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Solarthermie

Messergebnisse

Im Rahmen des 1993 gestarteten Förderkonzepts Solarthermie-2000, Teilprogramm 2 und des Folgekonzepts Solarthermie2000plus wurden bis 2011 in ganz Deutschland über 70 solare Großanlagen errichtet. Charakteristisch für diese Anlagen ist deren Kollektorfeldgröße von mindestens 100 m². Am Beispiel dieser Demonstrationsanlagen soll die technische und wirtschaftliche Einsatztauglichkeit thermischer Solarsysteme demonstriert, deren Technik weiterentwickelt und die Systemschaltungen und -dimensionierung standardisiert werden.

In einem wissenschaftlich-technischen Begleitprogramm werden die Anlagen von der Idee bis hin zu einem mehrjährigen Betrieb von einer unabhängigen Stelle betreut. Für die Begleitung der Demonstrationsanlagen in Südwestdeutschland ist seit 1999 die Hochschule Offenburg zuständig. Deren Hauptaufgaben sind:

  • Eignungsprüfung von Objekten zur Errichtung thermischer Solargroßanlagen, 
  • Unterstützung der Projektbeteiligten bei der Anlagenplanung, -ausschreibung und -ausführung, 
  • Konzeption und Installation der Messtechnik, 
  • mehrjährige Messdatenerfassung und -auswertung, 
  • Überwachung und Beurteilung des Anlagenbetriebs,
  • Störfallanalyse und Optimierungsvorschläge,
  • Know-how Transfer.

Von der Hochschule Offenburg werden zehn Solargroßanlagen begleitet. Fünf dieser Anlagen, in Freiburg (2x), Mindelheim, Singen und Baden-Baden werden ausschließlich zur Trinkwassererwärmung eingesetzt. Bei einer Anlage wird zusätzlich die Erwärmung des Schwimmbadwassers unterstützt. Von den vier jüngsten Anlagen, die bereits in Solarthermie2000plus gefördert werden speißt eine die Solarwärme in ein Nahwärmenetz und die anderen drei in das Heizungssystem des Firmen- bzw. Schulgeländes. Die Wärme wird zur Raumheizung und/oder Kälteerzeugung genutzt.

Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse und Erfahrungen aus der wissenschaftlich-technischen Begleitung der von der Hochschule Offenburg betreuten Solargroßanlagen dargestellt.

Die Solare Nutzwärme ist diejenige Energie, die von der Solaranlage an das Trinkwasser abgegeben und für dessen Erwärmung genutzt wird.

Spezifische Solare Nutzwärme

2013 betrug die solare Nutzwärme von sieben der zehn begleiteten Solaranlagen insgesamt ca. 892 MWh, was bezogen auf deren gesamte Aperturfläche von 2.670 m² einer mittleren spezifischen solaren Nutzwärme von 334 kWh/(m²a) entspricht.

In der nebenstehenden Abbildung sind die Jahressummen der gemessenen Nutzwärme der einzelnen Anlagen bezogen auf die Kollektorfläche dargestellt. Zum Vergleich ist auch die Nutzwärme dargestellt, die vor der Anlageninstallation auf Basis von Simulationen prognostiziert wurde. Es zeigen sich z. T. starke Ertragsunterschiede zwischen den einzelnen Anlagen, aber auch Schwankungen in den Jahreserträgen der jeweiligen Anlage. Dies liegt darin begründet, dass die Nutzwärme einer Solaranlage von vielen Faktoren bestimmt wird: Wetter, Warmwasserverbrauch, Regelkonzept, Betriebsweise der konventionellen Technik, Störungen und Ausfälle des Solarsystems.

In Freiburg-Vauban wurden mit teilweise über 650 kWh/(m²a) in den meisten Jahren sehr hohe spezifische Erträge erzielt. In 2002 und 2009 wurden jedoch die für diese Anlage niedrigsten solaren Erträge erzielt. Die Anlage stand in 2002, während des Umbaus längere Zeit still. Dadurch konnte nur ein niedriger solarer Jahresertrag realisiert werden. In den darauf folgenden Jahren erreichten die solaren Erträge nicht mehr das Niveau der ersten beiden Jahre, da zwar die Entladeperformance durch eine bessere Zapferkennung deutlich verbessert wurde, aber der Wärmeübertrager auf der Beladeseite eine geringere Leistung als der vorherige hat. In 2009 kam es zu längerfristigen Störungen der Regelung und zu einem Komplettausfall der Anlage infolge von Undichtigkeiten im Kollektorfeld. Ab 2010 liegen für Vauban leider keine Messdaten vor.

In Singen fiel im ersten Messjahr der solare Ertrag niedriger aus, als der in der Energiegarantie angegebene Wert. Die Solaranlage wurde daraufhin umgebaut. Hierbei wurde insbesondere die Verschaltung der Trinkwasserspeicher von vier parallel geschalteten Behältern auf eine paarweise Reihenschaltung geändert. Seither sind die Speicher aufgeteilt in zwei Vorwärm- und zwei Bereitschaftsspeicher. Außerdem wurden Optimierungsmaßnahmen an Regelung und Dämmung der Solarspeicher durchgeführt. Hierdurch konnte in den Jahren 2002 bis 2005 deutlich mehr solare Nutzwärme geerntet werden. In 2006, 2008, 2010 und 2012 fiel der Ertrag durch diverse Störungen wieder deutlich geringer aus. Diese Störungen traten im jeweiligen Folgejahr nicht auf, sodass der Ertrag wieder gesteigert werden konnte.

In Baden-Baden nahm der Solarertrag seit Inbetriebnahme bis 2005 stetig ab. Durch Verkalkungen im Trinkwasserwärmeübertrager konnte die Wärme immer schlechter an das Trinkwasser abgegeben werden. Erst durch einen Umbau der Anlage in 2006 konnte eine deutliche Verringerung der Verkalkung und damit eine Erhöhung der Solarerträge erzielt werden. In 2007 und 2008 konnte wieder nur weniger Ertrag erzielt werden, da der Warmwasserverbrauch deutlich reduziert war. In 2009 war der Verbrauch wieder auf dem vorherigen Niveau, außerdem konnte durch weitere Reduzierung der Verkalkungsproblematik der Ertrag wieder gesteigert werden. Für 2010 liegen wegen einer Störung der Messwerterfassung keine Messdaten vor.

In Waldbronn kam es in den Jahren 2005 und 2006 durch Probleme mit der Dichtigkeit der Wärmeübertrager zu einer längeren Stillstandsphase. Durch Austausch der Wärmeübertrager und Wiederinbertriebnahme der Beckenwasservorwärmung konnten in 2007 wieder deutlich höhere Solarerträge erzielt werden. 2012 und 2013 kam es zu langfristigen Störungen, sodass kaum Ertrag erzielt wurde.

In Mindelheim und Freiburg Wilmersdorfer Straße gab es während der gesamten Laufzeit nur wenige Störungen, die ohne große Auswirkungen auf den Ertrag blieben. Der Rückgang der Erträge bei diesen beiden Systemen geht einher mit einer Reduzierung des Warmwasserverbrauchs und ist größtenteils darauf zurückzuführen.

Insgesamt konnten in Freiburg-Vauban mit durchschnittlich 587 kWh/m² die höchsten spezifischen solaren Erträge erzielt werden. Bei den meisten Anlagen wurde in 2003 der höchste Ertrag realisiert.

Die Messergebnisse von Holzgerlingen, Esslingen, Butzbach und Rottweil sind getrennt zu betrachten, da es sich hier um ein Nahwärmenetz bzw. solare Klimatisierungsanlagen handelt, deren Erträge nur bedingt mit denen der anderen Solaranlagen vergleichbar sind.

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Der Systemnutzungsgrad gibt an, wie viel Prozent der auf die Kollektoren eingestrahlten Solarenergie in Nutzwärme umgewandelt wird.

Solarer Systemnutzungsgrad 

Die mittleren jährlichen Systemnutzungsgrade der einzelnen Solaranlagen sind in nebenstehender Abbildung dargestellt. Ebenfalls abgebildet sind die prognostizierten Systemnutzungsgrade, ermittelt auf Basis von Simulationsrechnungen. Auffällig sind hier die im Vergleich zu den anderen Anlagen größtenteils hohen Nutzungsgrade in Freiburg-Vauban, die auf die ganzjährig hohe Kollektorauslastung zurückzuführen sind. Der Jahres-Systemnutzungsgrad lag bei den Trinkwasseranlagen im Normalbetrieb im Bereich 30 – 52 %. Auf Grund von Funktionsstörungen und Reduzierung des Wasserverbrauchs kam es auch zu Systemnutzungsgraden unter 30 %.

In Holzgerlingen, Esslingen, Butzbach und Rottweil wurden regelmäßig Nutzungsgrade unter 30 % oder knapp darüber realisiert, was größtenteils auf das höhere Temperaturniveau der Anlagen zurückzuführen ist.

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Die solare Einstrahlung gibt die aufsummierte Strahlungsmenge auf einen Quadratmeter Kollektorfläche innerhalb eines Jahres an.

Spezifische Solare Einstrahlung in Kollektorebene

Die nebenstehend dargestellte solare Einstrahlung lag über alle Jahre und Anlagen zwischen 1140 und 1550 kWh/(m²a). Auffällig ist, dass bei allen Anlagen im Jahr 2003 gefolgt von 2011 die höchsten Strahlungssummen gemessen wurden. In 2010 und 2013 wurde bei den meisten Anlagen die niedrigste solare Einstrahlung gemessen. Außerdem zeigt sich, dass in Singen regelmäßig die niedrigsten Werte erzielt werden, wobei die anderen Anlagen fast immer auf gleichem Niveau liegen. In Singen weicht die Ausrichtung des Kollektorfeldes 52 ° von der Südrichtung ab. Dennoch ist auch hier die Einstrahlung nur geringfügig niedriger.

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Die Auslastung gibt an, wie viel Liter Trinkwasser (60°C) täglich in Relation zu ein Quadratmeter Kollektorfläche verbraucht werden. Ein Quadratmeter Kollektorfläche pro 70 Liter Warmwasserverbrauch (60°C) pro Tag werden hier als Auslegungswert empfohlen.

Kollektorauslastung

In nebenstehender Abbildung ist der solare Systemnutzungsgrad in Abhängigkeit von der mittleren Kollektorauslastung dargestellt. Eine höhere Kollektorauslastung bedingt i.d.R. einen höheren Nutzungsgrad. Die Auslastung liegt weitestgehend im Bereich 40 l/(m²d) – 70 l/(m²d). Ausnahme ist das Studentendorf Freiburg-Vauban. Dort erhöhte sich wegen höherer Bewohnerzahlen im Vergleich zur Planungsphase der Warmwasserverbrauch und damit die Auslastung erheblich. Holzgerlingen, Esslingen und Butzbach können bezüglich Auslastung nicht bewertet werden, da die Wärme nicht nur zur Warmwasserbereitung eingesetzt wird. Insgesamt wird bestätigt, dass der Systemnutzungsgrad mit der Auslastung abnimmt.

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Der solare Deckungsanteil ist der Anteil der solaren Nutzwärme am Energiebedarf für die Erwärmung des gezapften Warmwassers.

Solarer Deckungsanteil am Wärmeverbrauch

In der Abbildung ist der solare Zapfdeckungsanteil an der Erwärmung des gezapften Warmwassers bzw. der ans Nahwärmenetz bzw. Heizungssystem abgegebenen Wärmemenge dargestellt. Dieser liegt meist im Bereich von 30 – 40 %, was charakteristisch für Solaranlagen ist, die als Vorwärmsysteme konzipiert sind. Ein Ausreißer nach unten unter den Trinkwasseranlagen ist die Solaranlage im Studentendorf Freiburg-Vauban, wegen ihrer in Relation zum Warmwasserverbrauch kleinen Kollektorfläche fallen die Deckungsanteile sehr gering aus.

Auch in Holzgerlingen und Esslingen fällt im Vergleich zu den anderen Anlagen der Deckungsanteil deutlich niedriger aus. Hier konnten die Kollektorfelder nicht größer ausgelegt werden, da nicht mehr geeignete Dachfläche zur Verfügung stand. Die Anlage Butzbach liefert als kleinste Anlage unter den solaren Klimatisierungssystemen den höchsten Deckungsanteil, da hier die Größe des Kollektorfeldes entsprechend der Empfehlung von ca. 3 m²/kW-Kälteleistung ausgelegt werden konnte. Außerdem werden die Kältemaschinen solar autark betrieben.

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