Solarenergieforschung am Fachbereich Physik der Universität Marburg
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Abb. 3: Westansicht des Passivbürogebäudes, der saisonale Wasserspeicher prägt das Gebäudedesign. |
Wärme ist die in Deutschland am stärksten nachgefragte Energieform. Am ausgeprägtesten liegt diese Bedarfssituation bei Haushalten vor. Dort wird über 90 % der Endenergie als Wärme verbraucht, wobei auf Raumwärme 78 % und auf Prozesswärme 14 % der bereitgestellten Endenergie entfallen. Aber auch über alle Verbrauchsgruppen gemittelt liegt der Wärmebedarfsanteil am Endenergieverbrauch in Deutschland bei fast 60 %. Erklärtes nationales wie europäisches Ziel der Energiepolitik ist die deutliche Steigerung des Beitrags erneuerbarer Energieträger. Das Weißbuch der Europäischen Kommission setzt deren Verdoppelung auf 12 % Primärenergieanteil bis zum Jahr 2010 als Ziel. Für den riesigen Wärmemarkt mit seiner ausgeprägt dezentralen Bereitstellungsstruktur und hohem Bedarfsanteil an Wärmen mit Temperaturen unterhalb 100 °C stellt die Solarthermie eine prinzipiell ideal angepasste regenerative Energieform dar. Obwohl der Markt für solarthermische Systeme einen lebhaften Aufschwung erlebt hat - die in Deutschland insgesamt installierte Kollektorfläche hat sich von 1990 bis 1999 auf 4,6 km2 nahezu verzehnfacht - beträgt deren Beitrag zum Endenergieverbrauch erst etwa ein halbes Promille. Es gilt also noch ein vergleichsweise unerschöpflich großes Potenzial zu erschließen. Dazu braucht es neben entschlossenen energiepolitischen Fördermaßnahmen auch intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Die folgenden Beispiele der Marburger For-schungsgruppe Solarenergie zeigen eine Auswahl dessen, was im Rahmen von Diplom- und Doktorarbeiten in Kooperation mit Herstellern und Betreibern von Solaranlagen in angewandter Projektforschung an einem Universitätsfachbereich geleistet werden kann.
Optimierung der Absorberkonstruktion für Flachkollektoren
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Abb. 1 a) Harfenabsorber. |
Der Kollektor ist eine wichtige Komponente jeder thermischen Solaranlage. Die heutigen Flachkollektoren haben bereits eine sehr hohe Leistungs-fähigkeit erreicht. Beim zu erwartenden starken Anstieg der zukünftigen Produktionszahlen wer-den jedoch auch andere Faktoren immer wichti-ger: Hier sind insbesondere die Herstellungskos- ten und der Materialaufwand zu nennen. In einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt und dem Münchener Absorberbeschichtungshersteller TiNOX geförderten Forschungsvorhaben wird daher der Zusammenhang zwischen der Leis- tungsfähigkeit und dem Materialaufwand für die zwei gängigsten Absorbertypen für Flachkollektoren untersucht. Dies sind der Harfenabsorber mit einer Parallelverschaltung vieler Absorberstreifen und der Serpentinenabsorber, der eine aus einem Stück gefertigte Rohrschlange aufweist, vgl. Abb. 1. Der Serpentinenabsorber läßt sich potenziell kostengünstiger herstellen als der Harfenabsorber, weil keine Rohrabzweigungen verlötet werden müssen. Andererseits ist das Verfahren zur Kon-taktierung von Rohr und Absorber technisch deut-lich anspruchsvoller als bei den ohne Krümmun-gen verlegten Rohren des Harfenabsorbers.
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Abb. 1 b) Serpentinenabsorber. |
Für den Serpentinenabsorber werden im Rah-men der Untersuchungen geeignete theoretische Modelle zur Beschreibung des thermischen Verhaltens und des Druckabfalls im Rohr entwickelt. Anhand dieser Modelle kann bei der Kollektorkonstruktion der Rohrverlauf der Serpentine so gewählt werden, dass bei nicht zu hohem Strömungswiderstand dennoch möglichst viel von der im Absorber gewonnenen Wärme geerntet wird. Darüber hinaus wurden verschiedene Arten der Kontaktierung experimentell verglichen. Für beide Absorbertypen lässt sich bei gleich bleibender Leistungsfähigkeit der Materialaufwand deutlich reduzieren, wenn im Vergleich zu heute üblichen Kollektoren der Rohrabstand und die Absorberblechdicke deutlich verringert werden.
Neue Solaranwendung für den Einsatz in GUS-Staaten
Bishkek, die Hauptstadt Kirgisiens, wird über ein zentrales Fernwärmenetz mit Heizungswärme versorgt. Abweichend von der im Westen üblichen Technologie wird der Warmwasserbedarf von 350.000 Einwohnern dem Fernwärmenetz nutzer-seitig direkt entnommen und das entnommene Wasser zentral über eine Kaltwassereinspeisung ersetzt.
Hier ergeben sich nahezu optimale Möglichkeiten für den Einsatz von Solarthermie:
- der quasi kontinuierliche Verbrauch einer gesamten Großstadt erfordert keine Speicherung solar gewonnener Nutzwärme
- die Arbeitstemperaturen der Kollektoren sind mit ca. 12 °C (Kaltwassertemperatur) besonders niedrig
- die klimatischen Verhältnisse in dem auf der geographischen Breite von Italien gelegenen Land sind, insbesondere im Sommer, günstig.
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Abb. 2: Unabgedeckte Kollektoren |
In Zusammenarbeit mit der Kyrgyz State Univer-sity of Architecture, Transport and Construction und der Fa. Wagner Solartechnik in Cölbe wurden im Juni 1998 50 m2 Solarabsorber installiert, direkt mit dem dortigen Fernwärmenetz hydraulisch verbunden und zur Vorerwärmung des Speisewassers eingesetzt. Eingesetzt wurden unabgedeckte Kollektoren, die in Deutschland zur Ewärmung von Schwimmbeckenwasser in Freibädern genutzt werden, vgl. Abb. 2. Betriebsdaten und Umgebungsbedingungen (solare Einstrahlung u. a.) wurden bis Oktober 1998 messtechnisch erfasst. Auf Basis der Messdaten wurde ein detailliertes mathematisches Modell erstellt, dessen rechnerische Vorhersagen sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen zeigten. Die Erstellung von Ertragsprognosen ist damit möglich. Die Auswertungen ergaben, dass mit offenen Fernwärmenetzen gekoppelte Absorber sehr hohe solare Nutzwärmegewinne erreicht werden können. Für eine Großinstallation in Bishkek ließen sich die solaren Wärmekosten zu rund 4 Euro/MWh abschätzen, was unterhalb der in Kyrgyzstan (und anderswo) zu bezahlenden Endenergiepreise für fossile Energieträger läge. Die Installation einer großen Absorberanlage wäre daher wahrscheinlich betriebswirtschaftlich lohnend. Die Auswertungen ergaben weiter, dass das technische Potenzial einer Installation in Bishkek rund 50.000 m2 beträgt, etwa einen Faktor 5 größer als die bisher weltweit größte thermische Solaranlage. Durch den Betrieb eines solchen Systems ließe sich die Verbrennung von täglich rund 4 LKW-Ladungen Steinkohle vermeiden.
Bürogebäude als Passiv-Solarhaus
Nachdem das Konzept des Passivhauses sich bei zahlreichen Wohngebäuden bewährt hat, errichtete 1998 die Fa. Wagner & Co Solartechnik in Cölbe bei Marburg das europaweit erste Verwaltungsgebäude im Passivhausstandard, siehe Abb. 3. Im Rahmen des BMWi-Förderprogrammes „Solar optimiertes Bauen“ wird das Verwaltungsgebäude der Fa. Wagner seit 1998 von Physiker/innen der Universität Marburg in Zusammenarbeit mit dem Passivhaus-Institut in Darmstadt und dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg messtechnisch überwacht und systemtechnisch untersucht.
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Abb. 4: Skizze des Passivhauses und der wichtigsten wärmetechnischen Komponenten. |
Das dreigeschossige Gebäude wird wärmebrückenfrei von einer dämmenden Außenhülle komplett umschlossen. Bei den Außenwänden sowie im Dach werden Dämmstärken von bis zu 40 cm Mineralwolle erreicht. Unter der Bodenplatte wurde eine 24 cm starke Dämmschicht aus Schaumglas verlegt. Die Fenster sind als Dreifach-Wärmeschutzverglasung ausgeführt. Um die Winddichtigkeit des Gebäudes zu erhöhen, umschließt eine PE-Folie das gesamte Gebäude lückenlos. Die Frischluft wird durch einen Erdreichwärmeübertrager (4 Betonrohre DN500, je 32 m lang) vorklimatisiert, bevor sie in das Gebäude gelangt. Dort kann in der hocheffizienten Wärmerückgewinnung über 80 % der Wärme aus der Gebäudeabluft an die Frischluft übertragen werden, bevor diese im Gebäude verteilt wird. Zur Nachheizung der Luft stehen darüber hinaus Luft-Wasser-Wärmeübertrager zur Verfügung, die vom aktiv solaren Heizsystem gespeist werden. 64 m2 Kollektorfläche (solarroof) beladen einen 87 m2 großen saisonalen Wasserspeicher, als Nachheizsystem steht ein Klein-Blockheizkraftwerk (12,5 kW thermische Leistung) zur Verfügung. Das beschriebene Hauskonzept zeigt Abb. 4. Die Auswertung der gemessenen Daten für ein Betriebsjahr (Mai 1999 bis April 2000) demonstriert das Funktionieren des Hauskonzeptes. So lag der gemessene Heizenergiebedarf bei knapp 13 kWh/m2a, der primärenergetisch bewertete Gesamtenergiebedarf betrug 120 kWh/m2a. Diese Zahl ist insofern bemerkenswert, als sie den gesamten EDV-Strombedarf des Bürogebäudes enthält. Auswertungen der Sommerperioden zeigten zudem, dass Überhitzungen in den Bürozonen praktisch nicht auftraten, dabei kommt das Gebäude ohne eine aktive Klimatisierung aus. Die Detailanalysen der umfangreichen Messdaten bilden ferner die Basis für weitergehende theoretische Untersuchungen. Insbesondere die Kombination aus aktiver Solarenergienutzung in Verbindung mit der Passivhausbauweise findet dabei besondere Beachtung.
