Solar- und Photovoltaiknutzung

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1 Planung und Entwicklung Gesellschaft mbh Schellingstraße 4/ Tübingen Telefon Telefax mail@eboek.de Neubaugebiet Gilchinger Glatze in Gilching Solar- und Photovoltaiknutzung Ergänzung zum städtebaulichen Energie- und Versorgungskonzept Das Energieeinsparkonzept wurde gefördert mit Mitteln des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie Datum des Berichts: im Auftrag von: Projektleitung: Inhaltliche Bearbeitung: Gemeinde Gilching Dipl.-Phys. Gerhard Lude Dipl.-Phys. Gerhard Lude Dipl.-Ing. (FH) Michael Keppler Dipl.-Ing. Olaf Hildebrandt

2 Inhaltsverzeichnis 1 Vorbemerkungen Integration von PV und Solarthermie in das Baugebiet Gilchinger Glatze Grundsätzliches Photovoltaik Thermische Solarenergienutzung Anlagen zur Warmwasserbereitung Anlagen mit Heizungsunterstützung Montage...8 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Ertrag eines PV-Kollektors in Abhängigkeit von Ausrichtung (Himmelsrichtung) und Neigung....3 Abb. 2: Messwerte relativer Jahresertrag bei Ausrichtung von PV- Modulen....4 Abb. 3: Ertrag eines thermischen Solar-Kollektors in Abhängigkeit von Ausrichtung (Himmelsrichtung) und Neigung....5 Abb. 4: Ertrag eines thermischen Solar-Kollektors in Abhängigkeit von Ausrichtung (Himmelsrichtung) und Neigung. Winterbetrieb (Heizungsunterstützung) Abb. 5: Aufständerung von Kollektoren....8 Abb. 6: Beispiel: Fassadenkollektoren (PV und thermische) am Projekt elementar in Tübingen...9 Abb. 7: Aufgeständerte thermische Kollektoren auf Gründach (Projekt Maison-Nett, Tübingen. Foto Gerhard Lude) Abb. 8: Aufgeständerte PV-Module auf Gründach...10 Abb. 9: PV und thermische Kollektoren als Aufdachmodule (Grundschule Bühl)...11 Abb. 10: Dachintegrierter thermischer Solarkollektor. MFH Hirschau Abb. 11: Musterhaus Fa. Wochner, Fellbach...12

3 1 Vorbemerkungen Die vorliegende Dokumentation ergänzt den Bericht Neubaugebiet Gilchinger Glatze in Gilching, städtebauliches Energie- und Wärmeversorgungskonzept vom auf Wunsch des Gemeinderats um Aspekte der Photovoltaiknutzung (kurz PV). 2 Integration von PV und Solarthermie in das Baugebiet Gilchinger Glatze Im Neubaugebiet Gilchinger Glatze in Gilching sollen Reihen/Stadthäuser (RH) und Geschosswohnungsbauten/Mehrfamilienhäuser (MFH) sowie Nicht-Wohngebäude wie Bürogebäude und ein Hotel entstehen. Die vorgeschlagenen Gebäudetypen sollen Flachdächer oder flach geneigte Dachformen bekommen. Die Gebäude sind weitgehend mit einer Ausrichtung von ca. 38 nach Süd-Osten orientiert. Aus den Ausführungen in den folgenden Kapiteln ist ersichtlich, dass sich bei dieser Orientierung thermische Solarkollektoren gut integrieren lassen. Auf Flachdächern und flach geneigten Dächern ist Aufständerung möglich und sinnvoll. Damit lassen sich auch optimierte Ausrichtungen (z.b. 30 Süd für PV) erreichen. Die Dachflächen sind für die solarthermische Nutzungen ausreichend groß. Auch im Falle einer Hotelnutzung ist der Einsatz von Solarthermie sinnvoll vorstellbar. Allerdings konkurrieren die Anwendungen Solarthermie und Photovoltaik um die verfügbaren Dachflächen. Da warmes Wasser vor Ort (im Haus) gebraucht wird, die Stromerzeugung aber prinzipiell überall möglich ist, liegt eine Entscheidung zugunsten der solarthermischen Anwendung nahe. Photovoltaik ist dagegen sehr gut auch als größere Anlage, z.b. als Gemeinschaftsanlage auf einem Hallendach, zu realisieren. Aus städtebaulicher Sicht ist Photovoltaik immer eine Zusatzoption, welche im Entscheidungsbereich der einzelnen Bauherren liegt. Seite 1

4 3 Grundsätzliches Bei der Nutzung solarer Energie muss unterschieden werden zwischen a) Photovoltaik zur Stromerzeugung, b) Thermischer Solarkollektor zur Warmwasserbereitung, c) Thermischer Solarkollektor zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. Der Vollständigkeit halber: Solare Einstrahlungen werden vor allem auch passiv durch die Fenster eines Gebäudes genutzt. Hiervon kann bereits (grob gerechnet und abhängig vom Wärmeschutz, Ausrichtung eines Gebäudes etc.) ein Viertel des Jahres-Raumwärmebedarfs gedeckt werden. Die (bauliche) Nutzung solarer Gewinne wurde bereits im Hauptteil des Berichts untersucht und ist folglich hier nicht mehr Thema. Im Rahmes des Städtebaus muss die Frage geklärt werden, wie Verschattung, Ausrichtung, Dachform usw. das Angebot solarer Gewinne (negativ) beeinflusst. Darüber hinaus ist das zeitliche Zusammentreffen von Angebot und Nachfrage für die Nutzung entscheidend. Ein solares Überangebot für Warmwasserbereitung im Sommer ist für den winterlichen Bedarf nicht nützlich. Im Winter bleibt der Kollektor kalt. Wenn nicht auch die Dusche kalt bleiben soll, muss zugeheizt werden. Im Falle a) und b) ist die Nachfrage (nach Strom oder Warmwasser) übers Jahr kontinuierlich, im Falle c) hängt die Nachfrage u.a. auch vom zu beheizenden Gebäude insbesondere von Größe und Wärmeschutz ab. Seite 2

5 4 Photovoltaik Der Ertrag der Kollektoren ist neben dem Kollektortyp auch maßgeblich von der Orientierung und Neigung des Kollektors abhängig. Abb. 1: Ertrag eines PV-Kollektors in Abhängigkeit von Ausrichtung (Himmelsrichtung) und Neigung (angebeben ist der Neigewinkel gegen die Horizontale 0 = horizontal gelagert). Quelle: Dr. Goretzki Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sollte eine PV-Anlage möglichst hohe Erträge aufweisen. Unter der Annahme, dass eine 5%-ige Verschlechterung des Ertrags sich noch nicht nachhaltig negativ auf das Betriebsergebnis auswirkt, lässt sich aus Abb. 1 entnehmen, dass eine Abweichung von 30 von der idealen Südausrichtung bei einer Neigung von unkritisch ist (s.a. Abb. 2). Es besteht also durchaus ein Spielraum für die Ausrichtung der Module. Für definierte Standorte und Ausrichtungen lässt sich unter Annahme einer mittleren Sonnenscheindauer mit Hilfe eines Simulationsprogramms eine Prognose des Ertrags und damit der Wirtschaftlichkeit erstellen. Seite 3

6 Abb. 2: Messwerte relativer Jahresertrag bei Ausrichtung von PV-Modulen. Quelle: Bine Informationsdienst Auch aus technischen Gründen (Belastung bei teilweiser Abschattung) sollte darauf geachtet werden, dass die Module nicht, auch nicht teilverschattet, sind. Darüber hinaus lassen sich die Module nahezu überall auch an Fassaden montieren. Der durch die Fassadenmontage verringerte Ertrag wird (zur Zeit noch) durch höhere Einspeisevergütungen ausgeglichen. Seite 4

7 5 Thermische Solarenergienutzung 5.1 Anlagen zur Warmwasserbereitung Solche Anlagen sind auf den Sommerbetrieb ausgerichtet. Dabei ergibt sich in den Sommermonaten immer eine Überdeckung, im Kernwinter kein oder nur ein unwesentlicher Ertrag. Die planerische Aufgabe besteht nun darin, die Größe der Anlage auf ca % des jährlichen Warmwasserbedarfs auszulegen. In der Regel wird der Jahresertrag mit Hilfe eines geeigneten Simulationsprogramms (unter Berücksichtigung von Größe, Kollektortyp, Ausrichtung etc.) berechnet. Abb. 3: Ertrag eines thermischen Solar-Kollektors in Abhängigkeit von Ausrichtung (Himmelsrichtung) und Neigung (angebeben ist der Neigewinkel gg. die Horizontale 0 = horizontal gelagert). (Quelle Dr. Goretzki). Optimal für die thermische Solarenergienutzung zur Warmwasserbereitung ist eine direkte Südausrichtung bei einem Neigungswinkel von 30. Je weiter der Kollektor aus der Südrichtung gedreht ist, um so flacher sollte er geneigt sein (Abb. 3). Unter der Annahme, dass eine 10% - Verminderung des Gesamtertrags unkritisch ist, Seite 5

8 lassen sich auch SO/SW ausgerichtete Kollektoren noch sehr gut realisieren. Bei flachen Neigungswinkeln sind selbst nordausgerichtete Kollektoren noch mit erträglichen Einbußen möglich. Selbst wenn die Verhältnisse nicht oder wenig optimal sind: Ertragsminderungen können leicht planerisch durch größere oder bessere Kollektor-Module oder/und einen größeren Speicher ausgeglichen werden, wodurch sich die Mehrkosten in der Regel in Grenzen halten. Thermische Solarenergienutzung ist damit nahezu überall möglich. Investiv gesehen ist die thermische Solaranlage eine Zusatzinvestition, da die konventionelle Heizung (für den Winterbetrieb) vollständig die Warmwasserbereitung übernehmen können muss. Da die Warmwasserbereitung aber zu ca % solar geschieht, lassen sich 1. Brennstoffkosten einsparen und 2. die Betriebszeiten der Heizanlage reduzieren. Letzteres ist v.a. bei Anlagen die im Taktbetrieb ungünstig arbeiten, z.b. Holzpelletanlagen, wichtig. Betrachtet man die Gesamtwirtschaftlichkeit der Anlage (kapitalisierte Investitionskosten, Brennstoffkosten incl. Teuerung), so sind thermische Solaranlagen zur Warmwasserbereitung in der Regel wirtschaftlich. 5.2 Anlagen mit Heizungsunterstützung Hierbei wird aktiv solare Einstrahlung zur Beheizung eines Gebäudes genutzt. Voraussetzung hierfür ist erstens ein Kollektor der deutlich größer ist als ein Kollektor für reine Warmwasserbereitung und zweitens ein großer Solarspeicher. Solares Heizen funktioniert, wenn sich kurze Perioden mit intensiver Solarstrahlung mit trüben, strahlungsarmen Tagen abwechseln. In diesem Fall kann das Gebäude aus dem Speicher beheizt werden. Naturgemäß ist die einspeicherbare Energiemenge verhältnismäßig gering (da Speicher üblicher Größe nicht in der Lage sind mehr als 2-3 Tage zu überbrücken) - oder die Speicher werden sehr groß und damit teuer. Für die längerfristige Speicherung werden Saisonalspeicher wie z.b. in Friedrichshafen-Wiggenhausen benötigt. In unserem Büro verfolgen wir eher das Konzept einer konsequenten Wärmedämmung und Nutzung solarer Gewinne über Fenster. Dieses passive Konzept hat zudem investive und raumklimatische Vorteile. Seite 6

9 Abb. 4: Ertrag eines thermischen Solar-Kollektors in Abhängigkeit von Ausrichtung (Himmelsrichtung) und Neigung. Optimierung für Winterbetrieb (Heizungsunterstützung). (Quelle Dr. Goretzki). Bei Heizungsunterstützung soll mit größtmöglicher Kollektorfläche ein nennenswerter Deckungsbeitrag v.a. in der Übergangsjahreszeit erreicht werden. Daher ist die optimale Ausrichtung steiler als bei reiner Warmwasserbereitung (Südausrichtung bei 60 Neigungswinkel). Eine optimale Ausrichtung kann nur planerisch bei Kenntnis des Gebäudes und damit Wärmebedarfs durch Jahressimulation ermittelt werden. Was nicht solar geheizt wird, kommt aus der Heizungsanlage, daher verschlechtert sich bei nicht optimierten Anlagen (zunächst nur) die Energiebilanz. Da eine konventionelle Heizung redundant zur Verfügung stehen muss (der Bauherr möchte es ja auch warm haben, wenn die Sonne nicht scheint), ist die Investition in solare Heizung eine reine Zusatzinvestition. Nicht optimal ausgerichtete Anlagen werden hierbei auch schnell überproportional teurer, das die Erträge stark abhängig von Ausrichtung und Neigung des Kollektors sind. Aus diesem Grund empfehlen wir eine auf das Gebäude bezogene Planung mit Betrachtung der Wirtschaftlichkeit. Seite 7

10 6 Montage Sowohl thermische Solarkollektoren, als auch PV-Module können auf die verschiedensten Arten montiert werden: - Aufdachmontage z.b. auf Ziegeldach, - Dachintegrierte Montage, - Aufgeständert auf Flachdächern, - Fassadenmontiert, - Sondermontage wie z.b. auf Vordächern, Dachfenstern etc.. Insbesondere auf Flachdächern oder flach geneigten Dächern werden die Module mit standardisiert erhältlichen Rahmen oder Wannen aufgeständert (Abb. 5). Die Dachhaut wird dabei nicht durchdrungen. Abb. 5: Aufständerung von Kollektoren. In jedem Fall muss zwingend eine Freigabe von Seiten der Statik eingeholt werden sowie die technischen Vorschriften zur Montage beachtet werden. Seite 8

11 Die folgenden Bildbeispiele geben einen Überblick: Abb. 6: Beispiel: Fassadenkollektoren (PV und thermische) am Projekt elementar in Tübingen. (Arch. Plathe / Schlierf / Sonnenmoser Foto: Gerhard Lude). Seite 9

12 Abb. 7: Aufgeständerte thermische Kollektoren auf Gründach (Projekt Maison-Nett, Tübingen. Foto Gerhard Lude). Die Kollektoren sind nicht nach dem Gebäude, sondern nach Süden ausgerichtet. Abb. 8: Aufgeständerte PV-Module auf Gründach (Foto Gerhard Lude). Seite 10

13 Abb. 9: PV und thermische Kollektoren als Aufdachmodule (Grundschule Bühl, Foto Stadt Tübingen). Abb. 10: Dachintegrierter thermischer Solarkollektor. MFH Hirschau (Foto ebök.). Seite 11

14 Abb. 11: Musterhaus Fa. Wochner, Fellbach (Foto Gerhard Lude). In die Pfosten-Riegel- Verglasung im Dachbereich sind thermische Module (Nähe First) integriert. Das Vordach trägt PV-Module. Seite 12