FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „TH

Solare Nahwärmeund SaisonaleWärme-speicherung – Stand derTechnikvon Markus Pfeil, Erich Hahne,Volkmar Lottner und Monika Schulz

Dipl.-Ing. Markus Pfeil ist wissenschaftlicherMitarbeiter und Prof. Dr.-Ing. Erich Hahne istLeiter des Geschäftsbereichs SolarthermischeEnergietechnik am Zentrum für Sonnenener-gie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Würt-temberg (ZSW), Stuttgart.

Dr.-Phys. Volkmar Lottner ist Leiter des Pro-gramms Solarthermie 2000 des Projektträ-gers BEO Biologie, Energie Ökologie, Jülich.

Dipl.-Ing. Monika Schulz ist wissenschaftlicheMitarbeiterin am Institut für Thermodynamikund Wärmetechnik (ITW) der UniversitätStuttgart.

Solare Nahwärme und Saisonale#2 11.03.2001 3:59 U

EMEN 97/98“

Überblick

Die Nutzung solarer Niedertemperatur-wärme zur Brauchwassererwärmungund zur Beheizung von Wohngebäudenerfährt in Deutschland ein immer größe-res Interesse. Solare Großanlagen habengegenüber solaren Kleinanlagen denVorteil, daß mit geringeren Investitions-und Wärmekosten größere Anlagener-träge erzielt werden können. In Verbin-dung mit saisonaler Wärmespeicherungerreichen solare Großanlagen Deckungs-anteile von 50 % und darüber am Ge-samtwärmebedarf von Wohnsiedlun-gen. Die ersten Pilotanlagen zur solarenNahwärme mit saisonalem Wärmespei-cher gingen 1996 in Betrieb und werdenderzeit detailliert vermessen. Erste Er-gebnisse zeigen, daß die vorausberech-neten Werte für den Jahresenergieertragerreicht werden können.

Solar energy technology becomes moreand more important for space and waterheating of residential buildings. Compa-red to small systems for single-familyhouses, the specific investment cost ofbig solar plants is lower and a highercontribution of solar energy can beachieved. In central solar heating plantswith seasonal storage (CSHPSS), morethan 50 % of the total heat demand ofresidential areas can be covered by solarenergy. The first pilot plants for CSHPSSare operating in Germany since 1996.The first results of the accompanyingmonitoring program show good agree-ment between calculated and actualsolar contribution.

1. Einleitung

Ungefähr 35 % des Endenergiebe-darfs in Deutschland entfallen auf dieBeheizung von Gebäuden, weitere 5 % auf die Warmwasserbereitung.Wesentliche Energieeinsparungen indiesem Bereich sind vor allem mit

hr Seite 9

einer abgestimmten Kombination ausverbessertem Wärmeschutz der Ge-bäude, dem Einsatz effizienter Heiz-anlagen sowie passiver und aktiverNutzung von Solarenergie zu errei-chen. Mit Mehrkosten von nur etwa 7 bis 8 % der gesamten Baukostenkönnen damit Energieeinsparungenbis zu 60 % gegenüber dem heutigenStand erreicht werden. Die Nutzungvon solarer Niedertemperaturwärmeaus großen Anlagen mit und ohnesaisonale Wärmespeicherung ist einwichtiger Baustein eines integralenEnergiekonzeptes.

2. Solaranlagen mit Kurzzeitwärme-speicher

Kleine Solaranlagen zur Brauchwasse-rerwärmung mit Kollektorflächen bis 6 m2 haben heute eine feste Positionam Markt. Mit solchen Anlagen wer-den üblicherweise 50 % des Wärme-bedarfs für die Warmwasserbereitungsolar gedeckt. Je nach Wärmedämm-standard des Gebäudes entspricht dieseinem solaren Deckungsanteil am Ge-samtwärmebedarf von etwa 15 %.Beim Einsatz von Solaranlagen zurkombinierten Brauchwassererwär-mung und Raumheizungsunterstüt-zung mit Kollektorflächen bis 15 m2

können hauptsächlich in den Über-gangsmonaten März bis Mai und Sep-tember bis Oktober solare Beiträge zurRaumheizung geleistet werden. Dersolare Deckungsanteil kann so bis auf25 % steigen [1].

Die Investitionskosten solcher Systemeliegen zwischen 1.700 und 2.500 DMje Quadratmeter Kollektorfläche. Einedeutliche Reduzierung dieser System-preise um den Faktor 1/2 und mehr istmöglich für solare Großanlagen mitKollektorflächen größer als 100 m2.

Durch den Einsatz großflächiger Son-nenkollektoren und durch die Redu-zierung der spezifischen Kosten vonAnlagenkomponenten (Speicher, Re-gelung, Pumpe, Ausdehnungsgefäßusw.) können beim Bau einer Großan-lage die Investitionskosten bis auf 600DM pro m2 Kollektorfläche verringertwerden. Zusammen mit einem hohenspezifischen Solarertrag, der sichdurch die gute Auslastung bei Groß-anlagen ergibt, sinken die solarenWärmepreise bis auf 15 Pf/kWh. Sola-re Nahwärmesysteme mit Kurzzeitwär-mespeicher erreichen so schon fast

9

das Niveau konventioneller Wärme-preise.

In der Abbildung 1 ist das Anlagen-schema einer solaren Nahwärmever-sorgung mit Kurzzeitwärmespeicherdargestellt. Über Kollektorsammellei-tungen wird die aus großflächigenKollektoren gewonnene Solarwärmezentral in einen Kurzzeit-Stahlspeichereingespeichert. Ein Zweileiter-Nahwär-menetz dient der Versorgung der Ver-braucher mit Heizwärme und Wärmezur dezentralen Warmwasserberei-tung. Ideale Anwendungsfälle für

FORSCHUNG

langsamer auskühlen als kleine.Außerdem sinken die spezifischenBaukosten mit zunehmender Spei-cherbaugröße. Anwendung findetdiese Technik daher vorwiegend beiWohnsiedlungen mit mehr als 100Wohneinheiten oder bei großen Büro-gebäuden und Hotels.

Solare Wärme aus Solaranlagen mitLangzeitwärmespeicher kostet zwi-schen 30 und 50 Pf/kWh. In Abbil-dung 4 ist das Kosten/Nutzen-Verhält-nis solarthermischer Anlagen darge-stellt.

it Kurzzeitwärmespeicherung.

Solare Nahwärme und Saisonale#2 11.03.2001 3:59 Uhr Seite 10

diese Anlagen findet man bei großenMehrfamilienhäusern, Krankenhäu-sern, Wohnheimen, Hotels und Wohn-siedlungen ab ca. 30 Wohneinheiten.Auf diese Weise können bis zu 25 %des Gesamtwärmebedarfs solar ge-deckt werden.

Abbildung 1: Solares Nahwärmesystem m

10

3. Solaranlagen mit Langzeitwärme-speicher

Um solare Deckungsanteile im Bereichvon 50 % und mehr am Gesamtwär-mebedarf zu erreichen, ist eine saiso-nale Speicherung der Sonnenenergienotwendig. Die Abbildung 2 verdeut-licht die zeitliche Differenz zwischendem solaren Strahlungsangebot in denSommermonaten und dem Bedarf fürRaumheizung während der Heiz-periode. In mitteleuropäischen Breitentreffen etwa 3/4 der jährlichen Solar-strahlung während der Zeit auf die

Abbildung 2: Saisonale Phasenver-schiebung zwischen solarem Angebotund Wärmebedarf (qualitativ darge-stellt).

Erde, während der kaum ein Bedarffür die Beheizung von Gebäuden

Abbildung 3: Anlagenschema des solarefeld mit saisonalem Wärmespeicher.

besteht.

Die technische Lösung für dieses Pro-blem ist die Langzeitwärmespeiche-rung oder auch saisonale Wärmespei-cherung. Mit Sonnenkollektoren wirdhauptsächlich im Frühjahr und Som-mer ein Speicher erwärmt. Währendder Heizperiode wird dem Speicher dieSonnenwärme entnommen. Ist derSpeicher entladen, so liefert ein Zu-satzkessel die notwendige Wärme. DieAbbildung 3 zeigt das Schema einessolarunterstützten Nahwärmesystemsmit saisonalem Wärmespeicher.

SVERBUND SONNENENERGIE „THEMEN 97/98“

Noch bedeutender als bei der solarenBrauchwassererwärmung sind diegroßen Dimensionen für Solaranlagenmit saisonalem Wärmespeicher. Eini-ge tausend Kubikmeter sollte der Wärmespeicher groß sein, da großeSpeicher aufgrund des günstigerenOberflächen/Volumen-Verhältnisses

n Nahwärmesystems in Hamburg-Bram-

Ein besonderer Vorteil, der sich durchdie Erschließung von Versorgungsge-

bieten mit solarer Nahwärme ergibt,ist die Möglichkeit, die notwendigeZusatzenergie langfristig durch nach-haltige Energieträger zu ersetzen. Soist z. B. denkbar, daß der meist einge-setzte Erdgas-Spitzenkessel in der Zu-kunft durch einen Biomassekessel odereine Brennstoffzelle ersetzt wird,wodurch ein noch umweltfreundliche-res Energiesystem entstehen kann.

In der Tabelle 1 sind Auslegungsricht-linien für solare Nahwärmeanlagenmit Kurzzeit- und mit saisonalemWärmespeicher angegeben.

FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „THEMEN 97/98“

und technische Gesichtspunkte mit-einander in Einklang gebracht werdenund hierdurch eine ansprechende Lö-

Kollektordächer, die auf der Baustelleaus Einzelteilen (d.h. Absorber, Vergla-sung, Wärmedämmung usw.) errichtetwerden, haben den Vorteil, daß Siesich gut an vorhandene Dachflächenanpassen lassen. Nachteilig ist jedochdie extreme Witterungsabhängigkeitbei der Montage sowie das nur be-grenzte Kostenreduktionspotential.

Eine zukunftsweisende Technik, dieaus Skandinavien kommt und nunauch von deutschen Herstellern ange-boten wird, ist das „solar-roof“ (siehe

Anlagentyp Solare Nahwärme mit Solare Nahwärme mitKurzzeit-Wärmespeicher saisonalem Wärmesp

Mindestanlagengröße ab 30 Wohneinheiten ab 100 Wohneinheiten

Kollektorfläche 0,8 – 1,2 m2 pro Person 1,5 – 2,5 m2 pro MWhJahresgesamtwärmebed

Speichervolumen je m2 40 – 60 l 1,5 – 3 m3

Solare Nutzenergie ca. 450 kWh ca. 300 kWhje m2 Kollektorfläche

Solarer Deckungsanteil bis 25 % bis 60 %am Gesamtwärmebedarf

Tabelle 1: Auslegungsrichtlinien für solare Nahwärmeanlagen mit Kurzzeit-Wärmes

eckungsanteile thermischer Solaranla-

Abbildung 5: Montage von Großkollektoren in Hamburg-Bramfeld

Solare Nahwärme und Saisonale#2 11.03.2001 3:59 Uhr Seite 11

4. Solarkollektoren

Bei großen Solaranlagen entsteht einenormes Kostenreduktionspotentialdurch die Möglichkeit, großflächigezusammenhängende Kollektorfelderzu verwenden. Die spezifischen Ko-sten von Kollektorfeldern mit mehre-ren hundert Quadratmetern liegen sobei nur ca. 70 % der spezifischen Ko-sten von Kollektorfeldern mit 40 m2

Fläche [2].

Abbildung 4: Wärmekosten und solare Dgen.

Die in Skandinavien häufig anzutref-fende Aufstellung von großen Kollek-tormodulen auf Grundstücken nebender Heizzentrale ist eine einfache undkostengünstige Variante. In den mei-sten europäischen Ländern ist dieseLösung jedoch wegen der hohen Bau-landkosten zu teuer. Deshalb emp-fiehlt es sich, die Kollektoren auf denDächern der Gebäude zu installieren.

Nur durch eine frühzeitige Integrationder Kollektorflächen in die Architekturkann erreicht werden, daß ästhetische

sung erzielt wird. Die Abbildung 5zeigt die Montage von Großmodulen.Die hier eingesetzten Großkollektorenmit bis zu 8 m2 Fläche werden somontiert, daß die Abdichtung des Da-ches durch die Kollektoren erfolgt. Ab100 m2 Größe kosten Kollektorfelderzwischen 400 und 500 DM je m2.

Zum Vergleich:eicher kleine Solaranlage zur

Brauchwassererwärmung

–

1 – 1,5 m2 pro Personarf

50 – 80 l

ca. 350 kWh

bis 15 %

peicher und saisonalem Wärmespeicher

11

FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „THEMEN 97/98“

speicherung dargestellt. Das best-geeignete Konzept hängt von den ge-ologischen und hydrogeologischenGegebenheiten des Standortes ab. Einweiteres wichtiges Entscheidungskrite-rium sind die Speicherbaukosten. Hierist noch ein großes Kostenreduktions-potential vorhanden, welches ausge-schöpft werden muß, um wirtschaftli-che Gesamtlösungen zu realisieren.

Der Beton-Heißwasserspeicher be-steht aus einem Behälter aus Stahlbe-ton, der mit Wasser gefüllt ist. DerBehälter ist zum Teil ins Erdreich einge-

sein oder von Stützen getragen wer-den. Im Bereich des Deckels und dersenkrechten Speicherwände ist eineWärmedämmung angebracht. Die Ab-dichtung des Speichers erfolgt durcheine 1,2 mm starke Edelstahlausklei-dung. Beton-Heißwasserspeicher las-sen Temperaturen bis 95° C zu. InHamburg und Friedrichshafen sindSpeicher dieser Bauart in Betrieb. DieAbbildung 8 zeigt den 4.500 m3

großen Speicher in Hamburg-Bramfeldwährend des Baus.

Der Kies/Wasser-Wärmespeicher be-

Abbildung 8: Beton-Heißwasserspeicher in Hamburg während der Bauphase.

Solare Nahwärme und Saisonale#2 11.03.2001 3:59 Uhr Seite 12

Abbildung 6). Hierbei handeltes sichum in der Fabrik vorgefertigte, voll-ständige Dachmodule einschließlichSparren und Wärmedämmung. DieKollektoren übernehmen so vollstän-dig die Funktion des Daches. Werdendie Kosten für die herkömmlicheDacheindeckung gutgeschrieben, sobetragen die Mehrkosten nur noch300 bis 350 DM/m2 [3]. Eine weitereKostenreduktion ist hier zu erwarten,falls „solar-roofs“ in großen Serienhergestellt werden.

Die Aufständerung von Kollektormo-dulen auf Flachdächern sollte, wennmöglich, vermieden werden, da auf-grund der zusätzlich erforderlichenUnterkonstruktion Mehrkosten bis zu50 % der Kollektorkosten entstehenkönnen.

Bei der Erstellung von Bebauungsplä-nen ist frühzeitig auf die Solarisierungder Siedlung zu achten. Die Dächerder Häuser sollten nach Möglichkeitnach Süden ausgerichtet werden. EineAbweichung von 45° aus dieser Orien-tierung vermindert den solaren Ertragnur geringfügig. Die Dachflächen soll-ten in ihrer Ausrichtung jedoch höch-stens 45° voneinander abweichen, daansonsten eine aufwendigere Verroh-

Abbildung 6: Solar-Roof Element.

12

rung erforderlich wird. Die Neigungder für die Installation der Kollektorenin Frage kommenden Dächer solltezwischen 15° und 30° liegen. Unter-halb von 15° nimmt der Solarertrag abund die Dichtigkeit des Daches istschwieriger zu erreichen. Ist dieDachneigung steiler als 30°, so steigendie Installationskosten, da die Mon-tagebedingungen erschwert sind [2].

5. Technologien zur Langzeitwärme-speicherung

In der Abbildung 7 sind verschiedene

Konzepte zur saisonalen Wärme-

Abbildung 7: Techniken zur saisonalen W

lassen. Die Decke kann freitragend

ärmespeicherung.

lare Nahwärmesysteme erstellt undwissenschaftlich ausgewertet.

In Deutschland ging die erste solar

Solare N

FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „THE

sitzt als Speichermedium eine mitWasser gefüllte Kies-Schüttung. DieSpeicherfüllung dient einerseits alsWärmespeichermedium und anderer-seits als statisches Element. Dadurchkann auf tragende Bauteile wieDecken oder Wände verzichtet wer-den. Die Abdichtung des Speicher-bereichs erfolgt durch eine 2,5 mmstarke Kunststoffauskleidung. Wärme-gedämmt wird der Speicher an denWänden und an der Decke. Durch di-rekten Austausch des Speicherwasserswird die Wärme ein- und ausgespei-chert. Beim Entladen wird heißes Was-ser aus der oberen Speicherschicht zueinem Wärmetauscher gefördert, dortabgekühlt und in die untere Schichtzurückgeleitet. Der Temperaturbereichdes Speichers liegt zwischen 30 und85° C. Der erste Kies/Wasser-Speicherist seit 1985 an der Universität Stutt-gart in Betrieb. Die Abbildung 9 zeigt

3

ahwärme und Saisonale#2 11.03.2001 3:59 Uh

den 8.000 m Kies/Wasser-Speicher inChemnitz während der Bauphasenoch ohne Kiesfüllung.

Eine Abwandlung des Kies/Wasser-Wärmespeichers ist der Erdreich/Wasser-Wärmespeicher. Dieser be-sitzt prinzipiell den gleichen Aufbaumit dem Unterschied, daß anstelle derKiesfüllung das ausgehobene Erdreichwiederverfüllt und anschließend mitWasser gesättigt wird. Die Ein- undAusspeicherung der Wärme geschiehtindirekt über Wärmetauscherrohre imSpeicherbereich. Ein Pilotspeicher die-

Abbildung 9: Kies/Wasser-Wärmespeiche

MEN 97/98“

ser Bauart befindet sich seit 1997 ineiner Anlage in Egenhausen in Betrieb.Abbildung 10 zeigt die Bauarbeiten andiesem Speicher.

Beim Erdsonden-Wärmespeicherwird das Erdreich als Wärmespeicher-medium genutzt. In Bohrlöcher bis zueiner Tiefe von 100 m werden vertika-le Erdsonden aus Kunststoff einge-bracht. Über diese Sonden, in denenWasser als Wärmeträger zirkuliert,kann die Wärme in den Speicher ein-bzw. ausgespeichert werden. DieOberfläche des Speichers kann wär-megedämmt werden. Günstige Stand-orte für Erdsonden-Wärmespeicherbenötigen wassergesättigtes Erdreichohne Grundwasserströmung. DerTemperaturbereich liegt zwischen 30und 80° C. Ein Pilotspeicher ist inNeckarsulm im Bau.

r Seite 13

Beim Aquifer-Wärmespeicher wirddas Vorhandensein von unterirdischemWasser für die Langzeit-Wärmespei-cherung genutzt. Liegt eine Grund-wasserschicht zwischen zwei wasser-undurchlässigen Erdreichschichten, sokann durch Einbringung von vertikalenDichtwänden ein abgeschlossenerSpeicherbereich erzeugt werden. Un-terirdische Sandlinsen, die Wasser ent-halten und ringsum von wasserun-durchlässigen Bereichen umgebensind, können als Aquiferspeicher ge-nutzt werden. Über Förder- undSchluckbrunnen wird die Wärme in

r in Chemnitz noch ohne Kiesfüllung.

den Speicher eingebracht bzw. beiUmkehrung der Durchströmungsrich-tung wieder ausgespeichert.

Die Tabelle 2 gibt die Baukosten fertig-gestellter Wärmespeicher an [4]. Ta-belle 3, in der die Baukosten für eineSpeichergröße von 10.000 m3-Was-seräquivalent hochgerechnet wurden,ermöglicht einen Kostenvergleich sai-sonaler Wärmespeicherkonzepte [5].

6. Ausgeführte Projekte

Im Rahmen des vom Bundesministeri-um für Bildung, Wissenschaft, For-schung und Technologie gefördertenProgramms Solarthermie 2000 wur-den in den letzten Jahren mehrere so-

13

unterstützte Nahwärmeversorgung1992 in Ravensburg in Betrieb. DieAnlage mit Kurzzeit-Wärmespeicherunterstützt die Brauchwassererwär-mung für 29 Reihenhäuser mit einemsolaren Deckungsanteil von 45 %. DasKollektorfeld besitzt eine Gesamt-fläche von 115 m2 und wurde als dachintegrierter Kollektor ausgeführt.

Die ersten Großanlagen zur solaren

Abbildung 10: Erdreich/Wasser-Wär-mespeicher in Egenhausen. Abwech-selnd werden Wärmeaustauschersy-stem und Erdreich in den Speicher ein-gebracht.

FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „THEMEN 97/98“

r Wärmespeicher

Volumen Wasseräquivalent Baukosten einschließlichPlanung (ohne MwSt.)bezogen auf 1 m3

Wasseräquivalent

600 m3 600 m3 650 DM4.500 m3 4.500 m3 358 DM

12.000 m3 12.000 m3 220 DM

8.000 m3 5.300 m3 246 DM

300 m3 200 m3 350 DM

Solare Nahwärme und Saisonale#2 11.03.2001 3:59 Uhr Seite 14

Tabelle 2: Baukosten realisierter saisonale

Speichertyp Standort

Beton- RottweilHeißwasserspeicher Hamburg

Friedrichshafen

Kies/Wasser- ChemnitzWärmespeicher

Erdreich/Wasser- EgenhausenWärmespeicher

Nahwärme mit saisonaler Wärmespei-cherung wurden im Herbst 1996 inHamburg-Bramfeld und Friedrichshafen-Wiggenhausen in Betrieb genommen.Anlagen in Chemnitz und Neckarsulmbefinden sich noch im Bau. In der Tabelle4 sind die wichtigsten Daten dieser Pro-jekte zusammengestellt.

Die Anlage in Hamburg versorgt 124neue Einfamilienhäuser. Die Häuserübertreffen die Wärmeschutzverord-nung des Jahres 1995 bis zu 30 %.Bezogen auf die Wohnfläche be-

Hamburg Friedrichshafen Chemnitz Neckarsulm II

Tabelle 4: Übersicht der aktuellen solaren Nahwärmeprojekte mit saisonaler Wärmespeicherung

Tabelle 3: Vergleich der Baukosten für saisonale Wärmespeicher mit 10.000 m3

Wasseräquivalent

S p e i-c h e r t y pS p e i-c h e r v o l u me nf ü r1 m3

B a u-k o s t e ne i n s c h l ie ß l i c h

Was-

Gebäudetyp

beheizte Wohn-/Nutzfläche (m2)

Gesamtwärmebedarf (MWh/a)

SolaranlageKollektorfläche (m2)Speichervolumen (m2)Speichertyp

Wärmelieferung Solaranlage (MWh/a)

Solarer Deckungsanteil (%)

Solarer Wärmepreis (o. MWSt.) (Pf/kWh)

14

trägt der Heizwärmebedarf etwa 70 kWh/m2 pro Jahr. EinschließlichBrauchwassererwärmung und Netz-verlusten liegt der Gesamtwärmebe-darf der Siedlung bei 1.600 MWh proJahr. Über ein Zweileiter-Wärmeverteil-netz sind die Häuser mit der Heizzen-trale verbunden. Die Heizflächen wur-den in den Häusern auf 60/30° C Vor-/Rücklauftemperatur ausgelegt. DieWarmwasserbereitung erfolgt überPlattenwärmetauscher in den einzel-nen Häusern. Solare Wärme aus insge-samt 3.000 m2 Solarkollektoren wird

Reihenhäuser Mehrgeschoßbau B

14.800 39.500 1

1.610 4.106

3.000 5.6004.500 12.000

Beton-Heißwasser Beton-Heißwasser K

789 1.915

49 47

50,2 31,1

über ein Kollektor-Sammelnetz zentralin einen 4.500 m3 großen Beton-Heiß-wasserspeicher eingebracht. Der Spei-cher kann in den Sommermonaten imoberen Bereich bis auf 95° C aufge-heizt werden. In der Heizperiode dientdie Wärme aus dem Speicher der Be-heizung der Häuser und der Brauch-wassererwärmung. Reicht die Tempe-ratur im Speicher dazu nicht mehr aus,so wird der Heizungsrücklauf vorge-wärmt und die benötigte Restwärmeüber einen Gaskessel geliefert (Abbil-dung 3). Im Dezember ist der Speicher

üro/Hotel Mehrgeschoßbau,öffentl. Gebäude

3.000 20.000

1.237 1.663

2.000 2.7008.000 25.000ies/Wasser Erdsonden

552 832

45 50

45,7 33,7

dann vollständig entladen. Im Jahres-mittel können so 50 % des Wärmebe-darfs für Raumheizung und Brauch-wasser mit Solarenergie gedeckt wer-den.

Die solare Nahwärmeanlage in Frie-drichshafen versorgt ein Wohngebietmit 570 Wohneinheiten in 8 Mehrfa-milienhäusern nach dem gleichen An-lagenkonzept wie in Hamburg. Auf-grund der Größe der angeschlossenMehrfamilienhäuser erfolgt die Warm-wasserbereitung jedoch in dezentralen

MEN 97/98“

Solare Na r Seite 15

FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „THE

Wasserspeichern mit einem Speicher-ladesystem mit externem Plattenwär-metauscher. Die Auslegungstempera-turen des hausinternen Heizungssy-stems liegen bei 70/40° C. Die Solar-anlage besteht aus 5.600 m2 Flachkol-lektoren und einem Erdbecken-Heiß-wasserspeicher von 12.000 m3. Dersolare Deckungsanteil beträgt 47 %des Gesamtwärmebedarfs der Sied-lung.

Für die solare Wärmeversorgung desTechnologieparks in Chemnitz kommtein 8.000 m3 großer Kies/Wasser-Wär-mespeicher zum Einsatz. Es ist vor-gesehen, mit der solaren Wärme aus2.000 m2 Flachkollektoren 45 % desGesamtwärmebedarfs zu decken.Zwei Bürogebäude und ein Hotelmit einem jährlichen Wärmebedarfvon insgesamt 1.200 MWh sollen andas Wärmenetz angeschlossen wer-den.

7. Betriebserfahrungen

Beim Betrieb der ersten solarenNahwärmesysteme zeigte sich, daßdie Solaranlagen problemlos arbeiten.Jedoch ist eine sehr sorgfältige Pla-nung der konventionellen Anlagen-technik erforderlich.

Für die Einleitung von Solarenergie inHeizsysteme muß das Temperaturni-veau der Heizungsanlage so niedrigwie möglich liegen. Eine Auslegungder Heizflächen auf 70/40° C Vor-/Rücklauftemperaturen ist ein üblicherWert. Die Rücklauftemperatur aus denHeizkreisen ist besonders entschei-dend. Sie sollte im Auslegungsfallnicht über 45° C liegen. Nur dann istgewährleistet, daß die Solaranlage vielNutzenergie an die Heizung abgebenkann. Die praktische Umsetzung die-

hwärme und Saisonale#2 11.03.2001 3:59 Uh

ser Vorgaben erwies sich bei fast allenAnlagen als problematisch. DieBrauchwassererwärmung sowie derhydraulische Abgleich der Heizungs-anlage müssen daher sehr sorgfältiggeplant werden und nach der Installa-tion abgenommen werden. Um einoptimales Anlagenverhalten von sola-ren Nahwärmesystemen zu erzielen,ist eine parallele Meßdatenerfassungund -auswertung empfehlenswert.Nachdem die Anlage einreguliert ist,können durch Kontrolle der Wär-memengenzähler Anlagenfehlfunktio-nen einfach erkannt werden.

Die Regelungstechnik solcher Anlagensollte möglichst einfach gestaltet sein.Aufwendige Regelstrategien, die nurgeringe Ertragssteigerungen erzielen,haben sich in der Praxis nicht bewährt.

8. Umsetzung integraler Energie-konzepte

Die richtige Organisationstruktur unddas Finanzierungskonzept sind ent-scheidend für die Umsetzung von inte-gralen Energiekonzepten. Die Haupt-entscheidungsträger, wie Energieanla-genbetreiber, Kommune, Bauherren,Architekten und Energieplaner, solltenfrühzeitig die gemeinsamen Ziele for-mulieren und diese im Bebauungsplanfestschreiben. Ein Beispiel für eine sol-che Organisationsstruktur ist in derAbbildung 11 dargestellt.

Die gesamte Wärmeversorgung mußein Betreiber übernehmen, der dienotwendigen Investitionen tätigt.Stadtwerke oder private Betreiberge-sellschaften kommen als Wärmeliefe-ranten in Frage. Die Finanzierung derWärmeversorgungsanlage erfolgtgrößtenteils durch einen Baukostenzu-schuß der Wohnungsbaugesellschaftan den Betreiber. Für die Solaranlage

Abbildung 11: Organisationsstruktur für me.

können in vielen Fällen Fördermittelvon Kommune, Land oder Bund in An-spruch genommen werden. Zwischendem Betreiber der Wärmeanlage undden Mietern oder Hauseigentümernwird ein Wärmelieferungsvertrag ab-geschlossen.

Auf diese Weise kann die Wärme auchaus solar unterstützten Wärmeversor-gungsanlagen zu marktüblichen Prei-sen angeboten werden. Für die End-verbraucher entstehen so keine höhe-ren Jahreskosten als bei der Versor-gung mit Fernwärme.

9. Ganzheitliche Betrachtung solarerNahwärmesysteme

Das Hauptziel bei der Erstellung vonSolaranlagen sowohl mit Kurzzeit- alsauch mit Langzeitwärmespeichern istdie Reduzierung des Verbrauchs fossi-ler Energie und die Verminderung ne-gativer Umwelteinflüsse. Im allgemei-nen werden bei der Bewertung vonSolaranlagen nur die direkten Ein-sparungen an Brennstoff und die di-rekten Reduktionen an Emissionenangegeben. Dabei wird nicht berück-sichtigt, daß zur Herstellung der Solar-anlage ein Material- und Energieauf-wand erbracht werden muß.

Um eine ganzheitliche Bewertung vonSolarsystemen durchzuführen, müssenalle vorgelagerten Prozeßketten miteinbezogen werden. Am Beispiel vonSolarkollektoren bedeutet dies, daßz. B. der Energieaufwand zur Herstel-lung des Aluminiumrahmens für denKollektor bis zurück zur Bauxitförde-rung mitbewertet wird. Erst dieseBetrachtungsweise ermöglicht eineBewertung der Solaranlage in Bezugauf die tatsächliche Primärenergieein-sparung und Emissionsminderung .

die Umsetzung solarer Nahwärmesyste-

15

Eine ganzheitliche Beurteilung dessolaren Nahwärmesystems in Frie-drichshafen wurde am Institut fürThermodynamik und Wärmetechnikder Universität Stuttgart durchgeführt.Alle zur Solaranlage gehörendenMaterialien wurden erfaßt und diejedem Material zugehörigen vorge-lagerten Prozeßketten ermittelt. DieEnergieeinsparungen durch den Be-trieb der Solaranlage wurden mit Hilfevon dynamischen Simulationsrechnun-gen vorausberechnet [6].

Der gesamte kumulierte Energieauf-

Kombination sind sie einzusetzen?

Um dies zu beurteilen, wurden die Wärmekosten unterschiedlicher Energieeinsparmaßnahmen ermittelt [7, 8]. Die Wärmekosten errechnen sich dabei aus den Jahreskosten derEnergieeinsparmaßnahme dividiertdurch die aufgrund der entsprechen-den Maßnahme eingesparte jährlicheEnergie.

Sinnvoll ist die Verringerung des Trans-missionswärmebedarfs durch Verbes-serung der Wärmedämmung und Ver-

der Wärmekosten von solaren Nah-wärmesystemen mit Kurzzeitwärme-speicher.

Die Abbildung 12 verdeutlicht, daß einintegrales Energiekonzept, bei dembauliche Maßnahmen und aktive Sola-renergie miteinander kombiniert wer-den, sehr effektiv ist. In einem Einfa-milienhaus nach Wärmeschutzverord-nung 1995 müssen dann nur nochweniger als 40% fossile Energie einge-setzt werden; die Mehrkosten dieserLösung liegen unter 10% der gesam-ten Baukosten.

Abbildung 12: Energieeinsparpotential von integralen Energiesystemen durchVerbesserung des baulichen Wärmeschutzes und durch aktiven Einsatz von Son-nenenergie.

Solar

wand (KEA)1 , der zur Herstellung desuntersuchten Solarsystems benötigtwurde, beträgt 9.000 MWh. Die größ-ten Anteile daran entfallen auf denLangzeit-Wärmespeicher (46 %) undauf die Kollektoren (31 %). Die Stütz-konstruktion zur Aufständerung derKollektoren trägt mit 15 % zum ku-mulierten Energieaufwand bei. DerKEA zum Betrieb der Solaranlage be-trägt nur etwa 5 % des KEA für dieHerstellung.

Die energetische Amortisationszeit dessolaren Nahwärmesystems liegt bei4,5 Jahren. Nach dieser Zeit hat dieAnlage genau soviel Primärener-gie eingespart, wie zur Herstellung be-nötigt wurde. In 20 Jahren spart dieSolaranlage gegenüber einer rein fossilen Heizung 31.000 MWh Primär-energie und 6.600 t CO2-Äquivalentein.

Da der Langzeitwärmespeicher dengrößten Anteil am KEA der Gesamtan-lage besitzt, wurden in der Untersu-chung alternative Langzeitwärmespei-cher betrachtet. Den geringsten Ener-gieaufwand zur Herstellung benötigtdanach der Aquiferspeicher gefolgtvom Kies-Wasser-Speicher.

Eine Reduktion der energetischenAmortisationszeiten von solarenNahwärmesystemen mit Langzeitwär-mespeichern bis auf 2,5 Jahre kannz. B. durch folgende Maßnahmen er-reicht werden:

• Einsatz von dachintegrierten Kollek-toren unter Verwendung von Recyc-ling Aluminium,

• Einsatz eines Langzeitwärmespei-chers mit geringem KEA für die Her-stellung und den Betrieb.

e Nahwärme und Saisonale#2 11.03.2001 3:5

16

Die Amortisationszeiten dieser Syste-me wären dann mit denen kleinerBrauchwassersolaranlagen vergleich-bar. Dabei muß berücksichtigt wer-den, daß kleine solare Brauchwasser-anlagen nur ca. 15 % des Gesamtwär-mebedarfs decken, Anlagen wie inFriedrichshafen dagegen fast die Hälf-te.

10. Aktive Solartechnik und bauphysi-kalische Maßnahmen

Um das hohe Einsparpotential bei derWärmeversorgung von Gebäuden

FORSCHUNG

auszuschöpfen, ist der gemeinsameEinsatz von aktiver Solartechnik, ratio-neller Heizungstechnik und verbesser-tem Wärmeschutz in einem integralenEnergiekonzept notwendig.

Betrachtet man die Zeiträume, für dieWohnraum geschaffen wird, so wirddeutlich, daß die derzeitigen niedrigenEnergiepreise für Öl und Gas nicht alsEntscheidungsmaßstab für oder gegeninnovative Technologien geeignetsind. Der Ansatz bei der Bewertungdieser Technologien muß lauten: Wel-ches sind die kosteneffektivsten Ener-gieeinsparmaßnahmen und in welcher

9 Uhr Seite 16

SVERBUND SONNENENERGIE „THEMEN 97/98“

glasung bis zu einer Reduktion desRaumwärmebedarfs um etwa 30 %gegenüber dem Standard. Eine weite-re Verbesserung des Wärmeschutzesführt dann aber zu Wärmekosten, dieüber den Wärmekosten für aktiveSolartechnik liegen.

Werden Lüftungssysteme mit Wär-merückgewinnung zur Reduktion desLüftungswärmebedarfs eingesetzt, soist auf eine hohe Rückwärmzahl undeinen geringen Stromverbrauch derVentilatoren zu achten. Die Wärmeko-sten solcher Lüftungsanlagen liegenmit 24 bis 33 Pf/kWh auf dem Niveau

Solare Na

FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „THE

11. Ausblick

Die im Betrieb befindlichen solarenNahwärmesysteme zeigen, daß schonheute ein sehr hohes technischesNiveau erreicht ist. Die Hauptziele für die Zukunft liegen bei der Verbes-serung der Wirtschaftlichkeit von Gesamtsystemen. Besonders im Be-reich der Kollektoren ist durch indu-strielle Vorfertigung von komplettenKollektordächern in großen Serieneine enorme Kostenreduktion zu er-warten. Bei der saisonalen Wärme-speicherung besteht die Herausforde-rung in der Entwicklung und Erpro-bung von kostengünstigen Speicher-konzepten.

Ein weiteres Ziel ist die vollständigeSubstitution der zur Deckung desRest-Energiebedarfs benötigten fos-silen Brennstoffe durch nachhaltige

hwärme und Saisonale#2 11.03.2001 3:59 Uh

Energieträger. Durch das Vorhanden-sein einer zentralen Heizungssta-tion bei solaren Nahwärmesystemenist hier eine problemlose Einkoppelungzukünftiger Wärmeerzeuger mög-lich.

Solare Nahwärmesysteme erfordernintegrales Planen vom Gebäudeent-wurf bis zur Abrechnung des Wärme-verbrauchs. Die für die Umsetzung er-forderlichen Organisationsstrukturenmüssen standardmäßig bei neuenSiedlungen eingeplant werden.

MEN 97/98“

12. Dank

Der Bau und die wissenschaftlichenUntersuchungen der beschriebenensolaren Großanlagen wurde aus Mit-teln des Bundesministeriums für Bil-dung, Wissenschaft, Forschung undTechnologie (BMBF) finanziert. DasProjekt in Egenhausen (siehe Abbil-dung 10 und Tabelle 2) wird von derDeutschen Bundesstiftung Umwelt ge-fördert. Die Autoren danken für dieUnterstützung.

r Seite 17

Literatur

[1] Th. Pauschinger, E. Hahne„Darf’s ein bißchen mehr sein? – Solar-anlagen zur kombinierten Brauchwasse-rerwärmung und Raumheizung“, 7.Symp. Therm. Solarenergie (OTTI), Staf-felstein (1997)

[2] Guigas, M.„Integration of Large-Scale Solar Heat-ing Systems“, EU-APAS-Project RENA CT 94-0057, Steinbeis-TZ, Stuttgart

[3] Kübler, M.N. Fisch„Large scale solar heating with seasonalstorage in Germany – status, new pro-jects and future concepts“, North Sun‘97, 7th Intl. Conf. on Solar Energy atHigh Latitudes, Espoo-Otaniemi, Finland(1997)

[4] Küppers, N. Hirt, E. Hahne, R. Kübler, N.Fisch„Heißwasser-Erdbeckenwärmespeicherin Rottweil“, VDI Bericht 1168, Energie-speicher für Strom, Wärme und Kälte,VDI-Verlag (1994)

[5] M. Pfeil, H. Koch, E. Hahne„Solaranlagen mit Langzeitwärmespei-cher zur Heizungsunterstützung undBrauchwassererwärmung“, 7. Symp.Therm. Solarenergie (OTTI), Staffelstein(1997)

[6] Mahler, H. Rebholz, E. Hahne„Ganzheitliche Energie- und Emissions-bilanzen von solaren Nahwärmesyste-men mit Langzeit-Wärmespeicherung“,

17

7. Symp. Therm. Solarenergie (OTTI),Staffelstein (1997)

[7] Lutz A., Hahne E.„Kostenoptimale Kombination von sola-rer Nahwärme, rationeller Heiztechnikund verbessertem baulichen Wärme-schutz“, 9. Intl. Sonnenforum ‘94; Stutt-gart (1994)

[8] D. Mangold, T. Schmidt, K. Wachholz, E. Hahne„Solar Meets Business: ComprehensiveEnergy Concepts for Rational Energy Use inthe Most Cost Effective Way“, ISES SolarWorld Congress, Taejon, Korea, (1997)