Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien · 2017-04-14 · Möglicher Aufbau großer...

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Lehrveranstaltung

Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

Prof. Dr.-Ing. Mario Adam

E² - Erneuerbare Energien und EnergieeffizienzZIES - Zentrum für Innovative Energiesysteme

Hochschule DüsseldorfFachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik

Kapitel „Thermische Solarenergienutzung“

a d a ma d a ma d a ma d a m Solarthermie 2

Wärmeerzeugung mit SolarenergieÜbersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten

Aktive Systeme, mit Wasser oder Luft durchströmten Kollektoren

� Brauchwassererwärmung und Raumheizung in (Wohn-)Gebäudenmit Flach-Kollektoren oder Vakuum-Röhrenkollektoren

� Beheizung von Freibädernmit Solarabsorbern

� Wärme für gewerbliche Prozesse (Prozesswärme) z.B. - heißes Wasser für Wäschereien, Brauereien, Galvanikbetriebe oder zum Antrieb von

Sorptionskühlgeräten, etc.- warme Luft zur Trocknung landwirtschaftlicher Güter- Solarkocher

Passive Solarenergienutzung in Gebäuden = Solare Einstrahlung durch Fensterflächen

Thermische Solarkraftwerke = Stromerzeugung mit Wärme/Kraft-Prozessen,mit das Sonnenlicht konzentrierenden Spiegeln (Solarturm- und Parabolrinnen-Kraftwerke)


Solare Brauchwasser-erwärmung

Bildquelle: Energietechnik Müller

• getrennter Kollektor- und Brauchwasserkreis

• Pumpe im Kollektorkreis, per Differenztemperatur geregelt (TKollektor,oben –TSpeicher, unten), meist mit variabler Drehzahl

• Wasserspeicher: mit zwei internen Wärme-übertragern, unter Wassernetzdruck, an beliebiger Stelle im Haus

• Nachheizung bei Bedarf durch Heizkessel (oder Elektrodurchlauferhitzer)

Standard in der BRD für kleinere Anlagen

T

T

T

Temperatur-differenz-

Regler

Heizkesselmit Speicherregelung

Wasserspeicher

Entlüftung

Ausdehnungs-gefäß

Füll-/Entleerungshahn

Sicherheits-überdruck-

ventil

Kollektorfeld

Pumpe

Schwerkraft-bremse



Bildquelle : IZE

Wasserspeicher

• über den Kollektoren platziert

• oft drucklos (mit Öffnung zur Umgebung) und ohne interne Wärmeübertrager (durch die Kollektoren strömt dann Brauchwasser)

Warmes Wasser steigt selbstständig aus dem Kollektor in den Speicher auf (warmes Wasser ist leichter als kaltes)

Standard in Südeuropa

„Thermosiphon-Anlage“



• separater kleiner Brauchwasserspeicher� keine Legionellen-gefahr und geringere Kosten für Speicher

• leicht nachrüstbar bei vorhandenem Brauchwasserspeicher

• Konzept HSD-Anlage

• Viele Alternativen z.B. ohne Brauchwasser-speicher

Möglicher Aufbau großer Anlagen (Mehrfamilienhäuser, Wohnheime, etc. )

Bildquelle : Ökoinstitut e.V.


Solare Brauchwassererwärmung und Raumheizung

• Tank-in-Tank-System mit innen liegendem Brauchwasser-speicher

• vergleichsweise einfach in Aufbau und Regelung

• „Einfamilienhaus-System“ mit gutem Preis-/Leistungs-verhältnis

• Dreiwegeventil am Heizkessel �Heizenergie auf niedrigem T-Niveau bereitstellen

System mit Kombispeicher

Bildquelle: Stiftung Warentest



• Brauchwasserer-wärmung im Durch-lauf mit externem Wärmeübertrager (= Standard, siehe Bild)

• Alternativ mit internem Warmwasser-Wärmeübertrager: preiswerter, aber geringerer Komfort

• Alternativ mit externem Solar-Wärmeübertrager: auch für große Anlagen geeignet

System mit Pufferspeicher

Bildquelle: Stiftung Warentest



• mit großem Energiespeicher zur saisonalen Speicherung von Solarenergie aus dem Sommer für den Winter

• Speicher:

− Wasserbehälter aus Stahl, Beton (Größen-ordnung 10.000 m³)

− Mit Wärmedämmung abgedeckte künstliche Seen (Größenordnung 100.000 m³)

− Unterirdische Wasser-vorkommen (Aquifere)

− Erdsondenfeld(Kunststoff-U-Rohr in zylindrischer Betonsäule)

• Vorreiter: Dänemark

Solare Nahwärme

Bildquelle : Ökoinstitut e.V.

Kollektorfeld auf Dächern oder als Freiflächenanlage


Solar-Speicher

Merkmal 1: Gute Wärmedämmung

• große Bandbreite, z.B. 500 …1500 kWh/a Verluste bei marktgängigen Kombi-Solarspeichern für EFH� deutlicher Einfluss auf den Deckungsgrad

Merkmal 2: Erhalt der Temperaturschichtung

• beim Entladen: Zufuhr von Kaltwasser im Speicher-boden, Entnahme von Warmwasser im Speicherkopf

• beim Beladen

- Nachheizung nur im Kopf des Speichers („Warmwasserbereitschaftsteil“) oder am Warmwasseraustritt im Durchlauf � unterer Speicherteil bleibt zur Aufnahme von Solarenergie ausreichend kühl

- Schichtladung z.B. durch integriertes Wärmeleitrohr + Low-Flow“ im Kollektorkreis

Low-Flow: Kollektorkreisvolumenstrom = ca. 10 l/h pro m² Kollektorfläche statt 40 l/m²h � stärkere Aufheizung des Solarkreisfluids, effektive Nutzung des Schichtladeprinzips

Bildquelle: Ökoinstitut e.V.

„Dichte gesteuert“ steigt das warme

Wasser im „Wärme-leitrohr“ bis in die Speicherschicht

gleicher Temperatur

Schichtladeeinrichtung im Speicher


Solarkreis-Flüssigkeit

Bildquelle: Ökoinstitut e.V., 1997

Üblich: Wasser/Glykol-Gemisch zum Schutz vor Einfrieren im Winter

Nachteil: Gefahr des „Crackens“ von Glykol bei hohen Temperaturen (bei Stillstand)

Variante: „Drain-Back“ (siehe Bild)

• Kollektor läuft bei Pumpenstillstand leer � Behälter im Kollektorrücklauf, wo sich das Wasser sammeln kann

• Nachteil: Luft im System � Gefälle überall sicherstellen, korrosionsfeste Materialien, leistungsstärkere Pumpe

Variante: „Aqua-System“

• Beheizung des Kollektors aus dem Speicher bei Einfriergefahr � Wärmeverluste, Einfriergefahr in partiell nicht durchströmten großen Feldern

Drain-Back

Alternativ: reines Wasserzusätzlicher Vorteil: größere α- und cp-Werte


Solaranlagen - Energiebilanz

Solarer Deckungsgrad Endenergieeinsparung

ZusKollKreis

KollKreisSolar QQ

QDG

Σ+=

ohneSolarEnd,QmitSolEnd,QohneSolEnd,Q

savef−

=

Kollektor- und Kollektorkreis-Nutzungsgrad

KollG

KollKollektor AG

Q

⋅=η

KollG

KollKreisreisKollektork AG

Q

⋅=η

auch andere Definitionen denkbar

Globalstrahlung auf geneigte Kollektorfläche

GG

VerlusteHeizgerät, Speicherverrohrung

Endenergie QEnd

z.B. Holzpellets,Gas, Öl, Strom

QKoll

QZus,Speicher

manchmal: QZus,direkt

VerlusteVerteilung, Übergabe

QHeizung QNutz,Heizung

QNutz,Heizung/WW

Speicher

Qein=Qaus

VerlusteSpeicher, WW-Zirkulation

Heiz-gerät

VerlusteSolarkollektor

VerlusteRohre

QKollKreis

%) 35 ca. ( % 50 ca. SolarNutz,JahrKollektor ηη ,

QWarmwasser QNutz,Warmwasser


Energetischer Vergleich verschiedener Solarspeicherkonzepte

TRNSYS-Simulation mit

• 15 m2 Kollektorfläche,

• 1050 l Speichervolumen

• Solltemperatur im Warm-wasserbereitschaftsteil für vergleichbaren Komfort (von 55°C bei zwei Speichern bis 70°C bei eingetauchtem BW-WAT), Energiebedarf 4225 kWh/a

• Heiznetz: 50/30°C, witte-rungsgeführt, Energie-bedarf 14.000 kWh/a

Fazit:

• bestes System: Schicht-speicher + Low-Flow

• vergleichsweise geringe Unterschiede

Quelle: Pauschinger

0 1000 2000 3000 4000 5000

Anl

agen

varia

nte

Endenergieeinsparung [kWh/a]

Zweispeicheranlage

Anlage mit Tank-inTank-Speicher

Low-Flow-Anlage mit Schichtspeicher

Anlage mit externem BW-WAT

Anlage mit eingetauchtem BW-WAT

4424 kWh/a

( 24,3 % )

4303 kWh/a

( 23,6 % )

4538 kWh/a

( 24,9 % )

4428 kWh/a

( 24,3 % )

3936 kWh/a

( 21,6 % )


Solarkollektoren - Bauarten

Bildquelle: Becker

Flachkollektoren Vakuum-Röhrenkollektoren

Alternative Bauformen

• 2 Scheiben als Abdeckung• mäanderförmige Rohrführung im

Absorberblech• Sonderbauform: evakuierter

Zwischenraum mit Stützstäben

Vorteile gegenüber Vakuumkollektoren

• preiswerter• besseres Preis-/Leistungsverhältnis

Alternative Bauformen

• zwei getrennte Rohre für Vor-/Rücklauf• doppelwandige evakuierte Glasröhre mit

zylindrischem Absorber im inneren Zylinder• Heat Pipe: Kältemittelverdampfung im

Absorberrohr, Kondensation am Kopf

Vorteile gegenüber Flachkollektoren

• höherer Wirkungsgrad � geringerer Platzbedarf, höhere Nutztemperatur

• drehbar zur Sonne � variable Anbringung auch an Fassaden und auf Flachdächern

Glasröhre

VakuumAbsorberblech mit Rohrenhier: Rohr-in-Rohr Führung

Distanzhalter

Abdeckung aus Glas

Rahmen

Wärmedämmung

Absorberblech mit Rohrenhier: parallele Führung


Solarabsorber zur Schwimmbaderwärmung

Bildquelle: IZE

„Solarabsorber“: preiswerte schwarze Schläuche, Wasser durchflossene Kunststoffmatten, etc.

bei Freibädern: sehr gute Korrelation von solarer Einstrahlung und Energiebedarf


Weitere Systeme, Kollektoren

Bildquelle: Kaltschmitt/Wiese

Luftkollektor-Systeme Konzentrierende Systeme

Luftkollektor-Systemefür

• Trocknungsanlagen

• Luftheizungen

• Solare Kühlung mir Desiccant Cooling

• etc.

Konzentrierende Systeme für

• Solarkraftwerke (Stromerzeugung)

• Prozesswärme

• nur direkte Strahlung ist fokussierbar!!


Energiebilanz an einem Flachkollektor

Quelle: Schreitmüller

aktive AbsorberflächeAperturflächeBruttofläche

Flächendefinitionen an KollektorenWärmeleitung/-Konvektion anWärmedämmung, Rahmen, Rohren

rittEhmint

⋅& Austritthm ⋅&

ĠG . ττττGlas = ĠG,Abs

Bilanzhülle


Kollektor-Wirkungsgradkennlinie = f (G� �)

Anmerkung: Abszisse = ∆ T / G� � � 1 Kennlinie für alle Globalstrahlungen

optische Verluste ≡ 1 - τGlas. αAbsorber

thermische Verluste ≡ K . ∆T / G� �

Zunahme der Wärmestrahlung

gemäß σ.T 4

optischer Wirkungsgrad

Kol

lekt

or-W

irkun

gsgr

ad

ηin

%100

50

0

Temperaturdifferenz ∆T = TKollektor,mittel - TUmgebung in K0 200

Stillstandstemperatur

η0 η0 = τ . α


Wirkungsgradkennlinien verschiedener Kollektortypen

Temperaturdifferenz ∆T = TKollektor,mittel - TUmgebung in K

GG

TK

GG

TK

AbsorberAGG

NutzQ

&&&

& 221

0∆⋅

−∆⋅

−=⋅

= ηη ĠG: Globalstrahlungsleistung in W/m²

η0: optischer Wirkungsgrad = τGlas

. αAbsorber

∆T: TKollektor,mittel - Tumgebung

(TFluid,Eintritt + TFluid,Austritt) / 2

K1: linearer Wärmeverlustkoeffizient in W/(m²K)

K2: quadratischer Wärmeverlustkoeffizient in W/(m²K²)

hier für GG = 800 W/m2

Kol

lekt

or-W

irkun

gsgr

ad

ηin

%

100

80

60

40

20

0

0 200

optischer Wirkungsgrad η0

Stillstandstemperatur

50 100 150 250


Durchlässigkeit von KollektorabdeckungenT

rans

mis

sion

sver

hältn

is

τ

im Infraroten:τ = 0α,ε = 0,15ρ ρ ρ ρ = 0,85

im Infraroten:τ = 0α,εα,εα,εα,ε = 0,94ρ = 0,06


mit dünnen In2O3- oder ZnO2-Schichten auf der Innenseite

τ = 0,85…0,91, α ≈ 0,08, ρ ≈ 0,04

Wellenlänge λ


Spektrale Verteilung - Schwarzkörperstrahlung (ε = 1)


Strahlungsintensität I jeder Kurve bezogen auf ihren eigenen Maximalwert Imax (I/Imax = 0…100%)

Absolute Strahlungsintensität I bzw. integrierte Strahlungssumme (ε.σ.T4) sinken mit Temperatur

Reale Oberflächen: Iλ = ελ. Iλ,max

mit ελ = 0…1

Wellenlänge λ


Selektive Absorberbeschichtung � α = f (Wellenlänge)

Quelle: Kaltschmitt/Wiese

allgemein gilt: αλ = ελ und αλ + ρλ + τλ = 1

selektiv 9 ... 19

nicht selektiv 1

αSolar

εInfrarot

= ε

Hauptwellenlängen-bereich

der Solarstrahlung

Hauptwellenlängen-bereich der langwelligen

Abstrahlung


Solare Brauch-wassererwärmung


Standard: Auslegung der Kollektorfläche auf solare Deckungsgrade von …

• im Sommer ca. 100 %

• im Jahresmittel ca. 50 % des Energiebedarfs für Warmwasser

← wirtschaftliches Optimum

← Sommer: Zusatzheizung außer Betrieb

Jahresverlauf von Energieangebot und Energiebedarf �� Auslegung

Standard EFH: 3…5 m² Kollektorfläche200…400 l Speicher

weitere Erhöhung der Kollektorfläche � geringe Zugewinne im Winter und in

der Übergangszeit� nicht nutzbare Überschüsse im

Sommer

Sonneneinstrahlung

Ertrag der Solaranlage


Solare Brauch-wassererwärmung und Raumheizung


Jahresverlauf von Energieangebot und Energiebedarf �� Auslegung

Standard EFH: 10..15 m² Kollektorfläche600…1000 l Speicher

weitere Erhöhung der Kollektorfläche � geringe Zugewinne im Winter� nicht nutzbare Überschüsse im

Sommer und in der Übergangszeit

Standard: Auslegung der Kollektorfläche auf solare Deckungsgrade von …

• im Sommer ca. 100 %

• im Jahresmittel ca. 25 % des Gesamtbedarfs für WW + Heizung

← wirtschaftliches Optimum

← Sommer: Zusatzheizung außer Betrieb

Sonneneinstrahlung

Ertrag der Solaranlage


Auslegung größerer Solaranlagen

Allgemein

• Auslegung mit Simulationsprogrammen wie TSOL, POLYSUN (TRNSYS, CARNOT)

Mehrfamilienhäuser, Wohnheime, öffentliche Gebäude, etc.

• tendenziell auf geringere solare Deckungsraten als bei „Einfamilienhaus-Anlagen“ aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen (geringere absolute Investkosten, bessere Wirtschaftlichkeit)

• Beispiel FHD-Anlage: 45 m² Kollektorfläche, 3000 l Speichervolumen, 30 % solare Deckung

Solare Nahwärme – Brauchwassererwärmung (Daten von Pilotanlagen)

• ca. 1 m2 Kollektorfläche pro Person, ca. 50 l Speichervolumen pro m2 Kollektorfläche

• solarer Deckungsgrad: ca. 25 % des Energiebedarfs zur Brauchwassererwärmung

Solare Nahwärme – Brauchwassererwärmung und Raumheizung (Daten von Pilotanlagen)

• 0,1 ... 0,2 m² Kollektorfläche pro m² Nutzfläche, 1 ... 10 m³ Speichervolumen pro m² Kollektorfläche

• solarer Deckungsgrad: 40 ... 60 % des Gesamtenergiebedarfs für Brauchwassererwärmung und Raumheizung


Solare Wärmepreise verschiedener Solaranlagen

Quelle: Ökoinstitut e.V., eigene Berechnungen

Freibad-beheizung

Brauch-wasser,größere Gebäude

Brauch-wasser,solare

Nahwärme

Brauchw. +Raumhzg.,

solareNahwärme(Langzeit-speicher)

Brauch-wasser

Brauch-wasser

+ Raum-heizung

Sol

are

Wär

mep

reis

e [c

t/kW

h] 30

20

10

0

Einfamilienhaus-Anlagen Größere zentrale Anlagen

Heiz-energie-autarkes

Haus

~5.000 € ~10.000 €

Solare Wärmepreise mit 20 a Laufzeit, 4 % Zins

Öl, Gas

Strom

> 50 ct/kWh


Ökobilanz - Primärenergie

Quelle: GEMIS; Ökoinstitut e.V.

Aufwand rd. 3.700 kWh

• Herstellung: rd. 3.500 kWh 2/3 davon für Alu-Rahmen/-Absorber

• Betrieb: rd. 158 kWh = 30 W (Pumpe + Regelung) · 8760 h/a · 25 % (abgeschätzte prozentuale Laufzeit)· 2,4 (Primärenergiefaktor für Strom)

Einsparung: rd. 2000 kWh = 160 l/d . 4,2 kJ/(l.K) . (40-10)°C . 365 d/a

abhängig vom Warmwasserverbrauch

Energierücklaufzeit < 2 a

Beispiel: Solaranlage für Warmwasser im Einfamilienhaus


Optimierte Solaranlage für Einfamilienhäuser

Komponenten und Anordnung mit Gasheizgerät

Küche Bad

Haus-wirtschafts-

raum

Brennwert-Gas-Wandheizgerät als Dachheizzentrale

� geringe Kosten� hoher Nutzungsgrad

Kombi-Speicher 1. zapfstellennah

2. kollektornah3. heizgerätenah

installiert

� geringe Kosten� hoher Nutzungsgrad� hoher Komfort

�

alternativer Aufstellort für den Speicher: Abstellraum

Flachkollektoren

� gutes Preis-/Leistungs-verhältnis


Übung: Solarkollektor-KennlinieEin Solarkollektor besitzt folgende Daten:

• Abdeckung aus eisenarmem Glas (τGlas = 91 %)• mit TINOX selektiv beschichteter Absorber (αAbsorber = 93,4 %)• K1 = 4 W/m2K• Umgebungstemperatur = 20 °C

Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

a) Ermitteln Sie für die beiden Globalstrahlungsleistungen von 400 W/m² und 800 W/m2

- den Wirkungsgrad des Kollektors bei Ein-/Austrittstemperaturen des Kollektorkreisfluidsam Kollektor von 50/70°C (ohne Wärmeverluste durch Wärmeabstrahlung d.h. K2 = 0)

- den Wirkungsgrad des Kollektors unter den gleichen Bedingungen, jedoch unter Berücksichtigung der Wärmeverluste durch Wärmeabstrahlung mit K2 = 0,01 W/m²K²

- die Absorbertemperatur, wenn keine Nutzleistung entnommen wird (= „Stillstandstemperatur“ bei ausgeschalteter Umwälzpumpe), vereinfacht mit K2 = 0

b) Skizzieren Sie zwei Grafiken für den Kollektor-Wirkungsgrad η (auf der y-Achse)

- mit x-Achse = (TKollektor,mittel - TUmgebung)

- mit x-Achse = (TKollektor,mittel - TUmgebung)/GG

jeweils für GG = 400 und 800 W/m2 als zusätzlichem Parameter in jeder Grafik und ebenfalls wieder vereinfacht mit K2 = 0Hilfe: z.B. zwei Wirkungsgrade für beliebige ∆T bzw. ∆T/GG ausrechnen, Gerade durchlegen, fertig.

Lösungen für a): 45 %, 65 %, 41 %, 63 %, 105°C, 190°C


Übung: Solaranlage – Energiekennzahlen und KostenBerechnen Sie für eine solar unterstützte Brauchwasseranlage die Jahreswerte der folgenden energetischen Kennzahlen unter den unten angegebenen Randbedingungen:

1. den solaren Deckungsgrad

2. die Endenergieeinsparung in kWh/a, kWh/(a.m²Kollektorfläche) und in % im Vergleich zu einer konventionellen Anlage mit Ölkessel und Warmwasserspeicher (ohne Solaranlage)

3. den solaren Wärmepreis (= Kosten für Solaranlage / Solarertrag) und die Endenergieeinsparkosten (= Kosten für Solaranlage / Endenergieeinsparung)

Randbedingungen:

• Warmwasserverbrauch: 150 l/d (Kalt/Warmwassertemperatur = 10/45°C)

• Globalstrahlung in Kollektorebene: 1100 kWh/m²a

• Solarkollektoren: Fläche = 5 m², Nutzungsgrad Kollektorkreis = 40 %

• Wärmeverluste des 300 l-Wasserspeichers der Solaranlage: 3,5 W pro K; mittlere Temperatur im Speicher = 55°C; Raumtemperatur im Aufstellraum des Speichers = 15°C

• Nutzungsgrad der Energiebereitstellung durch den Ölkessel: 80 %

• Wärmeverluste des 120 l-Wasserspeichers des konventionellen Systems: 2 W pro K; mittlere Temperatur im Speicher = 45°C; Raumtemperatur im Aufstellraum des Speichers = 15°C

• 20 Jahre Lebensdauer bzw. Nutzungsdauer der Solaranlage, 4 % Zins

• Preis der Solaranlage = 5000 €, Zuschuss aus Förderprogramm = 1000 €

Lösungen: 63,5 % (Qww=2236 kWh/a, Qkollkreis=2200 kWh/a, Qverl,speicher,sol=1226 kWh/a) -1875 kWh/a, 375 kWh/m²a, 54,3 % (Qöl,sol=1577 kWh/a, Qverl,speicher,konv=526 kWh/a, Qöl,konv=3452 kWh/a) - 13,4 ct/kWh, 15,7 ct/kWh

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