Immer wieder werden wir gefragt, ob für die Nutzung von Sonnenwärme Röhrenkollektoren (auch Vakuumröhren genannt) oder die weit verbreiteten Flachkollektoren vorzuziehen sind. Dafür gibt es objektive technische Kriterien, die wir hier darstellen wollen. Wer eine schnelle Empfehlung sucht, dem wollen wir zunächst folgenden Extrakt aus den Detailbetrachtungen und jahrzehntelanger Erfahrung geben:

1. In den allermeisten Anwendungen haben Solarthermieanlagen mit Flachkollektoren das beste Verhältnis von Jahresertrag zu Investitionskosten. Dies kann im Planungsstadium einfach durch einen Computer-Simulationslauf gezeigt werden. Dieser berücksichtigt den Standort, die Kollektordaten und –ausrichtung, die Speichergröße und den Wärmebedarf und spielt mit den lokalen Wetterdaten einen Jahresverlauf durch.

2. Die meisten Röhrenkollektoren haben unter realen Betriebsbedingungen einen ähnlichen Wirkungsgrad wie Flachkollektoren (siehe Bild unten). Es sind nur wenige Röhrenkollektoren am Markt, die einen verwertbar besseren Wirkungsgrad als Flachkollektoren aufweisen. Neben den deutlich höheren Kollektorpreisen verlangen diese zusätzlich eine aufwändigere Technik der Gesamtanlage, um bei der regelmäßig auftretenden Überhitzung im Sommer wartungsarm zu funktionieren. Wer auf wenig Dachfläche im Winter das Letzte herausholen will und zusätzlich eine Liebe zur Perfektion hat, wird diese Mehrkosten in Kauf nehmen.

 3. Niedrigpreis-Röhrenkollektoren haben vielfach bei Betriebsbedingungen sogar einen schlechteren Wirkungsgrad und damit eine geringere Energieausbeute als gute Flachkollektoren (siehe Grafik unten). Sie profitieren unverdient von dem Ruf der High-Tech-Röhren.

Dennoch haben sie aber den Nachteil, im Sommer höchste Stagnationstemperaturen (220-240°C) zu erreichen, wenn wenig Wärmeabnahme besteht. Dies belastet die Rohrverbindungen und ggfs. das Frostschutzmittel Propylenglykol (thermisches Cracking). Lassen Sie sich zur Objektivierung den sogenannten Wirkungsgrad ηo,o5 (griechischer Buchstabe η sprich eta) durch Ihren Anbieter nennen. Ein solider, preiswerter Flachkollektor weist hier ca. 60% (bzw. 0,6) auf. Nur wenige Röhrenkollektoren liegen deutlich darüber.

 Lassen Sie sich bei der Beratung auch nicht den Transmissionswert als Wirkungsgrad „verkaufen“. Dieser Transmissionswert ist eine Eigenschaft des verwendeten Glases und liegt immer bei etwa 95% (bzw. 0,95). Das Glas ist aber nur ein Bauelement von mehreren, die im Zusammenwirken den Wirkungsgrad des Kollektors ergeben.

4. Zunehmend wird der Einsatz von Solarthermie auch für Industriebetriebe und Handwerksbetriebe mit gleichmäßigem Wärmebedarf interessant. Beispielsweise kann die Lebensmittelverarbeitung genannt werden, in der regelmäßig viel Warmwasser bei Waschprozessen erforderlich ist. Hier werden grundsätzlich höhere Temperaturen gebraucht als im Haushalt, welche durch hochwertige Vakuumröhren effektiver geliefert werden.

5. Die Rohrinstallation des Solarkreises sollte trotz aller Werbeintensität der Hersteller generell nicht mit modernen Pressfittings mit Elastomerdichtung erfolgen, erst recht nicht bei Röhrenkollektoren mit ihren hohen Stagnationstemperaturen um die 230°C. Rein metallische Dichtstellen sind vorzuziehen. Eine Produktgarantie nützt wenig, wenn in beispielsweise 22 Jahren eine O-Ring-Verbindung auf dem Dach oder gravierender noch in der Wand leck wird und Sie den Materialpreis der Verbindung ersetzt bekommen. Lassen Sie sich vor der Entscheidung durch Ihre Installationsfirma deshalb auch den kostenfreien Austausch garantieren.

Der Wirkungsgrad von Solarkollektoren

Zunächst ist es wichtig, zu berücksichtigen, dass die Sonnenwärme auf dem Weg zu Ihrer Raumheizung oder zu Ihrem warmen Badewasser eine Transportkette durchläuft. Die Einzelglieder Sonnenkollektor, solarer Rohrkreis, Solarspeicher, Mischeinrichtung, Verteilung auf die Heizkörper sind bei einer effektiven Solaranlage gut aufeinander abgestimmt. Das schwächste Glied bestimmt leider erheblich die Gesamtwirkung: So kann z.B.der aufwändigste Schichtspeicher nicht ein schwaches Kollektorfeld kompensieren.

Innerhalb des Kollektors liegt aber wiederum eine Transportkette vor: Die Sonnenstrahlung tritt durch ein Glas, trifft auf ein dunkles Absorberblech, das die Strahlung in fühlbare Wärme transformiert und an ein Solarfluid in Rohrleitungen weiterleitet.

Wie gut das Glas die Sonnenstrahlung durchlässt, drückt der Transmissionswert τ (griechisches tau) aus, meistens um die 95 %. Wie gut das Blech die unterschiedlichen Wellenlängen der Solarstrahlung hochselektiv  transformiert, wird mit dem Absorptionskoeffizienten α angegeben, dieser beträgt i.d.R. auch um 95%.

Um die ganze Energietransportkette im Kollektor zu bewerten, wird dieser einer definierten Strahlung ausgesetzt. Es wird gemessen, wie viel Wärme auf das Fluid in den Rohrleitungen übergeht. Das ist allerdings von den Wärmeverlusten an die Umgebung abhängig, sprich von Lufttemperatur und Wind und wird zweckmäßigerweise  in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Solarfluid (Vorlauf) und Umgebung als Kurve dargestellt. Die gleiche Aussage ist im Diagramm oben enthalten, in welchem statt des Wirkungsgrades angegeben ist, wie viel Wärme bei definierter Einstrahlung weitergegeben wird.

Um diese Eigenschaft rechnerisch gut handhaben zu können, wird diese Kurve mit drei Kennzahlen angenähert:

ηo, k1 und k2, die nur noch für den Fachmann mit einem Rechenprogramm in das oben gezeigte Diagramm „übersetzt“ werden können. Einige Hersteller geben auch den Wert ηo,o5 an. Dies ist der Wirkungsgrad, der ein Kollektor bei einer betriebstypischen Temperaturdifferenz zwischen Solarvorlauf und Umgebungsluft bringt und stellt für den Kunden eigentlich den aussagekräftigsten Wert dar. Die Spanne ist groß und liegt zwischen 75% und 40%. Das heißt, ein sehr guter Kollektor bringt um den Faktor 1,8 mal mehr Wärme als ein schlechter.

Der solare Energieertrag, Simulation des Jahresverlaufes

Wie groß nun die eigentliche Energieersparnis durch eine Solaranlage für ein bestimmtes Haus sein wird, kann in einer Ertragsprognose mit guter Näherung vorhergesagt werden. Berücksichtigt wird dabei das lokale Klima, die geographische Lage, Verschattung durch Bäume oder Häuser und die Größe und Qualität der Anlagentechnik. Zum besseren Verständnis sei gesagt, dass eine Einsparung bei Sonnenschein nicht automatisch entsteht, sondern nur, wenn die gespeicherte Wärme auch tatsächlich gebraucht wird. Es ist offensichtlich, dass man im Sommer keine Heizenergie sparen kann. Eine Ausnahme ist die Temperierung von Kellerräumen oder Bautrocknung von historischen Gebäuden.

Die Komplexität der Verhältnisse wird durch eine Computer-Simulation überschaubar und leicht auswertbar.

Das Diagramm zeigt über den Jahreslauf

 –in rot den Energieverbrauch pro Monat für Heizung (10 MWh=1000m³ Gas) und Warmwasser

in grün gestrichelt den Energiebedarf für Warmwasserbereitung

in dunkelblau die Energieeinsparung durch ein Flachkollektorfeld

in mittelblau die Energieeinsparung durch ein kleineres Röhrenkollektorfeld mit gleichen Investitionskosten.

Es wird deutlich, dass das Vakuumröhren-Kollektorfeld zwar im Winter durch seine höhere Effektivität bei kleinerer Fläche einen ähnlichen Ertrag bringt. In den Übergangszeiten Frühjahr und Herbst bringt das größere Flachkollektorfeld die höhere Energieeinsparung. Konkrete Zahlenangaben können nur anhand Ihrer projektspezifischen Ausgangsdaten genannt werden.

Gesamtkonzept ist wichtig für hohe solare Deckungsraten

Obwohl man bei der Auswahl des Kollektors sorgfältig sein soll, ist die Einbindung der Solarwärme in das Gesamtkonzept in der Praxis bedeutungsvoller. Bei Begutachtungen werden immer wieder mangelndes Verständnis des Installateurs für die realen Energieflüsse oder veraltete Konzepte der Speichereinbindung sichtbar. Dafür einige Hinweise.

Da der Bedarf an Heizungswärme und Warmwasser nicht gleichzeitig mit der Sonneneinstrahlung verläuft, wird die solare Wärme zu Sonnenzeiten im Pufferspeicher zwischengespeichert. Ein kleines Wohnhaus zum Beispiel wird mit einem Kombispeicher von 650 bis 1000 ltr Wasserinhalt ausgerüstet. Der Name Kombispeicher deutet an, dass er Wärme für Heizung und Warmwasser in einem Behälter vorrätig hält. Je nachdem, ob Sie gerade Heizung oder Warmwasser brauchen, gibt der Kombispeicher diese Wärme ab. In den meisten Fällen ist ein inliegender Trinkwasser-Wärmetauscher im oberen Abschnitt des Speichers das beste und einfachste. Dadurch, dass Warmwasser sich von Natur aus über Kaltwasser schichtet (Eigenkonvektion), braucht dieses Prinzip keine Pumpe oder Regler. Es reguliert sich von selbst. Da in diesem Trinkwasser-Wärmetauscher aus Edelstahl im Stillstand nur 30-60 ltr Wasser ruhen, gibt es keine Verkeimung und keine Legionellengefahr.

Wie gut die Sonnenwärme für Ihren Bedarf genutzt wird und den Verbrauch an Gas, Öl oder Holz zurückdrängt, entscheidet sich u.a. durch die sinnvolle Belegung der hydraulischen Anschlüsse sowie durch die elektronische Regelung. Moderne Heizungsanlagen werden häufig als fertige Module nach dem plug-and-play-Prinzip¹ optimiert, was oft auf Kosten der solaren Deckungsrate geht.

Anhand von einem ausgeführten Projekt wird erkennbar, welche hohen solaren Deckungsraten auch bei Nachrüstung in Bestandsbauten mit klassischen, bewährten Solar-Komponenten möglich sind.

 

1) Mit plug-and-play bezeichnet man heute Systeme, die man am Ort der Anwendung mit geringstem Aufwand aufstellen und anschließen kann. Diese Systeme sind meist in sich hochtechnisiert. Häufig kann der Montierende vor Ort kaum noch überblicken, was er an dem Gerät auf welche Weise zur Anpassung an die Anwendung einstellt, oder die Zeit dafür wird ihm nicht zugestanden. Obwohl sich der Hersteller viele Gedanken macht, gelingt die Integration ins Haus oft nur unbefriedigend.

Photovoltaik und Wärmepumpe

Man begegnet heute im Wettbewerb der unterschiedlichen Heizungstechnologien dem vermeintlich guten Vorschlag, man solle zur Wärmepumpe gleich eine PV-Anlage dazukaufen um den hohen Strom-verbrauch von elektrisch betriebenen Wärmepumpen zu entschärfen – das wäre vermeintlich ökologisch. Dabei wird oft nicht hinterfragt, ob ein Neubau mit minimalem Wärmebedarf beheizt werden soll oder ein renovierter Bestandsbau. Hier einige Entscheidungskriterien.

Wärmepumpen dienen zur Versorgung mit Heizungswärme und zur Bereitung von Warmwasser wobei sie Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau aus der Umgebung auf ein für uns brauchbares Niveau von 40 oder 50 °C bringen. Je größer dieser Temperaturhub ist, desto mehr Strom muss die Wärmepumpe pro Wärmemenge dafür einsetzen.

Im Winter ist der Stromverbrauch von Wärmepumpen besonders hoch. Zum einen wird dann viel Heizwärme gebraucht und andererseits ist im Winter die Temperatur der Wärmequelle meist niedriger und der Temperaturhub fällt größer aus. Dies ist ganz besonders bei Luft-wärmepumpen der Fall; im Hochwinter funktionieren sie praktisch nur noch als unökologische Stromheizung. Bei Wärme aus der Tiefe des Erdreichs spielt letzteres eine geringe Rolle. Diese kurz gefassten Statements wurden jüngst (in 2023) wissenschaftlich fundiert untermauert mit einer Studie des FIW München in Kooperation mit dem IFEU Heidelberg, hier der Link zu der Studie.

Man sieht heute Wärmepumpen für Einfamilienhäuser mit einem Stromverbrauch von 4.000 bis 14.000 kWh pro Jahr, je nach Technologie nach Gebäudestandard und –größe.

Stromverbrauch einer Wärmepumpe im Jahreslauf    

Stromerzeugung aus PV und Stromverbrauch durch Wärmepumpe

Nebenstehende Grafik 1 verdeutlicht diesen Jahreslauf mit Messdaten eines bestmöglich sanierten Bestandshauses (Monitoring Projektes des ISE-Fraunhofer Instituts). Der Stromverbrauch der Wärmepumpe ist in roten Balken dargestellt und liegt im Winter zwischen 600 bis 1.000 kWh pro Monat, die Jahressumme beträgt ca. 4.100 kWh Strom.  Bei den Stromversorgern wird man damit Großkunde mit vergünstigten Tarifen, dennoch fallen über 1.200 € pro Jahr an Stromkosten nur für die Wärmeversorgung an.

Bei diesem Beispiel ist der Wärmebedarf rekordverdächtig niedrig angesetzt, ein doppelt so hoher Stromverbrauch ist bei Wärmepumpen in der Realität auch durchaus üblich. Der Brauchstrom im Haushalt kommt mit ca. 3.500 kWh/a noch dazu.

Stromerzeugung einer Photovoltaikanlage im Jahreslauf

In wie weit kann dieser Stromverbrauch nun von einer Photovoltaikanlage auf dem eigenen Dach gedeckt werden?

Ein anderes Monitoring Projekt zeigt den Jahresverlauf der Stromerträge aus Photovoltaik. Gemittelt über viele Standorte, Ausrichtungen und Dachneigungen zeigen die blauen Balken der nebenstehenden Grafik 2, dass bei einer Spitzenleistung in 4 kWp eine PV-Anlage etwa 3.850 kWh Strom pro Jahr liefert. Die neuesten Module mögen durchaus etwas mehr liefern. Es bleibt jedoch der Jahresverlauf als Charakteristik, im Dezember und im Januar liefert die PV-Anlage nur ca. 12% von den Sommerwerten.

 

Während die beobachtete Wärmepumpe im Dezember und Januar um die 800 kWh/mt Strom verbraucht, liefert eine PV-Anlage mit 4 kWp auf einem Wohnhaus 100 kWh/mt. Der Hauptanteil von ca. 700 kWh/mt wird aus dem Netz hinzugezogen. Unabhängig von der Vertragsform (Ökostrom oder konventionell) wird dies physikalisch gesehen viel Atom- und Kohlestrom sein (siehe unten).

Verbessert ein Batteriespeicher die Abdeckung einer Wärmepumpe?

Batteriespeicher sind nur dazu geeignet, über den Tagesverlauf die Erträge der Mittagsstunden abends verfügbar zu machen. Eine Speicherung von Haushaltsstrom über Wochen oder gar Monate ist undenkbar, ganz zu schweigen von Wärmepumpen-Strommengen. Dies zeigt der Verlauf der Eigennutzung zwischen 20% im Winter und 80% im Sommer bei batteriegekoppelten PV-Anlagen in Haushalten ohne Wärmepumpe (Grafik 2, ein Monitoring-Projekt). Auch die Erweiterung um einen Batteriespeicher ermöglicht also gerade einmal 20% des Haushaltsstroms im Winter abzudecken. Da ist keine Stromkapazität mehr zum Antrieb einer Wärmepumpe frei.

Aus der Gegenläufigkeit der Bedarfskurve einer Wärmepumpe und der Erzeugungskurve einer Photovoltaikanlage (Grafik 1) folgt, dass Wärmepumpen dem öffentlichen Stromnetz im Winter eine für Haushalte ungewöhnlich hohe Strommenge entnehmen. In dieser Jahreszeit hauptsächlich aus Kohle- und Kernkraftwerken (Grafik 3 nebenstehend).

Im Sommer liefert die PV-Anlage ihre Stromspitzen, die bereits seit Jahren zu negativen Strompreisen an der Strombörse führen (wer den Strom verbraucht –z. B. Frankreich- bekommt zusätzlich aus den EEG-Mitteln Geld). Dies könnte in Zukunft nur durch den Einsatz von unrealistisch großen Stromspeichern im Haus oder im Verbund gemildert werden.

Eigennützige Bewertung  . . .

Der Hausbesitzer kann nun zunächst auf Geldbasis eine nüchterne Gegenrechnung des fremdbezogenen Stroms für die Wärmepumpe und des eingespeisten, vergüteten Stroms anstellen und auf der Basis zu einer Beurteilung kommen. Eine technisch-physikalische Kopplung zwischen der Wahl einer Wärmepumpe und der Wahl einer PV-Anlage besteht praktisch nicht.

…oder gemeinnützige Bewertung

Wer eine ökologische Energiewende fördern will, wird in die Betrachtung hinzuziehen, dass er mit einer Wärmepumpe einen ungewöhnlich hohen Strombedarf in einer Zeit generiert, in der PV-Strom fast fehlt, sei es aus der eigenen PV-Anlage oder aus dem Netz (Grafik 3). Zwar liefern im Winter die Windkraftanlagen in Deutschlands Norden mehr Strom als im Sommer, eine Deckung vieler zusätzlicher Stromverbraucher ist jedoch mengenmäßig überhaupt nicht in Aussicht und auch nicht im Korridor der Ausbaupläne erkennbar.

Die physikalisch bedingte Schwäche von Wärmepumpenheizungen versucht man zunehmend mittels Zusatzeinrichtungen (Sekundär-lösungen, Smart-Grid-Hoffnungen, Stromspeicherung in der Cloud) zu entschärfen, die Technik wird dadurch jedoch immer aufwändiger, die Steuerung komplexer und der Nutzen ist durch den Laien oder den Heizungsmonteur nicht mehr verifizierbar.

Wie wenig die modernen Narrative von

  • Atomausstieg 2020
  • Mehr Wärmepumpen
  • Mehr Elektromobilität
  • Kohleausstieg (2038?)
  • Dekarbonisierung

unter Beibehaltung unseres derzeitigen Konsumverhaltens zusammenpassen und was für die Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft daraus folgt, wird in den Artikeln zum Kohleausstieg und zum Stand in der Energiewende diskutiert.

Ernst Ulrich von Weizsäcker fasst mit den Kollegen K.Hargroves und M.Smith in dem Buch „Faktor fünf“ aktuelle Erkenntnisse über die Auswirkungen unserer Wirtschaftsweise auf die Ökologie der Erde zusammen und stellt aus allen Lebensbereichen Beispiele für die Entwicklung eines nachhaltigen Lebens zusammen. Trotz der vielen dargestellten Projekte der Hoffnung sprechen sie aber auch die Notwendigkeit eines inneren Fortschrittes der Menschen an.
 
Diese Notwendigkeit eines inneren Fortschritts unserer Industriegesellschaft wurde bereits in den 1970er Jahren von Erich Fromm in seinem Buch Haben oder Sein – Die seelischen Grundlagen einer neuen Gesellschaft“ beschrieben.
Der Autor zählt zu den „Solarpionieren“, die Sinn für die Erfordernisse der Zeit, Fachwissen und Unternehmensgeist vereinen. Für ein breites Publikum stellt er in diesem Buch die Generationsaufgabe der Energiewende dar und zeigt technische Möglichkeiten überschaubar auf.
Er benennt aber auch Fehlentwicklungen und Hemmnisse in unserem Wirtschaftssystem und unseren Denkgewohnheiten und zwar in einer Art, die verdeutlicht:  Wir sind es selbst die reflektieren und handeln können.
 
Durch die einfache Darstellung von Energiesystemen fürs Haus ist der technische Teil des Buches auch als Ratgeber und Entscheidungshilfe für Hausbauer und Hausrenovierer wertvoll.
 
Das Lesen weckt einerseits Betroffenheit, dann aber auch klare Gedanken und Tatendrang.
 
102 Seiten mit vielen Diagrammen und Zeichnungen und Fotos.
ISBN 978-3-906558-04-2