Solarthermie
Eine der Möglichkeiten die Energie der Sonne zu nutzen, ist die Solarthermie. Hier wird die Wärme der Sonnenstrahlen über Kollektoren aufgefangen und einem Warmwasserspeicher zugeführt.
Die globale Strahlungsleistung auf die horizontale Erdoberfläche beträgt in unserer Region unter normalen Bedingungen ca. 900 kWh/m² im Jahr. Daraus ergibt sich eine Strahlungsleistung auf eine nach Süden ausgerichtete und 30° geneigte Fläche von ca. 1.000 kWh/m² im Jahr, die für eine Warmwasserbereitung ausreichend ist. Zur Heizungsunterstützung sollte die Kollektorneigung ca. 45° - 50° betragen, damit auch im Winterhalbjahr, bei flacherer Sonneneinstrahlung noch ein höherer Ertrag erzielt wird.
Anlagenkonfiguration
Eine thermische Solaranlage kann zwar zur reinen Warmwasserbereitung genutzt werden, sollte jedoch optimaler weise ein fester Bestandteil einer Heizungsanlage sein.
So könnte Ihre Solaranlage aussehen:
Nutzen
Warmwasserbereitung:
Solarer Deckungsanteil:
Der solare Deckungsanteil gibt das Verhältnis von solarem Wärmeertrag zum Gesamtwärmebedarf für die Warmwasserbereitung an.
SD = Qs / (Qs+QNh) * 100
SD = solarer Deckungsanteil [%]
Qs = solarer Wärmeertrag [kWh]
QNh = Wärmemenge zur Nachheizung [kWh]
Eine Solaranlage liefert in unseren Breitengraden genug Energie, um bis zu 60 % des solaren Deckungsanteils für die Warmwasseraufheizung bereitzustellen.
Beispiel:
- Energiebedarf von 2.700 kWh/a zur Warmwasserbereitung für einen 3 Personenhaushalt.
- 1,3 m² Kollektorfläche / Person * 3 Personen = 3,9 m² Kollektorfläche
- gemessener Wärmeertrag Qs = 1.365 kWh/a bei 3,9 m² Kollektorfläche
SD=(1.365 kWh*a)/(2.700 kWh*a)*100≈ 51%
Das optimale Kosten-Nutzen-Verhältnis des solaren Deckungsanteils für eine Anlage zur Warmwasserbereitung liegt zwischen 40 und 60 % und ist in der Regel ein guter Kompromiss zwischen Investitionskosten und eingesparter konventioneller Energie.
Systemnutzungsgrad:
Bei bekannter Bestrahlung und Kollektorfläche, sowie gemessenem solaren Wärmeertrag (Wärmemengenzähler) lässt sich der Systemnutzungsgrad bestimmen.
Beispiel:
Angenommene Kollektorfläche 3,9 m² = 1,3 m² / Person
Qs = solarer Wärmeertrag [kWh/a], gemessen = 1.365 kWh / a
HG = 1000 kWh/(m² * a) = solare Bestrahlung
A = Kollektorfläche [m²]
SN = Qs /(HG *A) * 100
SN= (1.365 kWh*m2*a)/(1000 kWh*a*3,9 m²)*100= 35%= Systemnutzungsgrad
Verlustdarstellung:
Bei einem Systemnutzungsgrad von bis zu 35% ergibt das eine mögliche, spezifische Nutzenergie von 350 kWh/m² im Jahr.
Warmwasserbereitung mit Heizungsunterstützung:
Je nach Höhe des Jahresheizwärmebedarfs können folgende Deckungsanteile am Gesamtwärmebedarf erzielt werden:
- im Bestand 10 – 20%
- im Neubau 20 – 50%
- im Passivhaus > 50% (aufgrund des hohen Anteils des Warmwasserbedarfs)
Abhängig von der Größe der Kollektorfläche und dem Speichervolumen sind unterschiedliche Energieeinsparpotenziale erreichbar.
Dies ist jedoch abhängig von Warmwasserverbrauch, Heizenergiebedarf, Dachausrichtung und Neigung, sowie der restlichen Anlagenausführung und dem spezifischen Wirkungsgrad der Module.
Technik, Eckdaten
Als Faustregel für die Auslegung von Kollektorfläche und Speichergröße können folgende Planungseckdaten genannt werden:
Warmwasserbereitung:
- ca. 1-1,3 m² Flachkollektorfläche / Person,
- ca. 0,8-1 m² Vakuumröhrenkollektorfläche / Person,
- ca. 45 Liter Warmwasserbedarf pro Person und Tag * 2 ca. Speichervolumen
Warmwasserbereitung mit Heizungsunterstützung:
- ca. 0,8 – 1,1 m² Flachkollektorfläche pro 10 m² beheizte Wohnfläche
- ca. 0,5 – 0,8 m² Vakuumröhrenkollektorfläche pro 10 m² beheizte Wohnfläche
- Speichervolumen mindestens 50 Liter pro m² Kollektorfläche, plus den 2-fachen Warmwasserverbrauch (45 Liter pro Person und Tag)
Für die Dimensionierung einer solaren Heizungsunterstützung ist in jedem Fall der sommerliche Wärmebedarf für die Brauchwassererwärmung zugrunde zu legen. Die Kollektorfläche für die solare Heizungsunterstützung sollte den 2 - 2,5-fachen Wert der Kollektorfläche für die Trinkwassererwärmung nicht überschreiten.
Als Kollektoren kommen Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren zum Einsatz.
Bei geringer zur Verfügung stehender Dachfläche können Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt werden, dadurch kann ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden.
Zusätzlich erforderliche Komponenten sind die Solarregelung und Solarkreispumpe, sowie Ausdehnungsgefäß, Temperaturfühler und Sicherheitsventil, Warmwasserspeicher und Installationsmaterial.
Eine genaue Auslegung und Berechnung sollte von einem anerkannten Fachbetrieb vorgenommen werden.
CO2-Einsparung
Bei 5m² Kollektorfläche (4-Personen-Haushalt), bedeutet das pro Jahr eine maximale CO2-Einsparung von 397 kg CO2 gegenüber einer Wärmeerzeugung mit Erdgas (Öl = 539 kg, Strom = 977 kg).
Bei der Warmwasserbereitung mit Heizungsunterstützung kann in etwa die doppelte CO2-Einsparung erzielt werden.
Kosten, Finanzierung, Rendite
Gemäß Energie Agentur NRW ist für eine thermische Solaranlage zur „Warmwasserbereitung“ für einen 4-Personen-Haushalt mit 4 m² Flachkollektor und 300l-Speicher mit Kosten ab 4.000 € incl. Installation zu rechnen.
Eine thermische Solaranlage zur „Warmwasserbereitung mit Heizungsunterstützung“ für einen 4-Personen-Haushalt mit 10m² Kollektorfläche, sowie 700l-Speicher ist laut Energie Agentur NRW ab 8.000 € inkl. Installation zu haben.
Je nach Anlagenspezifikation, eingesetzten Modulen und Materialien, sowie Montageaufwand können diese Preise variieren.
Die Beträge sind mit etwa 1 % der Investitionssumme pro Monat über 10 Jahre finanzierbar (Zins 4,5% / a). Dies entspricht Finanzierungskosten von etwa 45 €/Monat (Investitionssumme 4.000 €) oder 90 €/Monat (Investitionssumme 8.000 €).
Nach 10 Jahren ist die Anlage amortisiert und bringt Ihnen einen Ertrag von ca. 105 € bzw. 185 € im Jahr. (dynamisch betrachtet –Mittelwert-, 3% jährliche Energiepreissteigerung, Basis: Gaspreis ca. 6,2 ct/kWh)
Hierin sind entgangene Zinsen und steuerliche Aspekte noch nicht berücksichtigt.
Die genannten Angaben sind beispielhaft und können je nach Anlagenkonfiguration von dem Beispiel abweichen.