Thermische Solaranlagen für Wärmenetze - Teil 1: Dimensionierung

Die Suche nach dem (wirtschaftlichen) Optimum von thermischen Solaranlagen

Thermische Solaranlagen bleiben ein spannendes, aktuelles Thema. Unser Artikel sucht deshalb das Optimum für Solaranlagen. In Teil 1 gibt es Tipps zur Dimensionierung von Kollektorfeldern und Speichern und einen Vergleich von Kollektorsystemen.

Thermische Solaranlage in Hamburg-Wilhelmsburg.
Quelle: Ritter XL Solar GmbH
Thermische Solaranlage im Wärmenetz von Hamburg-Wilhelmsburg.

Wärmenetze liefern zumeist Wärme für Heizung und Warmwasser. Außer in Dänemark, wo neue Wärmenetze oft auf Niedertemperatur getrimmt werden, um sie den Anforderungen einer speziellen Kollektortechnologie anzupassen, liegen Netzvorlauftemperaturen von Endverbrauchernetzen zwischen 80 und 110 °C, die Netzrücklauftemperaturen selten unter 60 °C. Die folgenden Betrachtungen gelten der solarthermischen Unterstützung solcher Wärmenetze und liefern Hinweise und Richtlinien zur Dimensionierung der Kollektorfelder und Speicher sowie einen Technologievergleich aktuell marktrelevanter Kollektorsysteme.

Zur Parameterbeschränkung und der Anschaulichkeit halber soll ein konkretes, für Deutschland typisches Wärmenetz untersucht werden. Dabei wird ein charakteristisches Lastprofil angenommen (Abb. 2).

Bedarsprofil des Wärmenetzes, Solar-Systemertrag für 2.000m2 Kollketorfläche und 100m3 Speicher (Abb.2).
Quelle: Ritter XL Solar GmbH
Bedarsprofil des Wärmenetzes, Solar-Systemertrag für 2.000m2 Kollketorfläche und 100m3 Speicher (Abb.2).

Wärmenetz für Heizung und WW- Bereitung am Standort Würzburg, Jahreswärmebedarf 10 GWh, Mindestlast 150 kW, Netztemperatur 80 °C (April bis Sept.) und 90 °C (Okt. bis März), Netzrücklauf-temperatur 60 °C, Plasma-CPC-Vakuumröhrenkollektoren "XL 50 P" mit 30° Neigung nach Süden ausgerichtet, Kollektorertrag nach "ScenoCalc" 626 kWh/m² Bruttokollektorfläche (Solar-Keymark-Tool), Systemertrag ohne bzw. mit sehr kleinem Speicher 550 kWh/m² Bruttokollektorfläche.

Für das Modell stehen somit wenigstens einige Parameter fest, es bleiben jedoch immer noch genügend Variablen. Als Speicher sind im Folgenden immer solche gemeint, die bei Speicherbedarf von den Kollektoren ohne Wärmeübertrager zunächst thermisch (ideal) schichtend von oben mit Netztemperatur geladen werden, bis unten Netztemperatur erreicht ist, und anschließend konvektiv von unten, bis sie homogen mit 95 °C geladen sind (Abb. 3). Bis ca. 200 m³ können das Druckspeicher sein, größere Speicher werden i.d.R. drucklos ausgeführt.

Schema Solaranlage (Abb.3).
Quelle: Ritter XL Solar GmbH
Schema Solaranlage (Abb.3).

Speicherbedarf heißt, dass mehr Solarwärme erzeugt wird als der aktuelle Netzbedarf. Wenn weniger Solarleistung zur Verfügung steht als der Netzbedarf, wird immer erst vorrangig der Speicher wieder entladen, so dass er viele Jahresstunden verlustarm bzw. auch verlustlos bleiben kann. Es wird jeweils nur ein Speicher entsprechender Größe mit einem mittleren U-Wert von 0,4 W/m²K angenommen.

Ergebnisse

Der solare Deckungsanteil f_save und der solare Systemertrag sind Ausdrücke für die relative und für die absolute Energieeinsparung (Abb. 4).

Energieeinsparung in Abhängigkeit von der Kollektorfläche bei verschiedenen Speichergrößen (Abb.4).
Quelle: Ritter XL Solar GmbH
Energieeinsparung in Abhängigkeit von der Kollektorfläche bei verschiedenen Speichergrößen (Abb.4).

Ignoriert man zunächst die Speicherverluste, dann kann der Kollektorfläche (untere x-Achse) auch ein maximaler theoretischer Deckungsanteil zugeordnet werden, was auf der oberen x-Achse geschieht. Dieser entspricht dem Systemertrag ohne Speicher von 550 kWh/m² Bruttokollektorfläche, einmal bezogen auf den Jahreswärmebedarf von 10 GWh (rot) und einmal bezogen auf den Bedarf von Juli bis August (blau). Dieser Deckungsanteil ist nur insofern theoretisch, als jeder Speicher natürlich auch Speicherverluste mit sich bringt. Für Kollektorflächen, die so klein sind, dass sie höchstens die Mindestlast des Wärmenetzes decken können, wird jedoch kein Speicher in Anspruch genommen, weshalb die f_save-Kurven für alle Speichergrößen gleich beginnen und sich für kleine Deckungsanteile auch nicht vom maximalen theoretischen Deckungsanteil unterscheiden. Für zunehmende f_save sind aber immer größere Kollektorflächen und Speicher erforderlich.

Der Systemertrag erreicht bei kleinen Kollektorflächen bis ca. 800 m² ohne Speicher maximal fünf Prozent des Jahresbedarfs. Fortan werden in zunehmendem Maße Speicher benötigt. Es ist sehr viel einfacher, den Sommerbedarf zu decken als den Jahresbedarf, z. B. mit 2.000 m² Kollektorfläche und 100 m³ Speicher zu 33 Prozent im Sommer statt nur zu elf Prozent über das ganze Jahr. Mit wachsendem Speicher wachsen auch die Verluste und sinkt der spez. Systemertrag, weshalb f_save hinter dem maximal theoretischen Deckungsanteil (ohne Speicherverluste) immer weiter zurückbleibt.

Montag, 25.07.2016

Von Rolf Meißner
Geschäftsführer, Ritter XL Solar GmbH