18.09.2020
Sonnenträume
Ein Denkanstoß von Rolf-Michael Lüking
Nichts weniger als die Erfüllung eines alten Traums stellt der Artikel "Die Zukunft der Siedlungswärme" im Solarthermie-Jahrbuch 2020 in Aussicht (S. 34 bis 39). Eine etwas ausführlichere Fassung findet sich hier auf den Online-Seiten des Solarthermie-Jahrbuchs. Demnach kann es mithilfe eines saisonalen Speichers in Verbindung mit einem Nahwärmenetz gelingen, eine Siedlung ausschließlich solarthermisch zu versorgen, und dies sogar zu Wärmegestehungskosten, die auf ähnlichem Niveau liegen wie konventionelle Lösungen.
Der Artikel präsentiert ein Modell, welches auf die Daten eines real existierenden Speichers zurückgreift. Dieser Speicher wurde 2013 errichtet und dient der anteiligen Versorgung des Ortes Dronninglund (Nordjütland). Der Speicher fasst etwa 60.000 m³ Wasser, sodass im Arbeitsbereich zwischen 10 °C und 89 °C rund 5,4 GWh Wärme gespeichert werden können. Das lässt sich recht gut nachvollziehen: 60.000 m³ * 1,15 kWh/(m³K) * (89 - 10) K ≈ 5,45 GWh. Bei Speicherverlusten in Höhe von ca. 1,02 GWh/a (abgeleitet aus den gemessenen Werten von Dronninglund) sei, so wird vorgerechnet, eine jährliche Wärmeernte aus 22.000 m² Kollektorfläche in Höhe 10,75 GWh ausreichend, um 9,66 GWh Wärme ins Wärmenetz abgegeben zu können. Einen durchschnittlichen jährlichen Wärmebedarf der angeschlossenen Verbraucher von 9.000 kWh pro Kopf vorausgesetzt, könnte damit eine Siedlung mit etwa 1.000 Einwohnern versorgt werden.
Der Hauptteil des Artikels beschäftigt sich anschließend mit einem detaillierten ökonomischen Vergleich des modellierten Versorgungkonzepts mit einer alternativen netzgebundenen Wärmeversorgung, die auf eine elektrische Wärmepumpe mit Erdsonden zurückgreift.
Eine Analyse dieses Vergleichs erübrigt sich jedoch, denn bereits das vorgestellte Speichermodell erweist sich als nicht tragfähig, sondern traumgetrieben. Die Berechnungen, die in Form einer Monatsbilanz vorgestellt werden (s. Grafik 1) lassen nämlich den elementaren Zusammenhang außer Acht, dass die Entnahme von Wärme aus einem sensiblen Speicher zu einer Temperaturabsenkung führt, die gespeicherte Wärme aber nur dann nutzbar ist, wenn die Temperatur des Speichermediums die benötigte Transporttemperatur übersteigt. Gespeicherte Wärme, die nicht die Vorlauftemperatur eines Wärmenetzes erreicht, ist für die Versorgung unbrauchbar, zumindest dann, wenn das Konzept ohne Wärmepumpe auskommen soll, die den notwendigen Temperaturhub vornimmt.
Als nutzbarer Arbeitsbereich des sensiblem Wasserspeichers steht daher nur die Temperaturdifferenz zwischen der oberen Speichertemperatur und der Vorlauftemperatur des Wärmenetzes zu Verfügung. Angenommen das Wärmenetz kann im Jahresmittel mit einer Vorlauftemperatur von sehr günstigen 75 °C betrieben werden, wie dies bei der Fernwärmeversorgung von Dronninglund der Fall ist, der "Patin" des Speichermodells, dann hat der Speicher bereits Ende November "sein Pulver verschossen". Ausgehend von einem maximalen Füllstand des Speichers, der Ende September mit einer Beladung von 5,4 GWh bei einer Speichertemperatur von 89 °C erreicht ist, bleibt die Temperatur im Oktober annähernd stabil, da die Entnahme von etwa 0,8 GWh durch eine Einspeicherung aus der Solarthermieanlage von ebenfalls etwa 0,8 GWh ausgeglichen wird. Lediglich durch die Verluste des Speichers in Höhe von 0,175 GWh reduziert sich der Füllstand des Speichers auf 5,23 GWh und die Speichertemperatur sinkt um 2,5 Kelvin: (5,4 - 0,8 + 0,8 - 0,17) GWh / 5,4 GWh * (89 °C - 10 °C) + 10 °C = 85,8 °C.
Im November steht einem Bedarf von 1,2 GWh nur noch ein geringer solarer Wärmeeintrag in Höhe von etwa 0,4 GWh gegenüber, mit der Folge, dass die Speichertemperatur bereits zum Ende des Monats die Vorlauftemperatur des Wärmenetzes von 75 °C unterschreitet: (5,23 - 1,2 + 0,4 - 0,14) GWh / 5,4 GWh * (85,8 °C - 10 °C) + 10 °C = 72,2 °C. Der Speicher, der vermeintlich für eine solare Vollversorgung konzipiert ist, kann pünktlich zum Start des meteorologischen Winters am 1. Dezember nicht mehr liefern!
Erst im Frühjahr, konkret ab April, kann er sich wieder regenerieren. Bis dahin stehen lediglich die geringen Erträge aus der jeweils akuten winterlichen Solarstrahlung zur Verfügung, dies aber auch nur dann, wenn die solare Wärme nicht in den Speicher geleitet und damit der Nutzung über das Wärmenetz entzogen wird. Im besten Fall ermöglicht das modellierte Versorgungskonzept einen solaren Deckungsanteil von bis zu 55 %, bei einem nutzbaren Ertrag von 240 kWh pro Quadratmeter Kollektorfläche, abzüglich der Energieverluste des Wärmenetzes. Auf keinen Fall aber lässt sich mit dem Solarspeicher in der vorgestellten Form die vorgesehene Versorgungsaufgabe ausschließlich solar erfüllen. Es bedarf eines zweiten Wärmeerzeugers, der die Heizperiode überbrückt.
Um den Traum einer solaren Vollversorgung zu retten und die benötigten 9,66 GWh an das Wärmenetz liefern zu können, muss gegenüber der Modellkalkulation die 5,6fache Wärmemenge mit einer Temperatur von mindestens von 75 °C zur Verfügung stehen [(89 - 10) °C / (89 - 75) °C = 5,6]. Eine Vergrößerung des Speichervolumens um den Faktor 5,6 wäre dafür jedoch nicht ausreichend. Unter Berücksichtigung zusätzlicher Wärmeverluste, die sich durch die Volumenerweiterung sowie auf Grund der deutlich höheren durchschnittlichen Speichertemperaturen im Jahresverlauf ergeben, steigt der Speicherbedarf eher um den Faktor 7 bis 8. Für jede Person wäre demnach ein Speichervolumen von etwa 450 m³ vorzuhalten, was der Größe eines Einfamilienhauses entspricht! Darüber hinaus müsste die Fläche der Solarkollektoren ungefähr verdoppelt werden, um die zusätzlichen Wärmeverluste kompensieren zu können. Mit dem technischen Aufwand und dem Flächenbedarf steigen auch die Kosten in unrealistische Dimensionen. Die Parität zum Versorgungsansatz auf Basis einer elektrischen Wärmepumpe, die der Artikel herausarbeitet, würde (auf der Basis der im Artikel genannten Einzelpreise) mindestens um den Faktor 3 verfehlt!
Der Traum von der konkurrenzfähigen solaren Vollversorgung ist doch noch weit davon entfernt, Wirklichkeit werden zu können!*
* Der Autor des Artikels arbeitet nach eigener Auskunft derzeit an einer Korrektur/Ergänzung des Modells.