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Solare Warmwasserbereitung

Definition: die Bereitung von Warmwasser mit Hilfe von Sonnenenergie

Allgemeinerer Begriff: Warmwasserbereitung

Englisch: solar hot water generation

Kategorien: erneuerbare Energie, Haustechnik

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.06.2010; letzte Änderung: 03.06.2021

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Sonnenenergie ist gut zur Bereitung von Warmwasser geeignet. Hierfür wird meist die Methode der Solarthermie gewählt: Ein Sonnenkollektor (oder häufig eine Gruppe von mehreren Kollektoren) an ein Zirkulationssystem für die Solarflüssigkeit mit einer kleinen Umwälzpumpe und einem Warmwasserspeicher (Solarspeicher) angeschlossen. Mit Hilfe von mindestens zwei Temperaturfühlern und einer kleinen Elektronik wird die Umwälzpumpe eingeschaltet, solange die Temperatur im Kollektor hoch genug ist, so dass Wärme an den Speicher abgegeben werden kann. Die umgewälzte Solarflüssigkeit durchläuft im Speicher einen Wärmeübertrager, der sie vom zu erwärmenden Trinkwasser getrennt hält.

Wenn der Speicher oberhalb der Kollektoren montiert werden kann, ist manchmal ein einfaches Schwerkraftsystem realisierbar: Auch ohne eine Umwälzpumpe zirkuliert das Wasser allein aufgrund der Temperaturunterschiede, sobald der Kollektor erwärmt wird. Eine solche Thermosiphonanlage bringt jedoch einige Nachteile mit sich, insbesondere die Gefährdung durch Frost.

Bei den Sonnenkollektoren handelt es sich häufig um Flachkollektoren, manchmal auch um Vakuum-Röhrenkollektoren. Der Artikel über Sonnenkollektoren beschreibt noch weitere Typen, einschließlich den Speicherkollektoren als eine simple Lösung mit gewissen Einschränkungen.

Auch die Verwendung von Photovoltaik anstelle der Solarthermie ist eine Möglichkeit; sie wird weiter unten beschrieben. Die folgenden Inhalte beziehen sich zunächst auf die solarthermische Lösung.

Dimensionierung der Anlage; Zusatzerwärmung im Winter

Meist werden Sonnenkollektoranlagen für die reine Warmwasserbereitung mit 1,5 bis 2 m2 Kollektorfläche pro Person im Haushalt gebaut. Sie sind damit so dimensioniert, dass sie an sonnigen Sommertagen etwas mehr Wärme erzeugen, als benötigt wird. Überschüssige Wärme verpufft dann entweder am Kollektor oder wird manchmal auch über eine Erdwärmesonde einer Wärmepumpenheizung abgeführt. Insgesamt wird im Sommer der Großteil des Warmwasserbedarfs von der Kollektoranlage gedeckt. Im Winter genügt die Wärmeerzeugung aber häufig nicht, da die Sonneneinstrahlung abnimmt, die Wärmeverluste des Kollektors zunehmen und der Wärmebedarf für das Warmwasser aufgrund des kälteren Leitungswassers etwas zunimmt. Deswegen wird dann zusätzliche Wärme von der Heizungsanlage benötigt, die z. B. über einen zweiten Wärmeübertrager an den Speicher abgegeben werden kann. Diese Wärme wird häufig im oberen Teil des Speichers zugeführt; der untere Teil bleibt kalt, damit später einsetzende Sonnenstunden genutzt werden können.

Der Solarspeicher wird meist so bemessen, dass er das zwei- bis dreifache des täglichen Warmwasserbedarfs speichern kann. Beispielsweise mag ein Vierpersonenhaushalt täglich 200 Liter Warmwasser benötigen, und der Speicher könnte 400 bis 600 Liter fassen.

Im Winter kann die benötigte Zusatzwärme häufig relativ effizient gewonnen werden, während der Betrieb z. B. eines Heizkessels im Sommer nur für die Warmwasserversorgung häufig extrem ineffizient ist. Eine Solaranlage spart dann also nicht nur die Wärme des Warmwassers, sondern zusätzlich auch die Bereitschaftsverluste des Heizkessels. Diese können bei älteren Heizkesseln sogar höher sein als die Wärmemengen für die Aufheizung des Wassers. In diesem Fall kann durch die Solaranlage sogar mehr Heizöl eingespart werden, als der Wärmemenge entspricht, die die Kollektoren erzeugen.

Energetisch noch günstiger ist es, den Solarspeicher nicht zusätzlich mit Erdgas zu beheizen, sondern stattdessen das Warmwasser bei Bedarf in einem separaten Durchlauferhitzer z. B. mit Erdgas nachzuheizen. (Es gibt Gas-Brennwertgeräte, die einen solchen Duchlauferhitzer enthalten.) Dann kann das ganze Speichervolumen für die solare Erwärmung genutzt werden, und Speicherverluste treten nur auf, solange Sonnenenergie gespeichert wird. Der einzige Nachteil ist, dass die Leistung des Durchlauferhitzers eine Grenze für die pro Minute verfügbare Warmwassermenge setzen kann. Es können dann z. B. nur maximal zwei Personen gleichzeitig duschen.

In der Regel nicht empfehlenswert ist es, die benötigte Zusatzwärme mit einem Elektroheizstab im Warmwasserspeicher oder mit einem elektrischen Durchlauferhitzer zu erzeugen. Dann leidet nämlich die Energieeffizienz des Gesamtsystems dermaßen unter der niedrigen Effizienz der Elektrowärme, dass ein System z. B. mit einer Brauchwasserwärmepumpe womöglich schon besser wäre – bei gleichzeitig massiv niedrigeren Installationskosten. Etwas anders kann es aber aussehen bei Verwendung von Photovoltaik, siehe unten.

Im Jahresmittel deckt die solare Warmwasserbereitung typischerweise etwa die Hälfte des Energiebedarfs für Warmwasser. Der Heizwärmebedarf des Gebäudes kann allerdings bei schlechter Wärmedämmung des Gebäudes weitaus höher sein, so dass insgesamt der Heizöl- oder Erdgasverbrauch womöglich um weniger 10 % abnimmt. Zwar folgt hieraus nicht, dass die solare Warmwasserbereitung nichts bringt, aber sie löst eben nicht das größere Problem des Heizwärmebedarfs.

Regelung der Warmwassertemperatur

Im Prinzip könnte eine Solaranlage so betrieben werden, dass die Umwälzpumpe nicht mehr verwendet wird, wenn eine ausreichende hohe Temperatur des Warmwasserspeichers erreicht wird. Die überschüssige Wärme würde dann an den Kollektoren verpuffen. Üblich ist es deswegen, dass der Warmwasserspeicher bei guten Wetterverhältnissen bis auf z. B. 95 °C aufgeheizt werden kann. Das so erwärmte Wasser darf dann aber nicht direkt zu den Zapfstellen gelangen, da man sich damit verbrühen könnte. Es muss durch einen thermostatischen Warmwassermischer mit kaltem Wasser auf die gewünschte Temperatur von z. B. 60 °C gemischt werden. Mit dieser Strategie kann im Speicher wesentlich mehr Wärme für schlechtere Tage gespeichert werden.

Heizungsunterstützung

Viele thermische Solaranlagen dienen außer der Warmwasserbereitung auch der Heizungsunterstützung. Sie arbeiten in der Regel mit einer größeren Kollektorfläche und decken z. B. in einem Niedrigenergiehaus typischerweise rund 20 bis 30 % des gesamten Wärmebedarfs. Während im Sommer praktisch der gesamte Warmwasserbedarf gedeckt wird, dient die Produktion zu anderen Jahreszeiten eher der Heizung, und zwar auf niedrigerem Temperaturniveau, so dass die Ausbeute der Kollektoren verbessert wird.

Es gibt auch Solarheizungen, die einen wesentlich höheren Anteil des Energiebedarfs decken. Dies erfordert allerdings weitergehende Maßnahmen, die der Artikel über Solarheizung erklärt.

Wartung

Im Idealfall braucht eine Solaranlage nur wenig Wartung, die im Rahmen der Heizungswartung mit erledigt werden kann. Allerdings kann es zu aufwändigen Reparaturen führen, wenn etwa Solarflüssigkeit durch Lecks an unbekannten und womöglich auf dem Dach schwer zugänglichen Stellen verloren geht. Es kann vorkommen, dass hierfür eigens ein Gerüst aufgestellt werden muss.

Warmwasserbereitung mit Photovoltaik

In früheren Jahren (etwa noch in 2010) waren die Kosten der Photovoltaik so hoch, dass die Erzeugungskosten pro Kilowattstunde weitaus höher lagen als etwa mit Heizöl oder Erdgas, und auch im Vergleich mit Sonnenkollektoren. Seitdem die Kosten von Photovoltaik-Modulen aber massiv gesunken sind, ist es auch eine durchaus zur erwägende Option, die Warmwasserbereitung mithilfe von Solarstrom vorzunehmen. Man verwendet also solche Module anstelle von Sonnenkollektoren. Die elektrische Energie wird dann in einem einfachen Heizstab im Warmwasserspeicher eingesetzt.

Die Vorteile dieses Ansatzes sind im Wesentlichen die folgenden:

  • Die dann nötige elektrische Leitung lässt sich einfacher verlegen als eine wärmegedämmte Leitung für Solarflüssigkeit.
  • Eine solche Anlage ist praktisch wartungsfrei.
  • Eine Gefahr von Lecks besteht nicht, und auch Probleme der elektrischen Isolation solcher Anlagen sind selten. Damit ist das Risiko teurer Reparaturen sehr viel niedriger.

Wegen des wesentlich niedrigeren Wirkungsgrads von Photovoltaikmodulen braucht man leider eine wesentlich größere Dachfläche für dieses Konzept. Allerdings ist dieser Unterschied nicht groß, wie man aufgrund das Vergleichs der maximalen Wirkungsgrade (z. B. 90 % vs. 15 %, also Faktor 6) erwarten würde: Während bei Sonnenkollektoren mit guter Ausrichtung mit einem Jahresertrag von rund 400 bis 600 kWh pro m2 gerechnet werden kann, liegt man heute bei Silizium-PV-Modulen in der Gegend von 140 kWh pro m2. Somit ist der Flächenbedarf rund 3 bis 4 mal höher.

Der nicht so große Unterschied liegt daran, dass der Wirkungsgrad bei der Photovoltaik weitgehend unabhängig von der eingestreuten Lichtintensität und der Außentemperatur erreicht wird (bei niedriger Modultemperatur sogar noch ein wenig steigt), während thermische Kollektoren wegen ihrer großen Wärmeverluste bei ungünstigen Einstrahlungsbedingungen und niedrigen Außentemperaturen stark an Wirkungsgrad verlieren: Bei ihnen sinkt die erzielte Wärmeleistung häufig auf Null, wenn Photovoltaik immerhin noch einen wesentlichen Teil der vollen Leistung erbringt.

Eine weitere Frage ist, ob die Photovoltaik nur für die Warmwasserbereitung oder auch für die anderen Zwecke im Haushalt und ggf. für die Einspeisung ins Stromnetz genutzt werden soll:

  • Im letzteren Fall wird man wie üblich einen Wechselrichter einsetzen und den Heizstab mit einer Elektronik so einsetzen lassen, dass er jeweils nur den Teil der erzeugten elektrischen Leistung erhält, der nicht anderweitig im Haus verbraucht werden kann.
  • Im erstgenannten Fall dagegen würde eine einfachere Elektronik anstelle des Wechselrichters genügen, die direkt den Heizstab geeignet versorgt – nicht unbedingt mit der üblichen Netzspannung, sondern eher mit einer variablen Spannung. Der Nachteil ist dann, dass verbleibende Überschüsse an Strom nicht anders genutzt werden können. Dies ist also nur sinnvoll bei einer nicht allzu starken Dimensionierung, bei der an trüben Tagen dann auch nur ein kleiner Teil des Warmwasserbedarfs gedeckt werden kann.

Eine Heizungsunterstützung (unter Umständen mit insgesamt etwas größerer Auslegung) käme auch mit Photovoltaik in Frage. Da hier die Produktion im Winter weniger stark abnimmt, wäre die Menge erzeugter Heizwärme im Vergleich zur Wärme für Warmwasser deutlich höher als bei der Solarthermie.

Empfehlungen

Solarthermie oder Photovoltaik?

Die erste zu entscheidende Frage ist, ob man auf Solarthermie oder Photovoltaik setzen möchte. Bei knapper Dachfläche wird man in der Regel den Ansatz der Solarthermie wählen, weil der solare Ertrag sonst zu gering wird. Andernfalls könnte die Lösung mit Photovoltaik durchaus infrage kommen, wobei man nicht nur die Investitionskosten vergleichen sollte, sondern auch die eher längere Lebensdauer und die viel niedrigeren Wartungskosten. Auch eine nicht optimale Ausrichtung des Daches könnte tendenziell für Photovoltaik sprechen, da damit die relative Minderung der Ausbeute weniger hoch ausfällt. Komplizierter wird der Kostenvergleich natürlich, wenn zusätzlich elektrische Energie für den Haushalt und für die Einspeisung ins Netz genutzt werden soll. Dann geht es um eine meist deutlich größere Photovoltaikanlage, bei der die Warmwasserbereitung nur einen Teilaspekt darstellt.

Dimensionierung

Am ehesten wirtschaftlich sind nicht zu groß dimensionierte Solaranlagen für Mehrfamilienhäuser. Im Winter kann das Brauchwasser mit Sonnenenergie zumindest vorgewärmt werden; ein Heizkessel oder eine Wärmepumpe übernimmt den restlichen Wärmebedarf. Durch die Versorgung mehrerer Wohnungen werden die Kosten pro Wohnung deutlich geringer. Bei einer allzu großzügigen Auslegung der Anlage kann die Kosteneffizienz leiden; man erzeugt u. U. hauptsächlich größere Wärmeüberschüsse im Sommer, die man nicht nutzen kann, ohne jedoch die Dauer der solaren Vollversorgung erheblich ausdehnen zu können.

Heizungsunterstützung

Wenn ein größerer Teil des Wärmebedarfs solar gedeckt werden soll, kann eine solare Heizungsunterstützung in Verbindung mit einer vergrößerten Kollektorfläche vorgesehen werden. Gerade wenn die Heizungsanlage ohnehin erneuert werden muss, bietet sich diese Option an.

Kombination mit Wärmepumpe

Als Ergänzung zu einer Heizungswärmepumpe ist eine Solaranlage normalerweise finanziell nicht so leicht amortisierbar, da die Wärmepumpe bereits recht effizient und kostengünstig arbeitet. Einen ökologischen Vorteil bringt sie trotzdem, sofern nicht Ökostrom für die Wärmepumpe verwendet wird.

Kombination mit Elektrowärme

Auf keinen Fall sollte ein Solarspeicher mit einem Elektroheizstab mit Strom aus dem Netz nachgeheizt werden, da ein solches System eher weniger effizient als eine Brauchwasserwärmepumpe wäre, trotz wesentlich höherer Kosten. Eine Ausnahme kann allenfalls für die gelegentliche stärkere Aufheizung zur Vorbeugung gegen Legionellen gemacht werden, oder für eher selten genutzte Wochenendhäuser.

Alternative energetische Maßnahmen

Bevor eine Solaranlage installiert wird, sollte geprüft werden, ob andere Maßnahmen nicht sinnvoller wären, d. h. mehr Energieeinsparung für weniger Geld bewirken. Hierbei sollte man sich nicht nur auf alternative Möglichkeiten für die Warmwasserbereitung konzentrieren, wie z. B. eine Brauchwasserwärmepumpe; es gibt auch andere Optionen wie z. B. eine verbesserte Wärmedämmung des Gebäudes, evtl. auch nur den Ersatz alter Fenster. Es kann jedoch vorkommen, dass staatliche Förderangebote den Einbau einer Solaranlage finanziell attraktiver machen, selbst wo andere Lösungen an sich kosteneffizienter wären. Auch die Nutzungspflicht für erneuerbare Energien kann den Ausschlag für die Solaranlage geben.

Waschmaschine und Geschirrspüler

Wenn eine Solaranlage vorhanden ist, sollte diese möglichst gut genutzt werden, indem auch die Waschmaschine und die Geschirrspülmaschine an die Warmwasserversorgung angeschlossen wird. Allerdings haben nur wenige (meist teurere) Modelle von Waschmaschinen einen Warmwasseranschluss, während Geschirrspülmaschinen in der Regel problemlos angeschlossen werden können; beim Kauf sollte darauf geachtet werden. Der Vorteil eines Warmwasseranschlusses ist, dass der interne Elektroheizstab weniger gebraucht wird und der Stromverbrauch der Maschine dann sehr viel geringer ausfällt, vor allem bei nicht allzu hohen Waschtemperaturen.

Fragen und Kommentare von Lesern

27.05.2021

Wir haben eine Solarthermieanlage auf dem Dach, die nun bald 20 Jahre alt ist, und einen Pufferspeicher mit 400 l im Keller, der im unteren Bereich (250 l) durch die Solarthermie beheizt wird und im oberen Bereich (150 l) durch eine Gasbrennwerttherme. Wir überlegen, auf unserem flachen Dach (13,5°) PV-Module zu montieren, haben jedoch durch die Solarthermie nur Platz für 6,3 kWp. Damit wollen wir unseren eigenen Strom erzeugen und ein E-Auto laden. Hier sehen wir einen größeren Bedarf an PV von idealerweise 10 kWp. Wenn wir die Solarthermie entfernen würden, hätten wir diese Fläche (10 kWp) zur Verfügung. Dann würden wir einen Heizstab nutzen, der auf etwa mittlerer Höhe in den Pufferspeicher eingebaut werden müsste. Ist ein solches Vorgehen ratsam? Immerhin hätte man dann eine dauerhafte Lösung (30 Jahre) auf dem Dach. Oder heizt man dann Wasser, das man nicht braucht?

Antwort vom Autor:

Da sind etliche Punkte in der konkreten Situation zu prüfen und gegeneinander abzuwägen:

  • Wie lange würde die Solarthermieanlage noch funktionieren? Was wäre der Wartungs- und Reparaturaufwand? Wie Sie schon angedeutet haben, wäre die Lösung nur mit PV deutlich robuster. Allerdings könnte man die Kollektoren auch noch nutzen, solange sie funktionieren, um sie dann ggf. später, wenn sie Probleme machen, durch PV zu ersetzen. Der Gesamtaufwand könnte dann aber trotzdem etwas höher sein, als man gleich diese Lösung wählt – außer, die PV-Module werden zwischenzeitlich nochmals billiger.
  • Die Energieausbeute pro Quadratmeter ist mit der Solarthermie einiges höher – wobei der Unterschied abnimmt, wenn Kollektoren wenig effizienter Art vorliegen, die Dachausrichtung nicht optimal ist und die gesamte Dachfläche womöglich mit der Kombination weniger gut ausgenutzt wird. Außerdem geht im Sommer oft ein Teil der solarthermischen Erzeugung als nicht nutzbarer Überschuss verloren; überschüssigen Strom können Sie immerhin noch ins Netz einspeisen.
  • Ob der vorhandene Pufferspeicher mit dem nötigen Elektroheizstab ausgerüstet werden kann, wäre noch zu prüfen.
  • Bei der PV-Lösung kommt es auch noch darauf an, wie gut man die Nutzung einrichten kann (Stichwort Eigenverbrauch).
  • Man sollte unbedingt auch schon an die Heizung denken, die ja vom Energieverbrauch her wichtiger ist als Strom und Warmwasser; wenn Sie später eine Wärmepumpenheizung einrichten, spricht dies wieder mehr für PV komplett. Falls ein neuer Pufferspeicher nötig wäre, würde das sinnvoller zusammen mit der Heizung erledigt.
  • Außerdem wäre zu prüfen, ob eine Investition in bessere Wärmedämmung nicht die beste erste Maßnahme wäre – auch als vorbereitenden Schritt für die Wärmepumpenheizung.

Ein guter Energieberater würde diese Dinge vor Ort sorgfältig prüfen und die genannten Aspekte (vielleicht auch noch weitere) umsichtig und sachgerecht gegeneinander abwägen.

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Literatur

[1]Solar Toolbox (http://www.solartoolbox.ch/simulation) von Solar Campus zur Simulation des solaren Deckungsgrads von Sonnenkollektoranlagen für die Warmwasserbereitung mit und ohne Heizungsunterstützung
[2]Solarfoerderung.de: Informationen über Solaranlagen und staatliche Fördermöglichkeiten

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Sonnenenergie, Sonnenkollektor, Solarspeicher, Warmwasser, Wärmespeicher, Thermosiphonanlage
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Haustechnik

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