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thermischer Sonnenkollektor
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Thermischer Sonnenkollektor
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Thermochemischer Wärmespeicher
Es geht um Kollektoren, die die Wärme auffangen, traditionellerweise mit Wasser, und das nicht erst seit gestern. Man kann natürlich auch andere Medien nutzen und die Wärme dann über einen Wärmetauscher übertragen, je nach Verwendung. Die sehr weit entwickelten Kollektoren, die Wirkungsgrade von bis zu 90% aufweisen, sind je nachdem so spezialisiert.
Aber zurück zu Wasserkollektoren. Ich hatte schon im Editorial erwähnt, dass es mir seltsam erschien, dass man vor vierzig Jahren schon auf dem Dach mit Leichtigkeit sehr hohe Temperaturen erzeugen konnte, bis zu 130 Grad, und die Wirkungsgrade müssen damals schon bei 50% oder 60% gelegen haben, daran erinnere ich mich gut. (Werte für reale Anlagen kommen noch)
Und dann hörte man ganz lange nichts mehr davon. Stattdessen zog man die elektrischen Siliziumkollektoren vor, die in Mitteleuropa im Alltag gerade mal 10 Prozent Wirkungsgrad haben dürften. Elektrizität ist die flexibelste Energieform, deshalb ist das verständlich.
Andererseits ist in Europa der grösste Kostenfaktor im Haus die Heizung, der grösste Energiefresser! Das gilt sogar allgemein für thermische Energie:
Statistisches Bundesamt für Energie allgemein:
Anteil des Stroms an nutzbarer Endenergie 20% des Gesamtbedarfs.
80% müssen in Form von Wärme verfügbar sein.
Aus Sigwart Zeidler: Energierevolution. Zu finden hier auf der Seite "Energie"
Und Wasser kann man direkt in die Heizung einspeisen! Warum wurde das nicht sehr schnell zum Standard, wo doch einfache Anlagen schon bei 300 Euro beginnen und vom heimischen Handwerker gehandhabt werden können, und das seit Jahrzehnten?
Ausserdem muss man damit auch nicht aufs Dach, eine Mauer reicht aus, und das kann man dann sogar ansehnlich gestalten, z.B. mit Tonröhren! Viele andere Materialien sind denkbar, Glas, Kupfer, es ist so einfach!
Aber fassen wir mal kurz zusammen und gehen dann mit Wikipedia durch und sehen uns an, was da kommt.
Zusammenfassung (Text aus wikipedia):
"Thermischer Sonnenkollektor
Die einfachste Bauart ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genutzt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von über 60 °C erreichen."
Das kennen wir doch alle aus dem Garten. Leicht verfügbare Wärme.
"Diese Kollektoren nehmen die Strahlung annähernd gleichmäßig aus allen Richtungen auf, sie müssen nicht der Sonne nachgeführt werden und liefern auch bei Bewölkung noch eine gewisse Leistung."
Und das ist entscheidend. Ganz anders als die Siliziumkollektoren stellen sie interessanterweise auch bei Bewölkung Energie zur Verfügung. Sie fangen die vorhandene Strahlung auf - Strahlung ist da, sonst wäre es ja dunkel - und geben sie weiter. Mit geschlossenen Systemen, also mit Rohren hinter Glas z.B. kann man den Treibhauseffekt ausnutzen und muss die Wärme nur auffangen und weiterleiten.
Thermische Kollektoren können aber sehr viel weiter gehen:
"Parabolrinnenkollektoren in Sonnenwärmekraftwerken erreichen Temperaturen um 400 °C, mit denen ein Dampfkraftwerk betrieben werden kann"
Hier haben wir Einrichtungen für grosse Kraftwerke: Spiegelnde Wände in den Parabolrinnen sammeln die Strahlung und konzentrieren sie auf eine Leitung, in der Wasser fliesst und heizen es auf.
Solche Kraftwerke findet man in südlichen Ländern. Je nach Konzentration kann man noch wesentlich höhere Temperaturen erreichen.
Solche Einrichtungen gibt es aber auch schon lange für jedermann, wenn man mehr Bedarf hat oder auch weniger Platz.
"Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage und wurde bis Anfang der neunziger Jahre meist nur zur Warmwasserbereitung genutzt, zunehmend findet auch eine Verwendung der Energie in der Raumheizung statt. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwärmespeicher kann die Raumheizung sogar vollständig mittels Solarkollektoren erfolgen."
Erstaunlich, dass man so spät darauf gekommen ist! Und absurd, dass man mit dieser Energiemenge nur mal gerade etwas warmes Wasser erzeugt hat. Eine Zentralheizung dürfte um den Faktor zehn mehr an Energie als die häusliche Warmwasserversorgung benötigen, die aber auch zur Verfügung steht!
Der Höhepunkt der Entwicklung dürfte eine Anlage sein, die mit den über hundert Grad, die zu erzielen sind, über Wasserdampf und Kleinstturbinen auf dem Dach Elektrizität erzeugt! Wenn man hierbei die bis zu 90% Wirkungsgrad zugrunde legen kann, sind die Siliziumkollektoren mit maximal 20% weit abgeschlagen. Das war früher nicht möglich, denn Hochleistungstechnik in Kleinformat war wegen fehlender Materialien und noch nicht entwickelter Technologie nicht verfügbar.
Das ist seit längerem meine Idee, und ich werde dazu berichten.
Prinzip des thermischen Sonnenkollektors
Thermische Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade – typischerweise zwischen 60 und 75 %. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante).
Zentraler Bestandteil des Kollektors ist der Solarabsorber, der die Strahlungsenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an einen ihn durchfließenden Wärmeträger abgibt. Mit Hilfe dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt (z. B. über Wärmetauscher) und anschließend direkt verwendet oder gespeichert.
Medien: Wasser/Glycol, Sole, Öl, sogenannte Solarflüssigkeit oder ein Gas
Um die unvermeidlichen Wärmeverluste zu reduzieren, ist eine gute Wärmedämmung des Absorbers gegenüber der Umgebung notwendig. Nach der Dämmtechnik unterscheidet man
Flachkollektoren, die herkömmliches Dämmmaterial verwenden;
Vakuumröhrenkollektoren, die die Dämmung durch ein Vakuum erreichen, aber teurer in der Anschaffung sind; und
Vakuum-Flachkollektoren, d. h. flache Bauform, gutes Brutto/Netto-Flächenverhältnis und Vakuum-Dämmung.
Einfachabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich gedämmt.
Die einfachste Bauart ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genutzt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von über 60 °C erreichen. Aus hygienischen Gründen sollte man diese Technik nicht für Trinkwasser anwenden.
Diese Kollektoren nehmen die Strahlung annähernd gleichmäßig aus allen Richtungen auf, sie müssen nicht der Sonne nachgeführt werden und liefern auch bei Bewölkung noch eine gewisse Leistung.
Daneben gibt es konzentrierende Kollektoren, die nach dem Prinzip des Brennspiegels arbeiten und deutlich höhere Temperaturen erzielen. Parabolrinnenkollektoren in Sonnenwärmekraftwerken erreichen Temperaturen um 400 °C, mit denen ein Dampfkraftwerk betrieben werden kann. Derartige Verfahren sind nur bei starker direkter Sonneneinstrahlung (ohne Bewölkung) lohnend. Während man früher ausschließlich fest aufgestellte bzw. verankerte Kollektoren verwendete, gibt es nun auch Systeme, die der Richtung zur Sonne nachgeführt werden.
Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage und wurde bis Anfang der neunziger Jahre meist nur zur Warmwasserbereitung genutzt, zunehmend findet auch eine Verwendung der Energie in der Raumheizung statt. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwärmespeicher kann die Raumheizung sogar vollständig mittels Solarkollektoren erfolgen.
Aktuelles 17-2-2023:
"Die Intensität der Globalstrahlung ist nicht gleichmäßig auf das Jahr verteilt... . Die Summe (der Globalstrahlung) in den Monaten Mai bis Juli kann bis zu zehnmal höher liegen als im Januar oder Dezember."
Deutscher Wetterdienst - Entwicklung der Globalstrahlung1983 - 2020 in Deutschland - Annett Püschel, Wiebke Winzig und Manfred Theel Veröffentlichung- Januar 2023 download_dekadenbericht.pdf
Absorbertechnik
Der Solarabsorber ist ein Hauptbestandteil eines thermischen Sonnenkollektors. Er dient zur Absorption der Sonnenstrahlung.
Die Solarabsorber befinden sich auf Blechen aus Aluminium oder Kupfer. Unterstützt durch eine selektive Beschichtung erwärmt sich dieser Absorber im Sonnenlicht; diese Wärme wird durch eine in Rohren am Absorber strömendes Fluid (Solarflüssigkeit oder Luft) aufgenommen und zur Nutzung oder einem Wärmespeicher transportiert
Hier gibt es viele verschiedene Formen, die man im Einzelfall studieren kann. Wikipedia führt eine ganze Reihe davon auf. ("Sonnenkollektor")
Bilanz
Wikipedia ist wenig optimistisch, denn ich gehe von mehr aus.
"Theoretisch kann die Solarwärme auch das ganze Jahr über den Bedarf eines Haushalts decken, allerdings wird dann die Anlage entweder sehr viel größer und liefert im Sommer sehr viel mehr Wärme, als genutzt werden kann, oder man benötigt einen Saisonwärmespeicher. (siehe unten)
Effiziente Anlagen können auch im Winterhalbjahr konventionelle Wärmequellen ergänzen. Der Anteil einer Solaranlage an der Warmwasserbereitstellung liegt über das Jahr gesehen zwischen 50 und 60 %,[8] was ca. 14 % des Heizenergiebedarfs entspricht.
Zur Raumheizung sind größere Kollektoranlagen sinnvoll. Bei herkömmlichen Heizungen kann sie im Jahresschnitt durchaus zweistellige Prozentsätze zur Heizenergie beitragen und daher die Heizkosten merklich senken. Setzt man auch einen Saisonwärmespeicher ein, ist es sogar möglich, im Sommerhalbjahr so viel Wärme zu speichern, dass der Heizenergiebedarf das ganze Jahr über gedeckt werden kann. Einschränkungen ergeben sich nur bei zu niedriger montierbarer Kollektorfläche im Verhältnis zum Jahres-Heizenergiebedarf, etwa bei mehrgeschossigen Häusern. Saisonwärmespeicher nutzen die Wärmekapazität von Wasser, Kies oder Beton oder die Latenzwärme von Sole oder Paraffin.
Oft lässt sich gerade durch die technisch vergleichsweise einfache saisonale Zwischenspeicherung der Wärme, etwa mit weitgehend verlustfreien thermochemischen Wärmespeichern, großen oder zumindest gut isolierten Puffer-Wärmespeichern, oder ebenfalls verlustarmen Latentwärmespeichern niedrige Gesamtkosten erreichen. Auch eine mögliche Nachführung der Kollektoren, oder eine Änderung des Aufstellwinkels zum Winter hin, kann das Preis-Leistungs-Verhältnis beeinflussen."
Auszug aus "Thermochemischer Wärmespeicher" (wikipedia)
"Der Vorteil von thermochemischen Wärmespeichern gegenüber konventionellen Wärmespeichern in Form eines Wassertanks liegt in ihrer höheren Speicherdichte von 200 bis 300 Kilowattstunden pro Kubikmeter gegenüber nur etwa 60 kWh/m³ bei Wasser. Außerdem kann die Energie über Jahre verlustfrei gespeichert werden."
"
Sonnenkollektorsysteme sind generell vor allem hinsichtlich der niedrigen Betriebskosten attraktiv, da sie ohne einen Brennstoffbedarf nur geringe laufende Kosten verursachen. Darüber hinaus fällt alle zwei Jahre eine Wartungsüberprüfung an. Anders als bei der passiven Solararchitektur, die schon den Entwurf der Gebäudehülle betrifft, lassen sich Kollektorsysteme oft einfach in bestehende Gebäude integrieren, weswegen die wirtschaftliche Abwägung bei Altbauten oft nur zwischen einem Sonnenkollektorsystem oder anderen aktiven Heizungsformen stattfindet. Bei einem solchen Vergleich sollten grundsätzlich auch die Umweltauswirkungen einbezogen werden. Auch ist das System sehr einfach zu handhaben, da z. B. keine Restasche entfernt werden muss, wie etwa bei vielen Pelletheizungen.
...
Energetische Amortisation
Sonnenkollektorsysteme verursachen während des Betriebes keine direkten Emissionen und verringern im Vergleich mit konventionellen Heizungssystemen CO2- und Feinstaub-Emissionen. Bereits in wenigen Monaten hat ein Kollektor die gleiche Menge an Energie der Heizung zugeführt, die für die Produktion usw. des Kollektors aufgewendet werden musste. Abhängig von Standort (d. h. jährlicher Solarstrahlung) und verwendeter Technik (verglaster und unverglaster Kollektoren) liegt die Energetische Amortisationszeit zwischen 2 und 12 Monaten, die Kohlenstoffdioxidrücklaufzeit bei 1–2 Monaten für unverglaste und 12 und 30 Monaten für verglaste Kollektoren.
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