Solar

Bei solarer Nutzung wird, abzüglich reflektierender Strahlungsanteile, das Angebot der Globalstrahlung der Sonne genutzt, welches nahezu unbegrenzt zur Verfügung steht.
Jede solar genutzte kWh ist wertvoll, da mit dem Betrieb keine Schadstoffemissionen verbunden sind. Gleichzeitig werden die Ressourcen begrenzt vorhandener, fossiler Energieträger geschont.
Das Strahlungsangebot der Sonne ist jedoch standortspezifisch und unterliegt jahres- und tageszeitlichen Schwankungen. Es kann thermisch oder mittels Photovoltaik (Strom) genutzt werden.

 

Die Qualität der Nutzung von Solarenergie wird mit dem Deckungsgrad beschrieben, der durch das Verhältnis solarer Nutzenergie zur prozessbedingten Anforderungsenergie innerhalb einer Jahresenergiebilanz definiert ist.
Zwischen theoretischem und tatsächlichem Deckungsgrad bestehen erhebliche Unterschiede.

 

Solarthermische Nutzung

Die thermische Nutzung von Solarenergie ist eng und unmittelbar mit Energiespeicherung und Nutzerverhalten (Lastprofile) verbunden.

 

Solarthermische Nutzung

 

Die Besonderheit besteht im schwankenden Leistungsangebot der Sonne im Tagesverlauf.
Daher lässt sich das Energieangebot aus physikalischer und technischer Sicht nicht vollständig nutzen.

 

Der nicht nutzbare Energieanteil E1,2 wird u.a. bestimmt durch:
- das Verhältnis Vorlauftemperatur vom Kollektor/ Stütztemperatur (Komfort)
- die Temperaturschichtung im Speicher

 

Der nicht nutzbare Energieanteil E3,4 wird u.a. beeinflusst von:
- dem Nutzerverhalten (Speicherentladung (Menge, Zeitprofil))
- der Temperaturschichtung im Speicher
- dem Energieinhalt im Speicher
- dem Nachlademanagement

 

Der Nutzung gehen von dem Energieangebot EA weitere Anteile durch verschiedene Verluste, u.a. Kollektorwirkungsgrad, Wärmeverluste, Hydraulik etc. verloren.
In Ertragssimulationen (Software) werden meist die genannten Minderungsaspekte nicht oder nur unzureichend berücksichtigt.
Es werden deutlich zu hohe Erträge (Deckungsraten) ausgewiesen, wodurch die tatsächliche Wirtschaftlichkeit von Solarthermischen Anlagen (STA) z.T. erheblich untergraben wird.

 

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Ertragssimulationen sollten daher kritisch hinterfragt und Garantien für Ertragsprognosen abverlangt werden.

 

Herzstück einer STA sind u.a. die Kollektoren.

 

 Kollektoren

 

Kollektoren sind entsprechend der Anlagendimensionierung auszuwählen.
Da für eine Wirtschaftlichkeit weniger der Kollektorwirkungsgrad, sondern vielmehr das Gesamtkonzept ausschlaggebend ist, haben sich insbesondere Flachkollektoren wegen des guten Preis-Leistungs-Verhältnis bewährt.
Neben dem Kollektorfeld besitzen Himmelsausrichtung, Neigung sowie mögliche Verschattung besondere Bedeutung bei der Anlagenplanung.

 

Wie bei einer Heizungsanlage, ist auch hier der Volumenstrom ein wichtiger Betriebsparameter. Der Volumenstrom hängt sehr von der Anlage und dem Betriebskonzept ab.
Je nach Anlagenkonfiguration, werden verschiedene Betriebsarten verwendet ("Low-Flow", "High-Flow"oder "Matched-Flow").

Bei Überdimensionierung der Kollektorflächen im Verhältnis zur möglichen Energieabnahme im Speicher kommt es zur Überhitzung bis zur Dampfbildung (Stagnation). Erhebliche Schäden durch thermische Belastungen können die Folge sein. Die Stagnationsgefahr ist bei der Anlagendimensionierung zu berücksichtigen.

 

Speichervolumen
Das notwendige Speichervolumen ist untrennbar mit dem Nutzerverhalten (zeitlich differenzierter Energiebedarf), dem Sonnenenergieangebot, der Leistung des Kollektorfeldes sowie der Nachladenotwendigkeit verbunden. Es existieren zwei Extrema:

 

- Speicher zu klein
Das Sonnenenergieangebot kann nur unvollständig oder nur anteilig genutzt werden

 

- Speicher zu groß
Ein Speicher ist zu groß, wenn er innerhalb eines Tagesverlaufs, allein durch Solareintag, nicht auf die notwendige Stütztemperatur (Komfort) kommt.

 

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Die Ermittlung der optimalen Speichergröße obliegt der gesamten STA Dimensionierung.

 

Nachladeproblematik
Da das Sonnenenergieangebot infolge des tages- und jahreszeitlichen Verlaufs nicht ausreicht, um den jeweiligen Energiebedarf vollständig zu decken, ist stets ein primärer Wärmeerzeuger notwendig (Bivalenter Betrieb mit STA Vorrang).
Eine Nachladung durch den primären Wärmeerzeuger hebt das Energieniveau in einem Speicher, wodurch der Sonnenenergieeintrag behindert bzw. eingeschränkt wird (E1,2, E3,4 )!

 

Solarthermische Nutzung nur für die WW-Bereitung

Die häufigste Form solarthermischer Nutzung. Hier wird der primäre Wärmeerzeuger zusätzlich unterstützt.
Die EnEV 2009 hat mit Einführung eines Referenzgebäudes, wo eine STA vordefiniert ist, zu einem Verkaufsboom geführt, unabhängig von der tatsächlichen Wirtschaftlichkeit.
Hier werden ausschließlich Dachflächen genutzt, wobei der Platzbedarf an vorhandenen Dachflächen relativ gering ist.

 

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Nur mittels Wärmemengenzähler und einem Strahlungssensor, sind die tatsächlichen Erträge einer STA im praktischen Betrieb überprüfbar. Um Softwaremanipulationen vorzubeugen sollten hier vorrangig geeichte WMZ von Fremdanbietern verwendet werden.

 

Das Nutzerverhalten (WW Entnahme, zeitliches Lastprofil) besitzt erheblichen Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit einer STA mit nur WW-Unterstützung.
Das überwiegende Lastprofil der WW-Entnahme in EFH/ZFH ist durch Inanspruchnahme am Morgen und besonders am Abend gekennzeichnet, wodurch die Wirtschaftlichkeit deutlich eingeschränkt wird.

 

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STA mit nur WW-Unterstützung eignen sich wirtschaftlich besonders für Nutzungen mit über den Tag verteilten Lastprofilen, insbesondere für Gewerbebetriebe, weniger für EFH/ZFH.

 

Solarthermische Nutzung mit WW und Heizungsunterstützung

 

Der Investitionsaufwand für STA mit Heizungsunterstützung (HU) ist deutlich höher, als bei alleiniger Unterstützung der WW-Bereitung.
Der hauptsächliche Nutzeffekt liegt in den jährlichen Übergangszeiten. Auch hier werden Dachflächen genutzt, wobei der Platzbedarf etwas höher ist.

 

Solarthermische Nutzung

 

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Je niedriger der Heizwärmebedarf des Gebäudes, je höher der mögliche, solare Deckungsbeitrag.

 

Solarthermische Nutzung

 

 Der Energieinhalt wird von der niedrigsten Temperatur bestimmt, die im Speicher möglich ist.

 

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Der solare Nutzen wird auch durch die Betriebsparameter der Heizungsanlage (Rücklauf- Temperatur, Volumenstrom) bestimmt.

 

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Solarthermische Anlagen sind ebenso sorgfältig zu planen und zu dimensionieren, wie Heizungsanlagen.

 

Photovoltaik

Bei Photovoltaik wird die Sonnenenergie mittels Solarmodulen zunächst in Gleichstrom und danach mittels Wechselrichter in Wechselstrom (50 Hz, 220 V) umgewandelt.

 

Hauptkomponenten einer Photovoltaikanlage (PVA) sind:

  • Photovoltaik-Generator (mehrere Photovoltaik-Module, Generatoranschlusskasten (mit Schutztechnik)
  • Gleichstromverkabelung
  • DC-Hauptschalter
  • Wechselrichter
  • Wechselstromverkabelung
  • Zählerschrank mit Stromkreisverteilung, Bezugs- und Einspeisezähler, Stromzähler für Eigenstromnutzung und Hausanschluss

 

Die Module bestehen aus mehreren miteinander, in Reihen- oder Parallelschaltung, verbundenen Solarzellen, die zum Schutz gegen Umwelteinflüsse versiegelt sind.
Als Halbleitermaterial wird verwendet:

 

  • monokristallines Silizium
  • polykristallines Silizium
  • amorphes Silizium
  • Kadmium-Tellurid
  • Kupfer-Indium-(Gallium-)

 

Silizium ist das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial.
Die Kennwerte eines Solarmoduls sind u.a.:

  • Leerlaufspannung
  • Kurzschlussstrom
  • Temperaturkoeffizient(TK) für die Leistungsänderung (negativ)
  • TK für die Leerlaufspannungsänderung (negativ)
  • TK für die Kurzschlussstromänderung (leicht positiv)
  • Modulwirkungsgrad

 

Die Lebensdauer der PV-Module beträgt mindestens ca. 30 Jahre. Von Herstellern werden Leistungsgarantien von ca. 20 bis 25 Jahren gegeben. Die beinhalten, dass in dieser Zeitspanne die Leistung um weniger als 20% von der Nennleistung abweicht.

 

Wechselrichter verursachen durch Erwärmung ca. 2 bis 5% Leistungsverluste.

 

In EFH/ZFH werden vorrangig netzgekoppelte Systeme verwendet, die Stromüberschüsse in das öffentliche Stromnetz einspeisen und bei Bedarf aus dem Netz entnehmen.

Um PV-Module und -Systeme miteinander vergleichen und eine Auswahl treffen zu können, ist es notwendig, die fünf wichtigsten Leistungsangaben zu kennen:

  • Wirkungsgrad
  • Nennleistung
  • Performance Ratio

 

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie viel von der zur Verfügung stehenden Sonnenleistung von der Photovoltaik Zelle, dem Modul oder der Anlage in Solarstrom umgewandelt werden kann.
Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage berücksichtigt zusätzlich alle weiteren Verluste z.B. durch Wechselrichter, Verkabelung.

 

 Wirkungsgrad

 

Durch zu starkes Aufheizen der Module an warmen und sehr sonnigen Sommertagen treten Verluste von ca. 10% auf.
Der Temperaturkoeffizient (TK) gibt an, um wie viel Prozent sich die Leistung pro Grad Celsius verringert. Dieser Wert ist modulspezifisch und liegt durchschnittlich zwischen -0,45 Prozent pro Grad Celsius bei kristallinen Photovoltaikmodulen.

 

Nennleistung
Ein PV System wird durch seine Spitzenleistung in Watt peak (Wp) charakterisiert. Diese Nennleistung gibt das Modul bei direkter, senkrechter Sonneneinstrahlung mit 1000 W/m² und definiertem Sonnenspektrum bei einer Zelltemperatur von 25°C ab.
Das übliche Leistungsspektrum eines Moduls liegt bei 10 bis 100 Wp.
Je nach Zell- bzw. Modultyp benötigt eine Anlage mit 1 kWp Leistung eine Fläche von 8 bis 22 m².

 

Performance Ratio
Die Performance Ratio (PR) gibt den Ertrag eines Systems im Verhältnis zum Ertrag eines idealen, verlustfreien Systems mit gleicher Auslegung, Nennleistung und Standort an.
Sie charakterisiert die Energieeffizienz aller Komponenten (Modul, Wechselrichter, Verkabelung, etc.), ist aber unabhängig von Wirkungsgrad und Ausrichtung der Module.
Die PR liegt bei modernen Anlagen bei 70 bis 80%. Die Differenz zu 100% sind Verluste durch Verschattung, Verschmutzung, Schnee oder Überhitzung.

 

Wie bei solarthermischen Anlagen sind auch hier Himmelausrichtung und Neigung der Module von Bedeutung.
Neben Dachflächen können auch Fassaden für das Anbringen von PV Modulen verwendet werden. Der Platzbedarf ist höher, als bei der solarthermischer Sonnennutzung.
Die Module sollte bevorzugt aufgeständert werden, um eine übermäßige Erwärmung im Sommer zu verhindern (Hinterlüftung, Wirkungsgrad).

 

 Performance Ratio

 

Strom ist der vielseitigste Energieträger. Im Gegensatz zur solarthermischen Nutzung können unterschiedlichste Verbraucher und Prozesse berücksichtigt bzw. versorgt werden.

 

achtung
PVA Nutzung ist aus wirtschaftlicher Sicht, der STA Nutzung im EFH/ZFH meist deutlich überlegen!

 

achtung
Anlagen mit Solarnutzung sind sorgfältig und fachgerecht nach den Ergebnissen der Grundlagenermittlung zu planen und zu dimensionieren.