Solarthermie nutzen! Effektiver Klimaschutz ohne Warten auf die Stromwende
Im April 2019 gibt es drei Gelegenheiten, bei denen ich über die Chancen informieren darf, welche die Solarthermie für einen schnell wirksamen Klimaschutz bietet.
Zwei der Veranstaltungen organisiert die ENERGIEAGENTUR SÜDOSTBAYERN GMBH:
Montag, den 01. April 2019, 19 – 21 Uhr in Traunstein
Mittwoch, den 10. April 2019, 19 – 21 Uhr in Bad Reichenhall
Der dritte Termin findet im Rahmen der Fachvorträge statt, die von der Landberger Energie-Agentur (LENA) für die Energie + und BauMesse in Landsberg am Lech organisiert werden.
Sonntag, den 28. April 2019, 13:30 bis 14:30 Uhr in der Eissporthalle LL.
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.
Bei jeder Sonnenkollektoranlage ist individuell zu bedenken, wie hoch der Wärmeverbrauch ist, und wie bei den gegebenen Verhältnissen der Kollektor auf dem Dach und der Speicher im Heizraum bemessen sein sollte. Dabei gibt es eine beträchtliche Bandweite „richtiger“ Dimensionierungen. Wichtig ist nur, dass der Solarspeicher zur Kollektorfläche passt, wobei der tägliche Warmwasserbedarf 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.
Besonders geeignet diese Auslegungshilfe für Solarinteressierte, die beim Solarpotenzialkataster (auf solare-stadt.de) ihre Region vermissen oder feststellen müssen, dass der dort implementierte Beratungsdialog beim Konfigurieren einer Solarthermieanlage nicht wirklich weiterhilft.
Frischwarmwasserstationen, also Trinkwassererwärmer mit Plattenwärmetauscher, die als Durchlauferhitzer mit Heizwasser funktionieren, können inzwischen als Stand der Technik angesehen werden. Frischwarmwassertechnik bietet viele Vorteile:
Gradgenaue Erwärmung des Trinkwassers, weitestgehend unabhängig von der aktuellen Speichertemperatur;
weniger Verkalkung, da zwischen Kollektorkreis und Trinkwasser der mit Heizwasser gefüllte Pufferspeicher zwischengeschaltet ist;
hervorragende Warmwasserhygiene (Schutz vor Legionellen) auch bei großzügig dimensioniertem Speicher;
niedrigste Heizwassertemperaturen im Rücklauf für schichtende Speicherentladung und demzufolge optimale Gasbrennwert- bzw. Solarwärmenutzung;
Bei Anlagen in Einfamilienhäusern ermöglicht die Regelung des Frischwassersystems auch einen sehr energiesparenden Betrieb der Zirkulationspumpe.
Den Anforderungen des DVGW folgend muss in Mehrfamilienhäusern die Zirkulation wenigstens 16 Stunden pro Tag eine Rücklauftemperatur von 55 °C haben. In vielen Anlagen wird die Zirkulation einfach auf die Kaltwasserzuleitung geschaltet. Dort kommt es zu einer Temperaturvermischung, die zwangsläufig auch die Rücklauftemperatur aus der Frischwarmwasserstation ansteigen lässt. Wenn bei solchen Objekten Sonnenkollektoren installiert sind, bleibt der Ertrag häufig deutlich hinter den Erwartungen zurück.
Die Auftrennung der Trinkwassererwärmung in einen Vorwärmteil mit niedrigen Rücklauftemperaturen und einen von der Zirkulation betroffenen Bereitschaftsteil ist aus Gründen der Trinkwasserhygiene nicht zu empfehlen.
Exergieoptimierte Frischwasserkaskade
Bei der exergieoptimierten Kaskade sind die Frischwasserstationen parallel zueinander geschaltet. In der Kaltwasserleitung zwischen dem ersten und dem weiteren Modul befindet sich ein Trennventil, das bei geringer Zapfung das Kaltwasser nicht zum zweiten durchlässt. Die Zirkulationsleitung wird von der anderen Seite an das zweite Gerät herangeführt. So bleibt das erste Modul getrennt von der hohen Temperatur des Zirkulationsrücklaufs und liefert immer eine niedrige Rücklauftemperatur. Der Rücklauf des kaltwasserseitigen Moduls kann also immer in die kälteste Schicht des Pufferspeichers eingeleitet werden, die Einleitung der Rücklaufleitung des zirkulationsseitigen Moduls erfolgt getrennt davon in wärmere Speicherschichten.
Hohe Zapfraten werden vom Regelmodul des kaltwasserseitigen Gerätes erkannt. Durch Öffnen des Trennventils gelangt Kaltwasser zum zirkulationsseitigen Modul und nutzt dessen Leistungskapazität. Mit äußerst geringem Schaltungsaufwand lassen sich auf diese Weise sehr leistungsstarke Trinkwassererwärmersysteme aufbauen.
Schlüsseltechnik für Energieeffizienz und Solarthermie
Die durch die exergieoptimierte Schaltung der Frischwarmwasserkaskade im Speicher tatsächlich entstehende kalte Zone liefert die Basis für den Betrieb von Sonnenkollektoren im optimalen Wirkungsgradbereich. Ebenso interessant ist die Lösung aber auch für Anlagen in Fernwärmenetzen, für die in den Technischen Anschlussbedingungen eine niedrige Rücklauftemperatur gefordert ist.
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.
Früher haben Fototapeten die Zimmer geschmückt. Jetzt heißen die schönsten Fotos von Landschaften Wallpaper und dienen als Hintergrundbild am Computer. Hier möchte ich einige meiner Fotos teilen:
Im Rahmen des Fachgesprächs Praxistest Heizung hielt ich am 30. Juni 2016 im Münchner Bauzentrum ein Referat zum Thema Heizsystem im MFH: Fernwärme und große Solaranlage
Der einfache Grundgedanke des Referats ist: wenn für eine niedrige Rücklauftemperatur zur Fernwärme ohnehin eine effziente Anlagentechnik mit optimal geschichtetem Speicher erforderlich ist, dann rechnen sich im Hinblick auf den relativ hohen Wärmepreis der Fernwärme sehr schnell die überschaubaren Mehrkosten für Kollektor, Solarkreis und ggf. etwas mehr Puffervolumen.
Sonnenkollektoren werden am besten verbrauchernah eingesetzt. Während der Heizperiode liefert die Anlagentechnik der Solarthermie eine niedrige Rücklauftemperatur, im Sommer lässt sich mit Solarwärme erreichen, dass die Anschlussleitungen zu den mit 100% Deckungsrate solar versorgten Verbrauchern komplett auskühlen können, was die Netzverluste deutlich vermindert.
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.
Studie Sektorkopplung, Ausschnitt aus Bild 9
Demgegenüber bilanziert die Stude die Wärmeversorgung über eine Elektrowärmepumpe auf 5.000 kWh Ökostrom:
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.
Löst Photovoltaik gekoppelt mit Wärmepumpentechnik die klassische Sonnenkollektortechnik ab?
Betrachtungen auf Basis des Energieverbrauchs eines energiewendetauglichen Einfamilienhauses führen zu diesem Ergebnis:
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:
