Der Solarwärme-Checker

Die Solarwärme aus klassischen Sonnenkollektoren kann einen beträchtlichen Beitrag zur Energiewende leisten. Sie ist nicht darauf angewiesen, dass die hohe Politik den Ausbau der Ökostromerzeugung, der Stromnetze und -Speicher ordnet. Denn jede Solarthermieanlage bringt einen eigenen, passend bemessenen Wärmespeicher mit, und die Erzeugung und Speicherung von Ökoenergie steht im Gleichgewicht zum Verbrauch.

Deshalb muss allerdings bei jeder Kollektoranlage bedacht werden, wie hoch der Wärmeverbrauch ist, und wie bei den gegebenen Verhältnissen auf dem Dach und im Heizraum der Kollektor bzw. der Speicher bemessen sein sollte. Dabei gibt es eine beträchtliche Bandweite „richtiger“ Dimensionierungen. Wichtig ist nur, dass der Solarspeicher zur Kollektorfläche passt, wobei der tägliche Warmwasserbedarf ebenfalls eine Rolle spielt.

Der Solarwärme-Checker ist eine einfach nachvollziehbare Tabellenkalkulation (für Microsoft Excel, LibreOffice Calc o. ä.), mit der Interessenten sich selber eine Meinung bilden können, wie groß sie ihre Sonnenkollektoranlage im Rahmen des Sinnvollen machen wollen.

Viele Ratgeber stellen die Frage an den Anfang, ob eine Solaranlage nur zur Wassererwärmung oder auch zum solaren Heizen gewünscht ist. Ohne einige Basisinformationen kann das aber selbst ein Fachmann nicht beantworten, also erst recht nicht der interessierte Laie. Der Solarwärme-Checker fragt zuerst die relevanten Parameter ab und gibt dann die nötigen Hinweise, welche Kollektoranlage auch Wärme in den Heizkreis liefern sollte, oder umgekehrt, welche dafür keine passenden Voraussetzungen mitbringt.

Das Ergebnis der Auslegungsrechnung ist dafür gedacht, einer Anfrage an Energieberater oder Installateure beigelegt zu werden. So können sich die Fachleute schneller orientieren, was machbar und was gewünscht ist.

Download:  Solarwaerme-Checker_Version_1_0_xls.zip (145 kB)

Der implementierte Rechenweg funktioniert ohne Makro-Skripte und ist das Ergebnis von 25 Jahren Praxiserfahrung in der Solarthermie. Die Verwendung der Datei erfolgt aber auf eigene Verantwortung!

Für eventuelle Rückfragen stehe ich gerne zur Verfügung. Sie erreichen mich über die im Impressum genannten Adressdaten.

Das 100 Terawattstunden-Versprechen der Solarthermie

Der Bundestagswahlkampf 2017 befeuert die energiepolitische Diskussion. In dieser ist viel von Ausbaudeckeln für Wind- und Solarenergie die Rede. Gemeint sind die im Erneuerbare-Energien-Gesetz festgeschriebenen Obergrenzen des jährlichen Zubaus von Windenergie- und Photovoltaikanlagen, wenn diese eine Ökostrom-Vergütung nach dem EEG erhalten sollen.

In seinen Energiepolitischen Wahlprüfsteinen fragt der Lobbyverband EUROSOLAR die Parteien explizit nach einer Aufhebung dieser Deckel. Wenn es nach der Bundestagswahl zu einer Koalition mit Beteiligung der Christdemokraten oder der FDP kommt, sieht es dafür schlecht aus: beide wollen den schnellen Umbau der Stromversorgung auf Ökostrom verhindern, und angesichts der Wählerstimmung im Land wird Realpolitik daran voraussichtlich nicht vorbeikommen.

Die Folgen einer einseitigen Sektorkopplung

Wenn aber mit dem Ziel der Dekarbonisierung von Mobilität und Wärmemarkt verstärkt Strom fossile Energien aus der Raumheizung und den Fahrzeugantrieben verdrängen soll, wird der Stromverbrauch zunehmen. Und weil Elektromobile überwiegend nachts geladen werden und weil Wärmepumpenheizungen bei eiskalten, windstillen Hochnebelwetterlagen den höchsten Stromverbrauch haben, wird es bei der aktuellen politischen Entwicklung in ein paar Jahren eng werden mit dem Ausstieg aus Kohle- und Atomstrom.

Eine solche Fehlentwicklung könnte man dann den großen Stromkonzernen und ihren Parteienvertretern zum Vorwurf machen. Es ist aber auch möglich, durch eine verstärkte Nutzung von direkt aus Erneuerbaren Energien erzeugter Wärme sowohl den Stromsektor zu entlasten und den Verbrauch fossiler Brennstoffe drastisch zu vermindern. Vor allem die Solarthermie stellt in den nächsten, für den Klimaschutz so kritischen Jahren eine low hangig fruit dar, die nicht ungenutzt bleiben darf. EUROSOLAR muss sich den Vorwurf gefallen lassen, in den Wahlprüfsteinen überhaupt nicht danach zu fragen.

100 TWh/Jahr Solarwärme sind gesetzt

Dabei sind klassische Sonnenkollektoren keine „Vintage“-Technologie der Energiewende. Die zwischen den Interessen der Industrie und der Umweltverbände vermittelnde Denkfabrik Agora Energiewende schätzt das Potenzial der Solarthermie zur objektnahen Erzeugung erneuerbarer Wärme auf bis zu 69 TWh/Jahr. Und auch das ist noch keine echte Obergrenze. Die von der Agentur für Erneuerbare Energien e. V. im Auftrag der Grünen erarbeitete Studie „Die neue Wärmewelt: Szenario für eine 100% erneuerbare Wärmeversorgung in Deutschland“ zitiert als Bandbreite 70 bis 135 TWh/Jahr und legt sich auf einen Zielwert von 100 TWh/Jahr fest.

Dabei muss man sich bewusst sein, dass in Deutschland nach Angaben des Bundesverbandes Solarwirtschaft e. V. mit Stand Ende 2016 insgesamt knapp 20 Mio. m² Solarkollektorfläche installiert sind, die rund 7,5 TWh/Jahr Wärme erzeugen. Das ist nicht wenig, und hat dennoch um mehr als den Faktor 10 Luft bis zum 100 TWh-Ziel. Der jährliche Zubau muss dafür auf über 6 Mio. m² Kollektorfläche verzehnfacht werden, was die möglichen Skalierungseffekte zur Kostenreduktion deutlich macht.

Es ist höchste Zeit, der Energiepolitik das Versprechen abzunehmen, dieses brachliegende Potenzial zu aktivieren. So könnte die Solarthermie das Versprechen einlösen, jährlich 100 TWh Wärmeenergie zu liefern, ohne die Energiewende im Stromsektor zu gefährden, und ohne dass es die Welt kostet.

Die Politik steht auf dem Schlauch

Anfang 2017 scheiterte der Entwurf für ein neues Gebäudeenergiegesetz (GEG). Die Fachzeitschrift Sonne Wind & Wärme hat meinen Gastkommentar zu diesem Thema terminlich passend vor der Intersolar in München veröffentlicht. Ich hoffe, damit etwas Stoff für lebhafte und zielführende Diskussionen zu liefern.

Gastkommentar in der Sonne Wind & Wärme 05/2017
Gastkommentar im Klartext

Das hätte Anfang 2017 ein großer Moment der deutschen Energiewende- und Klimaschutzpolitik werden können! Über ein Jahr lang hatten die Fachressorts der Bundesregierung darauf hingearbeitet, aus den drei Regelwerken Energieeinsparverordnung (EnEV), Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEWärmeG) und Energieeinsparungsgesetz (EnEG) zusammenfassend einen einheitlichen Rechtsrahmen zu schaffen: das Gebäudeenergiegesetz (GEG). Am 23. Januar ging der 146 Seiten umfassende Referentenentwurf des GEG an die Fachverbände. Der Anhörungstermin am 31. Januar schien nur noch eine Formalität vor der geplanten Verabschiedung des Gesetzes Mitte Februar.

In der äußerst kurzfristig bemessenen Beteiligungsphase jedoch hagelte es Kritik von den Fachverbänden: dieser Gesetzentwurf würde die Energiewende im Wärmesektor nicht voranbringen! Schließlich wandten sich auch noch acht eher konventionell eingestellte Wirtschafts- und Energiepolitiker mit fundamentaler Kritik gegen den GEG-Entwurf. So kam das Gesetzgebungsverfahren nicht zum Abschluss und verzögert sich nun bis nach der Bundestagswahl. Als ob wir noch viel Zeit im Klimaschutz hätten.

Gescheitert ist der Fortschritt, den das GEG für der Wärmewende bringen soll, aber nicht am Widerspruch, sondern durch den ohne Ambitionen verfassten Entwurf. Außer etwas strengeren Energiestandards für Nichtwohngebäude der öffentlichen Hand und der Vorgabe, auch Wohngebäude mit dem Monatsbilanzverfahren der DIN 18599 rechnen zu müssen, hätte sich nicht viel geändert. Dabei ist Gesetzgebung wie Software: fehlende Updates schaffen Probleme.

So ist es ein Anachronismus, dass im GEG Entwurf der Abschnitt zur Nutzung solarer Strahlungsenergie einfach aus dem EEWärmeG übernommen wurde. Eine Mindestanforderung nach Quadratmetern Aperturfläche je Quadratmeter Gebäude-Nutzfläche ist aber fachlich überholt, weil aktuelle Solar Keymark Zertifikate nach EN ISO 9806:2013 erstellt werden und nur noch die Bruttofläche des Sonnenkollektors nennen. Wieviel Netto vom Brutto bleibt, ist bei manchen Kollektoren überhaupt nicht mehr verlässlich zu erfahren.

Wirklich zielführend ist hingegen der Vorschlag der Initiative Sonnenheizung, die Mindestanforderung an die Solarthermie mit dem von der Effizienz des Kollektors abhängigen Kollektorjahresertrag zu verknüpfen. Dieser kWh-Wert steht zertifiziert in jedem aktuellen Solar Keymark Bericht. Das GEG sollte wie die ertragsabhängige Innovationsförderung im Marktanreizprogramm des BAFA wirkungsgradstarke Kollektoren belohnen. Mit einer effizienteren und dabei kleineren Kollektorfläche bleibt mehr vom Dach frei für die ebenfalls wichtige Solarstromerzeugung.

Die wird im GEG-Entwurf aber deutlich unterbewertet: Wenn von den rund 1.000 Kilowattstunden, die Photovoltaik pro Kilowatt Nennleistung jährlich liefern kann, nur 150 kWh auf den Endenergiebedarf (Strom) angerechnet werden, bzw. mit Stromspeicher 200 kWh: was ist dann mit den übrigen 800 kWh? Wenn diese naturgemäß zeitgenau von den Solarkreispumpen der Kollektoranlagen genutzt werden, warum wird dann deren elektrische Hilfsenergie mit dem vollen Primärenergiefaktor 1,8 bewertet? Und wieso muss Strom aus erneuerbaren Energien „im unmittelbaren räumlichen Zusammenhang zu dem Gebäude erzeugt“ werden? Auch ökologische Ausgleichsflächen werden üblicherweise nicht auf dem Dach eines Neubaus angelegt. PV-Quartierslösungen mit entsprechend großvolumigem Stromspeicher wären in einem zukunftsorientierten GEG mit Sicherheit jährlich 300 kWh und mehr wert und würden auch die Flächenkonkurrenz zur Solarthermie entschärfen.

Viel wichtiger als die unmittelbare räumliche Nähe zu den Verbrauchern ist beim Ökostrom, dass deren Verbrauch zeitlich zur Erzeugungsleistung passt. Denn jede Zwischenspeicherung von Strom hat wenigstens 15% Verlust, über Power-to-Gas und Wiederverstromung gehen sogar über zwei Drittel verloren. Das GEG wird die monatliche Bilanzierung des Energiebedarfs fordern. Da wäre es nur konsequent, auch den Primärenergiefaktor für Strom monatsweise anzusetzen, zwischen 0,7 in den Sommermonaten und 2,6 im Winter.

Die Politik steht bei der Energiewende-Gesetzgebung auf dem Schlauch. Das muss sich ändern! Aber unabhängig davon lässt sich schon jetzt die Solarthermie als Schlüsseltechnologie nutzen, um schnell und wirksam mit der Energiewende und dem Klimaschutz voran zu kommen, ohne das Stromnetz zusätzlich zu belasten.

Axel Horn

Mehr zur SONNE WIND & WÄRME: www.sonnewindwaerme.de

 

Solarthermie

Keine Energiewende ohne Solarwärme
In letzter Zeit kann man es immer häufiger hören und lesen: Ohne Solarwärme ist die Energiewende nicht zu schaffen! Die Freude über diese Aussage verfliegt aber wieder, wenn gleich danach die Solarthermie-Anlagen klassischen Zuschnitts für Einfamilienhäuser schlechtgeredet werden. Die einen behaupten, eine Photovoltaikanlage mit Wärmepumpe und kleinem Brauchwasserspeicher sei die billigste Lösung, andere stellen die These auf, ohne Langzeitspeicher gäbe es im Eigenheim keine Solarthermie, die auch ökonomisch Sinn stiftet. Ja was denn nun?

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Solarthermie ist: am Sommerabend ein durchgeladener Solarspeicher für wenigstens 48 Stunden voll-solare Wärmeversorgung

Optimale Wirtschaftlichkeit der „Faktor 2-Anlage“

Jede Sonnenkollektoranlage, die mit einer brennstoffgespeisten Wärmequelle im Haus gekoppelt ist, leistet einen Beitrag zur Langzeitspeicherung, indem eben dieser Brennstoff gespart wird. Einfache Trinkwasser-Solaranlagen schaffen im Jahresschnitt immerhin rund 15% Einsparung. Das liegt aber tatsächlich weit unter dem Potential einer Sonnenkollektoranlage. Bei einer „Faktor-2-Anlage“, also Verdoppelung der Kollektorfläche gegenüber der einfachen Auslegung für die Trinkwasser­erwärmung, lassen sich pro Quadratmeter Kollektorfläche immer noch genauso viel Kilowattstunden Solarwärme herausholen wie bei den kleinen Anlagen. Das meiste davon fließt innerhalb weniger Stunden oder Tage in den Verbrauch für Trinkwassererwärmung und Heizung. Dafür ist im Einfamilienhaus ein Pufferspeicher in der genannten Dimensionierung zwischen 750 und 1.500 Liter Volumen erforderlich, mehr nicht. Auf dieser Basis ist im Hochsommer eine komfortable Volldeckung des Wärmebedarfs möglich, und dem Kessel bleibt viel energie- und materialverschleißender Teillastbetrieb erspart. Solche Anlagen kommen je nach Dämmstandard des Hauses auf 25 bis 50% solare Brennstoffeinsparung. Das ist nicht wenig. Und weil die Investkosten vorrangig in gut genutzte Kollektorfläche und effiziente Anlagentechnik fließen, ist es auch wirtschaftlich. Die im April 2015 deutlich verbesserte Förderung im Marktanreizprogramm von BAFA und KfW sollte vielen Projekten über die Schwelle der Wirtschaftlichkeit helfen.

 

Solarthermie ist: ein robustes, langlebiges und gleichzeitig effizientes Anlagenkonzept

Langzeitspeicherung mit gespartem Brennstoff

Nicht verbrauchter Brennstoff, ob Öl, Gas oder Holzpellets, ist nichts anderes als die wirtschaftlichste Form der Langzeitspeicherung von Energie. Im Gegensatz zu einem Wärmespeicher oder einer Batterie ist die Energiedichte enorm und es gibt praktisch keine Speicherverluste. Auf diese Weise genutzt schafft die Solarthermie eine wichtige Voraussetzung, dass regenerativ gewonnene Brennstoffe – vor allem aus Wäldern und Power-To-Gas-Anlagen – mengenmäßig ausreichen könnten: für die Erzeugung von Strom während der „dunklen Flaute“, für den Verkehrsbereich, für die vielen kleinen brennstoffgespeisten Wärmeerzeuger, die es weiterhin in Einfamilienhäusern geben wird.

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Solarthermie ist: mit der Sonne so viel Brennstoff sparen, dass es für den Winter reicht

Solarthermie ist effiziente Anlagentechnik

Dieses Prinzip muss man natürlich konsequent weiterdenken. Viele Häuser haben einfach kein einigermaßen nach Süden orientiertes Dach, und die meisten Mehrfamilienhäuser nicht einmal für die solare Trinkwassererwärmung genügend Dachfläche. Hier können aus Photovoltaikstrom gespeiste Wärmepumpen oder Elektro-Direktheizungen die Rolle des Kollektorkreises übernehmen und Wärme in eine Anlagenschaltung liefern, die weitgehend von der klassischen Solarthermie übernommen ist. Dadurch ist eine optimale Nutzung des thermischen Pufferspeichers gewährleistet, wobei hier die Stichworte Exergieoptimierung und Trinkwasserhygiene zu nennen sind.

Energiewende im Dreieck von Strom und Wärme und Brennstoff

Es ist höchste Zeit, Stromtarife anzubieten, die stromnetzweit einen Anreiz schaffen, Erzeugungsspitzen von Ökostrom (und vorrangig nur diese!) in eine thermische Nutzung abzuleiten. Wenn Norddeutschland den Gasverbrauch drosselt, indem es Windstrom in Power-to-Heat und Power-to-Gas umsetzt, müssen keine Stromleitungen in den Süden gebaut werden. Wenn in Süddeutschland die Solarthermie den Gasverbrauch reduziert, kann viel Gas in großen Kavernen zwischengespeichert werden. Über das Gasnetz steht dann ausreichend Energie zur Verfügung, um bei Bedarf Lastspitzen abzudecken. Dafür braucht es keinen Neubau von Gaskraftwerken, sondern Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die auf diese Weise ein optimaler Systempartner der Solarthermie werden.

Fazit: Keine Energiewende ohne Solarwärme ist absolut korrekt. Aber dazu müssen wir alle ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten nutzen und bei der Energiewende nicht nur Strom und Wärme, sondern auch die Brennstoffe aus erneuerbaren Quellen konsequent einbeziehen.

 

Solarthermie in der Sektorkopplung

Am 20. Juni 2016 veröffentlichte Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Quaschning im Auftrag von Greenpeace die Studie Sektorkopplung durch die Energiewende – Anforderungen an den Ausbau erneuerbarer Energien zum Erreichen der Pariser Klimaschutzziele unter Berücksichtigung der Sektorkopplung.

Darin wird prognostiziert, dass im Interesse des Klimaschutzes Ökostrom aus Sonne und Wind auch für die Energieverbrauchssektoren Wärme und Verkehr zu nutzen sei, was als Sektorenkopplung bezeichnet wird. Als Fallbeispiel für den Sektor Wärme dient ein energetisch saniertes Einfamilienhaus mit einem jährlichen Energiebedarf (Wärme) von 15.000 kWh. Diese Wärme kann über die Kette Gasbrennwertkessel (ca. 100% Nutzungsgrad) und Power-to-Gas (65% Wirkungsgrad) ohne fossiles Erdgas aus 23.000 kWh Ökostrom bereitgestellt werden.

Altbau ohne Solar
Studie Sektorkopplung, Ausschnitt aus Bild 9

Demgegenüber bilanziert die Stude die Wärmeversorgung über eine Elektrowärmepumpe auf 5.000 kWh Ökostrom:

WP JAZ3
Studie Sektorkopplung, Ausschnitt aus Bild 9

Ein Verhältnis von 1 zu 4,6 erscheint überzeugend. Dabei vernachlässigt die Studie jedoch, dass auch der naturgemäß auf den Hochwinter fallende Stromverbrauch der Elektro-Wärmepumpe zu einem großen Teil über die Energiespeicherung per Power-to-Gas (65% Wirkungsgrad) und die anschließende Rückverstromung in Gaskraftwerken (50% Wirkungsgrad) laufen muss.

Für 5.000 kWh Heizstrom sind gut 15.000 kWh Ökostrom erforderlich!

Die Studie enthält einige wichtige Hinweise auf die Rolle der Solarthermie und letztlich diese Aussage:

Wird die Solarthermie stärker ausgebaut als in dieser Studie unterstellt wurde, lässt sich der zusätzliche Strombedarf weiter reduzieren. (Seite 15)

Das zeigt sich auch am Beispiel des Einfamilienhauses. Gekoppelt mit einer Solarthermieanlage, die 35% des Wärmebedarfs abdeckt – das leisten klassische solare Kombianlagen für Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung – reduziert sich der Gasverbrauch auf 9.750 kWh. Diese Menge lässt sich ebenso aus 15.000 kWh Ökostrom erzeugen, wie der Heizstrom für Elektrowärmepumpen.

Fazit: Solarthermie mit P2G-Brennwertheizung und Elektrowärmepumpe mit JAZ 3 sind gleichwertige Alternativen. Im Interesse des Klimaschutzes sollte Solarthermie dort den Vorrang haben, wo günstige Voraussetzungen gegeben sind (unverschattetes Dach mit guter Südorientierung), so dass es realistisch möglich wird, ausreichende Stromerzeugungskapazitäten für den Heizstromverbrauch der Elektrowärmepumpen im Winter aufzubauen.

Die Studie im Original: http://pvspeicher.htw-berlin.de/wp-content/uploads/2016/05/HTW-2016-Sektorkopplungsstudie.pdf

PV mit Wärmepumpe oder Solarthermie?

Löst Photovoltaik gekoppelt mit Wärmepumpentechnik die klassische Sonnenkollektortechnik ab?

Betrachtungen auf Basis des Energieverbrauchs eines energiewendetauglichen Einfamilienhauses führen zu diesem Ergebnis:

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Mit rund 12 m² Solarthermie-Anteil in der Solarfläche und Heizung ohne elektrische Wärmepumpe verbessert sich die Strombilanz eines Einfamilienhauses unter Energiewendeaspekten dramatisch.

Vor allem erreicht der Verzicht auf die Wärmepumpe, dass sich der Stromverbrauch in den Wintermonaten (gegenüber dem normalen Haushaltsstrombezug ohne PV-Anlage) nicht verdoppelt, sondern bereits im Februar ein bilanzieller Überschuss aus der PV-Anlage an das Stromnetz geliefert werden kann.

Das ist hinsichtlich der Energiewende ein wichtiger Beitrag zum Stromverbrauch der Industrie. Dieser liegt in Deutschland bei jährlich 3.000 kWh pro Kopf der Bevölkerung.

Fazit: Es ist besser, eine Photovoltaikfläche mit einem Sonnenkollektor zu kombinieren als mit einer Wärmepumpe.

Die Faktenanalyse, die zu dieser Aussage führt, findet sich in dieser ausführlichen Präsentation:

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20 m² Solarthermie und 6,1 kWp PV-Fläche dachintegriert