Erneuerbare Energien

Solarenergie

Solare Energie ist die von der Sonne abgegebene Licht- und Wärmeenergie. Sie zählt damit zu den regenerativen Energien.

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Begriff

Abzugrenzen ist die aktive von der passiven Solarenergienutzung. Bei der aktiven werden Sonnenkollektoren oder Photovoltaikmodule auf Dächern, Nebengebäuden oder auf dem Boden eingesetzt. Bei der passiven Nutzung erfolgt die Erwärmung über transparente Bauteile wie Wintergärten, transparente Wärmedämmungen, Trombewände, Fenster und Verglasungen.

Da die Sonnenstrahlung sich aus direkten und diffusen Strahlungen zusammensetzt, ist eine Solarenergienutzung, wenn auch in geringerem Maß, auch an trüben Tagen möglich.

Lagegunst

Die zur Verfügung stehende Solarenergie ist neben der Jahreszeit abhängig von der geografischen Lage und der Ausrichtung der für die Energienutzung vorgesehenen Fläche zum Sonnenstand. Flächen, die zur aktiven oder passiven Nutzung der Sonnenenergie verwendet werden, können daher zur Erzielung eines maximalen Betrags durch die Variation der Neigung und der Ausrichtung optimiert werden, wobei sich eine Beschattung z.B. durch Bäume, angrenzende Gebäude oder Berge auf die eingestrahlte Energie auswirkt.

Die größte Einstrahlung tritt auf, wenn eine Fläche senkrecht zur Sonne orientiert ist. Aufgrund des Neigungswinkels zur Sonne ergibt sich daher bei nach Süden orientierten Fenstern nicht bei Sonnenhöchststand im Juni, sondern im Frühjahr und im Herbst die höchste eingestrahlte Energie.

Bei der Auswahl eines Baugrundstücks und bei der Planung eines Gebäudes sollten die Gegebenheiten der Sonneneinstrahlung berücksichtigt werden.

Einsatzmöglichkeiten

Bei vielen Nutzungen der Solarenergie ist problematisch, dass die durch Sonnenenergie gewonnene Wärmeenergie sowohl im tageszeitlichen als auch vor allem im jahreszeitlichen Verlauf nicht zur selben Zeit benötigt wird. Um die Wärmeenergie nutzbar zu machen, sind daher entsprechende Speichermedien notwendig, bei Solaranlagen beispielsweise in Form von Wasserspeichern.

Eine besondere Form der Speicherung stellt die saisonale Wärmespeicherung dar, bei der das im Sommer von Solaranlagen erwärmte Wasser im Winter zur Gebäudeheizung und/oder Warmwasserbereitung verwendet werden kann. Für diese Anwendung sind relativ große, im Erdreich untergebrachte Speichertanks notwendig.

In allen Fällen der aktiven Solarenergienutzung sollte eine detaillierte Planung der Anlage unter Berücksichtigung der absoluten Verbrauchsmenge und des Verbrauchsprofils während des tageszeitlichen, wöchentlichen und jahreszeitlichen Verlaufs durchgeführt werden.

Aufgrund des niedrigen benötigten Temperaturniveaus und dem auch im Sommer anfallenden Bedarf ist besonders die Brauchwassererwärmung für eine Nutzung in Verbindung mit einer Solaranlage geeignet. In den meisten Fällen ist nicht zu vermeiden, dass eine zusätzliche Beheizungsmöglichkeit mithilfe eines anderen Energieträgers vorhanden sein muss. Ausnahmen können hier z.B. nur im Sommer genutzte Fremdenzimmer sein.

Solaranlagen werden meist bei Ein- und Zweifamilienhäusern realisiert. Demgegenüber sind allerdings gerade bei großen Solaranlagen (z.B. Schulen, Krankenhäuser) die spezifischen Kosten deutlich geringer als bei kleinen Anlagen.

Vor allem bei der zentralen Nahwärmeversorgung kann auch ein solares Nahwärmekonzept in Verbindung mit einer größeren Solaranlage realisiert werden.

Solaranlagen sollten aus wirtschaftlichen Gründen eher unter- als überdimensioniert sein.

Solarthermische Kraftwerke

Bei einem solarthermischen Kraftwerk wird Dampf durch Sonnenenergie erzeugt und einer Dampfturbine zugeführt, die meist auch mit fossilen Brennstoffen betrieben werden kann.

Bei allen Kraftwerkskonzepten wird die Sonneneinstrahlung gebündelt und im Brennpunkt an einen Wärmeträger abgegeben. Als Kraftwerkskonzepte werden zurzeit vor allem Parabolrinnen-Kraftwerke, Solarturm-Kraftwerke sowie Paraboloid-Kraftwerke ausgeführt.

Solare Klimatisierung

Zur solaren Klimatisierung werden Verfahren verwendet, die als Antriebsenergie Wärme auf niedrigem Temperaturniveau benötigen. Bei Adsorptions- oder Absorptionskältemaschinen, die von Vakuum- oder Flachkollektoren gespeist werden, erfolgt die Kühlung durch Kaltwasser, das beispielsweise in einer Kühldecke zirkuliert. Es wird ein Temperaturniveau des von den Kollektoren erwärmten Mediums von 65 bis etwa 130 °C benötigt.

Ein weiteres Verfahren der solaren Klimatisierung stellt die sorptionsgestützte Klimatisierung dar. Hierbei wird die Verdunstungskälte von Wasser zur Luftkonditionierung der Raumzuluft durch Be- und Entfeuchtung genutzt; ein separater mit (Kühl-)Wasser betriebener Kreislauf entfällt.

Vorteil der solaren Klimatisierung ist in allen Fällen, dass die Kälte zeitgleich mit der größten Sonneneinstrahlung benötigt wird und somit Speicher entfallen oder klein ausgelegt werden.

Photovoltaik

Bei der Photovoltaik (PV) wird Licht mithilfe von Solarzellen direkt in Gleichstrom umgewandelt. Unter Einsatz eines Wechselrichters kann der von PV-Anlagen erzeugte Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden (Netzparallelbetrieb) oder der erzeugte Gleichstrom wird über einen Laderegler auf Akkumulatoren zur Speicherung übertragen (Inselsystem) und dient danach der Versorgung von Pumpen, Beleuchtungen oder anderen Kleinverbrauchern. PV-Anlagen können modular installiert und so dem entsprechenden Anwendungszweck angepasst werden.

Vorteil der photovoltaischen Stromerzeugung ist eine relativ gute Ausnutzung auch bei diffusem Licht, d.h. dem Licht, das durch Staub und Wolkeneinfluss auf dem Weg zur Erde gebrochen wird und nicht direkt auf eine Oberfläche scheint.

Zwischenzeitlich werden Photovoltaikmodule in Bezug auf das optische Erscheinungsbild in vielfältiger Form angeboten. Neben der Installierung auf dem Gebäudedach oder als Ersatz für Dachziegel werden PV-Module im Bereich von Fassaden oder an Lärmschutzwänden angeboten.

Die Investitionen für eine Photovoltaikanlage sind relativ hoch, auch wenn diese in den letzten Jahren deutlich gesunken sind, Förderprogramme genutzt werden und sich durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz ein Teil der Kosten bei Netzeinspeisung wieder amortisiert. Bei „schlüsselfertigen" Anlagenkosten zwischen 5.500 €/kWp und 7.000 €/kWp liegt die Amortisationdauer zwischen 14 und 18 Jahren, immer abhängig von der Lage und somit dem Ertrag sowie der Qualität der Anlage und der jeweiligen Einspeisevergütung. Die Einspeisevergütungen sind gesetzlich festgelegt und werden auf 20 Jahre garantiert.

Passive Solarenergienutzung

Die Wärmegewinne über transparente Bauteile durch die passive Solarenergienutzung ergeben sich sowohl durch die direkte als auch durch die diffuse Sonnenstrahlung, wenn sich auch Letztere geringer auswirkt. Die für die Beheizung nutzbaren Wärmegewinne liegen bei Nordorientierung etwa bei 40 % der Wärmegewinne, die mit nach Süden orientierten Bauteilen zu erreichen sind.

Bei der passiven Solarenergienutzung ist zu beachten, dass über die transparenten Bauteile während der Nachtzeit erhöhte Wärmeverluste auftreten, da Fenster im Vergleich mit gut gedämmten Außenwänden immer einen ungünstigeren U-Wert aufweisen. Diese Wärmeverluste können durch den Einsatz eines temporären Wärmeschutzes deutlich reduziert werden.

Als Faustregel gilt, dass aus Gründen der passiven Solarenergienutzung großzügige Fenster nach Süden ausgerichtet werden können, während in Richtung Norden die Fenster möglichst klein sein sollten. Auch die Orientierung großer Fensterflächen nach Osten oder Westen kann problematisch sein, da eine Verschattung aufgrund des Winkels der Sonneneinstrahlung schwieriger zu realisieren ist als bei nach Süden ausgerichteten Flächen.

Weitere Bauteile zur passiven Solarenergienutzung sind transparente Wärmedämmung, transparente Wärmedämm-Verbundsysteme oder Trombewände.

Nach Süden orientierte Bauteile sollten so ausgebildet werden, dass im Winter die Sonne weit in die Räume eindringen kann und im Sommer eine Verschattung z.B. in Form eines Dachvorsprungs oder Balkons vorhanden ist.

Für die passive Solarenergienutzung wichtige Speichermassen sollten so angeordnet werden, dass sie von der Sonne direkt bestrahlt werden.

Dachflächenfenster führen zwar zu einem hohen solaren Wärmegewinn; dieser ergibt sich jedoch vor allem im Sommer. Während der Heizperiode ist der Winkel zwischen Sonnenstrahlung und Fensterfläche häufig so klein, dass nur noch geringe Wärmegewinne auftreten.

Bei der passiven Solarenergienutzung ist die Nutzungsstruktur des Gebäudes zu berücksichtigen. Büro- und Verwaltungsgebäude werden meist nur zu Zeiten genutzt, in denen auch solare Wärmegewinne über die Fenster auftreten. Eine unzureichende Behaglichkeit im Bereich von großflächigen Fenstern durch niedrige Temperaturen der Raumumschließungsflächen während der Nachtzeit spielt hier - im Gegensatz zu Wohngebäuden - keine große Rolle.

Anforderungen der Energieeinsparverordnung

Die Berücksichtigung der solaren Wärmegewinne muss nach dem jeweiligen Rechenverfahren der EnEV erfolgen. Beim vereinfachten Verfahren wird pauschal die Solarstrahlung I_S, abhängig von der Himmelsrichtung, mit dem Gesamtenergiedurchlassgrad g und einem Faktor (0,567) und der dazugehörigen Fläche multipliziert. Die Gesamtsumme aus den einzelnen Flächen nach Himmelsrichtung wird ebenso noch einmal pauschal mit Faktor 0,95 abgemindert. Der Wärmegewinn durch opake Fläche wird generell ausgeschlossen.

Beim Monatsbilanzverfahren kann neben dem Gewinn aus transparenten Flächen auch der Gewinn der opaken Flächen zum Ansatz gebracht werden. Die Gewinne auf opaken Oberflächen werden direkt von den Transmissionswärmeverlusten der Bauteile abgezogen und gehen damit als „negative" Verluste bei der Ermittlung des Gewinn/Verlust-Verhältnisses ein.

Darüber hinaus können beim Monatsbilanzverfahren Verschattungen explizit berücksichtigt und transparente Wärmedämmungen integriert werden. Außerdem kann das exakte Wärmespeichervermögen eines Gebäudes ermittelt werden.

Die Ermittlung der solaren Wärmegewinne durch transparente Bauteile erfolgt durch die Faktoren:

Solarstrahlung, abhängig von der Himmelsrichtung
Abminderungsfaktor Rahmenanteil
Abminderungsfaktor Verschattung
Abminderungsfaktor Sonnenschutz
Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung
Fensterfläche mit Rohbaumaß

Opake Bauteile nehmen ebenso Solarstrahlung auf und wandeln diese in Wärme um. Mit einer Zeitverzögerung wird diese Wärme an das Gebäudeinnere geleitet. Hier ist das Absorptionsvermögen der Fläche (je nach Oberflächenstruktur und -tönung) entscheidend (dies wird beschrieben durch den Strahlungsabsorptionsgrad α). Bei solaren Wärmegewinnen durch opake Bauteile wirken folgende Faktoren beeinflussend:

U-Wert des Bauteils
Fläche des Bauteils
Wärmedurchlasswiderstand von der absorbierenden Schicht bis außen
Strahlungsabsorptionsgrad
Solarstrahlung abhängig von der Himmelsrichtung
Formfaktor für die Neigung des Bauteils
Abstrahlungskoeffizient für langwellige Abstrahlung
Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsluft und Himmel
Anzahl der Tage des Monats

Eine weitere Möglichkeit, solare Gewinne zu berücksichtigen, ist die Transparente Wärmedämmung (TWD). Die transparente Wärmedämmung leitet die Solarstrahlung durch eine lichtdurchlässige Wärmedämmschicht, bis diese schließlich auf eine dunkle Absorberfläche trifft. Dieser Vorgang führt zu einer Erwärmung der Wand und zur Anhebung der inneren Oberflächentemperatur des Bauteils. Die Berechnung des solaren Wärmegewinnes der TWD [Q_S,op] erfolgt durch Heranziehung der bauphysikalischen Eigenschaften von transparenten und opaken Bauteilen. Daher muss bei der TWD u.a. der Absorptionskoeffizient α, der Gesamtenergiedurchlassgrad der transparenten Wärmedämmung und ein U-Wert der TWD mit Deckschicht [U_e] integriert werden, der wiederum mit dem U-Wert der Gesamtkonstruktion ins Verhältnis U/U_e gebracht wird. Zusätzlich müssen der Rahmenanteil der TWD und eine Verschattung berücksichtigt werden.

Ein letzter, passiver Solargewinn wird durch unbeheizte Glasvorbauten (Wintergärten etc.) erreicht. Einerseits wird der Energiegewinn ermittelt, der direkt durch den Glasvorbau in das Gebäude eintritt, andererseits wird die absorbierte Energie des Glasvorbaus errechnet, die dann zu einer Temperaturerhöhung und als indirekter Gewinn zur Reduzierung der Transmissionswärmeverluste führt. Die Berechnung hierzu ist relativ komplex, ist aber durch entsprechende Software einfach zu berechnen.

Die Energieeinsparverordnung sieht im Monatsbilanzverfahren jedoch für die solaren (und auch internen) Wärmegewinne einen Ausnutzungsgrad vor, d.h. es kommt nicht der gesamte Gewinn zur Anwendung. Der Ausnutzungsgrad wird maßgeblich durch die Wärmespeicherfähigkeit des Gebäudes und dem Verhältnis zwischen Gewinnen und Verlusten gebildet. In dem Monatsbilanzverfahren kann zwischen einem pauschalierten Ansatz und der genauen Bestimmung durch Berechnung aller im Gebäude angesetzten effektiven Bauteilmassen gewählt werden.

Gesamt-Energiedurchlassgrad g

Für die Berechnung der solaren Wärmegewinne nach Energieeinsparverordnung werden die Gesamt-Energiedurchlassgrade der Verglasungen benötigt. Diese werden im Bundesanzeiger bekannt gemacht.

In der Regel weisen Verglasungen mit kleineren Wärmedurchgangskoeffizienten [U_g] auch niedrigere Gesamt-Energiedurchlassgrade [g] auf. Dies bewirkt, dass die solaren Wärmegewinne von Verglasungen mit einem guten, d.h. kleineren U-Wert geringer sind als bei einer Verglasung mit höherem U-Wert (z.B. bei einer Isolierverglasung). Dies bedeutet, dass bei Fenstern für den Nachweis nach Energieeinsparverordnung abgewogen werden muss, ob durch günstige Fensterorientierung ggf. ein Fenster mit niedrigem U-Wert gewählt wird, der insgesamt die Wärmeverluste durch Transmission senkt, oder ob ein Fenster mit schlechterem U-Wert, dafür aber hohem g-Wert auch höhere solare Gewinne einbringt. Beispielsweise ist bei Passivhäusern ein Kriterium, dass insgesamt die Verluste der Fenster durch Transmission durch die Wärmegewinne in der Bilanz aufgehoben werden.

Sommerlicher Wärmeschutz

Besonders bei größeren Fensterflächen ist der sommerliche Wärmeschutz zu beachten. Dies trifft nicht nur auf nach Süden orientierte Verglasungen zu; gerade bei Ost- und Westfenstern sind Maßnahmen zur Reduzierung der solaren Wärmegewinne unter sommerlichen Klimabedingungen und der Einbeziehung weiterer Faktoren (z.B. Tageslichtnutzung, Sichtkontakt nach außen) schwierig zu realisieren, was vielfach eine Überhitzung der Räume zur Folge hat. Der sommerliche Wärmeschutz muss bei Energieeinsparverordnung erst bei einem Fensterflächenanteil größer 30 % berücksichtigt werden. Das Berechnungsverfahren regelt die DIN 4108-2:2001-03 im Abschnitt 8.

Erneuerbare-Energien-Gesetz

Um im Sinne des Klima- und Umweltschutzes eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen und den Beitrag erneuerbarer Energien an der Stromversorgung in Deutschland deutlich zu erhöhen, regelt seit Anfang 2000 das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) die Abnahme und Vergütung von Strom, der ausschließlich aus regenerativen Energien, z.B. aus solarer Strahlungsenergie, gewonnen wird. Netzbetreiber sind unter i.E. festgelegten Voraussetzungen zur Abnahme und Vergütung verpflichtet, sodass sich - zusammen mit Mitteln aus der Förderung regenerativer Energien - entsprechende Investitionskosten amortisieren können.

Erneuerbare Energien werden auch in der Energieeinsparverordnung begünstigt. So wird die Jahres-Primärenergie nicht berücksichtigt, wenn das Gebäude zu mindestens 70 % durch erneuerbare Energien mittels selbsttätig arbeitender Wärmeerzeuger beheizt wird. Das Gleiche gilt für den Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung.