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Gliederung
01 Thema
02 Einleitung
03 Energieverbrauch
04 Windkraft
05 Photovoltaik
06 Sonnenkollektoren
07 Geothermie
08 Sterlingmotoren
09 Biomasse
10 Inselsysteme
11 Solararchitektur
12 Umfrage
13 Förderungen
14 Danksagung
15 Anhang
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Diplomarbeit
6 Sonnenkollektoren
 
  Sonnenkollektoren dienen der Wärmegewinnung.
Man unterscheidet zwischen Anlagen, die nur das Brauchwasser erwärmen, und Anlagen, die sowohl Brauchwasser als auch der Raumheizung dienen. Verschiedene Sonderanwendungen sind denkbar.

6.1 Funktionsweise

Sonnenkollektoren werden an sonnenintensiven und sonnenreichen Standorten aufgestellt. Durch die auftreffende Solarstrahlung wird die im Kollektor zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit erwärmt. Die Wärmeträgerflüssigkeit erwärmt nun den Boiler, wo das erwärmte Wasser nun je nach Bestimmung als Brauchwasser oder Heizwasser verwendet werden.

6.2. Typen

Es werden 4 verschieden Grundtypen unterschieden:

Absorber
Absorber sind die einfachsten Kollektoren. Sie bestehen meistens aus schwarzen auf dem Dach verlegten Kunststoffrohren. Die auftreffende Sonnenstrahlung erwärmt die in den Röhren fließende Wärmeträgerflüssigkeit (meist Wasser).


Flachkollektoren
Flachkollektoren nutzen zusätzlich den Treibhauseffekt. Durch eine transparente Oberfläche trifft die Sonnenstrahlung auf den mattschwarzen Absorberkern. Dadurch wird dieser erwärmt, und die eingeschlossene Luft dient als Wärmedämmung nach außen. Nach innen muß eine zusätzliche konventionelle Dämmung angebracht werden. Diese ist meist im Kollektor bereits installiert.


Vakuum-Kollektoren:
Vakuum-Kollektoren erhöhen die Ausbeute der Sonnenstrahlung, indem die Luft zwischen transparenter Oberfläche und Absorber so weit als möglich entfernt wird. Dadurch wird weniger Wärme abgestrahlt (bessere Dämmung nach Außen).
    Es gibt zwei Typen von Vakuum-Kollektoren:
    Vakuum-Flachkollektoren
    Vakuum-Röhrenkollektoren

Vakuum-Flachkollektoren haben sich auf den Markt nicht durchgesetzt.

Vakuum-Röhrenkollektoren haben den Vorteil, daß Sie besser die Kräfte aus der Vakkumbeanspruchung aufnehmen können (Kesselformel) und die einzelnen Absorberelemente im Kollektor können individuell verdreht werden, so daß bei ungünstigen Aufstellverhältnissen ein besserer Wirkungsgrad erzielt wird.

Kollektoren mit transparenter Wärmedämmung:
Durch einen wabenförmig strukturierten Kunststoff, der senkrecht zum Absorber steht, werden weniger Strahlen reflektiert (siehe Abbildung 6-5), so daß die Ausbeute im Vergleich zu den Vakuum-Kollektoren noch etwas gesteigert werden kann.

Aufbau einer Sonnenkollektoranlage:
Der Sonnenkollektor sammelt die Sonnenenergie und gibt diese an das Wärmeträgermedium weiter. Über wärmegedämmte Leitungen wird die erwärmte Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher und anschließend wieder zurück in den Kollektor geführt. Der Wärmetauscher gibt die Wärme an den Speicher weiter, wo sie für Warmwasser und/oder Heizung verwendet wird.

Der Speicher ist dabei das wichtigste an der gesamten Anlage. Wenn Wärme von den Kollektoren geliefert wird scheint in der Regel die Sonne, also ist der Wärmebedarf (Stichwort passive Solararchitektur) zu diesem Zeitpunkt nicht so groß. Wärmebedarf entsteht am Abend, in der Früh und an Schlechtwettertagen. Darum sollte der Speicher mindestens so groß dimensioniert werden, daß er 2 - 3 Tage den Wärmebedarf zumindest für das Warmwasser decken kann.

Die Steuerung der Anlage hat einen entscheidenden Einfluß auf den Wirkungsgrad der Anlage. Meßfühler der Kollektor-, Vorlauf-, Rücklauf- und der Speichertemperatur sind optimal anzupassen.

Für den Fall, daß über längere Zeit keine Sonne scheint (Winter) ist eine Zusatzheizung in unseren Breiten unerläßlich. Diese kann konventionell mit einen Brennwertkessel, Biomasse oder in naher Zukunft mit einem Sterling Motor oder Brennstoffzelle betrieben werden.

Bei der Auswahl eines Kollektors sollte auch darauf geachtet werden, welche Temperaturen er im Betrieb erreichen kann. Desto höher der Temperaturunterschied zwischen Wärmeträgerflüssigkeit im Kollektor und Wasser im Speicher, desto höher ist auch der Wirkungsgrad der gesamten Anlage.
Deshalb die Empfehlung die Kollektoren hintereinander und nicht parallel zu schalten. Pro Person sollten ca. 2m² Kollektorfläche installiert werden. Für Schwimmbäder gilt pro 0,5m² Schwimmbadfläche 1m² Kollektor.


Aus obiger Abbildung kann man sehen, daß Vakuumkollektoren nur bei geringer Sonneneinstrahlung besser sind.


6.3. Standortwahl, Einsatzmöglichkeiten, Speicher

Genehmigung:
Die Genehmigung von Solaranlagen geschieht durch die Bauordnungsämter. Zuständig für die Gesetzgebung sind die Länder (Landesbauordnungen). In der Regel sind Solaranlagen genehmigungsfrei, sofern sie an der Fassade, auf Flachdächern oder in der Dachfläche errichtet werden. Einige Länder bestehen auf einer Genehmigungspflicht für Anlagen, die aus dem Baukörper hervorspringen. Weitere Einschränkungen können durch örtliche Bebauungspläne oder andere Vorschriften für die bauliche Gestaltung vorgegeben werden (z. B. denkmalgeschützte Bauten). Vor der Planung einer Solarthermie-Anlage sollte bei der zuständigen Bauordnungsbehörde nach bestehenden Vorschriften hinsichtlich der Genehmigung der Anlage nachgefragt werden.

Standort:
Ein Sonnenkollektor sollte an der Stelle mit der längsten Sonnenscheindauer im richtigen Neigungswinkel aufgestellt werden. Eine Verschattung sollte ausgeschlossen werden können.

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Meerwasserentsalzung        
         
   
    Einsatz sinnvoll und rentabel
    Standardisierte Anlagen
    Einsatz möglich, aber nur in Sonderformen rentabel
    Sonderanlagenbau

Den Ertrag kann man über folgende Graphik abschätzen. Dies ist jedoch nur ein erster Anhaltspunkt, da der gesamte Systemwirkungsgrad der verschiedenen Anlagen sehr unterschiedlich sein kann. Eine Ertragsabschätzung ist nur mit einem Simulationsprogramm (oder einer langwierigen Handrechnung) möglich.

Welche Solaranlagen sind auf den Markt verfügbar und ist Ihre Anwendung sinnvoll und rentabel?

Abbildung 6-9 zeigt den ungefähren Wirkungsgrad von Solaranlagen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur: [1]
Speicher:
Leider ist bei der Nutzung der Solarenergie Angebot und Nachfrage mit Ausnahme des Warmwasserverbrauchs genau gegenläufig (siehe Abbildung 6-11).


Abbildung 6-10 zeigt den Unterschied zwischen Angebot und Nachfrage bei Sonnenkollektoren: [2]
Darum muß ein geeignetes Speichermedium gefunden werden, um überschüssige Energie vom Sommer für den Winter zu speichern. Aber auch um kurzzeitige kalte Tage ohne Sonneneinstrahlung zu überbrücken muß eine Speichermöglichkeit vorhanden sein. Um eine große Wärmemenge über einen längeren Zeitraum zu speichern muß der Speicher (oder auch Wärmetresor) ausreichend dimensioniert werden, d.h. sein Volumen muß ausreichend groß und er muß sehr gut gedämmt sein. Um einen möglichst großen Wirkungsgrad zu erzielen sollte ein sehr hoher Speicher gewählt werden, damit sich eine Schichtung im Speicher ausbilden kann. Wasser mit 4 Grad Celsius ist am schwersten und sinkt auf den Boden. Warmes Wasser steigt auf. Der Wärmetauscher sollte im kältesten Bereich liegen (also ganz unten), damit der größte Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Die Speicherdimensionierung für den Warmwasserverbrauch kann mit mindestens 100 Liter Speichervolumen je Person im Haushalt angenommen werden. Für Heizungsspeicher sind nach oben keine Grenzen gesetzt.

Herkömmliche Speicher bestehen aus Edelstahl, Kunststoff, emaillierten Stahlspeicher und kunststoffbeschichteten Speicher

Sonderlösung:
Wasser - Eis - Speicher: [3] [4]

Herr Winfried Hesse aus Bad Reichenhall hat folgendes System mit nachgenannten Einzelteilen entwickelt:

Er gewinnt mit Hilfe eines Eisspeichers Energie für Warmwasser und Heizung. Während des Sommers reichen die Solarkollektoren auf dem Dach aus, um das Gebäude zu versorgen.

Abbildung 6-11 zeigt das Schema des Wasser-Eis-Speichers: [5]

Die Funktion der Wärmegewinnung:
Durch die Wärmepumpe bis 4,0 kWh Heizwärme durch nur 1 kWh elektrischer Energie aus sonst ungenutzter Umweltwärme erzeugt (Leistungszahl = 3,5 - 4,0).

1."Wasser-Eis-Speicher": Für eine externe Unterbringung eignen sich Regenwassersammler oder Betongruben. Je nach Hausgröße und Lage beträgt das Volumen 20 bis 30 m³. Wird der Speicher im Keller untergebracht, werden davon rund 20% benötigt.

2. Pumpe: Sie fördert Wasser vom Grund des Speichers in einen Verteiler auf den senkrecht angeordneten Verdampfer. Durch Öffnungen im Verteiler fließt das Wasser beidseitig über den Verdampfer in den Speicher zurück.

3. Verdampfer: Er ähnelt Flachheizkörpern einer Zentralheizung und wird von FCKW freiem Kältemittel durchströmt. Dieses ist gut 5°C kälter als das außen fließende Wasser und entzieht diesem Wärme. Ist das Wasser auf 0°C abgekühlt, bildet sich an der Verdampferoberfläche Eis. Weil dieses Eis den Wärmeübergang behindert, vertauscht eine Automatik die Funktionen von Wärmeaufnahme (Verdampfer) und Wärmeabgabe (Kondensator) für einige Sekunden. Auf der dadurch leicht erwärmten Oberfläche kann sich das Eis nicht halten, es rutscht herunter, fällt in den Speicher, zerbricht in kleine Stücke und schwimmt wegen seiner geringeren Dichte auf der Wasseroberfläche. Es werden 2 bis 4 Verdampferplatten benötigt ( jeweils 150 cm breit, 60 cm hoch und 2 cm dick).

4. Wärmepumpe: Das Kältemittel wird im elektrisch betriebenen Kompressor verdichtet und dadurch erhitzt. Das heiße Gas gibt die Wärme über zwei getrennte Wärmetauscher (Kondensatoren) mittels Umwälzpumpen an den Heiz- und den Brauchwasser-Pufferspeicher ab. Danach entspannt sich das Kältemittel beim Passieren eines Ventiles, kühlt sich dabei stark ab und nimmt im Verdampfer neue Wärme durch Wasserkühlung/Eisbildung auf. Ein Mikrocomputer sorgt für rationelle Beladung der Pufferspeicher und für den stromsparenden Betrieb der Anlage.

5. Solarkollektoren: Etwa 8 bis 12 m² Flachkollektoren übernehmen die Warmwasserversorgung und in der Übergangszeit die Heizung. Sie tauen das im Winter eingefrorene Wasser im Frühjahr/Sommer wieder auf und erwärmen es im Herbst auf gut 40°C, außer, wenn das Eis zur Raumkühlung im Sommer verwendet wird.

Der Aufwand für das "Wasser-Eis-Speicher-System":

Die Größe des "Wasser-Eis-Speicher " für ein 150m² Niedrig-Energie-Haus (NEH):

Ein Niedrig-Energie-Haus benötigt 30 bis 70 kWh/m² Heizwärme. Bei einem mittleren Verbrauch von 50kWh/m² x 150m² = 7.500kWh pro Jahr. In den vier Wintermonaten davon etwa 80%, plus 4/12 von 3.600 kWh zur Brauchwassererwärmung, abzüglich 1.200 kWh durch 12m² Solarkollektoren. Somit werden ca. 6.000 kWh benötigt.

Die Wärmepumpe mit einer Leistungszahl von 3,5 benötigt 6.000 : 3,5 = 1.714 kWh Strom und folglich 4.286 kWh "Umgebungswärme". Wasserkühlung von +40°C auf 0°C (1,16kWh/m³K) = 46,4kWh/m³, Vereisung von 0°C Wasser zu 0°C Eis = 93,0 kWh/m³, somit 46,4 + 93,0 = 139,4 kWh/m³ Wasser

Die erforderliche Wassermenge im "Wasser-Eis-Speicher " beträgt 4.286kWh : 139,4kWh/m³ = 30,7m³. Bei einem 2 Meter tiefen Speicher lassen sich wegen des größeren Volumens von Eis gegenüber Wasser maximal 1,75 Meter Höhe nutzen, Womit eine Grundfläche von 17,5 m² benötigt wird.

Kosten:

Ein Niedrig-Energie-Haus (NEH) mit 150 m² Wohnfläche benötigt folgende Baukomponenten:

1. etwa 12m² Flachkollektoren für die Solaranlage 8.400.- DM

2. einen Wasserspeicher (z.B. einen Regenwassersammler) 10.000.- DM

3. die Wärmepumpenanlage (mit Wasser- und Luftkühler, Wärmetauscher
    für Heiz- und Brauchwasser, Regelelektronik und Temperaturfühler) 20.000.- DM

4. abzüglich der zur Zeit gewährten Fördermittel von etwa 30% (regional sehr unterschiedlich)
    - 11.520.- DM

5. zusammen etwa - 26.880.- DM

6. dafür entfällt die sonst übliche Ölheizung mit Öllager und ein Schornsteinzug,
    etwa - 19.000.- DM

Der Mehraufwand (Investition, Anm. d. Autors) beträgt etwa 7.880.- DM.

Betriebskosten bei 150m² Wohnfläche und 50kWh/m² Heizwärmebedarf pro Jahr:

Der Gesamtenergiebedarf beträgt 11.100kWh pro Jahr (150m² x 50kWh/m² + 3.600kWh für die Brauchwassererwärmung). Bei Einsatz des "Wasser-Eis-Speichers " betragen die Betriebskosten etwa 380.-DM/a (11.100kWh abzüglich 20% durch direkte Energie der Solaranlage, sowie einer Leistungszahl = 3,5 und 0,15DM/kWh für den Wärmepumpenstrom).

Die Betriebskosten für eine Ölheizung betragen etwa 694.-DM/a, (incl. Brauchwassererzeugung mit einem Wirkungsgrad von 80%, sowie 10kWh/Liter und 0,50DM/Liter für Heizöl). Hinzu kommen noch die jährlichen Schornsteinfegergebühren. Das bedeutet eine deutliche Senkung der jährlichen Betriebskosten beim Einsatz des "Wasser-Eis-Speicher "Systems (bei einer Verzinsung mit 6% der zusätzlichen Investitionskosten betragen die Betriebskosten 380,- DM + 0,06 * 7880,- DM = 853,- DM/a, Anm. d. Autors).

Straßenkollektoren: [6]

Schweizer Wissenschaftler nutzen Straßen als preiswerte Sonnenkollektoren. Unter der Teerdecke einer Brücke im Kanton Bern haben Sie dazu eine Art Fußbodenheizung verlegt, dir im Sommer der bis über 60 Grad Celsius heißen Fahrbahn Wärme entzieht, um Sie im Winter wieder abzugeben. Die Wärme wird dazu im Gestein nahe der Brücke gespeichert. In 91 Bohrlöchern bis in einer Tiefe von 65 Metern wurden dazu Leitungsrohre untergebracht, in denen Wasser zirkuliert. Wie die Betreiber in Konstanz berichteten läuft die Anlage seit zwei Jahren erfolgreich, die Brücke fror nicht mehr zu. Bis zu 70% der im Sommer gespeicherten Energie konnte im Winter wiederverwendet werden. Die Erprobung dauert noch bis Ende 1997- ähnliche Anlagen bieten sich eventuell für Rollbahnen auf Flughäfen an.

Eine Verwandtschaft vom Sonnenkollektor in der Straße zum Wärmekollektor im Gestein ist hier vorhanden.

In diesem Bereich treffen sich die Geothermie und die Solarenergie.


6.4 Simulationsprogramme [7]

T*Sol

Komfortables Simulations-Programm zur Auslegung und Wirtschaftlichkeitsberechnung von thermischen Solarkollektorsystemen.

Computersystem: MS-Windows 3.1 oder höher
Preis: DM 850.- (30% reduction for schools/universities)
Sprache: Deutsch + English + Espanol
Kontakt: Dr.-Ing. Gerhard Valentin, Köpenicker Str. 8, D-10997 Berlin
online-WWW-info & Download
Tel. (+49-30) 617917-80 Fax: (+49-30) 617917-88
100734,3476@compuserve.com

Getsolar

Programm zur Berechnung von Solarkollektoranlagen.
Computersystem: MS-DOS
Sprache: Deutsch
Kontakt: Axel Horn, Buchenstraße 38, D-82054 Sauerlach
Preis: ca. 50,- DM


6.5 Markt, Preise:

In Deutschland ist der Markt für Sonnenkollektoranlagen stetig am wachsen. 1992 wurden 140 000 m² Kollektorfläche montiert. Die Aufteilung war mit 60.000 m² Flachkollektoren, 40 000 m² Vakuumkollektoren und 40 000 m² Schwimmbadabsorbern recht gleichmäßig. In den darauffolgenden Jahren verschieben sich die Anteile etwas. Im Jahr 1995 ist doppelt so viel Kollektorfläche (300 000 m²) montiert worden. Mit ca. 170 000 m² konnten die Flachkollektoren Ihre Spitzenstellung noch weiter ausbauen. Die Vakuumkollektoren konnten sich nur um 10.000 m² verbessern. Mit 80.000 m² montierten Absorbern haben diese den Vakuumkollektoren Rang 2 abgelaufen. Die Tendenz geht also weg von den Vakuumkollektoren und hin zu den billigeren und fast so guten Flachkollektoren.

Abbildung 6-12 zeigt die jährlich in Deutschland installierte Kollektorfläche: [8]

Für Solaranlagen ist die Kostenaufteilung ähnlich wie bei den PV-Anlagen. Auch hier sind die Kosten für die Kollektoren, wie bei den PV-Anlagen die Module, am teuersten (36%). Danach kommt der Speicher (26%, bei den PV-Anlagen wäre das der Wechselrichter) und die Montage mit 21% der Kosten. Allerdings kommen nun noch die Solarstation (Erläuterung siehe unten) und sonstige Kleinteile hinzu (insgesamt 17%).

Abbildung 6-13 zeigt die durchschnittliche Aufteilung der Kosten einer thermischen Solaranlage: [9]

Interessant ist auch die Aufteilung für die teuerste Anlage (Komplettpreis 19.315,- DM) und der billigsten Anlage (7248,- DM) für ein EFH.

Abbildung 6-14 zeigt die Kostenaufteilung der billigsten, teuersten und Durchschnittsanlage: [10]

Speicherpreise:

Kunstoffspeicher ca. 2000,- DM
Emaillierter Stahlspeicher 1.400,- bis 3.900,- DM
Edelstahlspeicher 2.700,- bis 4000,- DM
Kunststoffbeschichteter Stahlspeicher 2.500,- bis 3.200,- DM

Neben den Komponenten Kollektor, Speicher und Regelung sind noch eine Vielzahl von Kleinteilen zum Betrieb einer Solaranlage nötig. Immer häufiger werden diese Kleinteile in einem Gesamtpaket als vormontierte Solarstation angeboten.

Abbildung 6-15 zeigt die Komponenten einer Solarstation: [11]
Solarstation:

Solarstation (einfach) 400,- bis 600,- DM
Solarstation mit Anbindung Brauchwasser 600,- bis 900,- DM
Wie oben jedoch mit Anbindung für Nacherwärmung 850,- bis 1.200,- DM

Montage:

Die Montage sollte für ein EFH in ungefähr 20 Arbeitsstunden zu schaffen sein. Bei 85,- DM/h wären dies ca. 1700,- DM.


6.6 Wirtschaftlichkeitsrechnung

Hierbei ist vor allem der Preis je gewonnener kWh interessant, welche Wärmegestehungskosten (WGK) genannt wird. In der Marktübersicht für thermische Solaranlagen ist eine Graphik mit den ungefähren WGK für verschiedene Anlagentypen angegeben. Dabei ist mit einer Verzinsung des eingesetzten Kapitals von 4%, einer Lebensdauer von 20 Jahren (damit eine Abschreibung der Investitionskosten über 20 Jahre) und Wartung, Reparatur inklusive Stromverbrauch der Umwälzpumpen mit 100,- DM/a gerechnet worden. Auch die Preise für Öl und strombetriebene Anlagen sind zum Vergleich angegeben.
Abbildung 6-16 zeigt die Wärmegestehungskosten für verschieden Anlagentypen im Vergleich: [12]
Beispielrechnungen:

Neubau EFH in Niedrigenergiebauweise von Martin Runge in Gröbenzell bei München:
Die Ertragsrechnung wurde dem beiliegenden Angebot entnommen (siehe Anlage).

Energieverbrauch laut Wärmebedarfsrechnung 36 kWh pro m² und Jahr.
Warmwasserbedarf: 80 l/d (für 2-Personen Haushalt)
Kellerheizung: 35 m² mit 80W/m²
Kollektorfläche: 9,44 m²

Angebot:

2 Stück Paradigma 500 inkl. 10l Solarträgermedium: 5.650,- DM
Dacheindeckrahmen für 2 Kollektoren: 1,100.- DM
LOW FLOW Solarstation 2.100,- DM
10m Kupferrohr inkl. Isolierung: 150,- DM
Regelung inkl. Fühler: 450,- DM
Dito 600 Kombispeicher: 3.700,- DM
Montage, Inbetriebnahme: 900,- DM
SUMME: 14.050,- DM
MwSt.: 2.107,50 DM
Endbetrag: 16.157,50 DM
Lieferung frei Haus

Ertragsabschätzung:


Ertragsabschätzung: Höhe ü. NN: 550m Zirkulationsverluste: 37%
Breitengrad: 48° 11´ Kollektorkreislauflänge: 10m
Kollektorneigung 40° Wärmeträger 35% Antifrogen
Kollektororientierung 30° Rohrdurchmesser 18 mm
Kollektordurchsatz: 20 kg/hm² Isolierungsdicke: 30 mm
Kollektoinhalt 0,48l/m² Kollektordurchsatz: 188,8 kg/h
Verlustfaktor 3,399 W7m² Fließgeschwindigkeit: 0,25 m/s
Opt. Wirkungsgrad 79% Druckverluste 26,77 mbar
Anzahl der Kollektoren 2 Wärmeverluste 1,638 kWh/d
Speicherinhalt: 600 l WW-Nutzwärmebedarf 4,454 kWh/d
Kaltwassertemperatur 12°C Echter WW-Wärmebedarf 6,092 kWh/d
Warmwassertemp 60°C Heizungswärmebedarf: 18.060 kWh/a
Wärmetauscherleistung: 300 W/m²K    

Ergebnisse:

Monat Solarstrah-
lung in kWh
Wärmebe-
darf in kWh
Zusatz
energie kWh
Sonnenen-
ergie kWh
Deckungs-
grad in %
Wirkungs-
grad in %
Januar 475 3175 2955 220 7 46
Februar 689 2530 2204 326 13 47
März 1011 2428 1935 493 20 49
April 1267 1447 818 629 43 50
Mai 1435 935 117 818 87 57
Juni 1422 544 0 870 160 38
Juli 1503 562 0 884 157 37
August 1364 562 0 816 145 41
September 1233 905 196 709 78 58
Oktober 875 1868 1383 486 26 55
November 514 2350 2081 269 11 52
Dezember 373 3175 2987 188 6 50
Jahr 12314 20482 14676 6709 32% 54%

Spezifischer Ertrag von 710,7 kWh/m².
Es werden keine Fördergelder in Anspruch genommen. Möglich wären 1.500,- DM aus der Bundeskasse gewesen.

Hier die Rechnung, wie sie in der Marktübersicht für thermische Solaranlagen gerechnet wurde:


Förderung keine 50% Förderung
Komplettpreis Solaranlage 16.157,5 8.078,75
abzüglich Speichergutschrift -2.000,- -2.000,-
Investitionskosten 14.157,50 6.078,75
Abschreibung (20 Jahre) in DM/a 707,875 303,9375
Zinsbelastung (4 %/a) 1.041,7 447,29
Betrieb und Wartung in DM/a 100,- 100,-
jährliche Kosten gesamt 1.855,575 851,2275
Jährlicher Solarenergieertrag 6709 kWh/a 6709 kWh/a
solare Wärmegestehungskosten 0,277 DM/kWh 0,127 DM/kWh

Nun eine Rechnung mit Berücksichtigung folgender Parameter (Kapitalwertmethode):

Die Investitionskosten werden mit 16.157,50 DM angenommen, da Herr Runge keine Förderung in Anspruch nimmt. Die Abschreibung pro Jahr bei einer Lebensdauer von 20 Jahren ist 807,875 DM/a. Die Inflationsrate wird mit 2% geschätzt, der Darlehenszins beträgt 6,5% mit 10 Jahre Tilgung. Betrieb und Wartung werden mit 200,- DM/a gerechnet. Dies ergibt Wärmegestehungskosten (WGK) von 0,35 DM/kWh.

Bei einer Zinsbelastung von nur 4% über 20 Jahre und keiner Berücksichtigung der Inflation ergeben sich 0,327 DM/kWh. Wenn die Wartung auf 50,- DM/a reduziert wird ergeben sich 0,305 DM/kWh.

Hätte Herr Runge eine Förderung von 1.500,- DM in Anspruch genommen, eine Verzinsung des Kapitals über die Lebensdauer mit 4% und Wartungskosten von 100,- DM/a, betrügen die WGK 0,312 DM/kWh.

Fazit:

Herr Runge hat eine preisgünstige Anlage bekommen, die Ihm auf Umweltfreundliche Art Wärme liefert. Allerdings ist eine solche Anlage immer noch teurer (27,7 Pf/kWh) als eine vergleichbare, Öl-befeuerte Anlage (ca. 10 Pf/kWh).

PHÖNIX-Anlage: [13]

Die PHÖNIX-Anlage ist eine der billigsten auf den Markt. Sie kostet für einen Haushalt mit bis zu 9 Personen 7.950,- DM inkl. MwSt. Hierin ist enthalten:

3 Flachkollektoren mit insg. 8,1 m², Montagesatz, Solarstation, Solarsteuerung, Solarspeicher (500l), thermostatischer Brauchwassermischer und 11 kg Frostschutzmittel.

Der Ertrag der Anlage wird nach den Standortfaktoren von Herrn Runge übernommen mit 700 kWh/a m² Kollektorfläche auf 5670 kWh/a (8,1 * 700 kWh/m²a).

Ohne Montagekosten:

Die WGK betragen mit 6,5% Darlehenszinsen über 10 Jahre gerechnet, 100 DM/a Wartung und 2% Inflation 0,204 DM/kWh. Mit einer Förderung von 1.500 DM ergeben sich 0,169 DM/kWh.

Mit Montagekosten:

Die Montagekosten werden auf 4.400,- DM geschätzt (sichere Seite). Die restlichen Angaben wie oben. Damit WGK ohne Förderung 0,308 DM/kWh, mit Förderung 0,273 DM/kWh.

Eine Untersuchung für die Abhängigkeit der WGK vom Ertrag je m² Kollektorfläche mit Förderung von 1.500 DM, Montagekosten von 4.400 DM und Inflationsrate von 2% ergab folgendes Ergebnis. Die rote Linie ist eine Trendlinie. Die Formel rechts unten im Diagramm gibt die Funktion der Trendlinie an.


Beispielanlage MFH in Starnberg seit 1977

1977 wurde beim Neubau unseres Hauses eine Kollektoranlage, bestehend aus 6 Flachkollektoren mit jeweils 2 m² Grundfläche, auf ein 34° geneigtes Dach mit 20° Sonnenazimut nach Westen eingebaut.

Die Kollektoren hatten damals noch eine einfache Folienabdeckung, was dazu führte, dass in den ersten 2 - 3 Jahren jeweils die unteren Befestigungsrahmen durch herabrutschenden Schnee beschädigt und so die Kollektoren undicht wurden.

Die ersten Kollektoren wurden durch die Herstellerfirma durch zweilagig abgedeckte Folien-Falchkollektoren kostenlos ersetzt.

Die ganzen Anschlüsse und Blechverwahrungen am Dach mussten jedoch wieder neu hergestellt werden, da zum Zeitpunkt 1977 bei der Erstellung des Gebäudes der Einbau der Sonnenheizungsanlage noch genehmigungspflichtig war und die Anlage in das Dach integriert werden musste.

Auch die zweite Generation dieser Solarflachkollektoren mit Folienabdeckung hatte nur eine Nutzungsdauer von etwa 5 Jahren, da das Hauptproblem, der herabrutschende Schnee, hierbei nicht berücksichtigt wurde.

Auch bei dieser Generation der Kollektoren wurde durch das Herabrutschen des Schnees jeweils der untere Befestigungswinkel ausgerissen, wodurch Luft in die Zwischenräume eintrat, Kondensatbildung und Rost entstanden.

Die Herstellerfirma erklärte sich daraufhin bereit, bei Zuzahlung des halben Preises die dritte Generation von Solarflachkollektoren zu liefern.

Dies sind jetzt Flachkollektoren mit Acrylabdeckungen, wobei die Acrylabdeckung über den unteren Befestigungwinkel hinausreicht.

Diese Kollektoren arbeiten seitdem störungsfrei mit Ausnahme eines Kollektors, dessen Acrylabdeckung vermutlich infolge eines Hagelschadens einen Riß bekam. Dieser konnte derzeit jedoch noch mit Silikon abgedichtet werden.

Das 1977 eingebaute Heizungsschema ist in der Anlage in der Skizze dargestellt.

Da von Anfang an ein Wärmemengenzähler eingebaut war, konnte die eingebrachte Energie genau abgelesen werden.

Dazu ist jedoch festzustellen, dass erst nachträglich eine Rückschlagklappe in den Solarkreislauf eingebaut wurde, da sich sonst während des Heizbetriebs mit dem Heizkessel jeweils eine Umkehrung des Solarkreislaufs ergab und damit die Luft über die Kollektoren geheizt wurde.

Weiteres wurde später, etwa 1985 oder 1988, eine Sperre dahingehend eingebaut, daß sich während des Solarbetriebs die Boilerladepumpe nicht einschaltet.

Ursprünglich schaltete sich diese immer ein, sobald die Sonnenheizung in Betrieb ging, da durch das Mischen des Wassers im Boiler kühleres Wasser an das Thermostat der Heizung gelangte und somit die Heizung in Betrieb setzte.

Die in dem Heizungsschema dargestellte Anlage ist so geschaltet, daß tagsüber der Heizkessel die Heizleistung übernimmt und nachts die Wasser/Wasser-Wärmepumpe. Die Wasser/Wasser-Wärmepumpe hat eine Leistung von etwa 8 kW, der Heizkessel eine von etwa 16 kW.

Kosten:

Die zusätzliche Anlage ohne Wärmepumpe kostete 1977 etwa 12.000,- DM zu der normalen Heizungsanlage.

1980 wurden Reparaturarbeiten in Höhe von etwa 5.000,- DM fällig, um die beschädigten Kollektoren auszutauschen (die Kollektoren waren kostenlos).

1985/88 war nochmals ein Betrag von 10.000,- DM fällig, einmal zur Bezahlung des halben Preises für die Sonnenkollektoren sowie zur Neuerstellung der Blechverwahrung und der Anschlüsse.

Die eingebrachte Leistung beträgt etwa 61.000 kWh in 20 Jahren, daraus kann der erzielte kWh-Preis ermittelt werden.

Bei einer Betrachtung über 20 Jahre und einer Abschreibung der Investitionskosten über 20 Jahre, bzw. der Reparaturkosten über 10 Jahre mit einer Verzinsung von 6,5% über 10 Jahre und einer Inflationsrate von 2% ergeben sich WGK von 0,871 DM/kWh (heutiger Stand).

Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren, Abschreibungen über 20 Jahre und Darlehen wie oben, ergeben sich WGK von 0,577 DM/kWh (ohne Inflation 0,514 DM/kWh).

Eine Grafik verdeutlicht, den Einfluß des Ertrages auf die WGK. Mit 254 kWh/m² Kollektorfläche (3050 kWh/a) ist die Ausbeute gering. Herr Runge erreicht bei seiner Anlage 710 kWh/m²a. Bei diesem Ertrag würden die WGK 0,21 DM/kWh betragen.

Die geringe Ausbeute ist auf eine veraltete Regelungstechnik zurückzuführen. Die Wärmeträgerpumpe ist nicht regulierbar, so daß eine Feineinstellung für den bestmöglichen Wirkungsgrad fehlt.


6.7 Fazit Sonnenkollektoren, Absorber

Absorber sind nur für Schwimmbäder oder für Gegenden mit hoher Sonneneinstrahlung (über 1500 kWh/m²a) interessant. Hier ist eine Wirtschaftlichkeit gegeben (WGK ca. 8 Pf/kWh). Viele Schwimmbäder rüsten Ihre Anlagen bereits auf Absorberanlagen um.

Sonnenkollektoren für EFH und MFH sind bei den derzeitig vorhandenen Energiepreisen mit 0,10 DM/kWh keine wirtschaftliche Lösung der Heiz- und Warmwasserkosten (WGK ca. 25 Pf/kWh und höher). Allerdings kann eine Elektroheizung durch eine wirtschaftlichere Solarheizung ersetzt werden.

Für Großanwendungen ist abhängig von dem Umfeld ein wirtschaftlicher Einsatz möglich.

Einen Heizkostenvergleich haben zudem die Stadtwerke München (Adresse Anhang) 1992 in Auftrag gegeben. Wer sich dafür interessiert kann hier nachschlagen.

Falls eine Energiesteuer in nächster Zeit eingeführt werden sollte, ändert sich auch die Wirtschaftlichkeit. Eine Investition in eine Solaranlage kann schon heute, falls eine Energiesteuer in naher Zukunft eingeführt wird, wirtschaftlich werden.

Eine kWh Heizenergie wird durch eine Ölheizung mit 0,173l produziert. Das sind mit 0,58 DM/l 0,10 DM/kWh. Bei einem Preis von 1,74 DM/l würde die kWh 0,30 DM kosten.



[1]Quelle: thermische Solaranlagen, Marktübersicht, Öko-Institut e.V.[zurück]
[2] Quelle: Marktübersicht Thermische Solaranlagen, Öko-Institut e.V. [zurück]
[3] Quelle: Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 16. Juli 1996 Seite T2 [zurück]
[4] Quelle: http://ourworld.compuserve.com/homepages/hgrasshoff/system.htm [zurück]
[5] Quelle: http://ourworld.compuserve.com/homepages/hgrasshoff/system.htm [zurück]
[6] Quelle: Süddeutsche Zeitung vom 26-9-1996 Umwelt - Wissenschaftsteil [zurück]
[7] Quelle: Server der TU Berlin, Fachgebiet erneuerbare Energien [zurück]
[8] Quelle: http://www.uni-muenster.de/energie[zurück]
[9] Quelle: Marktübersicht thermische Solaranlagen, Öko-Institut e.V.[zurück]
[10] Quelle: Marktübersicht thermische Solaranlagen, Öko-Institut e.V.[zurück]
[11] Quelle: Marktübersicht thermische Solaranlagen, Öko-Institut e.V.[zurück]
[12] Quelle: Marktübersicht thermische Solaranlagen, Öko-Institut e.V.[zurück]
[13] Quelle: http://www.lifeart.de/phoenix6.htm [zurück]