Solarthermie Leistungsangaben

Solarthermie Kennzahlen und Kennwerte verständlich erklärt

Solarer Deckungsanteil, spezifischer Kollektorertrag, optischer Wirkungsgrad. Das alles klingt reichlich kompliziert. Ist es aber eigentlich gar nicht. Wir klären über diese und weitere Kenngrößen, Kennwerte und Kennzahlen der Leistung einer Solarthermie-Anlage auf. Sie alle befassen sich mit der Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Systems.

Wirtschaftlichkeit und Effizienz einer Solarthermie-Anlage

Zu den wichtigen Einflussgrößen auf die Wirtschaftlichkeit einer solarthermischen Anlage zählt zum einen die korrekte Dimensionierung. Zum anderen stehen sich Investitionskosten und (eingesparte) Energiekosten gegenüber. Um die Wirtschaftlichkeit berechnen zu können, sind bestimmte Parameter zu berücksichtigen:

• Anschaffungskosten (abzüglich eventueller Fördermittel)
• laufende Betriebskosten
• Finanzierungskosten (Zinsen)
• Erträge, genauer der Wärmeertrag

Nun ist aber die Wirtschaftlichkeit nicht alleinig ausschlaggebend für die Installation einer solarthermischen Anlage. Ihr Einsparpotenzial fußt noch auf weiteren Faktoren, von denen hier nur die Qualität der Kollektoren und die Gebäudedämmung zu nennen sind. Wie effizient eine Solaranlage arbeitet lässt sich an standardisierten Kennzahlen ablesen.

Solarstrahlung, Solarertrag und Systemnutzungsgrad

Der solare Systemnutzungsgrad errechnet sich aus zwei Faktoren: der Globalstrahlung und dem Solarertrag.

• Die Globalstrahlung oder globale Solarstrahlung ist die auf der Erdoberfläche auftreffende Solarenergie. Auf Karten wie der des Deutschen Wetterdienstes wird sie in Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr angegeben. Beeinflusst von vielerlei Faktoren sind die Werte weltweit – und selbst in einzelnen Ländern – sehr unterschiedlich. Für Deutschland ergaben die im Zeitraum 1991-2020 erhobenen Daten eine mittlere Jahressumme zwischen 975 und 1.259 kWh/m². Auf unserer Grafik ist die globale Solarstrahlung als „Energie A“ dargestellt.

• Der Solarertrag ist die thermische Sonnenenergie, die durch die Solarthermie-Anlage gewonnen und genutzt werden kann. Die Höhe des in der Grafik „Energie B“ genannten Wärmeertrags wird außerdem durch die Qualität des Solarkollektors bestimmt. Je nach Bauweise, Funktion und Leistung der Kollektoren ergibt sich ein sogenannter spezifischer Solarertrag. Heruntergebrochen auf einen einzelnen Kollektor heißt er folglich spezifischer Kollektorertrag (s.u.).

Setzt man beide Werte in Beziehung zueinander, ergibt sich der solare Systemnutzungsgrad. Ein Beispiel: Die auf 1 m² Dachfläche auftreffende Solarstrahlung beträgt im Jahr 1.100 kWh. Werden davon 600 kWh in Wärmeenergie umgewandelt, beträgt der Systemnutzungsgrad knapp 55 Prozent.

Der solare Systemnutzungsgrad ist abzugrenzen vom solaren Deckungsgrad und dem Wirkungsgrad. Diese beiden Faktoren erläutern wir in den folgenden Abschnitten.

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Solarer Deckungsanteil und spezifischer Kollektorertrag

Kenngrößen wie der solare Deckungsanteil und der spezifische Kollektorertrag geben an, wie effizient eine solarthermische Anlage arbeitet.

• Solarer Deckungsanteil oder solarer Deckungsgrad ist die Bezeichnung für den Prozentsatz der durch die Solaranlage erzeugten Energie am Gesamtenergiebedarf. Je größer die Sonneneinstrahlung ist, desto höhere Werte sind hier zu erwarten. Naturgemäß ist der Warmwasser-Deckungsanteil im Sommer am größten.

• Spezifischer Kollektorertrag: Der Kollektorertrag ist der Wärmeertrag eines Solarthermie-Kollektors. Der spezifische Kollektorertrag berücksichtigt dabei die gesamte Kollektorfläche. Je größer diese Fläche ist, desto geringer ist der Ertrag eines einzelnen Kollektors. Warum das so ist? Erstens gleich der höhere Wärmeertrag die höheren Investitionskosten nicht aus. Und zweitens entsteht bei einer überdimensionierten Anlage im Sommer ein Wärmeüberschuss – der ungenutzt verpufft …

Fazit: Je höher der solare Deckungsanteil, desto niedriger ist der spezifische Kollektorertrag. Zielwerte für den optimalen Deckungsanteil liefert unser Beitrag zum Einsparpotenzial.

Wirkungsgrad und Ertragsverluste

Systemnutzungsgrad und Wirkungsgrad unterscheiden sich eigentlich erst auf den zweiten Blick. Während ersterer den Anteil der im System ankommenden, also zu nutzenden Wärme angibt, bezeichnet der Kollektorwirkungsgrad die von der Solarflüssigkeit aufgenommene Solarwärme. Es handelt sich also um Energie, die erst noch in nutzbare Wärme umgewandelt werden muss. Dass diese Größe nicht konstant ist, liegt auf der Hand. Sie variiert je nach Einstrahlungsbedingungen und Übertemperatur des Absorbers gegenüber der Umgebungsluft, d.h. dem momentanen Betriebszustand der Solaranlage.

Bei der erwähnten Umwandlung entstehen Verluste, die den Anlagenwirkungsgrad reduzieren. Sie treten in den Solarrohren, im Wärmetauscher und im Speichermedium auf.

Um es noch komplizierter zu machen, werden zudem optische und thermische Ertragsverluste unterschieden:

• Optische Verluste können sich an der Kollektoroberfläche und am Absorber entwickeln. Der Transmissionskoeffizient der Abdeckung (T) sollte bei 0,85 bis 0,95 liegen, das Absorptionsvermögen des Absorbers (α) bei 0,9 bis 0,95. Der maximale, also optische Wirkungsgrad eines Kollektors errechnet sich aus beiden Werten und beträgt durchschnittlich 70 bis 85 Prozent.
• Thermische Verluste entstehen, weil der Absorber viel wärmer wird als seine Umgebung und dann Wärme in die Umgebung abgibt. Hinzugezählt werden hier auch die oben genannten Wärmeverluste im Solarkreislauf. Diese Verluste sind deutlich höher als die vorgenannten.

Setzt man für die gesamten Ertragsverluste einen Wert von 100 Prozent an, entfallen davon 20 Prozent auf die optischen und 80 Prozent auf die thermischen Verluste. Daher ist der Wirkungsgrad der gesamten Anlage mit durchschnittlich 50 bis 60 Prozent deutlich niedriger als der Wirkungsgrad des Kollektors.

Vor dem Kauf einer solarthermischen Anlage empfiehlt es sich, die aufgeführten Kennwerte miteinander zu vergleichen. Unser Beitrag Einsparpotenzial greift das Thema Kennzahlen ebenfalls auf.

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