3. Regenerative Energiequellen


3.1 Solare Strahlungsenergie

Strahlungsenergie entsteht durch Kernfusion auf der Sonne. Durch die Entfernung zwischen Sonne und Erde und die Atmosphäre der Erde wird dieser Energiestrom stark reduziert. Das Spektrum der Strahlung hat unterschiedliche Wellenlängen. Die Infrarotstrahlung ist für die Sonnenenergienutzung von Bedeutung.

Die Stärke der Strahlung ist abhängig von

1.	der Bahn der Erde um die Sonne (Jahreszeiten, Tageszeiten)
2.	der Lage des Ortes (Breitengrad, Klimazone, Neigungswinkel der Sonnenstrahlen)
3.	dem Trübungsfaktor (Luftbelastung u.a.) ab.

Die solare Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht, besteht aus zwei Komponenten:

1.    direkte Strahlung

2.    diffuse Himmelsstrahlung (Streuung der direkten Strahlung)

Die Summe von direkter und indirekter Strahlung nennt man Globalstrahlung.

Sonneneinstrahlung
1.	Abhängigkeit vom Ort. Für Deutschland zwischen 800 kWh/qm Jahr (Köln) und 1100 kWh/qm Jahr (Freiburg). In Berlin ca. 1050 kWh/qm Jahr.
2.	Abhängigkeit von der Jahreszeit. Für Deutschland zwischen 2 kWh/qm und Tag (Januar) und 7,5 kWh/qm und Tag (Juli).
3.	Abhängigkeit vom Wetter. Wolkenloser Himmel, maximale direkte Strahlung Bewölkter Himmel, diffuse Strahlung
4.	Abhängigkeit von der Luftverschmutzung (Problem Stadt/Land)

Quelle:

Kleemann, M.; Meliß, M.: Regenerative Energiequellen, Heidelberg 1993

Weiterführende Hinweise:

Karl, Jürgen: Dezentrale Energiesysteme. Neue Technologien im liberalisierten Energiemarkt, München 2004

Lehmann, H.; Reetz, T.: Zukunftsenergien, Strategie einer neuen Energiepolitik, Berlin
1995

www.bine.info Technologien, Konzepte und Energiemanagement

www.eurosolar.org Eurosolar

3.2 Wärmeerzeugung mit Solarkollektoren in Deutschland

1.    Brauchwasserbereitung

2.    Schwimmbadwassererwärmung

3.    Heizungsunterstützung

Das System der Brauchwasserbereitung
1.	Solarkollektoren wandeln mittels Absorbern die Solarenergie in Wärme um
2.	Wärmeträger (i. d. R. Wasser/Glykol Gemisch) transportiert die Wärme zum Speicher
3.	Umwälzpumpe für den Solarkreislauf, i.d.R. mit Strom betrieben
4.	Wärmetauscher (Wärmeträger zum Brauchwasser)
5.	Brauchwasserspeicher (Wasserspeicher, ggf. chemischer Speicher, z. Zt. Im Test, teuer)
6.	Reglung des Systems "Solarstation".

Dimensionierung
1.	Deckungsgrad: Ein wirtschaftlicher Deckungsgrad von mindestens 60% über das gesamte Jahr soll erreicht werden. Das heißt, im Sommer vollständige Abdeckung im Winter Unterdeckung. Eine Dimensionierung auf 100% als sog. "Inselanlage" ist unwirtschaftlich, da es zu einem Wärmeüberschuss im Sommer kommt.
2.	Ausrichtung des Kollektorfeldes: Möglichst in südlicher Richtung +/- 30 Grad sonst Verluste. Neigungswinkel zwischen 30-45 Grad.
3.	Wahl des Kollektorsystems: a. Flachkollektoren b. Vakuum- Röhrenkollektor, höhere Leistung (ca. 50% höher als Flachkollektoren), jedoch teurer c. Luftkollektoren
4.	Zahl der zu versorgenden Personen des Haushaltes, bei durchschnittlichem Wasserverbrauch von ca. 40 l pro Person und Tag.

Unter den o. g. Voraussetzungen ergeben sich folgende Größen:

Personen	Kollektorfläche	Speichergröße
3 - 4	5 - 6 qm	300 - 400 Liter
5 - 6	7 - 8 qm	400 - 500 Liter
7 - 8	8 - 10 qm	500 - 750 Liter
> 9 Personen	Projektspezifische Auslegung erforderlich

Technische Systeme und Kosten

Flachkollektor (Beispiel a-d):

Absorberplatte (schwarz) aus Metall oder Kunststoff, darunter Rohre, die durch das Wärmeträgermedium durchströmt werden (Wasser + Zusätze oder Luft) mit Wärmeisolation der Rückseite.

Preise für komplette Warmwasserbereitung:
30-50%	auf den Kollektor 500 - 1000 euro, 1500 euro für Vakuumkollektoren
30-35%	auf Speicher und Regelung
20-30%	für Montage

Raumheizung mit Niedertemperaturkollektoren

Aufgrund des Jahresverlauf der solaren Einstrahlung ist eine Volldeckung des Wärmebedarfs durch Solarkollektoren in unseren Breitengraden ökonomisch z.Z. nicht sinnvoll. Der sommerliche Wärmeüberschuß kann nur mit aufwendigen Speichersystemen (Saisonalspeicher) genutzt werden. Hierzu werden derzeit Forschungsprojekte evaluiert.

Fazit

Solare Wasserbereitung in Schwimmbädern mit Absorbern und Vorwärmung für zentrale Systeme bei Großverbrauchern (Großküchen, Produktion etc.) ist sehr sinnvoll und zudem wirtschaftlich. Solare Brauchwassererwärmung in privaten Haushalten ist sinnvoll und wirtschaftlich.
Solare Warmluftheizung mit kontrollierter Lüftung ist ebenfalls sinnvoll und wirtschaftlich. Solare Raumheizung auf Warmwasserbasis ist derzeit nicht wirtschaftlich (Speicherproblematik).

Quellen:

Kleemann, M.; Meliß, M.: Regenerative Energiequellen, Heidelberg 1993

Lehmann, H.; Reetz, T.: Zukunftsenergien, Strategie einer neuen Energiepolitik,
Berlin 1995

3.3 Photovoltaik: Grundlagen und Begriffe

Bei der Photovoltaik (PV) erfolgt eine direkte Umwandlung von Licht in elektrischen Strom auf der Grundlage des photovoltaischen Effektes (Bequerel 1860). Es kommt hierbei zur Freisetzung von elektrischen Ladungsträgern, die von metallischen Kontakten der Solarzelle gesammelt werden und den elektrischen Strom bilden.
Die kristaline Solarzelle (zumeist 10x10 cm2 Fläche) liefert eine Leerlauf- Gleichspannung von etwa 0,5 V und eine von der Einstrahlung und Zellgröße abhängige Stromstärke: im Labor bei maximaler Strahlungsintensität (definitionsgemäß 1000 W/m2) in der Größenordnung von 250 bzw. 300 A/ m2 (poly- bzw. monokristaline Zelle); daraus ergibt sich eine Leistung von rund 125 bzw. 150 W peak / m2 (peak = Spitze, Leistung bei Maximalstrahlung).
Hintereinander- (Serien-) Schaltung einzelner Solarzellen erhöht die Spannung, Parallel-Schaltung die nutzbare Stromstärke. Als Solarmodul bezeichnet man eine zu einer Montageeinheit fest zusammengeschaltete Anzahl von Solarzellen. Das Solarmodul stellt die kleinste PV-Nutzeinheit dar. Durch Serien- Parallel- oder Mischschaltung von Solarmodulen sind die für den Anwendungsfall gewünschten höheren Ausgangsspannungen des so entstehenden Solargenerators erzielbar. (5)

Photovoltaik-System

Ein PV-System besteht im allgemeinen aus einem Solargenerator, einem Laderegler, dem Energiespeicher, einer Spannungsaufbereitung sowie dem zu versorgenden Verbraucher.
Um die Spannungslage des PV-Systems an die Spannung des Verbrauchers anzupassen ist u.U. eine Spannungsaufbereitung notwendig (Abb.1). Werden größere Leistungen benötigt (z.B. konventionelle Haushaltsgeräte) muß das System um einen Wechselrichter erweitert werden.
(Abb. 2) (3)

Wirkungsgrad

Solarzellen nutzen die auftreffende Globalstrahlung (direktes und diffuses Licht) und erreichen unter Laborbedingungen je nach Art des Aufbaus und des verwendeten Basismaterials Wirkungsgrade von bis ca. 20%. In der Praxis erzielen PV-Elemente einen nominellen Energieertrag von ca. 10 %, d.h.

• bei voller Sonnenscheindauer (größer 800 W/m2),
• Ausrichtung nach Süden,
• Neigungswinkel von ca. 40° und
• Umgebungstemperaturen von ca. + 30°C

wird eine elektrische Leistung von ca. 1,0 - 1,5 W mit einem Energieertrag von ca. 100 kWh/a m2 erreicht. (1)

Faustwert: 1 m2 PV-Fläche = max. 100 kWh/ a

Strombedarf im Haushalt
Stromverbrauch pro Person	1630 kWh/a P
Stromverbrauch pro Haushalt	3600 kWh/a

Für die Deckung des Energiebedarfs eines 4-Personenhaushalt mit einem Verbrauch von ca. 3600 kWh/a ist eine Modulfläche von ca. 35-40 m2 notwendig (Stromnetz als Speicher).

Bei konsequenter Verwendung energiesparender Haushaltsgeräte ist es möglich, den Stromverbrauch eines 4 Personen-Haushalts auf ca. 700 kWh/a zu reduzieren (entspricht ca. 7 m2 PV-Fläche, s. Energieautarkes Solarhaus in Freiburg). (2/4)


Amortisation

Bei Investitionskosten von ca. 750 €/m2 Modulfläche lassen sich z.Zt. elektrische Energiekosten in Höhe von 38 €/m2 a Modulfläche einsparen, woraus eine Amortisationszeit von ca. 20 Jahren resultiert. (1)


Gebäudeintegration

Bei der Gebäudeintegration ist besonders auf eine verschattungsfreie Anordnung.Der Wirkungsgrad eines PV-Generators ist stark abhängig von der Leistung der einzelnen Module. Die Beschattung oder Verschmutzung einzelner Solarzellen führt aufgrund der Reihenschaltung zum Ausfall des ganzen Moduls und beeinträchtigt erheblich den Gesamtwirkungsgrad.

Quellen:

(1) Daniels, Klaus: Gebäudetechnik, München 2000, S. 368

(2) Feist, Wolfgang: Das Niedrigenergiehaus, Heidelberg 1998, S. 149

(3) Schmid, Jürgen (Hrsg.): Photovoltaik - Strom aus der Sonne, Heidelberg 1994, S.109

(4) Voss, Karsten: Konzeption und Bau eines energieautarken Solarhauses,
Stuttgart 1997

(5) Weik, Helmut u.a.: Sonnenenergie für eine umweltschonende Baupraxis,
Renningen 1995, S. 57

3.4 Biogas

Bei der anaeroben Methangärung wird organisches Material unter Sauerstoffabschluß durch eine Vielzahl verschiedener Bakteriengruppen und -arten, die alle in einem Wechselspiel miteinander stehen, in Biogas umgesetzt. Biogas besteht zu 2/3 aus brennbarem Methangas und zu 1/3 aus Kohlendioxid. Das Stoffwechselprodukt Methan ist energetisch viel höherwertiger als die Niedertemperaturwärme der aeoben Verrottung. Im Gegensatz zur Kompostierung weißt die Vergärung daher eine positive Energiebilanz auf. Vergären ist mit einer dreifach besseren Energieeffizienz als Kompostieren ein Netto - Energieproduzent.
Biogas kann zum Kochen oder zur Wärmeerzeugung (Raumwärme/ Brauchwassererwärmung) verwendet werden. Komprimiertes Biogas kann für den Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden.
Dimensionierung
Pro Einwohner fallen im Jahr ca. 50 kg organischen Abfall an. Aus 1 Tonne organischer Abfall können pro Tag 100 - 160 m³ Biogas erzeugt werden.

1 Tonne organischer Abfall	= 100 - 160 m³ Biogas
	= 65 - 95 Liter Benzin Äquivalent
	= 170 kWh Strom + 340 kWh Wärme in Form von Warmwasser 70 °C bei WKK (Wärme-Kraft-Koppelung) bei 10 - 20 % Verlust für eigene Prozeßwärme der Anlage

Pro Tonne rohe Gemüseabfälle können ca. 65 kWh elektrische Energie + 166 kWh Wärme netto erzeugt werden.

Quellen:

http://www.biogas.ch

Kleemann, M.; Meliß, M: Regenerative Energiequellen, Berlin/Heidelberg 1993

3.5 CO2-neutrale Heizungssysteme

CO2-neutral heizen bedeutet, dass man Brennstoffe benutzt, die bei ihrer Verbrennung die CO2-Bilanz neutral halten. Dies ist bei allen Biomasse-Produkten in der Regel der Fall. Bei Verbrennung von dem regenerativen Energieträger Holz wird nur so viel Kohlenstoffdioxid frei, wie der Baum beim Wachsen von der Atmosphäre ohnehin aufgenommen hat.
Die selbe Menge würde sich auch beim Verrotten des Holzes im Wald freisetzen. Somit wird die Menge, die bei der Verbrennung entsteht, ein Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufes. Eine effiziente Methode der Holzverbrennung ist die Verwendung von Holz-Pellets.


Holz-Pellets - Heizung

Holz-Pellets bestehen ausschliesslich aus Holz, sie werden ohne jegliche Hilfsstoffe aus Sägemehl oder Hobelspänen unter hohem Druck zusammengepresst. Sie haben in der Regel ein Durchmesser von 4 bis 10 mm, Länge von 20 bis 50 mm und Gewicht von ca. 650 kg/m3. Der Heizwert der Pellets liegt aufgrund des niedrigen Wassergehalts bei ca. 5 kWh/kg, entspricht also ungefähr einem halben Liter Heizöl. Dies führt auch zu einer fast vollständigen Verbrennung, bei der kaum Asche entsteht (0,5 %). Zum Vergleich liegt der Heizwert bei luftgetrocknetem Holz bei ca. 3,4 kWh/kg.

Kosten für die Pellets belaufen sich derzeit auf ca. 160 bis 220 euro/ Tonne (ohne Lieferung). Der Heizkessel selbst ist in der Regel etwas teurer als ein Ölkessel, dafür sind die Kosten der Lagerung wesentlich geringer.
Die Pellets werden von einem Lager automatisch durch eine Austragsschnecke oder ein Vakuum-Saugsystem dem Heizkessel zugeführt. Für die Lagerung wird ungefähr so viel Platz verbraucht, wie für die Tanks bei einer Ölheizung. Für ein Einfamilienhaus wird je nach Heizlast und Wärmebedarf ein Raum von ca. 6 qm Fläche benötigt. Bei der Umstellung von Heizöl- auf Pelletsheizung kann dabei der CO2-Ausstoß um ca. 5 t/a reduziert werden. Als Vorteil von Holz-Pellets kann man ebenfalls das geringere Transportrisiko des Brennstoffes bezeichnen.


Quellen:

Paradigma Energie- und Umwelttechnik GmbH, Karlsbad

www.energiesparhaus.at/energie/pellets.htm

www.iwr.de/bio/holzpellets/holzp_infos.htm


Weiterführende Hinweise:

www.paradigma.de Ökologische Heizsysteme, Produktkatalog, Preislisten

www.holzenergieforum.com Aktuelle Entwicklungen der Pelletsbranche