Heizungsbau Gas-/Wasserinstallation Planung + Vertrieb Brennwerttechnik Solarsysteme Regenwassernutzung Ingenieurleistungen ÖKOTHERM GRUNDLAGEN DER SOLARTECHNIK / eine kurze Einführung Der folgende Text wurde von uns im Rahmen unserer Ausarbeitungen für die Broschüre "Solarenergie in Wiesbaden" im Jahr 2001 zusammengestellt. Die komplette Broschüre ist über die Klimaschutzagentur der Landeshauptstadt Wiesbaden erhältlich. Viel Spass beim Lesen Michael Gottwald Matthias Heimbächer UNERSCHÖPFLICHE SOLA RENERGIE...2 Das Angebot der Sonne...2 Verteilung der Sonnenstrahlung...3 SOLARENERGIE IM ALLTAG...4 Aktive thermische Systeme...5 Solarstromanlagen...8 Passive Nutzung der Sonnenenergie...10 1/1
Unerschöpfliche Solarenergie Das Angebot der Sonne Die Sonne liefert uns Energie in Form von Strahlung, durch die Leben auf der Erde erst ermöglicht wird. Dies geschieht im Inneren der Sonne durch die Verschmelzung von Wasserstoff- zu Heliumkernen, bei der ein Teil der Masse in Energie umgewandelt wird. E=m c² (A. Einstein) Nur ein Zweimillionstel dieser Strahlung trifft auf die Erdoberfläche als sogenannte Globalstrahlung, der Summe aus direkter und diffuser Strahlung. Dieser geringe Anteil entspricht dabei immer noch der unvorstellbar grossen Energiemenge von 1 x 10 18 kwh pro Jahr. Bild 4-1 Energiegehalt der jährlichen Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche im Vergleich zum weltweiten Energieverbrauch sowie zu den Ressourcen fossiler und atomarer Energieträger [Quelle: Greenpeace /BMWI] Die Energiemenge des auf die Erdoberfläche einfallenden Sonnenlichts entspricht also etwa dem 10.000-fachen des weltweiten Energiebedarfs. Es müssten somit nur 0,01% der Energie des Sonnenlichts genutzt werden, um den gesamten Energiebedarf der Menschheit zu decken. Anders formuliert heisst dies: In weniger als einer halben Stunde strahlt die Sonne soviel Energie auf die Erde, wie weltweit von der Menschheit pro Jahr verbraucht wird. Dabei ist sich kaum jemand bewusst, dass in den Industrienationen 60 Prozent des täglichen Energiebedarfs der Haushalte für Warmwasser und Heizung aufgewendet werden. <1> <1> SOLARANLAGEN, Handbuch der thermischen Solarenergienutzung, H. Ladener und F. Späte, Ökobuchverlag 2/2
Verteilung der Sonnenstrahlung An der Erdoberfläche wird bei klarem Wetter um die Mittagszeit eine Einstrahlung von 1000 W/m² erreicht. Dieser Wert ist relativ unabhängig vom Standort. Summiert man den Energiegehalt der Sonneneinstrahlung über ein Jahr so erhält man die jährliche Globalstrahlung in kwh/m² Dieser Wert ist regional sehr unterschiedlich. So erreichen einige Regionen um den Äquator Werte über 2300 kwh/m², während in Südeuropa mit einer jährlichen Sonneneinstrahlung von 1700 kwh/m² und in Deutschland von 900 bis 1200 kwh/m² gerechnet werden kann. Für die Region Wiesbaden ist für ein durchschnittliches Jahr von einem Wert von 1050 kwh/m² auszugehen. Bild 4-2 Jährliche mittlere Einstrahlungssummen für Deutschland in kwh/m² 3/3
Solarenergie im Alltag Die Einsatzmöglichkeiten von Solartechnik sind sehr vielfältig, am bekanntesten sind die aktiven Systeme zur Warmwasser Bereitung und Stromerzeugung. Der Stand der Technik der Systeme im Alltag kann prinzipiell als ausgereift und zuverlässig bezeichnet werden. Dennoch findet auch hier eine ständige Weiterentwicklung statt. Wissenschaftler und Techniker arbeiten an Systemen die, die Nutzung der Sonnenenergie noch effizienter werden lassen. Auch an der Erschließung neuer Einsatzmöglichkeiten wird intensiv gearbeitet. Auf den folgenden Seiten können wir Ihnen nur einige Möglichkeiten zur Nutzung der Sonnenenergie vorstellen. Abbildung 5-1 Beispiel: Aktive und Passive thermische solare Anwendungen. Quelle: Freiburger Solarenergie-Führer 4/4
Aktive thermische Systeme Um die Energie der Sonne zur Warmwassererzeugung oder zum Heizen einzusetzen bedient man sich Sonnenkollektoren. Am weitesten verbreitet sind Systeme zur Warmwasserbereitung. Durch die steigenden Energiekosten ist das Interesse an grösseren Anlagen, die auch zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden können, gestiegen. Die Anwendung letzterer empfiehlt sich bei Gebäuden, die sehr gut wärmegedämmt sind und deren Heizungsanlage mit niedrigen Vorlauftemperaturen auskommt (z.b. Fußbodenheizung). Zu den hier am häufigsten eingesetzten Kollektor-Typen gehören der Flachkollektor und der Vakuum-Röhrenkollektor. Zum Einsatz kommen auch Absorbermatten (für Beckenwassererwärmung Schwimmbäder), Vakuum-Flachkollektoren und Speicher- und Luftkollektoren. Grundsätzlich arbeiten alle solarthermischen Systeme nach dem einfachen Prinzip des sich in der Sonne erwärmenden schwarzen Gartenschlauchs. Strahlung wird also in Wärme umgewandelt. Eine technisch verbesserte Solaranlage - am Beispiel des Flachkollektors mit Speicher - arbeitet wie folgt: In einem glasabgedeckten, gut wärmegedämmten Gehäuse werden die Sonnenstrahlen auf einer durchströmten Fläche (mit spezieller Beschichtung)- dem Solarabsorber- in Wärme umgewandelt. Die eingefangene Wärme wird über den Solarkreis in den Speicher gepumpt und bei Bedarf genutzt. Abbildung 5-4 Bestandteile einer thermischen Solaranlage, Quelle: Wagner & Co Produktkatalog 5/5
Flachkollektoren Flachkollektoren gehören zu den meist eingesetzten Sonnenkollektoren. Das liegt in erster Linie an dem günstigen Preis/Leistungsverhältnis sowie der einfachen und robusten Technik. Vakuum-Röhrenkollektor Vakuum-Röhrenkollektoren besitzen bei kalten Aussentemperaturen einen höheren Wirkungsgrad als Flachkollektoren. Sie sind jedoch auch in Ihrer Anschaffung teurer. Ihren höheren Wirkungsgrad verdanken die Vakuum-Röhrenkollektoren der Isolierungwirkung des Vakuums. Dies macht sie gegenüber der Umgebungs- Temperatur unabhängiger. So können an sonnigen Wintertagen trotz Minusgraden noch beachtliche solare Gewinne erzielt werden. Eine weiterentwickelte und robustere Form des Vakuum-Röhrenkollektors stellen die CPC-Röhrenkollektoren dar, die nach dem Prinzip der Thermoskanne aufgebaut sind und zusätzlich mit dem Konzentrator-Effekt eines Parabolspiegels arbeiten. Um die Strahlung auch bei einem ungünstigen Einstrahlungswinkel zu nutzen sind hinter der Röhre CPC Spiegel (Compound Parabolic Concentrator) angebracht. Abbildung 5-2 Aufbau CPC-Vakuum Röhre Quelle: Wagner & Co Produktkatalog Absorbermatten Hierbei handelt es sich wieder um die einfachen schwarzen Schläuche, die allerdings hier zu Matten zusammen gefügt sind und durch die das zu erwärmende Medium fließt. Äußerst effizient eingesetzt werden sie zur Erwärmung von Schwimmbadwasser, wobei das System nur im Sommer funktioniert. Auf einer Freifläche ausgerollt speisen sie die eingefangene Wärme ohne Umwege in das Schwimmbad ein. Diese einfache und kostengünstige Art der Beckenwassererwärmung gilt im öffentlichen Bereich bereits seit längeren als Standard und empfiehlt sich auch bei privaten Schwimmbädern. 6/6
Abbildung 5-3 Leistung von Sonnenkollektoren am Beispiel einer 6 m² Anlage in Wiesbaden, Quelle: Wagner & Co Produktkatalog Eine thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung wird in der Regel so ausgelegt, dass sie ca. 60 bis 70 % des jährlichen Warmwasserbedarfs abdeckt. Der größte solare Deckungsanteil entfällt auf die Monate Mai bis September. In diesen Monaten kann die Anlage 100 % des Warmwasserbedarfs erzeugen, so dass die konventionelle Heizung ausgeschaltet bleiben kann. Dies ist sehr vorteilhaft, da selbst modernste Heizkessel in dieser Zeit nur mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad arbeiten. Die Installation einer solchen Anlage empfiehlt sich immer, jedoch insbesondere bei Neubauten und im Zuge der Heizungsmodernisierung. Als Auslegungseckdaten für einen 3-4 Personen Haushalt bei 65%-igem Deckungsanteil gelten: - ca. 5 m² Flachkollektor (3 m² Vakuum-Röhrenkollektor) Ausrichtung Süd-West bis Süd Ost / Neigung 20 60 - ca. 300 l Warmwasserspeicher bivalent Solarer Ertrag Einsparung Primärenergie Umweltentlastung: 1400 kwh/jahr 2000 kwh/jahr 1 Tonne CO 2 / Jahr 7/7
Solarstromanlagen Photovoltaik... aus Sonnenlicht Strom erzeugen. Photovoltaik ist die elegante und faszinierende solare Energietechnologie, die weder bewegte Teile noch hohe Temperaturen benötigt, um Energie bereitzustellen. Sie ist umweltfreundlich, arbeitet geräusch- und abgasfrei und kann dezentral eingesetzt werden. Die Solarzellen bestehen meistens aus Silizium, einem Element, das in der Natur sehr häufig vorkommt. Strahlt die Sonne auf die Solarzellen, baut sich zwischen der Oberund Unterseite eine Gleichspannung auf. Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 15% und werden je nach erforderlichen Leistung zu Solarmodulen (PV-Module) zusammen gefasst. Einen beachtlichen Impuls erhielt die Photovoltaik durch das Inkrafttreten des "Erneuerbaren Energien Gesetzes" (kurz: EEG) Anfang des Jahres 2000. Hier wird unter anderem die bundesweite kostendeckende Vergütung mit derzeit 99 Pfg. pro eingespeiste Kilowattstunde Solarstrom durch die Energieversorger an die Betreiber von PV-Anlagen geregelt. Parallel dazu werden derzeit noch zinsgünstige Kredite für die Finanzierung einer Photovoltaikanlage vergeben (siehe Abschnitt: Förderungen) Eine Photovoltaik-Anlage mit 1 Kilowatt Leistung schenkt Ihnen ca. 800 kwh Strom im Jahr und erspart der Umwelt jedes Jahr 500 kg Kohlendioxyd und andere Schadstoffe. Wer sich für eine Investition in den Umweltschutz entscheidet, kann inzwischen auf eine ganze Reihe technisch ausgereifter Photovoltaiksysteme eines breit gefächerten Marktes zurückgreifen. Je nach Grösse der Anlage und Einsatzzweck werden die einzelnen Module in Reihe und parallel verschaltet. Die Reihenverschaltung liefert höhere Spannungen und kommt meist zum Einsatz, wenn der Strom in das bestehende Stromnetz eingespeist werden soll. Man spricht dann von netzgekoppelten Photovoltaik Anlagen. 8/8
PV-Modul Wechselrichter Einspeise und Verbrauchs- Stromzähler Abbildung 5-4 Aufbau einer netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage, Quelle: Handbuch der Photovoltaik, DGS Als Anlagen für den Inselbetrieb bezeichnet man vom Stromnetz unabhängige autarke Systeme. Diese werden eingesetzt wenn der geringe Stromverbrauch und der zeitlich begrenzte Bedarf in keinem Verhältnis zu den Erschliessungskosten eines Energieversorgers stehen oder aber keine Anbindung an ein bestehendes Strom-Netz möglich ist. Inselanlagen können für die Versorgung einzelner oder mehrere Verbraucher ausgelegt sein. Typische Einsatzbeispiele sind: - Garten- und Wochenendhäuser - Parkscheinautomaten - Wohnmobile - Weidezäune Abbildung 5-5 Komponenten von PV-Insel-Systemen, Quelle: Handbuch der Photovoltaik, DGS 9/9
Passive Nutzung der Sonnenenergie Bei der passiven solaren Nutzung der Sonnenenergie spricht man auch von Solar Architektur. Sie holt die Sonne ins das Haus und ist mittlerweile nicht nur im Wohnungsbau heute der Stand der Technik. "Passiv" besagt dabei, dass die Nutzung der Sonnenenergie nicht mittels zusätzlich am Gebäude angebrachter technischer Einrichtungen wie etwa Kollektoren erfolgt, sondern dass das Gebäude selbst mittels seiner Eigenschaften als Sonnenkollektoranlage wirkt. Wichtig dafür ist, dass das Gebäude nach Süden ausgerichtet bzw. geöffnet ist. Auf dieser Seite erlaubt der Einbau großer Glasflächen den ungehinderten Zutritt von Licht und Wärme. Das ist besonders im Winter wichtig, denn so gelangt die tiefstehende Sonne tief in das Gebäude und erwärmt die Speichermassen wie Wände und Fußboden. Nach Norden hin sollte das Gebäude wenig Fläche, insbesondere wenig Fensterfläche aufweisen. Entscheidend ist auch die Gedrungenheit eines Gebäudes, dass heisst das günstige Verhältniss von Gebäudeoberfläche zu seinem Volumen. Bei den Fenstern und dem Wintergarten sollte man sich für den Einsatz von Wärmeschutzverglasung mit einem guten K-Wert entscheiden. Wintergärten bringen gleich mehrere Vorteile. Zum einen bildet der Glasvorbau einen thermischen Puffer, der die Wärmeverluste der angrenzenden Wohnräumen vermindert. Zum anderen kann die erwärmte Luft zum Beheizen des Gebäudes genutzt werden. Der Glasanbau sollte unbeheizt und vom Hauptgebäude thermisch getrennt sein. Als sehr effizient gilt auch der Einsatz von "transparenter Wärmedämmung" (kurz: TWD). Hierbei wird das hinter der TWD-Ebene liegende Mauerwerk tagsüber durch die Sonne erwärmt. Zeitlich versetzt wird dann abends diese Wärme an den Innenraum abgegeben. Ein Haus so in die Umwelt zu stellen, daß die Umwelt sich nicht krümmt und das Haus sich nicht windet, ist eine Kunst des Weglassens und die Bewegung zu ganzheitlichem Entwerfen. Dazu braucht man viel Wissen über Physik und Technik. Man muß sich aber souverän über dieses Wissen erheben, um ein Kunstwerk zu schaffen, das mehr ist als die Integration von Gewerken und das Akzeptieren der Regeln der Technik. Das macht den Unterschied zwischen Bauwerk und Architektur."<2> <2> Prof. Dr. Karl Ganser 10/10