Solarthermie ist das Gebot der Stunde - mein Behelfsprojekt
Der durchschnittliche Endenergieverbrauch in Wohngebäuden ist dominiert von Heizung (67,6%), und Warmwasser (15,9%) liegt etwa gleichauf mit elektrischen Verbrauchern (16,5%) (UBA für 2018). Sehr viele heizen Raum und Wasser (noch) mit fossilen Energien. Wie können wir das möglichst schnell und geschickt ändern?
Ich denke, hier muss Solarthermie eine wichtige Rolle spielen.
Die Solarthermie ist in den letzten Jahren wenig diskutiert worden – wenn man etwas auf die Dächer packt, dann Photovoltaik. Das ist für die Energiewende im Stromsektor auch eine ganz wichtige Maßnahme, Deutschland hat bereits eine respektable Quote an erneuerbaren Energien im Strommix, aber sie steigt nicht so schnell wie erforderlich. Gleichzeitig steigt durch den Umstieg auf Strom beispielsweise im Verkehr (Elektroautos) der Bedarf für Strom stark an.
Für die Wärmewende gilt die Wärmepumpe als Mittel der Wahl, natürlich mit regenerativem Strom betrieben. Biomasse ist die andere “nachhaltige” Alternative, sie bedeutet in der Regel Holz, meist Holzpellets, und ich stimme mit Herrn Aiwanger (der zeigt, dass in Bayern nicht nur die CSU miserable Politiker hervorbringt) keinesfalls überein, dass die energetische Nutzung von Holz ausgebaut werden sollte. Das wäre nur zu verantworten, wenn wir in Deutschland wie weltweit keinen Schwund an Waldsubstanz zu verzeichnen hätten. Aber die Wärmepumpe braucht Strom, gute Anlagen haben eine JAZ von etwa 4, das heißt eine Kilowattstunde Strom erzeugt vier Kilowattstunden Wärme. Das heißt aber auf Basis der obengenannten Verteilung des Energiebedarfs, dass sich der Stromverbrauch eines Haushalts nach der Umstellung mehr als verdoppelt! Womöglich muss der Stromversorger dafür sogar die Leitung zum Gebäude aufbohren. Daher wird auch der Umstieg auf Wärmepumpe nur in Verbindung mit einer energetischen Sanierung (Gebäudedämmung) empfohlen. Sinnvollerweise, aber Gebäude dämmen ist erstens teuer und zweitens erfordert es einiges an Planungsaufwand, ist also nicht gerade eine schnelle Lösung.
Wenn der Zubau an Erneuerbaren mit der Installation von Wärmepumpen nicht Schritt hält, dann muss mehr fossile Energie ins Stromnetz, auch wenn der Wärmepumpennutzer Ökostrom bucht, bekommen die “Graustromkunden” eben einen um so dreckigeren Mix.
Solarthermie ist zwar nicht als Vollversorgung geeignet, da die Sonne im Winter ohnehin nicht so kräftig und lange scheint, und man auch mit Schlechtwetterperioden rechnen muss. Sie kann also nur eine weitere Wärmequelle ergänzen. Aber sie nimmt die verfügbare Sonnenenergie auf und stellt sie mit minimalem Stromverbrauch (für die Pumpe und die Steuerung) zur Verfügung. Und gerade beim Warmwasser, das das ganze Jahr über benötigt wird, sind klassische Heizungsanlagen oft sehr ineffizient. Wenn man da den fossilen Verbrauch und damit CO2-Ausstoß reduzieren oder vermeiden kann, ist damit viel gedient.
Ich denke, der grundsätzliche Vorteil ist damit bewiesen, nun geht es an die Umsetzung.
Das Thema ist für mich gerade akut. Die geplante energetische Sanierung des Hauses zieht sich hin. Eigentlich hätte ich schon den Winter 2020/2021 als den letzten haben wollen, in dem ich noch mit Öl heize. Bezüglich dieses Ziels bin ich nun also zwei Jahre im Verzug. Ich habe daher beschlossen, als Behelf Solarthermie in das Bestandssystem zu integrieren. Das kann auch eine Blaupause für andere sein, die eine umfassende Sanierung nicht oder noch nicht anpacken wollen oder können.
Die Frage bei der Sanierung von Bestandsanlagen ist immer, wie kriegt man eine neue Technik in das Bestandssystem integriert.
Typischerweise laufen Solarthermie-Anlagen mit Sole, einem Wasser-Glykol-Gemisch, das vor dem Einfrieren der Anlage im Winter schützt. Das setzt einen separaten Kreislauf voraus, der über einen Wärmetauscher eingebunden wird. Als meine Eltern 1988 die Ölheizung erneuern ließen, stand alternativ zu dem ausgewählten 200l Trinkwarmwasserspeicher (ich vermeide den Begriff Brauchwasser, da er laut Wikipedia eigentlich Prozesswasser bezeichnet und kein Trinkwarmwasser, auch wenn er im Heizungsbau genau mit dieses Bedeutung weiterhin verbreitet ist) auch ein für Solar vorbereiteter mit 300l und zwei Wärmetauschern, einem für Solar ganz unten, in dem dann Sole fließen würde, und einem etwas weiter oben, der, wie der einzige im 200l Speicher, das Heizwasser vom Ölkessel als Wärmequelle benutzt. Er würde dann als Schichtspeicher fungieren, so dass der Solarkollektor je nach Wärmeangebot entweder den Speicher komplett aufheizen kann, oder eine Vorwärmung vornimmt, und der Kessel dann den oberen Teil auf die gewünschte Temperatur bringt. Aber wie gesagt, die Entscheidung fiel auf den kleineren “normalen” Warmwasserspeicher. Der Anschluss eines Solekreislaufs würde also die Nachrüstung eines externen (Platten-)Wärmetauschers oder den Tausch des Speichers voraussetzen.
Daher war ich sehr erfreut, dass die Firma Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co KG mit ihrer Marke Paradigma damit Werbung macht, dass ihre Vakuumröhrenkollektoren mit Wasser betrieben werden. Denn das erlaubt den direkten Anschluss an den vorhandenen Heizkreislauf ohne solche Änderungen. Sie erklären, ein Patent für den Frostschutz eines solchen Konstrukts zu haben. Letztlich ist es eine Funktion der Steuerung, bei frostigen Außentemperaturen das Heizwasser im Kollektor ein wenig umzuwälzen. Sie nennen auch eine Reihe von Nachteilen von Sole (zäher, also höhere Pumpleistung, degeneriert über die Jahre, besonders bei Überhitzungssituationen, hat geringere Wärmekapazität, usw.).
Bei Solar-Kollektoren sind zwei Typen zu unterscheiden:
- einerseits der Flachkollektor, der im Grund wie ein einschichtiger Flachheizkörper (also Typ 10, aber mit dünneren Wasserkanälen und mehr Blech dazwischen) mit Wärmeisolierung hinten/unten und Glasscheibe zur Sonne hin aufgebaut ist, bei manchen Modellen wird der Luftdruck in diesem Gehäuse reduziert, um die Isolierung zu verbessern (Vakuumflachkollektor). Wie beim Heizkörper sind die Flüssigkeitskanäle senkrecht angeordnet, der kalte Zulauf (=”Rücklauf”) wird unten angeschlossen und der warme Vorlauf oben (Vor- und Rücklauf bezieht sich in Heizungsanlagen immer auf den Heizkreis, Vorlauf ist also immer die warme Seite, und er heißt Vorlauf, auch wenn er vom Kollektor weg führt).
- andererseits der Vakuumröhrenkollektor (der Kürze halber im folgenden VRK). Die gängige Bauform besteht aus nur einseitig geöffneten Glas-Doppelzylindern, deren Hohlraum evakuiert ist wie bei einer Thermoskanne, die Innenseite ist mit einer Absorberschicht versehen, also vereinfacht gesagt schwarz lackiert, damit die Sonnenstrahlen auf der Innenseite der Vakuumisolierung in Wärme umgewandelt werden. In den Vakuumzylindern befindet sich entweder eine Rohrschleife, durch die das Wärmeträgermedium gepumpt wird, oder eine Heatpipe. Diese münden in ein Sammlergehäuse am oberen Ende, in dem sich die Verrohrung für die Rohrschleifen bzw. ein Behälter mit Buchsen für die Wärmeübertragerkapseln der Heatpipes befindet. Die Innereien des Sammlergehäuses sind durch klassische Dämmung isoliert (z.B. Glas-/Steinwolle) und die Vakuumröhren tauchen in diese Isolierschicht ein, um Wärmebrücken zu vermeiden. Die Vakuumröhre selbst ist also innen trocken und kann bei Beschädigung (z.B. zu krasser Hagelschlag, wobei die Dinger ziemlich dickwandig und damit robust gebaut sind, und auch entsprechende Tests bestehen müssen) ausgetauscht werden, ohne dass dies den Flüssigkeitskreislauf oder die Heatpipe berührt. Während der Flachkollektor seiner Natur nach eine Fläche komplett belegt, ergeben sich beim VRK Lücken zwischen den Röhren. Die einen Hersteller packen die Röhren möglichst dicht nebeneinander, die anderen montieren Spiegelrinnen hinter Röhren in größerem Abstand, die das zwischen den Röhren auftreffende Licht wiederum an diese reflektieren, letzteres wird CPC abgekürzt. Ritter hat sich für die Spiegel entschieden. Die Röhren und die enthaltenen Wärmetauscher sind sicher teurer als ein Spiegelblech, die Entscheidung leuchtet mir daher ein. Das Solar Keymark Zertifikat zeigt, dass in einem weiten Winkelbereich eine gleichgute Verwertung der Einstrahlung erfolgt. Der Wirkungsgrad η0 wird für die STAR-Serie mit 0,644 angegeben.
Es gibt unterschiedliche Aussagen zur vergleichsweisen Performance von Flach- und Vakuumröhrenkollektoren, aber letztere sind aufgrund der besseren Isolierung jedenfalls weniger von den Außentemperaturen abhängig. Entsprechend ist auch eine geringere Energie aufzuwenden, um die Flüssigkeit von einer Abkühlung unter den Gefrierpunkt zu schützen, somit ist diese Variante für den Wasserbetrieb eher geeignet. Ein fleißiger Wikipedia-Autor und erkennbar Solar-Praktiker (Jpascher) schreibt in Diskussion, dass er auch einen VRK mit Wasser betreibt und die tatsächliche Gefriergefahr minimal und beherrschbar ist. Ein Patent wird ja erteilt, wenn keine bereits vorliegende Patentierung gefunden wird und die Erfindungshöhe nicht schon von vornherein angezweifelt wird. Neuheit und Erfindungshöhe kann durch Anfechtung oder im Rahmen eines Patentstreits überprüft werden. Dass Ritter hier auf ein patentiertes Verfahren verweist, muss also nicht bedeuten, dass ihre Lösung wirklich einzigartig ist, und einige Werbeaussagen und Darstellungen auf ihren Produktdokumenten und in ihrem Blog stellen aus meiner Sicht schon eher grenzwertiges Marketing dar. Auch das Fehlen ausführlicher Datenblätter, und lückenhafte Informationen in den Produktinfoblättern, stößt unangenehm auf. Das ändert aber nichts daran, dass die Herangehensweise sinnvoll und gerade in der Sanierung vorteilhaft ist.
Ich habe auch einen Installateur vor Ort gefunden, der Paradigma-Partner ist, und habe ein erstes Angebot für eine solche Anlage vorliegen, das ich gerade wegen Details nochmal überarbeiten lasse.
Konkret sind folgende Randbedingungen wichtig zu betrachten:
- ein Solarkollektor kann bei Nichtabnahme der eingesammelten Wärme, was im Zweifelsfall im Sommer der Fall ist, “stagnieren”, es bildet sich Dampf und letztlich ein Dampf-Wasser-Gleichgewicht bei einer bestimmten Temperatur, die u.a. vom Anlagendruck abhängt und diesen auch maßgeblich beeinflusst. Der Installateur sagt, dem muss durch ein entsprechend dimensioniertes Membran-Ausdehnungsgefäß (MAG) Rechnung getragen werden. Im Angebot für den mir zu klein gewählten STAR 19/33 ist ein MAG mit 80l 6bar vorgesehen. Bisher ist in meiner Heizungsanlage ein MAG mit 35l 3bar verbaut. Ich vermute, für den von mir gewünschten größeren Kollektor wird auch ein größeres MAG eingeplant werden.
- die Nutzung eines 6bar MAG kann darauf hindeuten, dass bis zu 6 bar Druck denkbar sind, bei meiner Heizungsanlage mit zahlreichen Stahlradiatoren stellt sich daher die Frage, ob die diesem Druck überhaupt standhalten oder ob eine niedrigere Druckbegrenzung erforderlich ist. Laut Literatur gibt es für Stahlradiatoren Typen PN4 und PN6 mit 4 bzw. 6 bar Maximaldruck und die Rechnung von 1974 gibt den Typ nicht an. Es gab damals keinen Grund, mehr als PN4 zu verbauen, daher würde ich im Zweifelsfall damit rechnen. Das ist mir gerade erst aufgefallen, daher muss ich diesbezüglich noch nachfragen.
- von der klassischen Heizung ist man gewöhnt, dass die Pumpe im Vorlauf eingebaut ist. Bei Solarinstallationen ist es üblich, die Pumpe im Rücklauf einzubauen. Damit fördert sie kältere Flüssigkeit zum Kollektor hin und wird folglich weniger durch Temperaturschwankungen beansprucht. Es könnte auch sein, dass der hydraulische Widerstand der Kollektoren relativ hoch ist, besonders wenn sie mit Sole betrieben werden (das Glykol macht die Flüssigkeit zäher), und es daher vorteilhaft ist, mit der Pumpe in den Kollektor hineinzudrücken.
- Paradigma schlägt bei Weiterverwendung der bestehenden Speicher ein Anschlussschema vor, das in erster Linie die Warmwasserbereitung adressiert, daher wird der Solarvorlauf an den Vorlauf zum Wärmetauscher des Trinkwarmwasserspeichers und der Solarrücklauf an dessen Rücklauf angeschlossen. Um überschüssige Wärme der Heizung zugute kommen zu lassen, kann ein Umschaltventil in den Vorlauf eingebaut werden. Es wird vorgeschlagen, dass dieses im Modus “Heizung” das solar erwärmte Heizwasser in den Kesselrücklauf einspeist, um so als Vorwärmstufe des Kessels zu dienen. Ich möchte aber den Kessel möglichst wenig betreiben, und sehe es daher als Verschwendung an, das Heizwasser zunächst in den Kessel zu drücken, bevor es den Heizungsvorlauf erreicht. Außerdem beabsichtige ich nicht, die Vorlaufpumpe der alten Heizung ständig laufen zu lassen. Daher habe ich darum gebeten, bei mir den Solarvorlauf im Heizmodus direkt in den Heizungsvorlauf einzuspeisen.
Ich werde hier im Blog weiter über mein Projekt berichten.
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