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Ein Gastartikel von Andreas Kühl
Skalierung der solaren Wärmeerzeugung
Solaranlagen zur Wärmeerzeugung auf dem Einfamilienhaus kennt vermutlich fast jeder. Meistens sind es zwei bis drei Kollektoren, die für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung sorgen. Sie wurden häufig im Neubau von Einfamilienhäusern eingesetzt, um die Pflicht zur anteiligen Nutzung erneuerbarer Energien zu erfüllen. Mehr kam für die meisten Bauherren jedoch nicht infrage. Wer eine Solaranlage auf dem Eigenheim möchte, setzt heute lieber auf eine Photovoltaikanlage zur Stromerzeugung.
Bei solarthermischen Großanlagen sieht es jedoch anders aus. Sie sind wirtschaftlich attraktiver. Auf einer großen Fläche können sie Wärme drei- bis viermal günstiger erzeugen als ihre kleinen Geschwister mit nur wenigen Kollektoren. Dies ist durch eine einfache und günstige Montage der Kollektoren und einen Skaleneffekt bei großen Anlagen möglich. Damit können diese Anlagen Wärme für 3 bis 5 Cent pro kWh erzeugen und in ein Wärmenetz einspeisen. So werden große solarthermische Anlagen für eine künftige klimafreundliche Wärmeversorgung wichtig.
Technologie der großen solarthermischen Anlagen
Die Technologie ist ausgereift und auf dem Markt verfügbar, Neuentwicklungen und -erfindungen sind nicht mehr notwendig. Große Solarkollektoren fangen die Strahlung der Sonne auf und wandeln sie in Wärme um. Diese geben sie an eine Flüssigkeit ab, die durch die Kollektoren strömt. Der Wärmeträger ist meistens Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung. Er erreicht Temperaturen von rund 80 bis 130 Grad und ist damit gut für die Einspeisung in ein Wärmenetz geeignet.
Ähnlich wie bei den kleinen Solarthermieanlagen werden für die großen Anlagen auch Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Diese sind jedoch deutlich größer und effizienter. Dadurch sind höhere Erträge und Temperaturen bei geringen Verlusten möglich. Der Wärmeertrag kann je nach Kollektortyp zwischen 350 und 500 kWh pro Quadratmeter Kollektorfläche liegen. Damit erreichen die Anlagen jedes Jahr einen Ertrag von 2.000 MWh pro Hektar Landfläche.
Die Kollektoren sind bis zu 20 Quadratmeter groß, dadurch reduzieren sich die Zahl der Anschlüsse und die Montagezeit. Sie werden auf spezielle Halterungen montiert, deren Pfosten in den Boden gerammt werden. Einzelne Kollektoren werden mit Leitungen zu sogenannten Kollektorfeldern zusammengeschaltet. Die Sammelleitungen werden am Rand des Feldes als Wärmenetzrohre im Erdreich verlegt. Von dort werden sie zu einer Heizzentrale geführt, wo sie verbunden und an das örtliche Wärmenetz angeschlossen werden.
Der Ertrag der Anlage, ideal ist eine Megawattstunde (MWh) pro Jahr, große Kollektoren für eine einfache Montage und geeignete Temperaturen für ein Wärmenetz sind die wichtigsten Faktoren für günstige Wärmegestehungskosten und hohe Wirtschaftlichkeit.
Große Anlagen können einen höheren Anteil am gesamten Wärmebedarf decken. Das Verhältnis zwischen dem jährlichen Ertrag der Solaranlage und dem Wärmebedarf wird als solarer Deckungsanteil bezeichnet.
Wärmespeicher für die solare Fernwärme
Eine Wärmespeicherung ist bei solaren Wärmenetzen nicht unbedingt erforderlich. Durch die laufende Abnahme der Wärme aus dem Netz kann die thermische Solaranlage fortlaufend einspeisen. Es kann jedoch sinnvoll sein, einen großen, saisonalen Wärmespeicher zu bauen. Mit einem steigenden solaren Deckungsanteil nimmt die Notwendigkeit eines Wärmespeichers zu.
Bis zu einem Deckungsanteil von fünf Prozent kann das Netz die Wärme immer direkt aufnehmen. Bei größeren Anlagen mit einem Deckungsanteil von rund 15 Prozent deckt die thermische Solaranlage den Wärmebedarf im Sommer vollständig. Dann kann ein Pufferspeicher für mehrere Tage sinnvoll sein. Steigt der Deckungsanteil weiter, wachsen auch der Bedarf und das erforderliche Volumen eines Speichers.
Je nach Anforderung, solarem Deckungsanteil und örtlichen Gegebenheiten können unterschiedliche Speicher zum Einsatz kommen:
Behälter-Wärmespeicher
Erdbecken-Wärmespeicher
Erdsonden-Wärmespeicher
Aquifer-Wärmespeicher
Solare Fernwärme in Dänemark
Dänemark ist ein großes Vorbild und ein wichtiger Treiber in der Entwicklung großer solarthermischer Anlagen für die Einspeisung in Wärmenetze. Dort gab es 2022 bereits 125 solare Wärmenetze mit einer Leistung von 1.126 Megawatt.
In Silkeborg (Mitteljütland) steht auch die weltweit größte solarthermische Anlage. Sie hat eine Kollektorfläche von knapp 157.000 Quadratmetern, eine Leistung von 110 Megawatt und versorgt rund 22.000 Haushalte. Ihr solarer Deckungsanteil liegt bei rund 20 Prozent. Der größte dänische Wärmespeicher befindet sich in Vojens (Südjütland) und hat eine Speicherkapazität von 200.000 Kubikmetern.
Solarthermieanlagen für Fernwärme in Deutschland
2023 waren in Deutschland 58 solarthermische Großanlagen mit einer Kollektorfläche von 163.000 Quadratmetern in Betrieb. Weitere Anlagen mit fast der gleichen Fläche sind noch in Planung oder im Bau und sollen 2024 in Betrieb gehen.
Das technische Potenzial der solaren Fernwärme beträgt in Deutschland rund 78 TWh. Wie weit das Potenzial genutzt werden kann, hängt von den zur Verfügung stehenden Flächen und Grundstückskosten ab.
Die bislang größte Solarthermieanlage in Deutschland arbeitet seit 2022 in Greifswald und hat eine Kollektorfläche von 18.700 Quadratmeter. Ihr jährlicher Wärmeertrag liegt bei 8.000 MWh, was dem Bedarf von rund 800 Haushalten entspricht.
In Leipzig entsteht derzeit (Stand Juli 2024) eine deutlich größere Solarthermieanlage mit 65.000 Quadratmetern Kollektorfläche, die 2025/2026 in Betrieb gehen soll. Sie wird etwa 26.000 MWh Wärme im Jahr liefern und rund zwei Prozent des gesamten Wärmeverbrauchs von Leipzig decken.
Fazit
Andreas Kühl bloggt seit vielen Jahren mit großer Leidenschaft über Energieeffizienz, erneuerbare Energien und Innovationen in der Energiewirtschaft. Mit energynet.de betreibt er einen der bekanntesten und einflussreichsten Energieblogs im deutschsprachigen Raum. Informative Texte über diese Themen bietet er seinen Kunden als Dienstleistung für ihre Medien.
