Über den Wert und den Nutzen von Solarwärme

Der Beitrag „Die Sonne bringt hohe Temperaturen – Ein Systemvergleich von Flach- und Röhrenkollektoren“ in der TAB 9/2008 (Seite 76 bis 78) befasste sich mit den bewussten und unbewussten Irrtümern in der Kollektortechnik, wie z. B. der Präsentation thermischer Kennlinien unter irrelevanten Bedingungen, der Ignorierung des Leistungsverlusts durch die Verwendung von Glykol als Wärmeträger, der durch falsche Förderpolitik forcierte Fehler, Speicher gern überzudimensionieren sowie mit dem Marktanreizprogramm, das Kollektoren nicht nach der Leistung fördert, sondern nur nach der Fläche. Im Folgenden geht es einen Schritt weiter.

Über die Vorteile höherer Temperaturen

Generell lässt sich Solarwärme auf höherem Temperaturniveau besser nutzen. Denn selbst wenn die Solarwärme ausnahmsweise bereits bei niedrigen Temperaturen genutzt werden kann, wie z. B. zur Schwimmbaderwärmung, bei der Warmwasserbereitung bzw. bei deren Vorwärmung, bei der Vorwärmung zur Heizungsunterstützung oder bei der Rücklauftemperaturanhebung, könnten auch diese Prozesse mit höheren Kollektortemperaturen viel effizienter stattfinden.

Hohe Kollektortemperaturen für hohen Anlagenwirkungsgrad

Nur wenn die Solarvorlauftemperatur permanent wesentlich höher ist als die jeweilige Solltemperatur, kann die konventionelle Nachheizung effizient dauerhaft vermieden werden. Da besonders außerhalb der Heizperiode die Kessel- und Anlagenwirkungsgrade schlecht sind, wird bei jedem durch Solarwärme vermiedenen Einschalten des Kessels ein Vielfaches der Energie eingespart, welche die Solaranlage in den Speicher einbringt. Wenn z. B. ein Ölkessel mit einem feuerungstechnischen Wirkungsgrad von 90 % und einem internen Wasservolumen von 60 l dieses erst von 20 auf 70 °C erwärmen muss, bevor er 150 l Warmwasser im Speicher um 5 K erwärmen kann, dann werden nur 16 % der verbrauchten fossilen Energie zur Warmwassererwärmung eingesetzt. Hat die Solaranlage den Warmwasserspeicher aber ausreichend erwärmt, so dass der Kessel nicht anspringen muss, dann spart sie demnach je 1 kWh, die solar erzeugt wurden, 6,25 kWh an fossiler Energie ein. Neben ihrem solaren Jahresertrag leistet die Solaranlage dann durch die Einsparung von Kessel- und Anlagenverlusten also einen Zusatzbeitrag zur Energiebedarfsvermeidung, der genauso groß oder größer sein kann als der reine Solarertrag. Diesen synergetischen Effekt könnten Niedertemperaturkollektoren nur unter optimalen Bedingungen im Hochsommer leisten, er kommt dann aber aufgrund des solaren Überangebotes gar nicht zum Tragen.

Permanent hohe Kollektortemperaturen sind mit hohen Temperaturspreizungen und damit einer erhöhten spezifischen Wärmeleistung verbunden, was den Volumenstrombedarf senkt. Dadurch werden elektrische Pumpenleistung und Pumpenlaufzeit gespart.

Hohe Kollektortemperaturen erhöhen die Speicherkapazität

Erst wenn die Kollektortemperaturen über den Verbrauchs-Solltemperaturen liegen, beginnen Solarspeicher ihre Speicherkapazität zu entfalten. Je höher die Speicher-Übertemperatur ist, umso größer ist die Speicherkapazität. Die Warmwassersolltemperatur sei z. B. auf 60 °C eingestellt. Ein Hochtemperaturkollektor mit niedrigem Volumenstrom belädt einen Speicher (Anfangstemperatur 30 °C) mit starker Spreizung: oben werden 90 °C erreicht, unten 40 °C. Für je 1 l mit 90 °C können 2,3 l bei 45 °C gezapft werden. Ein Niedrigtemperaturkollektor hat dieselbe Wärmeenergie in den Speicher eingebracht, aber mit hohem Volumenstrom und geringer Spreizung. Dabei werden oben 70 °C erreicht und unten 60 °C. Für je 1 l mit 70 °C können 1,7 l bei 45 °C gezapft werden. Die Wärme auf dem jeweils geringeren Temperaturniveau ist zwar nicht verloren, kann aber das Nachheizen durch den Kessel nicht verhindern und ist somit weniger wertvoll.

Da Speicher von Hochtemperaturkollektoren eine effektiv größere Speicherkapazität besitzen, können diese kleiner ausgelegt werden, was Platz und Investitionskosten spart.

Hohe Kollektortemperaturen für ganzjährige Nutzung

Es muss im Interesse eines jeden Planers und Nutzers liegen, dass Solaranlagen ganzjährig effektiv genutzt werden. Die Leistung von Niedertemperaturkollektoren fällt mit sinkender Außentemperatur jedoch so stark ab, dass sie im Winter oder bei nicht optimalem Wetter nie viel mehr als eine Vorwärmung leisten können.

Wenn Wärme gleichzeitig auf unterschiedlichen Temperaturniveaus benötigt wird, z. B. zur Heizung und zur Warmwasserbereitung, ist es am einfachsten, sie von vornherein auf dem höchsten Niveau, also mit der höchsten Exergie, zur Verfügung zu stellen bzw. zu speichern. Mit Niedrigtemperaturkollektoren ist das nicht möglich, was zu einem erhöhten Planungsaufwand und komplizierteren Systemhydrauliken führt.

Das Verfehlen des vorausgesagten Ertrages der meisten Großanlagenprojekte mit Niedertemperaturkollektoren wurde regelmäßig damit begründet, dass die Rücklauftemperaturen höher seien als geplant war. Tatsächlich sind niemals die Rücklauftemperaturen das Problem, sondern immer die Kollektoren selbst, weil sie eben unter realistischen Betriebsbedingungen extrem an Leistung verlieren.

Vorwärm-Schaltungen verringern den Systemwirkungsgrad

Jede Art der Vorwärmung wirkt sich negativ auf den Gesamt-Kesselwirkungsgrad bzw. den Kraftwerkswirkungsgrad aus. Sehr deutlich wird das bei Brennwerttechnik, weil „solar angehobene“ Rücklauftemperaturen die Brennwertnutzung mindern oder verhindern. Aber auch bei jeder anderen Nachheizung wird durch Vorwärmprozesse der Gesamtwirkungsgrad gesenkt. Die Ursachen dafür sind z. B. höhere Stand- und Betriebsverluste sowie ein größerer Pumpenergie- und Speicherbedarf.

Der thermische Kollektorwirkungsgrad

Der thermische Wirkungsgrad ist auch nur als Kollektorwirkungsgrad bekannt. Er lässt sich anhand standardisierter Parameter, z. B. aus den Solar-Keymark-Tests, für jeden Kollektor an jedem Betriebspunkt einfach berechnen.

η = [η₀ - a₁ - a₂ ] mit

η₀, a₁ und a₂ kollektorspezifische Konstanten nach EN 12 975-2

∆T Differenz: mittlere Kollektortemperatur T_K – mittlere Umge-
bungstemperatur T_U

Fortan gilt: T_U = 10 °C (exakt sind 9,4 °C am Referenzstandort Würzburg)

G_S Solare Gesamtstrahlung (direkte Einstrahlung + diffuse (indirek-
te) Einstrahlung)

Fortan gilt: G_S = 400 W/m² (exakt sind 397 W/m² am Referenz-
standort Würzburg)

Die Struktur der Gleichung ist einfach. Wenn keine Temperaturdifferenz ∆T besteht, hat jeder Kollektor seinen individuellen maximalen Wirkungsgrad η₀. Je größer jedoch ∆T ist, je heißer also der Kollektor wird, umso kleiner wird der Wirkungsgrad. Je größer die Koeffizienten a₁ und a₂ sind, umso eher ist der Wirkungsgrad mit wachsender Kollektortemperatur bei Null angekommen. Allerdings sinkt der Wirkungsgrad bei kleiner Einstrahlung G_S schneller als bei großer. Deshalb versuchen Kollektorverkäufer den Wirkungsgrad bei möglichst großer Einstrahlung zu präsentieren, z. B. bei 700 W/m², 800 W/m² oder manchmal sogar bei 1000 W/m². Doch das ist in Mitteleuropa unrealistisch. Würzburg bekommt seine Sonneneinstrahlung nur zu 11 % mit 800 W/m² oder mehr, dafür aber zu über 13 % mit weniger als 200 W/m². Beim Jahresmittel der Strahlungsleistung von 397 W/m² wurde der Anteil unter 100 W/m² bereits weggelassen, weil dieser für Flachkollektoren völlig bedeutungslos ist und auch bei Röhrenkollektoren nur noch mit maximal 5 % in der Jahresbilanz zu Buche schlagen kann. Ohne diese Vernachlässigung läge das Mittel noch tiefer. Fortan wird großzügig mit 400 W/m² gerechnet (Bild 1). Dabei wurden nur Testergebnisse aus dem Solar Keymark verwendet. Diese beziehen sich auf die Aperturfläche. Die Kennlinien im folgenden Diagramm sind jedoch auf die Bruttokollektorfläche umgerechnet, denn nur diese ist wirklich relevant, weil nur nach ihr bezahlt, gefördert, verglichen und geplant wird. Im folgenden Diagramm wurde deshalb der thermische Kollektorwirkungsgrad noch mit dem Faktor Aperturfläche/Bruttofläche und mit der Gesamtstrahlung G_S = 400 W/m² multipliziert, so dass aus dem Wirkungsgraddiagramm ein Leistungsdiagramm wird (Bild 2).

Die Temperaturskala beginnt mit T_U = 10 °C. Damit ist mit der abgebildeten Prozesstemperatur zugleich auch die mittlere Kollektortemperatur und bis auf 10 K Anfangsverschiebung auch ∆T einfach dargestellt. Das Diagramm zeigt, dass bei Prozesstemperaturen zwischen 35 und 50 °C alle Flachkollektoren unter 150 W/m² fallen, während dies für sämtliche Röhrenkollektoren erst zwischen 60 °C und 140 °C zutrifft. Dabei repräsentiert die in Bild 2 grün gestrichelte Kennlinie einen „theoretischen“ CPC-Vakuumröhrenkollektor, der zwar ohne weitere Forschung nach heutigem Stand der Technik kurzfristig herstellbar wäre, aufgrund des bestehenden Marktanreizprogrammes (MAP),  nach welchem nicht die Leistung eines Kollektors, sondern dessen Bruttofläche gefördert wird, momentan aber noch keinen Marktwert hat. Der thermische Wirkungsgrad trifft nur eine Aussage darüber, wie effizient die Wärme aus der Sonnenenergie gewonnen wird, sagt aber nichts über ihren thermodynamischen Wert.

Der thermodynamische Kollektorwirkungsgrad

Seit der Entdeckung der ersten beiden Hauptsätze der Wärmelehre bzw. seit 1824, als Nicolas Léonard Sadi Carnot die theoretische Beschreibung von energieumwandelnden Maschinen niederschrieb, weiß man bereits ganz genau, welcher Anteil einer Wärmemenge zumindest theoretisch nutzbar ist. Er wird auch exergetischer Anteil genannt. Die Exergie ist der nutzbare Anteil der Energie. Das nicht nutzbare Komplement ist die Anergie, so dass gilt: Exergie + Anergie = Energie. Der Exergieanteil wird durch den Carnot-Faktor η_c (Bild 3) ausgedrückt. Für einen Kollektor gilt für η_c:

η_c = = [1]

wobei genau wie oben gilt:

T_K = mittlere Kollektor- oder Prozesstemperatur

T_U = mittlere Umgebungstemperatur mit T_U = 10 °C

273 K = Abstand der Celsius-Skala vom absoluten thermodynamischen Temperatur-Nullpunkt

η_c drückt aus, wie groß maximal der Anteil einer Wärmemenge ist, der in Kraft oder Strom umgewandelt werden könnte. Er beträgt bei 200 °C Prozesstemperatur ca. 40 %. Diese Sichtweise ist insofern interessant, als dass man sich solare Heizungssysteme denken kann, die sämtliche überschüssige Wärme in Strom verwandeln und in das Netz einspeisen. Hier sind Wirkungsgrade in Größenordnungen wie sie aus der Photovoltaik bekannt sind, durchaus realistisch. Der thermodynamische Wirkungsgrad trifft eine exakte Aussage über den thermodynamischen Wert der gewonnenen Solarwärme.

Leistungswertkennlinien von Kollektoren

Multipliziert man den thermischen Kollektorwirkungsgrad, den thermodynamischen Wirkungsgrad und die Gesamteinstrahlung Gs, dann erhält man den Leistungswert eines Kollektors in Abhängigkeit von der Prozesstemperatur T_K. Der Leistungswert gewichtet die in Abhängigkeit von der Prozesstemperatur überhaupt erzielbare Wärmeleistung eines Kollektors mit dem exergetischen Wert dieser Leistung hinsichtlich ihrer universellen thermodynamischen Verwendbarkeit.

P_L = G_s x η₀ x η_c, wobei wieder G_S = 400 W/m² gilt.

Alle Leistungswertkennlinien (Bild 4) beginnen bei Null. Wärme auf dem Niveau der mittleren Umgebungstemperatur ist wertlos. Kollektoren mit großem η₀ haben den steilsten Anstieg. Kollektoren mit den flachsten thermischen Kennlinien haben den längsten Anstieg. Irgendwann überwiegt bei jedem Kollektor der Abfall des Kollektorwirkungsgrades den Anstieg des thermodynamischen Wirkungsgrades, so dass ein Maximum entsteht. Danach sinkt der Leistungswert und erreicht exakt zusammen mit dem thermischen Wirkungsgrad wieder die Null. Der Wert der gewonnenen Solarwärme sinkt immer weiter, je mehr die thermische Ausbeute mit immer höheren Temperaturen nachlässt.

Abschließende Anmerkungen zum MAP

Momentan erhalten Kollektoren bezogen auf den Jahresertrag umso mehr staatliche Förderung, je weniger Leistung sie pro Bruttokollektor­fläche erzielen. Es wurde bereits erwähnt, dass auf diesem Boden nur schwer Hochleistungskollektoren wie jener mit der grün gestrichelten Kennlinie entstehen werden. Das MAP ist nicht die Ursache, aber die unmittelbare Folge davon, dass Röhrenkollektoren in Deutschland fast noch ein Nischendasein fristen, obwohl in ihnen das größtmögliche Leistungspotential steckt.

Der Leistungswert ist ein direktes Maß für die mögliche Vermeidung des CO₂-Ausstoßes. Einleitend wurde begründet, warum alle Solaranlagen nach hohen Leistungswerten, d. h. nach möglichst hohen Temperaturen bei möglichst hohem Ertrag streben sollten. Deshalb wäre der Leistungswert auch ein einfach verständliches, gerechtes und innovationsfreundliches Förderkriterium. Mit jedem Kollektortest steht die individuelle Leistungswertkennlinie bereits fest. Auf der Prozesstemperaturachse können sowohl feste Standardprozesstemperaturen wie Warmwasserbereitung im Einfamilienhaus (WW EFH: z. B. 40 °C), bei welcher der Legionellenschutz zumindest rechtlich keine Rolle spielt, Heizungsanbindung (HAB: z. B. 55 °C), Warmwasserbereitung im Mehrfamilienhaus (WW MFH: z. B. 70 °C) oder Kühlung (z. B. 85 °C) als auch beliebig viele individuelle Prozesstemperaturen ausgewählt werden. Überall steht der Leistungswert für jeden Kollektor fest und es müsste nur noch ein einziger, universeller Förderfaktor gefunden werden, um Kollektoren anhand ihrer Leistungswertkennlinie zu fördern.

Diese Allgemeingültigkeit wäre gerecht, weil einerseits auch ganz simple Kollektoren wie Schwimmbadabsorber noch Anspruch auf Förderung hätten (schließlich sind die Leistungswertkennlinien vieler Kollektoren von denen von Schwimmbadabsorbern weniger weit entfernt als von Hochleistungsröhrenkollektor-Kennlinien), weil aber andererseits anspruchsvolle Hochtemperaturkollektoren die meiste Förderung bekämen.

Es würde auch dem Umstand Rechnung getragen, dass bestimmte Anwendungen kaum noch Förderung bekämen, wenn die Effizienz völlig fehlt. So ist es z. B. sinnlos, solare Kühlung mit Flachkollektoren durch Förderung anzuspornen, weil dabei nur wenig Nutzen herauskommen kann. Zu ähnlich mageren Ergebnissen wird der Versuch führen, im Mehrfamilienhaus ganzjährig eine solare Warmwasserbereitung zu praktizieren, weil dafür ständig Solartemperaturen von 70 bis 80 °C vonnöten wären. Auch für die Heizungsunterstützung eignen sich viele Kollektoren überhaupt nicht. Die Förderung von Kollektoren nach ihrem Leistungswert wäre eine Förderung nach ihrer Eignung für jeden individuellen Zweck auf einfacher wissenschaftlicher Grundlage (Bild 5).

Bei einem Förderfaktor auf den Leistungswert von ca. 4 €/(W/m²) wären die momentanen Grundverhältnisse von 80 €/m² für einfache Warmwasserbereitung hergestellt. Irgendwann könnte sogar die logische Brücke zur Photovoltaik geschlagen werden. Dort werden bei GS = 400 W/m² ca. 50 W/m² Strom erzeugt mit dem maximalen Carnot-Wirkungsgrad von 1. Folglich ergäbe sich ein Förderanspruch von ca. 200 €/m², der dem außerordentlichen exergetischen Wert der Elektroenergie Rechnung trüge. Ein noch einfacherer Weg, Leistung zu fördern, bestünde darin, einfach die charakteristische Temperatur, also dort wo die Leistungswertkurve ihr Maximum hat, als Kriterium zu nehmen. Doch das führte leicht zu neuen Ungerechtigkeiten. Ein Niedertemperaturkollektor hat zwar z. B. keinen Sinn für eine solare Kühlung, kann aber bestens einfache Warmwasserbereitung unterstützen.

Ein Hochleistungskollektor kann zwar beides, unterscheidet sich aber bei der einfachen Warmwasserbereitung kaum vom Niedertemperaturkollektor. Die Förderung nach dem Leistungswert trüge diesem Umstand genau Rechnung, weil sie den Kollektor in Bezug auf seine jeweilige Verwendung bewertet. Der einseitige Blick auf die charakteristische Temperatur würde den Niedertemperaturkollektor dagegen in seiner optimalen Anwendung unterbewerten.

Fazit

Dieser Beitrag und dessen erster Teil (siehe TAB 9/2008) sollten den Blick dafür schärfen, dass sich die deutsche solarthermische Industrie nicht ausruhen darf, wenn sie technologisch eine Führungsposition behalten möchte.