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Keine Energiewende ohne Solarwärme

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Eingestellt 10, Feb 2015 in Solare Wärme, Heizen von Matthias Hüttmann (208 Punkte)

Wer die Energiewende nur als Stromwende denkt, springt zu kurz. Der Wärmesektor gerät ins Abseits. Mehr noch: Regenerativ erzeugter Strom macht Elektroheizungen hoffähig. Unser Autor Matthias Hüttmann plädiert für eine neue, integrierte Denkweise, die den Strom- und Wärmesektor verbindet – und das Energiesparen nicht vergisst.
Solarthermie wird zu klein gedacht: Die Sonne assistiert einer Öl- oder Gasheizung bei der Trinkwassererwärmung. Bestenfalls unterstützt sie die Raumheizung - mehr schlecht als recht, weil im Winter, wenn Heizwärme gebraucht wird, die Sonne zu wenig scheint. Dieses kleinmütige Denken, das bis weit in die Solar- und Heizungsbranche hinein verwurzelt ist, wird die erneuerbaren Energien nicht voran bringen. Mehr Selbstbewusstsein würde nicht schaden: Die saisonale Speicherung der Solarwärme, die Optimierung der Regelung zur Erhöhung solarer Deckungsraten, die Verbesserung der Anlageneffizienz – all dies sind Aspekte, die die Solarthermie in einem anderen Licht erscheinen lassen. Darüber hinaus bietet die Verzahnung von regenerativer Stromerzeugung und Wärmetechnik ungeahnte Möglichkeiten.

Kleinanlagen ohne Zukunft?

Solarthermie ist allemal zeitgemäß, um nicht zu sagen notwendiger denn je. Trotzdem gibt es in der Branche Befürchtungen, dass die Heizungen mit ihren solaren Assistenten, wie sie seit Jahren etabliert sind, bei den Fast-Null-Energie-Gebäuden der Zukunft kaum noch eine Rolle spielen könnten. Diese Befürchtungen sind berechtigt. Denn wird die Solarthermie nur als Add-on zum Heizkessel verstanden, ist ein wirtschaftlicher Betrieb tatsächlich schwierig zu realisieren.

Seit den 1980er- und 1990er-Jahren gibt es fast nur Solarthermie-Kleinanlagen. Sie bringen wenig, aber sie richten auch keinen Schaden an – dachte man. Geschadet haben sie aber dem Ruf der Solarthermie: Die sei zwar gut fürs Lebensgefühl, aber wenig wirtschaftlich. Mit diesem Leumund fällt es schwer, der Solarthermie eine tragende Rolle bei der Energiewende zuzuweisen.

Gängige Solaranlagen zur Heizungsunterstützung in Ein- oder Zweifamilienhäusern haben ein Pufferspeichervolumen von 750 bis 1.500 Liter. Hier heizt eine herkömmliche Technik, meist ein konventioneller Öl- oder Gaskessel, und die Solarthermie unterstützt sie. Schon der Begriff „Heizungsunterstützung“ sagt alles über die Rangfolge im technischen Konzept. Deshalb ist von diesen Anlagen auch nicht mehr zu erwarten, als dass sie dem fossil befeuerten Heizkessel lediglich einen Anteil seiner Arbeit abnehmen. Sie leisten in aller Regel 15 bis 30 Prozent solare Deckung, mehr kann die Sonne bei einem solchen Konzept nicht beitragen. Die Heizgerätehersteller stützen diese Sichtweise. Sie bewerben ihre Heizkessel, ihre Solarkollektoren und ihre Kurzzeitspeicher – oft im praktischen Paket.

Doch ohne Langzeitspeicher gibt es im Eigenheim keine Solarthermie, die auch ökonomisch Sinn stiftet. Soll der Kessel nicht nur unterstützt, sondern weitgehend oder völlig ersetzt werden, sind die Speicherinhalte um ein Vielfaches größer anzusetzen. Nur dann können die solaren Deckungsraten nennenswert erhöht werden. Nur dann wird der Betrieb wirtschaftlich.

Modernisierung als Chance?

Ein Solarwärmekonzept, das diesen Namen verdient, lässt sich nicht einfach mit einem Heizungstausch realisieren. Da meist eine größere Reparatur oder eine plötzliche Störung (im Winter!) die Auslöser für den Kauf einer neuen Heizung sind, besteht kaum eine Chance, Tabula rasa zu machen. Ein Brennstoffwechsel hin zu einem Biomassekessel oder gar der harte Schnitt hin zur solaren Heizung stehen in solchen Notfallsituationen nicht zur Debatte. Der Niedertemperaturkessel wird durch ein neues Gerät gleicher Bauart ersetzt, das alte Brennwertgerät gegen ein moderneres ausgetauscht. Damit ist die Umstellung auf erneuerbare Energien für die nächsten 20 Jahre passé. Man hat zwar eine neue Heizung mit etwas niedrigerem Energieverbrauch – in Sachen Wärmewende ist man aber keinen Schritt vorangekommen.

Dazu kommt, dass die schleppende Nachfrage nach erneuerbaren Wärmesystemen Weiterentwicklungen bremst. Die Innovationszyklen werden länger, die Preise zukunftsweisender Technik bleiben meist über denen konventioneller Produkte. Das Beharren auf Altbewährtem zementiert letztendlich Rückständiges.

Autark und integrativ

Genug lamentiert. Denn es gibt sie, die zukunftsweisenden Konzepte – zum Beispiel in Freiberg/Sachsen. Hier stehen seit dem Sommer 2013 zwei energieautarke Häuser, die ersten ihrer Art in Europa. Die beiden hier abgebildeten, bezahlbaren Gebäude sind bewohnt, eines dient als klassisches Einfamilienhaus, das andere wird als Büro genutzt. In den nächsten Jahren werden hier neuartige Konzepte für ein autarkes Lüftungs-, Kühlungs- und Wasserversorgungssystem entwickelt. Die Häuser decken ganzjährig ihren Bedarf an Heizung und Warmwasser weitestgehend mit der Sonne. Dazu sind in die steilen Dachflächen 46 Quadratmeter große Kollektorflächen integriert. In Kombination mit einem 9-Kubikmeter-Langzeitwärmespeicher wird eine solare Deckungsrate von über 65 Prozent erreicht. Den restlichen Bedarf deckt ein Kaminofen mit Hilfe von etwa zwei bis drei Festmeter Stückholz pro Jahr. Wärmeseitig ist das energieautarke Haus somit nicht ganz unabhängig.

Beim Strom sind die Gebäude auf die Eigenversorgung mit Solarstrom ausgelegt. Dafür sorgt eine 8-Kilowatt-Peak-Photovoltaik-Anlage, die ebenfalls dachintegriert ausgeführt ist. Die Kollektoren und Module des Solardachs ersetzen die Dachziegel und bilden eine vollwertige Dachfläche. Um den selbst gewonnen Strom flexibler einsetzen zu können, wird dieser in einem Energiespeicher zwischengelagert. So kann beispielsweise ein Elektromobil auch nach Feierabend, wenn die Sonne gerade nicht scheint, mit eigenproduziertem Strom geladen werden. Der Akku ermöglicht es dem Haus, vollständig ohne Stromnetzanschluss auszukommen. Neben der persönlichen Freiheit, die aus dieser Autarkie entsteht, bringt sie einen gesamtwirtschaftlichen Effekt: Sie entlastet das öffentliche Stromnetz.

Externe Speichernutzung

Es ist zwar nicht nötig, ein energieautarkes Haus an das öffentliche Stromnetz anzuschließen. Aber es bietet für beide Seiten – Bewohner und Energieversorger – Vorteile: Energieüberschüsse können ins Netz eingespeist werden, beispielsweise wenn man kein Elektrofahrzeug sein Eigen nennt. Wie der Energieversorger von dem Konzept profitiert, zeigt eines der beiden Häuser in Freiberg: Es stellt dem regionalen Energieversorger EnviaM und den Stadtwerken Freiberg den Akku-Speicherplatz zur „Lagerung“ von Stromüberschüssen zur Verfügung. Und nicht nur der Elektrospeicher sowie der Akku des E-Mobils sollen von außen angesteuert werden. Auch der 3.200 Kubikmeter fassende Langzeit-Wärmespeicher in einem der Häuser wurde mit einer Elektroheizpatrone ausgestattet. Wie ein großer Tauchsieder erwärmt der Heizstab das Wasser in dem Speicher - mit Überschussstrom, den die Freiberger Stadtwerke einspeisen. Bis zu 550 Kilowattstunden Strom kann der Stromversorger im Winter auf diese Weise einlagern und über Wochen als Wärme vorrätig halten. Die Bewohner müssen dann ihren Kaminofen seltener einheizen. Dieses für beide Seiten profitable System wird – wie alle technischen Komponenten der beiden Häuser - messtechnisch begleitet. Den Energieversorgern bietet dies die Chance, praxisnahe Messdaten und Erfahrungen zu gewinnen.

Auch der Nürnberger Energieversorger N-Ergie praktiziert das Prinzip „Power-to-Heat“ und hat hierfür kürzlich einen 70 Meter hohen und 33.000 Kubikmeter fassenden Wärmespeicher in Betrieb genommen. Hier wird überschüssiger regenerativ erzeugter Strom in Form von Wärme gepuffert. Der Nutzen für die Allgemeinheit liegt auf der Hand: Stromerzeugung und -verbrauch werden voneinander entkoppelt, schlecht speicherbarer Strom wird zu einfach speicherbarer Wärme. Windkraftanlagen müssen nicht mehr abgeschaltet werden, wenn sie zu viel Strom erzeugen.

Strom-Wärme-Systeme

Die Kombinationsmöglichkeiten von Photovoltaik, Solarthermie, Biomasse und Umweltwärme (in Form von Wärmepumpen) sind enorm - jedoch nur, wenn der Strom- und Wärmesektor im Gebäude nicht getrennt betrachtet wird. Gerade für die Wärmeversorgung bieten sich viele neue Möglichkeiten. Das zeigt auch ein Blick über die Grenze nach Dänemark. Dort schießen solarthermisch betriebene Nahwärmenetze wie Pilze aus dem Boden. Sie beschränken sich jedoch nicht nur auf die Bereitstellung von Wärme. Vielmehr wird die Wärme beispielsweise von Dampfturbinen in einem sogenannten ORC-Prozess (Organic-Rankine-Cycle) in Strom verwandelt. Als Arbeitsmittel dienen dabei organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur. Solche Wärme-Strom-Hybridlösungen wurden in dänischen „Smart District Heating“-Anlagen bereits mehrfach realisiert.

Auch in Deutschland gibt es hoffnungsvolle Ansätze. In einem Berliner Projekt zur Sanierung von Geschosswohnungsbauten überwacht ein „dynamischer Energiemanager“ den Heizwärme- und Warmwasserverbrauch wie auch die unterschiedlichsten Energiebereitstellungsarten. Solarthermieanlagen, geothermische Energiegewinne, Abluftwärmepumpen, aber auch der Stromertrag mittels Photovoltaik: Alles wird in Echtzeit gemessen und ausgewertet. So kann das System alle Komponenten im laufenden Betrieb an das Energieangebot und das Nutzerverhalten anpassen. Auch die Speicherung erfolgt auf innovative Weise in einem sogenannten „eTank“. Dieser Wärmespeicher liegt in der Erde – beim Neubau direkt unter der Bodenplatte, beim Altbau zum Beispiel neben dem Gebäude. Er besteht bis zu einer Tiefe von etwa 1,5 Metern aus mehreren Schichten Erdreich, in denen Polyethylen-Leitungen verlegt sind. Das gesamte Erdreich wird über die mit Sole gefüllten Leitungen erwärmt: Solarwärme gelangt direkt in den „Erdtank“, aber auch Wärmeerträge mit niedriger Temperatur kann er aufnehmen, etwa Wärme aus einer Abluftanlage, einem Kamin mit Wärmerückgewinnung oder einer wassergekühlten Photovoltaikanlage sowie Prozesswärme und Abwärme. Im Sommer ist das System zur Kühlung einsetzbar. Eine intelligente Leitungsführung und das offene System verhindern Überhitzen oder Auskühlung.

Zukunftsmusik?

Passivhaus, Aktivhaus, Sonnenhaus, Nullenergiehaus, Plusenergiehaus: Angesichts der beschriebenen Konzepte verschwimmen die einst puristischen Hausbau-Ideologien. Passivhäuser erhalten eine aktive Heizung, die Energie aus erneuerbaren Quellen nutzt. Sonnenhäuser werden dicker gedämmt, um die regenerative Anlagentechnik kleiner zu dimensionieren – oder um Überschüsse für Langzeitspeicher zu erwirtschaften. Zur runden Sache wird das Ganze durch die Erweiterung des Gebäude-Energiekonzepts auf die Mobilität, dem zweiten großen Block des privaten Energieverbrauchs.

Führt man Solarthermie, Photovoltaik und Bauphysik zusammen, kann jede Technik ihr energetisches und wirtschaftliches Potenzial am besten ausschöpfen. Das ist mehr als eine kleine Solarwärmeanlage für ein bisschen Warmwasser oder eine kleine PV-Anlage zum Abgreifen der Einspeisevergütung.

Matthias Hüttmann

 

Literatur

Leukefeld, Timo, Baer, Oliver u. Hüttmann, Matthias: Modern heizen mit Solarthermie – Sicherheit im Wandel der Energiewende. Erlangen: Verlag Solare Zukunft, 2014, ca. 200 S., 21,85 Euro, Bestellungen: www.dgs-franken.de/bestellungen

Der Autor unseres Beitrags zur Wärmewende, Matthias Hüttmann, ist Co-Autor eines neu erschienenen Solarthermie-Fachbuches. Es zeigt, wie Kollektoren die endlose Kraft der Sonne anzapfen und wie die Wärme gespeichert wird – billiger als Akkus den Strom speichern können. Zudem werden innovative Häuser vorgestellt, die auch im Winter nur durch Solarthermie beheizt werden.

   
Kommentiert 11, Feb 2015 von Michael Stöhr (1,180 Punkte)
Sehr geehrter Herr Hüttmann,
bei aller inhaltlichen Zustimmung ein paar Bemerkungen zum Duktus Ihrer Ausführungen:
1. Es ist eine Binsenweisheit, dass die Energiewende mehr ist als eine Stromwende und auch weithin Konsens, dass eine Verknüpfung des Strom-, Wärme-, Gas- und Mobilitätssektors zur Optimierung der Energiewende erforderlich ist. Dazu gibt es auch bereits mehrere Szenarien und Modellrechnungen.
Es wird jedoch von oft von solchen, die die Energiewende im Strombereich ausbremsen wollen, allen voran den Protagonisten der EEG-Reform 2014, gerne betont, dass die Energiewende mehr sei als eine Stromwende. Damit wird suggeriert, dass Energiewende-Befürworter einen solchermaßen verengten Blick hätten, was in der Regel jedoch nicht der Fall ist.
2. Passivhaus, Aktivhaus, Sonnenhaus, Nullenergiehaus, Plusenergiehaus als puristische Hausbau-Ideologien zu bezeichnen halte ich für unangemessen. Ich spräche hier von Konzepten, die sich teilweise ausschließen (zum Beispiel maximale Dämmung versus maximales Einfangen von Solarlicht) zu denen Sie aber Weiterentwicklungen aufgezeigt haben, welche dies überwinden und die Grenzen zwischen den bislang existierenden Konzepten verschwimmen lassen.
Mit sonnigen Grüßen, M. Stöhr

2 Antworten

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Beantwortet 1, Mär 2015 von Axel Horn (448 Punkte)

Keine Energiewende ohne Solarwärme

Ja, das stimmt! Die Freude über diese Aussage verfliegt aber wieder, wenn gleich danach die Solarthermie-Anlagen klassischen Zuschnitts für Einfamilienhäuser schlechtgeredet werden. Zitat: „Doch ohne Langzeitspeicher gibt es im Eigenheim keine Solarthermie, die auch ökonomisch Sinn stiftet.“

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 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.

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.

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.

Axel Horn

 

Software-Autor im Bereich Simulation Thermischer Solaranlagen
Fachingenieur für solarthermische Anlagen und Frischwarmwassertechnik

www.ahornsolar.de

 

 

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Beantwortet 10, Feb 2015 von Geckler, Heinz (2,530 Punkte)

Hallo Herr Hüttmann,

ich bin begeistert über Ihre Ausführungen. Ich werde von meinen Kollegen ( ich bin Elektroinstallateur ) immer belächelt, wenn ich meine Visionen von mir gebe. Meiner Meinung nach ist der Einsatz von Stromspeichern in Verbindung mit der erneuerbaren Stromerzeugung nur eine vorübergehnde Erscheinung. Da vor allem im Gebäudebestand die Kosten für die Wärmeerzeugung den größten Anteil an den Energiekosten bedeuten bin ich schon lange der Meinung, dass die Speicherung auch der photovoltaisch erzeugten Energie in Form von Wärme in Langzeitspeichern irgendwann viel wirtschaftlicher sein wird.  Kann ich doch z.B. in der Kombination PV-Anlage und Wärmepumpe aus 1 kWh solar erzeugter Energie bis zu 4 kWh Wärme erzeugen, die dann gespeichert werden kann. Leider sind die Speichersysteme für Bestandsgebäude auf absehbare Zeit nicht bezahlbar. Deswegen habe ich mir als Übergangslösung im eigenen Objekt die Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe so installiert, dass ich über eine selbst entwickelte Hard- und Software-Lösung den Eigenverbrauch optimiere. Ich nehme es derzeit dazu sogar in Kauf, für die Wärmepumpe auf einen 2. Zähler für Heizstrom zu verzichten. Ich nutze für die WP den teureren Haushaltsstrom, kann aber in dieser Konfiguration den PV-Strom auch für den Betrieb der Wärmepumpe nutzen.

Über unser selbst entwickeltes System habe ich meine "alte" Dimplex-Wärmepumpe relativ preiswert "Smart-Grid-Ready" gemacht. Und das sogar nicht nur wie bei Smart-Grid-Ready definiert mit festen Parametern, sondern ich kann meine WP mit variablen Parametern Außentemperatur- und PV-erzeugungsabhängig betreiben.

Ich freue mich, wenn mehr Gleichgesinnte sich Gedanken über unsere Energiezukunft machen und habe mir die Berichte des Herrn Leukefeld auch schon angesehen. Ich finde auf diesem Portal sehr viele qualitativ hochwertige Stellungnahmen zu dem gesamten Spektrum der erneuerbaren Energien und bringe mich aus diesem Grund im Rahmen meiner Möglichkeiten auch sehr intensiv mit ein.

Mit besten Grüßen, Heinz Geckler

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