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Pressemitteilung BoxID: 185691 (Paradigma Deutschland GmbH)
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Kollektorvergleiche – Wo sich Spreu und Weizen trennen

Fachbeitrag von Dipl.-Ing. Stefan Abrecht, Dr. Christiane Kettner und Dr. Rolf Meißner

(PresseBox) (Karlsbad, ) Bei höheren Betriebstemperaturen unterscheiden sich die Ergebnisse von Sonnenkollektoren mit Vakuumisolierungen von solchen mit konventioneller Wärmedämmung beziehungsweise Röhrenkollektoren von Flachkollektoren. Unter durchschnittlichen Strahlungsverhältnissen (zum Beispiel 450 W/m²a, z. B. hat Würzburg 397 W/m²a) werden selbst die besten Flachkollektoren bei Temperaturunterschieden zur Umgebung ab circa 25 K aufwärts von Röhrenkollektoren in den Schatten gestellt. Bei Temperaturunterschieden ab circa 40 K übertreffen selbst die einfachsten Röhrenkollektoren jeden Flachkollektor im direkten Leistungsvergleich.

Kollektorkennlinien

Zunächst muss ein in den Medien, vor allem im Internet und auf Herstellerprospekten oft verbreiteter Irrtum über die Ertragsverhältnisse in Deutschland klargestellt werden. Das Problem liegt in der beliebten Präsentation von Kollektorkennlinien bei exotischen Strahlungsbedingungen, zum Beispiel bei 800 W/m². Das gilt am Referenzstandort Würzburg bei einem Süddach mit 45 Grad Neigung aber nur für 11 Prozent der energetischen Strahlungsbilanz beziehungsweise nur 159 Stunden im Jahr. Davon verbringt eine gut dimensionierte Anlage aber viele in der thermischen Stagnation. Dagegen kommen mehr als 13 Prozent der Sonnenstrahlung mit weniger als 200 W/m² vom Himmel. Das Jahresmittel der Strahlungsleistung liegt in Würzburg bei 397 W/m². Der Anteil unter 100 W/m² wurde hier weggelassen, weil dieser für Flachkollektoren völlig bedeutungslos ist und auch bei Röhrenkollektoren nur noch mit maximal 5 Prozent in der Jahresbilanz zu Buche schlagen kann. Ohne diese Vernachlässigung läge das Mittel noch tiefer.

Die Kennlinien wurden bei einer Einstrahlung von 450 W/m² gerechnet und zeigen, dass unter anspruchsvolleren Betriebsbedingungen die Leistungen der drei Röhrenkollektoren die Flachkollektoren bei spätestens 40 K Temperaturdifferenz zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur übertreffen. Gegen den CPC-Vakuumröhrenkollektor verlieren durchschnittliche Flachkollektoren bereits bei Temperaturdifferenzen von 15 K und die besten ab 25 K. Dabei zählen diese Flachkollektoren durchaus zu repräsentativen Vertretern ihrer Gattung. Der Kollektor mit Nr. 5 ist einer von den allerbesten und soll die momentane Leistungsgrenze der Flachkollektortechnik repräsentieren.

Wir hätten an dieser Stelle gern weitere, Solarteuren gut vertraute Kollektoren präsentiert, mussten aber feststellen, dass sehr viele Hersteller wegen der Förderung zwar Solar-Keymark-Tests durchführen lassen, ihre Testergebnisse aber oft nicht öffentlich machen.

Es muss auch kritisch bedacht werden, dass die Leistungsermittlung nach DIN EN 12975 zwar bei allen Kollektoren mit Wasser durchgeführt und die mit Wasser erzielten Ergebnisse sozusagen „amtlich“ ohne Abschlag anerkannt werden, dass aber derzeit nahezu alle Hersteller die Kollektoren in der Realität mit einem anderen Wärmeträger füllen.

Diese Glykol-Wasser-Mischung hat dann bei 40 °C eine 12 Prozent geringere Wärmekapazität und eine 38 Prozent geringere Wärmeleitfähigkeit. Außerdem hat sie im Vergleich mit Wasser die 3,8-fache Viskosität, was eine so kleine Reynoldszahl ergibt, dass die Kollektoren über-wiegend bei ungünstigerer, laminarer Strömung arbeiten müssen. Entsprechend steigt der Druckverlust enorm an auf bis zu 385 % im Vergleich mit Wasser als Wärmeträger, was zu höherem Pumpenstromverbrauch führt. Zu tieferen Temperaturen hin werden die Verhältnisse immer ungünstiger.

Auch die Wärmetauscher (auf die man bei wassergefüllten Systemen oft ganz verzichten kann) müssen beim Betrieb mit Wasser-Glykol-Gemischen deutlich größer dimensioniert werden, da die Wärmeübertragung im laminaren Bereich deutlich schlechter ist. Nahezu alle Solarertrags-Simulationsprogramme ignorieren die physikalische Abbildung dieser Zusammenhänge durch Anwendung zu einfacher Modelle vollständig. Das geradezu regelmäßige Verfehlen der vorhergesagten Jahreserträge bei Solaranlagen mit Frostschutzmitteln, was man in der Literatur über Großanlagen am besten verfolgen kann, hat vermutlich hier eine systematische Ursache.

Dynamischer Jahresvergleich

Im Folgenden soll gezeigt werden, dass die Zukunft der solaren Prozesswärmetechnik in der Röhrentechnologie liegt. Dazu wurde untersucht, wie sich die drei vorgestellten Röhrenkollektoren und die Flachkollektoren verhalten würden. Es gibt zwei Lastkreise, davon eine Prozesswärmeanwendung mit einem Sollwert von 90°C, sowie eine Raumheizung mit variablem Sollwert zwischen ca. 45°C und 70°C während der Heizperiode. Es werden 250 m² Bruttofläche mit Südausrichtung und 40° Neigung sowie ein Jahreswärmebedarf von 310 MWh angenommen. Der Speicher hat ein Volumen von 4,5 m³ und spezifische Verluste von 8 W/K. Die Solarfläche besteht aus zwölf Strängen mit je 20,8 m² in Serie. Die Stränge zweigen alle nach links und rechts von einem mittigen Hauptstrang ab. Die Hauptzuleitung DN 50 liegt 20 m im Freien und 20 m im Innenbereich.

Das Kollektorfeld wurde für alle Kollektoren als gleich angenommen, obwohl es für die Vergleichskollektoren meist deutlich komplizierter und mit mehr Rohraufwand im Außenbereich aufgebaut sein müsste, da zum Beispiel keine Rückführungsrohre vorhanden sind und bei manchen gar nicht so viel Fläche in Serie angeordnet werden kann. Beispielsweise lässt der Heatpipe-Kollektor nur 6 m² Bruttofläche in Serie zu. Betriebsdruck und statische Höhe gestatten eine Beladung des Speichers bis 103°C. Aus Vergleichsgründen werden alle Kollektoren mit dem Paradigma-Anschlussset mit integriertem Fühler ausgestattet. Alle Vakuum-Röhrenkollektoren werden mit Wasser und der Regelung Systa-Solar-Aqua betrieben, die Flachkollektoren dagegen mit Glykol und der Regelung SystaSolar (mit Drehzahlregelung).

Bei den Flachkollektoren befindet sich ein externer Wärmetauscher zwischen Solaranlage und Speicher, wobei sich eine Temperaturdifferenz von 5 K einstellt. Der Kollektordurchsatz beträgt einheitlich 0,35 l/m² bezogen auf die Aperturfläche (tatsächliche Einstrahlungsfläche und Bezugsgröße für den Wirkungsgrad nach DIN 4757). Obwohl die meisten Systeme einen deutlich größeren Druckabfall haben und daher stärkere Pumpen bräuchten, wird der Einfachheit halber nicht der Pumpenstromverbrauch, sondern nur die reine Pumpenlaufzeit verglichen.

Lastkreis 1: Die Vorlauftemperatur beträgt mindestens 90 °C, das heißt, der Solarspeicher wird erst entladen, wenn am oberen Speicherfühler T1 mindestens 90 °C herrschen. Die Rücklauftemperatur beträgt 70 °C. Gezapft wird nur montags bis freitags von 8:00 Uhr bis 17:00 Uhr mit einem maximalen Massenstrom von 10.000 kg pro Stunde. Der Jahresenergiebedarf beträgt 145 MWh.

Lastkreis 2: Bei der 70/50-Raumheizung wird die Solaranlage zur Vorwärmung des Rücklaufs verwendet, d. h., der Solarspeicher wird entladen, sobald am oberen Speicherfühler mindestens Heizkreis-Rücklauftemperatur + 5 K herrschen. Es gibt keine Speichernachheizung, der Jahresenergiebedarf beträgt 165 MWh. Beim Aqua-System schaltet die Pumpe des Lastkreises 2 kurz ein, wenn unten im Speicher 10 °C unterschritten werden und aus, wenn 15 °C überschritten werden. Nur beim Referenzkollektor wird die Einspeisezeit nach dem Eimerprinzip zur Begrenzung der Pumpenlaufzeit zeitlich beschränkt. Die Wetterdaten sind von Würzburg mit einer Einstrahlung in die Kollektorebene von 1214 kWh pro Jahr.

Das Rechenmodell wurde im Programm ColSim aufgestellt. Gerechnet wurde im Messabstand von fünf Sekunden. Der CPC-Vakuumröhrenkollektor CPC 45 Azzuro wird als Referenz verwendet, die mit ihm zu erwartenden Werte werden als 100 Prozent definiert.

Es zeigt sich, dass Flachkollektoren bei einer solchen Anwendung besser nicht zum Einsatz gebracht werden sollten, weil sie trotz der ergänzenden Niedertemperaturanwendung im Winter nicht einmal 50 % des Kollektorertrages des CPC-Vakuumröhrenkollektors bringen würden.

Mehr Speicher oder mehr Kollektor – was ist effektiver?

Bereits 2004 bestätigte das ITW Stuttgart, dass auch bei der klassischen Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung Vakuumröhrenkollektoranlagen sowohl mit deutlich kleinerenSpeichern als auch mit deutlich kleineren Kollektorflächen zum selben Solargewinn fsav kommen wie Flachkollektoranlagen.

Die Simulationsstudie basiert auf folgenden Annahmen: EFH nach EnEV in Würzburg mit 128 m² Wohnfläche, Südausrichtung, Dachneigung 45°, Heizwärmebedarf 71 kWh/(m²a) beziehungsweise 9.090 kWh/a, witterungsgeführte Heizungsregelung mit 50/30 °C, WW täglich 200 Liter bei 45 °C, Kesselnutzungsgrad 85 Prozent sowie Jahresenergiebedarf von circa 14.900 kWh. Der Parameter fsav gibt an, wieviel Energie durch die Solaranlage im Vergleich zu einer konventionellen, nichtsolaren Wärmeversorgungsanlage eingespart werden kann. So leisten im Zusammenhang mit 1 m³ Speicher 35 m² Vakuumröhrenkollektorfläche das Gleiche wie 100 m² Flachkollektoren. Oder 30 m³ Speicher mit 100 m² Vakuumröhrenkollektorfläche leisten mehr als 100 m³ Speicher mit derselben Fläche Flachkollektoren.

Abschließende Anmerkungen zum MAP

Weil es sich bei dem oben angeführten Prozesswärmebeispiel um eine Heizungsunterstützung handelt, müsste der Speicher einen Inhalt von 100 l/m² Kollektorfläche beziehungsweise von 25 m³ Inhalt haben, damit die ganze Anlage als „innovativ“ gelten könnte und nach der jüngsten Fassung des Marktanreizprogrammes (MAP) eine Förderung bekäme. Der Kollektorertrag würde um circa 15 Prozent steigen, die Systemkosten dagegen schätzungsweise mindestens um ein Drittel, ganz abgesehen davon, dass für solche überdimensionalen Speicher in der Regel gar kein Platz vorhanden ist. Das ist ein sehr schlechtes, aber typisches Beispiel, wie der Gesetzgeber in guter Absicht überreguliert und dabei energiesparendere und volkswirtschaftlich sinnvollere Lösungen verhindert.

Noch schwerer nachvollziehbar ist die Förderung von Kollektoren nach ihrer Brutto-Kollektorfläche. Wie die Kennlinien und die Simulation zeigen, wären für Prozesswärmeanwendungen mit leistungsschwächeren Röhrenkollektoren als CPC-Vakuumröhren für den gleichen Ertrag bis zur doppelten Bruttofläche erforderlich, bei Flachkollektoren wäre es sogar ein Vielfaches dieser Fläche. Mit dem MAP würde der Mehrbedarf an Kollektorfläche infolge geringerer Kollektorleistung durch die staatliche Zuwendung großzügig kompensiert. Kurz gesagt: Je schlechter ein Kollektor ist, umso mehr Förderung erhält er bezogen auf seine Leistung. Das ist eine sehr kurzsichtige und innovationsfeindliche Politik, zumal sie das Effizienzkriterium vermissen lässt, das nach EU-Vorgaben für eine Förderung eigentlich notwendig ist.

Dass aufgrund dieses Gesetzes inzwischen bereits Billigstkollektoren zum Preis unterhalb der Förderhöhe auf den Markt drücken, ist daher nur folgerichtig und man muss es in der Marktwirtschaft gelassen sehen. Man kann es aber auch für eine hausgemachte Verschwendung von Steuergeldern halten, mit der zusätzlich das verfügbare Solarenergiepotential sträflich vergeudet wird.

Zu den Autoren

Stefan Abrecht ist Maschinenbauingenieur, entwickelte im Verlauf von 20 Jahren sämtliche Flach- und CPC-Vakuumröhrenkollektorsysteme bei Paradigma sowie maßgeblich die OEM Kollektorbaureihen des Paradigma Tochterunternehmens Ritter Solar. Er war auch Initiator und erster Geschäftsführer des deutsch-chinesischen Joint-Venture-Unternehmens Linuo Paradigma.

Christiane Kettner befasste sich als theoretische Physikerin in der Quantenfeldtheorie eingehend mit der mathematischen Simulation komplexer Systeme. Seit 8 Jahren nutzt sie diese Spezialkenntnisse, um bei Paradigma die Solar- und Heizungssysteme zu optimieren und Regelungen zu entwickeln, die den Wirkungsgrad des Gesamtsystems optimieren.

Rolf Meißner ist Experimentalphysiker und befasst sich seit über 20 Jahren mit Energiespeicherung. Seit 1990 ist er bei Paradigma u. a. Produktmanager und Entwickler von Solarkomponenten wie Regelungen und Speicher. Gegen Ende 2006 gründete er den Bereich „Solarthermische Großanlagen und Prozesswärme“.

Paradigma Deutschland GmbH

Die Paradigma Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG mit Sitz in Karlsbad bei Karlsruhe entwickelt und vermarktet seit 1988 ökologische Heizsysteme für den privaten Wohnungsbau, seit 2006 zudem für gewerbliche und kommunale Bauten.
Ob Solarwärme-, Holzpellets- oder Gasbrennwert-Systeme – Ökologie und Effizienz stehen bei allen Paradigma Systemen an erster Stelle.
Der Hauptgesellschafter Alfred T. Ritter erhielt für sein Engagement im Bereich der erneuerbaren Energien 2003 den Sonderpreis der Deutschen Solarpreise, verliehen durch die Gemeinnützige Europäische Vereinigung für erneuerbare Energien Eurosolar.
Geschäftsführer von Paradigma sind: Klaus Taafel (Vorsitzender der Geschäftsführung, Forschung und Entwicklung) und René Reinhold (kaufmännischer Geschäftsführer).