl. Heizwärmebedarf ca kwh d.h. die in einem Kubikmeter Wasser gespeicherte Wärme ermöglicht die Beheizung für einen Wintertag (bei ca. 200 Heiztagen und saisonalen Maxima) 40

41 Von relativ geringen... Ziel: f sav = 50 % + x... zu hohen solaren Deckungsanteilen Von der solaren Heizungsunterstützung zur fossil unterstützten Solarheizung! 41

42 Solarhaus 50+ bzw. SolarAktivHaus : Das Konzept solarer Deckungsanteil > 50% große Kollektorflächen 30 m² bis 60 m² große Warmwasserspeicher bis Liter Voraussetzung: - sehr gute Wärmedämmung - Niedertemperaturheizsystem Quelle: Sonnenhausinstitut e.v. 42

43 Solarhaus 50+ bzw. SolarAktivHaus: Das Konzept Nach Süden geöffnete Fassade hohe passive solare Gewinne (Wintergärten) Süddach als Kollektorfläche große Warmwasserspeicher architektonisch gut integriert, über mehrere Stockwerke Quelle: Sonnenhausinstitut e.v. 43

44 Solarhaus 50+ bzw. SolarAktivHaus : Das Konzept hoher architektonischer Standard hoher Wohnwert wohlige Wärme durch Niedertemperatur-Flächenheizung hoher Komfort durch aktive Solarheizung intelligente passive Solarenergienutzung Quelle: Sonnenhausinstitut e.v. 44

45 Beispiel Solarhaus50+ bzw. SolarAktivHaus Ouelle: Darsch, Sonnenhausinstitut 45

46 Beispiel Solarhaus50+ bzw- SolarAktivHaus Leben mit der Energie der Sonne Ouelle: Darsch, Sonnenhausinstitut 46

47 EFH in Rottenburg, Baden-Württemberg A N : 232 m² f sol : 51 % MFH in Gomaringen, Baden-Württemberg A N : m² f sol : 65 % SolarAktivHäuser: Messergebnisse EFH in Kappelrodeck, Baden-Württemberg A N : 300 m² f sol : 100 % MFH in München, Bayern A N : 549 m² f sol : 79 % EFH Donaueschingen, Baden-Württemberg A N : 202 m² f sol : 59 % EFH MFH A N f sol Einfamilienhaus Mehrfamilienhaus Gebäudenutzfläche Solarer Deckungsanteil 47

48 Status SolarAktivHäuser sind bereits Realität! ca.1700 realisierte Gebäude Ende 2014 D.h. die Zukunft hat bereits begonnen 48 48

49 Solar-Aktiv-Häuser lassen sich auch im Bestand realisieren ---> solar-aktive Renovierung Zweifamilienhaus Baujahr 1980, Wohnfläche 280 m 2 Verbrauch nach der Sanierung: Winter 06/07: 650 l Öl + 4,0 m³ Holz Winter 07/08: 700 l Öl + 5,5 m³ Holz Winter 08/09: 875 l Öl + 6,0 m³ Holz Verbrauch vor der Sanierung: Ltr. Öl/Jahr + ca. 6 m³ Holz Quelle: Dirschedl 49

50 Von alten Gebäuden zur Aktiv-Solaren- Renovierung 50

51 Beispiel für Aktiv-Solare-Renovierung 51

52 Beispiele für ästhetische Kollektorintegration Integration in Balkonbrüstungen Plattenbau in Leipzig, Baujahr 1973 Renovierung: 2004 Teilrückbau, Südbalkone, Reduktion des Energieverbrauches durch Dämmung der Gebäudehülle und durch thermische Solaranlage um 75 %. Quelle: dena Vorher: 184 kwh/m²a Nachher: 44 kwh/m²a 52

53 Beispiele für ästhetische Kollektorintegration Fassadenkollektoren Quelle: GREENoneTEC / ESTIF 53

54 Beispiele für ästhetische Kollektorintegration Fassadenkollektoren Quelle: AKS Doma / AEE INTEC 54

55 Das Ziel: Reduktion des Speichervolumens Aber: Bei gleicher oder größerer Speicherkapazität SolarAktivHaus mit Warmwasserspeicher Bildquelle: Sonnenhaus Institut Bildquelle: Sonnenhaus Institut von ITW modifiziert SolarAktivHaus mit thermischem Energiespeicher der nächsten Generation 55

56 Arten und Einteilung von thermischen Energiespeichern Quelle: 2012\StoTechno_Diag1.docx 56

57 Einleitung Latentwärmespeicher c p,s = 2,1 kj/(kg K) c p,fl = 4,18 kj/(kg K) c p,g = 1,86 kj/(kg K) h S 330 kj/kg h V 2500 kj/kg Temperatur von Wasser als Funktion von der Enthalpie 57

58 Speicherkapazitäten im Vergleich 58

59 PCM Speicher 59

60 Das zentrale Ziel: Erhöhung der Energiedichte Von großen Speichervolumen zu kleinen Speichervolumen (mit der gleichen Kapazität) 60

61 Arten und Einteilung von thermischen Energiespeichern Quelle: 2012\StoTechno_Diag1.docx 61

62 Thermo-chemische Wärmespeicherung Adsorption Anlagerung von Molekülen an die (innere) Oberfläche von Adsorbentien (Silikagel, Zeolith, Aktivkohle,...) Adsorption Wärmezufuhr Wärmefreisetzung Desorption 62

63 Sorptionsspeicher: Prinzip geschlossener Prozess 63

64 Projekt SolSpaces Entwicklung und Erprobung einer autarken solarthermischen Wärmeversorgung für energieeffiziente Kompaktgebäude (Projektpartner SchwörerHaus KG, Förderung BMU) 64

65 Umsetzung des MonoSorp Konzepts in einem realen Gebäude im 1:1 Maßstab (V sto = 4 m³, A c = 12 m²) Funktionsprüfung der saisonalen Speicherung unter echten Bedingungen Ziel von SolSpaces Demonstration der solaren Volldeckung für kompakte Gebäude 65

66 Arten und Einteilung von thermischen Energiespeichern Quelle: 2012\StoTechno_Diag1.docx 66

67 Reversible Gas-Feststoff-Reaktionen zur chemischen Wärmespeicherung Wärmefreisetzung MgSO 4 + 7H 2 O MgSO 4 7H 2 O + H R Anhydrat Thermochemische Wärmespeicherung Hydrat Wärmezufuhr Vorteile hohe Speicherdichte Stand 2011: kwh/m³ Faktor 3 4 gegenüber Wasser ( T=50K) theoretisch bis 600 kwh/m³ Quasi verlustfreie Speicherung Nachteil höherer apparativer Aufwand 67

68 Typische solare Kombianlage für Einfamilienhaus (EFH) 68 thermochemischer Speicher sol. Deckung f sav = 30 %

69 Das CWS NT Konzept CWS: Chemische Wärmespeicherung, NT: Niedertemperatur 69 thermochemischer Speicher sol. Deckung f sav = 80 %

70 Das CWS NT Konzept CWS: Chemische Wärmespeicherung, NT: Niedertemperatur 70 thermochemischer Speicher sol. Deckung f sav = 80 %

71 Das Ziel ist klar! Eine zukünftig weitgehend auf erneuerbaren Energien basierende Energieversorgung Das Problem ist nicht die Energieerzeugung --> Das Problem ist die Energiespeicherung 71

72 Zusammenfassung: Verfügbare Speichertechnologien Speicherdichte Faktor Wasser* 60 kwh/m³ 1 Latent kwh/m³ 1 2 Adsorption kwh/m³ 2 3 Chem.Reaktion kwh/m³ 4 10 * mit T = 50 K 72

73 Speicherdichten und Forschungsbedarf fühlbare Wärme fest flüssig Energiedichte [kwh/m³] gering Speichertechnologie Entwicklungsstand hoch latente Wärme Thermochemisch Sorption Reaktion hoch gering 73

74 Kosten der Energiespeicherung Stromspeicher Wärmespeicher etwa /kwh etwa <1 bis 20 /kwh Fazit Die Speicherung von Wärme ist deutlich kostengünstiger als die Speicherung von Strom 74

75 Zusammenfassung Speicher Energiespeicher sind eine Schlüsseltechnologie für die rationelle und effiziente Energienutzung eine weiten Teilen auf erneuerbaren Energien basierende Energieversorgung 75

76 Die Zukunft Es kommt nicht darauf an, die Zukunft exakt vorherzusagen, sondern für sie vorbereitet zu sein! Perikles, 500 v. Chr. 76

77 Die Zukunft Die beste Möglichkeit die Zukunft vorherzusagen ist sie zu gestalten! Tun Sie es!!! 77

78 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 78