Jan Gerstmann's blog

Solartechnologie: Flach- und Vakuumröhrenkollektoren

Folgend werden Entwicklung, Marktanteil sowie Vor- und Nachteile der Kollektoren werden genauer betrachtet, da diese in den Entscheidungsprozess zur Auswahl einfließen. Ebenso wird ein Überblick zu den Systemen der solaren Gebäudeklimatisierung gegeben und das Absorptionsprinzip erläutert.*

Der Solarkollektor

Als Solarenergie oder Sonnenergie wird die von der Sonne durch Kernfusion [im Kern der Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne zu Heliumkernen] erzeugte Energie bezeichnet. Dabei beträgt die Energieintensität an der Grenze der Atmosphäre etwa 1,376 kW/m², durch diverse Umwandlungsverluste treffen aber „nur“ ungefähr 1kW/m² Strahlung auf die Erdoberfläche auf. Diese Strahlung wird als Globalstrahlung bezeichnet und setzt sich hauptsächlich aus dem Direkt- und dem Diffusstrahlungsanteil zusammen. Die Globalstrahlung mit den jeweiligen Anteilen für Direkt- und Diffusstrahlung ist sehr stark von der geografischen Lage sowie von den tages- und jahreszeitlichen Schwankungen abhängig. Tiefgreifendere Grundlagen zum solaren Strahlungsangebot sowie zu physikalischen Grundlagen zur solarthermischen Wärmenutzung werden in dieser Arbeit nicht genauer erörtert [vgl. Kaltschmitt, Wiese 1995).

Der Sonnenkollektor als wichtigste Komponente aller solarthermischen Systeme wandelt die auftreffende elektromagnetische Sonnenenergie in Wärme um. Mit einem Kostenanteil von üblicherweise 25 - 35% der Gesamtinvestitionen ist der Kollektor das kostspieligste Bauteil einer solchen Anlage. Die wichtigsten Sonnenkollektoren sind in Bild 2.1-1 abgebildet. Die verschiedenen Bauarten unterscheiden sich deutlich in Leistungsfähigkeit und Preis. Für Temperaturen bis 30°C werden die unverglasten Schwimmbadabsorber eingesetzt. Für den Niedrigtemperaturbereich bis 80°C zur Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung und z.T. zur solar unterstützten Klimatisierung sind Flach- und Vakuumröhrenkollektoren geeignet, daher werden diese anschließend gründlicher betrachtet [vgl. Bild 2.1?7 Wirkungsgradkennlinien von Kollektoren]. Der Einsatz von Kollektoren zur solaren Kühlung hat einen wesentlichen Vorteil gegenüber der solaren Nutzung zur Trinkwarmwasserbereitung [TWW] und Heizungsunterstützung [HU]. Der Vorteil ist die nahezu zeitgleiche Übereinstimmung von solarem Angebot und Kühlung. Dieser Vorteil generiert eine bessere Ausnutzung der Solaranlage und reduziert die Stillstandszeiten [Verdampfungsschutz].

Bild 2.1?1 Übersicht verschiedener Kollektorbauarten und deren
Anwendung (vgl. DGS; 2004: 4-6)

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Entwicklung und Struktur der globalen und deutschen Energiemärkte

Dieser Beitrag fasst die Entwicklung der globalen und deutschen Energiemärkte in den letzten Jahrzehnten zusammen. Für Deutschland werden die beiden wichtigsten Verbrauchssektoren für Wärme, Kälte und Prozesswärme, die privaten Haushalte sowie der Gewerbe-; Handel- und Dienstleistungssektor [GHD] untersucht. Diese bieten ein bedeutendes Potenzial zur durch das Kyoto-Protokoll geforderten Reduzierung von Treibhausgasemissionen1. Das Treibhausgas Kohlendioxid trägt erheblich zur globalen Erderwärmung bei.

In den letzten drei Jahrzehnten hat sich der weltweite Primärenergieverbrauch [PEV], mehr als verdoppelt [70%]. Damit verbunden sind auch die CO2- Emissionen gestiegen, diese können in erster Näherung als proportional zum PEV angenommen werden. Im Zeitraum von 1990 bis 2004 stieg der weltweite CO2-Ausstoß um 26% (vgl. BMWi 2006). Nach Schätzungen der Internationalen Energieagentur [IEA] wird dieser Trend weiter anhalten. Demnach steigt der globale Primärenergiebedarf bis 2020 um rund ein Drittel, wenn keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen werden. Derzeit werden etwa 87% des globalen Energiebedarfs mit fossilen Energieträgern gedeckt, die wichtigsten Energieträger sind dabei Öl [36%], Kohle [27%] und Gas [24%]. Der Anteil der regenerativen Energien wie Sonne, Wind und Geothermie beträgt nur 0,5% des Weltprimärenergieverbrauchs.


Bild 1.2 1 Struktur des Primärenergieverbrauchs in Deutschland 2005 (vgl. BMU: 05/2006).
Der deutsche Primär- und Endenergieverbrauch ist seit vielen Jahren stabil bzw. sinkt sogar leicht. Die Verteilung des PEV auf die verschieden Energieträger ist im Bild 1.2-1 dargestellt. Für die nächsten Jahre wird erwartet, dass Erdgas an Bedeutung gewinnt, während der Anteil des Öls abnimmt. Für die Wärmeerzeugung wird Erdgas somit der Energieträger Nr. 1.

Der Endenergieverbrauch [EEV] verteilt sich auf folgende Energieträger: Kraftstoffe 28,4%; Gas 27,6%; elektrische Energie 19,5%; Heizöl 13,6%; feste Brennstoffe 7,2% und Fernwärme 3,6%. Der EEV beträgt in Deutschland etwa 65% des PEV, die Verluste dieser Stufe entfallen vorwiegend auf den Umwandlungsteil. Der energetische Nutzungsgrad für die zweite Umwandlungsstufe Endenergie in Nutzenergie (vgl. Geiger, Nickel, Wittke 2005) beträgt für Haushalte 71,5%, für Gewerbe Handel Dienstleitung [GHD] 61,3%. Mehr als ein Drittel des Endenergieverbrauch, siehe Bild 1.2-2 entfallen auf den Sektor Haushalte. Dieser Sektor ist damit vor Verkehr und GHD der größte einzelne Verbrauchsbereich. Aufgeteilt nach Anwendungsarten ergibt sich für den Bereich Raumheizung ein Anteil von 32,7% am gesamten EEV. Folglich kann im Bereich Haushalte und GHD durch Effizienzsteigerungen eine erhebliche Einsparung an Primärenergie generiert werden.

Bild 1.2 2 Aufteilung des Energieverbrauchs auf Verbrauchssektoren und Bedarfsarten in Deutschland 2003 (vgl. Geiger B.; Nickel M.; Wittke, F: 02/2005)

Sektor Haushalte

 

Weit über 80% der in diesem Bereich eingesetzten Energie stammt aus fossilen Energieträgern, insbesondere aus Erdgas [42%] und Erdöl [37%].

Die Entwicklung des Bereichs Raumwärme im Sektor Haushalte war in den letzten 30 Jahren im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Verbrauch von 400 kWh/m²a in den Siebziger Jahren auf heute 170 kWh/m²a erheblich gesenkt werden konnte. Dennoch hat der Anteil der Haushalte am Endenergieverbrauch deutlich zugenommen [1960: 21,3%; 2003: 30,1% ]. Der Anteil für Raumwärme beträgt dabei 76%, siehe Bild 1.2-3. Diese Entwicklung ist auf die stetig steigenden Komfort- und Flächenansprüche zurückzuführen.
Bild 1.2 3 Endenergieverbrauch der Privaten Haushalte nach Verwendungszwecken im Jahr 2000 (vgl. Deutscher Bundestag: 2000)

Werden keine Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs getroffen, wie dies im Ansatz durch die Einführung der EnEV [Niedrigenergiehaus: ca. 70 kWh/m²a] bereits erfolgt ist, wird sich der Trend des steigenden Energieverbrauchs weiter fortsetzen. Das Bild 1.2-4 zeigt die Entwicklung des Heizenergiebedarfs von 1955 bis heute [Passivhaus], dabei ist deutlich zu erkennen, dass ein immer größerer Anteil des Heizwärmebedarfs auf den Lüftungswärmebedarf entfällt, was im wesentlichen auf die verbesserten Wärmdämmstandards zurückzuführen ist. Daraus ergeben sich neue Anforderungen für die eingesetzten Heizsysteme [z.B. Kombination Flächenheizung und Abluftanlage mit WRG], welche an dieser Stelle nicht weiter betrachtet werden. Für die Zukunft wird erwartet, dass trotz weiter steigender Wohnfläche [bis zum Jahr 2030 um rund ein Drittel 8vgl. Energiewirtschaftliches Institut Universität Köln; Prognos AG 2005) im Vergleich zu 2002] der Energieverbrauch durch Gebäudesanierung und Effizienzsteigerungen der Heizanlagen ca. 17% geringer ausfallen wird [Vergleich 2002 zu 2030].

Die Kühlung von Gebäuden hat im Sektor Haushalte bisher kaum Einfluss auf den EEV, dennoch wird für die Zukunft eine Zunahme durch wachsende Komfortansprüche erwartet. Das sieht man besonders an Industrieländern wie Japan und den USA, in denen Klimaanlagen und Kühlung schon wesentlich stärker verbreitet sind. Dennoch bleibt abzuwarten, inwieweit der Endverbraucher durch die weiter steigenden Energiepreise in der Lage ist, sich diesen Luxus leisten zu können.

Erst durch den weiter sinkenden Energiebedarf können Technologien wie die der Wärmepumpe und Solarthermie zum wirtschaftlichen Einsatz kommen.

Bild 1.2 4 Entwicklung Heizenergiebedarf von Gebäuden mit unterschiedlichen Wärmedämmstandards aufgeteilt in Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten
(Diagramm erstellt aus Datenquelle; vgl. http://www.bine.info Abruf: 08/2006)

 

Gewerbe, Handel, Dienstleistung


Der Sektor Gewerbe, Handel, Dienstleitung [GHD] ist sehr heterogen strukturiert, dazu zählen Baugewerbe, Handel- und Dienstleistungen. Fast die Hälfte der Energie wird für Heiz- und Prozesswärme aufgewendet. Im Hinblick auf Effizienzsteigerungen mittels der geplanten Anlagentechnik ist dieser Sektor besonders interessant. Oft kommt es zur zeitgleichen Anforderung nach Wärme und Kälte, so wird z.B. während der Heizperiode in Bürogebäuden immer öfter eine ganzjährige Kälteleistung zur Kühlung von Serverräumen notwendig.


Bild 1.2 5 Endenergieverbrauch Sektor GHD nach Verwendungszwecken 1995 – 2030 (vgl. BMWA: 05/2005)

In den letzten Jahren ist im Bereich der Raumheizwärme eine kontinuierliche Abnahme des Verbrauchs zu verzeichnen, für die Zukunft wird sich diese Tendenz fortsetzen [vgl. Bild 1.2-5]. Die Einsparungen sind im Wesentlichen, wie auch im Sektor Haushalte, auf Dämmmaßnahmen und effizientere Technologien zurückzuführen. Dem Bild 1.2-5 ist weiter zu entnehmen, dass der Bereich der Prozesswärme, welch u.a. auch durch solarthermische Anlagen unterstützt werden kann, in Zukunft steigen wird. Die Bereiche Beleuchtung, Bürogebäude und Kraft sind nur zur Information aufgeführt. Für alle dargestellten Bereiche gilt, dass der zu erkennende Trend nicht zwangsläufig über das Jahr 2030 so anhält. Für die Kühlung und Lüftung ist hingegen ein anderer Trend festzustellen. Hier steigt der Verbrauch seit einigen Jahren. Wie dem Bild 1.2-5 zu entnehmen ist wird in den nächsten zwei Dekaden der Kühlbedarf weiter stetig zu nehmen. Die Ursachen sind höhere innere Lasten [Bsp. Abwärme von Bürogeräten] sowie die veränderte Bauweise [mehr Glasanteil] und ein höherer Komfortanspruch, in Verbindung mit einer wachsenden Gesamtkühlfläche. Für Deutschland im Jahr 2010 wird geschätzt, dass für Büros, dem Einzelhandel, Hotels, Gastronomie und Wohnungen insgesamt ein Energiebedarf von 5.700 GWh/a (vgl. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein 06/2002) durch Raumklimageräte mit einer Leistung kleiner 50 kW notwendig werden. Die kleineren Absorptions- Heiz und Kühlanlagen in diesem Leistungs- und Anwendungsbereich bieten besondere Vorteile. So emittieren diese bei Einsatz von Erdgas gegenüber elektrisch betriebene Kompressionskälteanlagen 690 g/kwh(Endenergie) weniger CO22. Bei gleichzeitigem Heiz- und Kühlenbetrieb ist die CO2 Reduktion noch deutlicher.

Bild 1.2 6 Entwicklung des Energiebedarfs für Raumklimageräte in ausgewählten EU-Ländern (vgl. Verbundnetz Gas AG Leipzig: 8/2005)

 

An dieser Stelle sei erwähnt, dass im Rahmen der SAVE Studie “Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners [EECCAC)]” der EU für den gesamten europäischen Raum eine starke Zunahme für Raumkühlung im Bereich der dezentralen und zentralen Raumklimageräte [bis 50 kW] bis zum Jahr 2020 ergeben hat.So wurde der Energieverbrauch für die EU15-Länder 2005 auf 78.000 GWh geschätzt, für 2020 wird eine Nachfrage von 115.000 GWh angenommen. Im Bild 1.2-6 ist die Entwicklung ausgewählter EU- Länder grafisch dargestellt.Des weiteren werden enorme Einsparpotenziale durch Effizienzsteigerungen, z.B. durch besseres Teillastverhalten von Kälteanlagen erwartet. So sind bei gleicher Kälteleistung Effizienzunterschiede zwischen einzelnen Geräten von bis zu 40% festzustellen3.

 

1Deutschland hat sich im Rahmen des Kyoto-Protokolls verpflichtet, seine Treibhausgasemissionen bis 2012 um 21% gegenüber dem Basisjahr 1990 zu senken.

2Berechnung mit GEMIS [Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme], Emissionsfaktor CO2 für Erdgas 229 und für Strom 919 g/kwh(Endenergie) ausgewählt

3für weitere Informationen zum europäischen Labelsystem siehe europäische Herstellerverband für Kälteaggregate : EUROVENT-CERTIFIKATION

 

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