Das Thema erneuerbare Energie ist seit dem havarierten Reaktor in Fukushima, Japan, aktueller denn je. In der deutschen Politik wurde nach den dramatischen Bildern aus dem zerstörten Atomkraftwerk heftig über umweltfreundliche Energiegewinnung debattiert. Ursprünglich bereits genehmigte Laufzeiten für alte Atomkraftwerke wurden zurückgezogen, und die Politiker beschlossen einen schnellen Ausstieg aus der Atomenergie. Als Ersatz für die Atomkraft wird die Stromgewinnung aus Wind und Sonne favorisiert.
Eine weitere sehr interessante Form der Energiegewinnung ist die Solarthermie. Hierunter versteht man die Erwärmung von Brauchwasser, sowie die Heizungsunterstützung mit Hilfe der Sonnenenergie. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich ausführlich mit dem Thema Solarthermie. Dabei wird zunächst ein Überblick über die geschichtliche Entwicklung von Solarthermieanlagen gegeben. Danach erfolgt die Vorstellung der notwendigen Bestandteile einer solchen Anlage. Im weiteren Verlauf werden die verschiedenen Kollektorarten beschrieben und anschließend wird die Funktion eines Flachkollektors an einem selbst gebauten Modell aufgezeigt. Als Abrundung folgt ein Vergleich zweier unterschiedlicher Solarthermieanlagen unter wirtschaftlichem Aspekt.
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung in die Solarthermie
2. Geschichtlicher Rückblick
3. Wichtige Komponenten einer Solarthermieanlage und deren Funktionsweise
3.1 Kollektoren
3.2 Pumpe
3.3 Wärmetauscher
3.4 Speicher
3.5 Heizkessel
3.6 Verbrauchsstellen
4. Ausprägungen von Solarthermieanlagen
4.1 Anlangen ausschließlich für Warmwasserbereitung
4.2 Anlagen mit zusätzlicher Heizungsunterstützung
4.3 Bäderbetrieb
5. Art der Solarmodule
5.1 Flachkollektoren
5.2 (Vakuum-)Röhrenkollektoren
5.3 Parabolrinnenkollektoren
6. Praxisbeispiel der Firma Ebitsch
7. Eigener Versuchsaufbau
7.1 Modellaufbau
7.2 Ergebnisauswertung
8. Wirkungsgrad von thermischen Solaranlagen
9. Rentablitätsvergleich zweier Anlagen im Rahmen einer Kosten-Nutzen-Analyse .
9.1 Solarthermieanlage mit Brauchwassererwärmung
9.2 Solarthermieanlage am Beispiel SE 30 der Firma Ebitsch
9.3 Auswertung der beiden Beispiele
10. Staatliche Fördergelder
11. Fazit
12. Literaturverzeichnis
1. Einführung in die Solarthermie
Das Thema erneuerbare Energie ist seit dem havarierten Reaktor in Fukushima, Japan, aktueller denn je. In der deutschen Politik wurde nach den dramatischen Bildern aus dem zerstörten Atomkraftwerk heftig über umweltfreundliche Energiegewinnung debattiert. Ursprünglich bereits genehmigte Laufzeiten für alte Atomkraftwerke wurden zurückgezogen, und die Politiker beschlossen einen schnellen Ausstieg aus der Atomenergie. Als Ersatz für die Atomkraft wird die Stromgewinnung aus Wind und Sonne favorisiert.
Eine weitere sehr interessante Form der Energiegewinnung ist die Solarthermie. Hierunter versteht man die Erwärmung von Brauchwasser, sowie die Heizungsunterstützung mit Hilfe der Sonnenenergie. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich ausführlich mit dem Thema Solarthermie. Dabei wird zunächst ein Überblick über die geschichtliche Entwicklung von Solarthermieanlagen gegeben. Danach erfolgt die Vorstellung der notwendigen Bestandteile einer solchen Anlage. Im weiteren Verlauf werden die verschiedenen Kollektorarten beschrieben und anschließend wird die Funktion eines Flachkollektors an einem selbst gebauten Modell aufgezeigt. Als Abrundung folgt ein Vergleich zweier unterschiedlicher Solarthermieanlagen unter wirtschaftlichem Aspekt.
Bei der Frage nach der Nutzung der Solarthermie geht es in erster Linie um die Sonneneinstrahlung. Betrachtet man Deutschland, so zeigt Abbildung 1, dass der größte Ertrag im Süden zu erwarten ist. Ein Blick auf die Weltkugel macht deutlich, dass die ertragreichsten Gebiete im Bereich des Äquators liegen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 zeigt die Sonneneinstrahlung sowohl in Deutschland1 als auch global2:
2. Geschichtlicher Rückblick
Der Wunsch des Menschen, Wasser mit Hilfe der Sonnenenergie zu erhitzen, existierte bereits seit der Antike. Mit Hilfe von Brenn- bzw. Hohlspiegeln wurden Lichtstrahlen so geschickt fokussiert, dass man damit Wasser erhitzen konnte. Im frühen 20. Jahrhundert begann dann die eigentliche Entwicklung der Solarthermie. Der erste, richtige Solarkollektor wurde im Jahre 1908 von William J. Bailley erfunden. Dieser Kollektor wurde in einer isolierten Kiste montiert und bis zu 60.000-mal hergestellt. Bereits 1916 wurde vom amerikanischen Astrophysiker Dr. Charles Greeley Abbot ein Solarofen (s. Abb. 2) entwickelt, der mit Hilfe der
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Solarofen von Dr.
Charles Greeley Abbot, 1916
Sonne Öl auf über 150°C erhitzen konnte. Im Jahre 1930 gab es dann bereits den ersten mit Solarene rgie betriebenen Mini-Elektromotor. Drei Jahre später entstand zudem das erste Passiv-Solar-Haus. Im Jahre 1958 wurden mit einem 2 kW-Ofen Temperaturen von etwa 3.000°C bis 4.000°C erreicht. 1962 konnte die Temperatur auf 6.500°C gesteigert werden.3
Heute gibt es im Wesentlichen drei verschiedene Sonnenkollektormodelle:
Die „älteste“ Form der in der heutigen Zeit noch verwendeten Kollektoren ist der Flachkollektor. Dieser ist sehr weit verbreitet. Einige Jahre später wurden die Vakuumröhrenkollektoren entwickelt. Diese Kollektorart ist im Vergleich zu den Flachkollektoren energieeffizienter. Sie hat zudem einen höheren Wirkungsgrad. Bei sehr großen Anlagen kommen Parabolrinnenkollektoren zum Einsatz.3 Die Unterschiede zwischen den einzelnen Kollektortypen werden im Kapitel 5 der Arbeit dargestellt.
3. Wichtige Komponenten einer Solarthermieanlage und deren Funktionsweise
Alle Arten von Kollektoren haben eines gemeinsam: Sie sind alleine für sich gesehen nur ein kleiner Teil eines komplexen Systems - aber dennoch ein ganz wichtiger Bestandteil einer Solaranlage, da über die Kollektoren die Sonnenenergie aufgenommen wird. Je effizienter die Kollektoren arbeiten, umso höher ist der Ertrag,der genutzt werden kann. Eine Trägerflüssigkeit (Wasser-Glykol-Gemisch), die durch die Solarkollektoren aufgeheizt wird, nimmt die Sonnenenergie in Form von Wärme auf. Die heiße Flüssigkeit wird anschließend mit Hilfe einer Pumpe zum Wärmetauscher transportiert. Dieser befindet sich meist in einem Speicher, in dem das Brauchwasser bereitgestellt wird. Über den Wärmetauscher wird das Brauchwasser erhitzt. Das Wasser-Glykol-Gemisch überträgt bei diesem Vorgang seine Energie und kühlt sich ab. Durch die Pumpe wird die Flüssigkeit wieder aufs Dach in die Kollektoren transportiert, wo sie erneut durch die Sonne erwärmt wird. Der Kreislauf beginnt dann von vorne. Sollte die Sonnenenergie, zum Beispiel an bedeckten Tagen, nicht ausreichen, um das Brauchwasser auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen, so übernimmt diese Aufgabe ein Heizkessel. Dieser erwärmt, durch die Verbrennung von Öl oder Gas, das Wasser auf die Wunschtemperatur. Das erwärmte Brauchwasser steht dann an den verschiedenen Verbrauchsstellen im Haus zur Verfügung.
Neben Solarthermieanlagen für die „reine“ Brauchwassererwärmung gibt es auch solche, die für die Heizungsunterstützung im Frühjahr bzw. Spätsommer genutzt werden können. Während des Winters ist allerdings die Leistung einer Solarthermieanlage für die Unterstützung der Heizung meist zu gering, da die Sonneneinstrahlung häufig nicht genügt, um die Sonnenkollektoren ausreichend zu erhitzen. Oftmals sind die Kollektoren im Winter auch mit Schnee bedeckt und können somit keinen Ertrag liefern. Die folgende Abbildung zeigt eine vollständige Solarthermieanlage mit ihren Bauteilen, die einzelnen Komponenten werden nachfolgend beschrieben. In diesem Beispiel wird eine Solarthermieanlage mit Heizungsunterstützung vorgestellt.4
Abb. 3: Aufbau einer Solarthermieanlage4
3.1 Kollektoren
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zu Abb. 3, Markierung 1
Die Kollektoren sind bei einer Solarthermieanlage die wichtigsten Bestandteile, sie werden ausführlich im Kapitel 5 dargestellt.
3.2 Pumpe
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zu Abb. 3, Markierung 2
Mit Hilfe der Pumpe wird die erhitzte Absorberflüssigkeit zum Wärmetauscher, welcher sich im Trinkwasserspeicher (Abb. 3, Markierung 4 ) befindet, geleitet. Außerdem übernimmt die Pumpe damit zugleich die Aufgabe, die abgekühlte Absorberflüssigkeit auf das Dach in die Kollektoren zu transportieren. Die Laufzeitpunkte der Pumpe werden durch eine elektronische Steuerung festgelegt. Dabei wird die Temperaturdifferenz zwischen der Absorberflüssigkeit auf dem Dach und der Flüssigkeitstemperatur am Wärmetauscher zugrunde gelegt. Beim Erreichen eines bestimmten Temperaturunterschiedes (meist 8°C) wird die Pumpe aktiviert.
3.3 Wärmetauscher
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zu Abb. 3, Markierung 3
Im Wärmetauscher kommt schließlich die erhitzte Absorberflüssigkeit in einer isolierten Röhre an. Diese Röhre ist, wie in Abb. 3 erkennbar, spiralförmig und befindet sich im unteren Bereich des Speichers. Die Außenschicht der Röhre hat direkten Kontakt mit dem Trinkwasser, welches im Speicher gelagert ist. Somit ist sichergestellt, dass die Wärme der Absorberflüssigkeit auf das Trinkwasser übergehen kann. Nach Abgabe der Energie an das Trinkwasser kühlt sich die Absorberflüssigkeit ab.
3.4 Speicher
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zu Abb. 3, Markierung 4
Der Speicher dient bei einer Solarthermieanlage primär als Trinkwasserspeicher. In ihm wird das Wasser mit Hilfe der Absorberflüssigkeit oder einer Heizung auf die Wunschtemperatur gebracht. Die Speicher werden als bivalent bezeichnet, da sie zwei Wärmetauscher haben und sowohl von einer Heizung, als auch von einer Solaranlage betrieben werden können. Am Speicher sind über ein Rohrsystem alle Verbrauchsstellen im Haus angeschlossen.
3.5 Heizkessel
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zu Abb. 3, Markierung 5
Wie bereits mehrfach ausgeführt, wird ein Heizkessel immer dann benötigt, wenn die Sonnenenergie nicht ausreicht, um die Absorberflüssigkeit und somit das Brauchwasser hinreichend zu erhitzen.
Abbildung 4 zeigt den Solarertrag und den
Abb. 4 Solarertrag in einem Jahr5
Warmwasser Wärmebedarf während eines Jahres. Der anwachsende „Hügel“ in der Mitte der Graphik weist den Solarertrag in kWh aus. Dieser ist proportional zur monatlichen Sonneneinstrahlung und daher natürlich im Sommer größer als im Winter. In Spitzenzeiten liegt er während des Sommers bei über 300 kWh. Die helleren Bereiche der Graphik stellen den Wärmebedarf für Warmwasser in einem Jahr dar. Hieraus wird ersichtlich, dass im Winter, Frühjahr und Herbst der Wärmebedarf, der über eine Solarthermieanlage gewonnen werden kann, nicht ausreichend ist und somit durch ein herkömmliches Heizungssystem ein Ausgleich stattfinden muss. Neben dem Heizkessel, der elektrisch betrieben werden kann, gibt es auch Öl- und Gasheizungen, sowie neuere Systeme, wie zum Beispiel die Nutzung einer Wärmepumpe oder eines Pelletofens.5
3.6 Verbrauchsstellen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zu Abb. 3, Markierungen 6
Verbrauchsstellen sind die Warmwasseranschlüsse zum Beispiel am Waschbecken, an der Badewanne oder in der Dusche. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch eine gute Dämmung der Leitungen, um auf dem Weg vom Speicher hin zur Verbrauchsstelle möglichst wenig Energie zu verlieren. Um Strom einzusparen, ist es sinnvoll, spezielle Waschmaschinen oder Geschirrspüler zu verwenden, die direkt mit heißem Wasser versorgt werden können. Somit ist der stromintensive elektrische Heizvorgang in den Maschinen hinfällig.
4. Ausprägungen von Solarthermieanlagen
Im Allgemeinen unterscheidet man bei Solarthermieanlagen hauptsächlich zwischen drei verschiedenen Typen, welche im Einsatzzweck variieren. Für die meisten Anlagen gilt jedoch, dass sie für die Warmwassergewinnung im Herbst und Winter in Mitteleuropa ein zusätzliches Heizsystem benötigen.
4.1 Anlangen ausschließlich für Warmwasserbereitung
Eine solche Anlage erwärmt „ausschließlich“ das Trinkwasser. Für eine vierköpfige Familie gilt: „schon eine Kollektorfläche von 4 bis 6 Quadratmeter und ein Speichervolumen von etwa 300 bis 400 Litern sind für die Warmwasserbereitung im Einfamilienhaus ausreichend.“6 In Kapitel 9.1 werden die Kosten einer solchen Anlage vorgestellt. Mit diesem Anlagentyp können jährlich etwa 10% der Kosten für fossile Brennstoffe eingespart werden.
4.2 Anlagen mit zusätzlicher Heizungsunterstützung
Diese Art von Anlagen unterstützt neben der Warmwasserbereitung auch noch das Heizungssystem. Jedoch müssen aufgrund des erhöhten Wärmebedarfs sowohl die Kollektorflächen (in etwa 8 bis 10 Quadratmeter), als auch der Speicher wesentlich größer ausgelegt werden. Dieser ist im Vergleich zur reinen Warmwasseraufbereitung anders aufgebaut. Neben dem Trinkwassertank wird ein weiterer Tank im Speicher benötigt, der die Raumheizung versorgt. Es ist dabei anzumerken, dass es sich bei der Heizung um ein Niedertemperatursystem handeln sollte, um das erwärmte Wasser optimal für Heizzwecke nutzen zu können. Das Ziel dieser Anlagenvariante ist es, hohe Einsparungen beim Verbrauch der fossilen Brennstoffe zu erreichen. So wird behauptet, dass „[m]it dieser Anlage pro Jahr etwa 30 Prozent des Wärmebedarfs von der thermischen Solaranlage gedeckt werden [kann]. Voraussetzung für diese Leistung der Solarheizung ist jedoch ein gut wärmegedämmtes Haus.“7
Weiterhin ist anzumerken, dass natürlich bei dieser Variante im Vergleich zu 4.1 eine höhere Investition getätigt werden muss.
Die Abbildung 5 stellt den Aufbau von Solarthermieanlagen mit und ohne Heizungsunterstützung gegenüber:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 5
Solarthermieanlage mit und ohne Heizungsunterstützung8
[...]
1 http://www.pv-ertrag.com/bilder/globalstrahlungskarte.jpg (23.04.2011)
2 http://www.tcidg.de/agenda21/assets/images/Erde.jpg (23.04.2011)
3 vgl. http://www.buch-der-synergie.de/ (25.04.2011) Entsprechende Unterseiten (URLs) siehe Literaturverzeichnis (-> Quellen)
Abb. 2: http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_04_02_sonne_geschichte_2.htm
4 http://www.selztal-solar.de/assets/images/2-2_schema-solarthermie1.jpg (08.08.2011) 4
5 http://www.heizungsfinder.de/solarthermie/systeme/warmwasser (15.08.2011) 6
6 http://www.heizungsfinder.de/solarthermie/systeme/warmwasser (15.08.2011)
7 http://www.heizungsfinder.de/solarthermie/systeme/heizungsunterstuetzung (15.08.2011) 7
8
- Quote paper
- Daniel Will (Author), 2011, Solarthermie. Komponenten und Ausprägung der Solarthermieanlagen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/303790
