Solar-Keymark-Kollektorvergleiche
Der Kollektor ist der Motor jeder Solaranlage. Er allein setzt die Leistungs- und Ertragsgrenzen. Die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage hängt überproportional von einer hohen Kollektorleistung ab, weil die Verluste immer annähernd in gleicher Höhe anfallen.
Welche Kollektoren gibt es am Markt und was leisten sie? Aus der Schweiz wurde 2012 ein Vakuumflachkollektor vorgestellt, der das Potential eines Spitzenreiters hat.
Aber auch aus Deutschland gab es Innovationen. So erlebte die CPC-Vakuumröhren-Kollektortechnologie, welche ein Jahrzehnt die Bruttoflächen-Jahresertrags-Spitzenposition bereits mit Abstand behauptete, durch ein Verfahren zur Plasmabeschichtung ab 2012 noch einen deutlichen Entwicklungssprung hin zu höheren Temperaturen mit Steigerungen des Kollektorertrags von 15 bis 90 Prozent für Prozesstemperaturen von 60 bis 180 °C. Beide Innovationen wurden 2012 mit je einem Intersolar-Award ausgezeichnet. Folgende Ergebnisse sind einer aktuellen Studie vom ITW der Universität Stuttgart entnommen [3]. Mit dem Programm „ScenoCalc“ wurden die Kollektor-Jahreserträge von acht repräsentativen Kollektoren für den Standort Würzburg gerechnet.
„ScenoCalc“ ist ein unabhängiges wissenschaftliches Simulationsprogramm, das offiziell von sämtlichen europäischen Kollektor-Testinstituten zur Berechnung der Jahreserträge (Annual Collector Output, ACO) auf Seite 2 der Solar-Keymark-Zertifikate genutzt wird. Die Eingangsparameter liefern Kollektortests nach Standard ISO 9806, welcher seit 2013 den früheren Standard EN 12975-2 ersetzt. „ScenoCalc“ ist frei im Internet verfügbar [4]. Bei Verwendung der Parameter aus den Solar-Keymark-Zertifikaten, die ebenfalls im Internet frei zugänglich sind [5], können die Werte der folgenden Diagramme nachgerechnet bzw. auch ACOs für weitere Kollektoren, Standorte, Temperaturen und Ausrichtungen ermittelt werden. „ScenoCalc“ rechnet mit einer konstanten mittleren Kollektortemperatur und ohne thermischen Stillstand. Verluste, außer denen des Kollektors, bleiben von „ScenoCalc“ unberücksichtigt. Das heißt, „ScenoCalc“ simuliert zwar keine Systeme, ist aber ein sehr gutes Werkzeug, um Kollektoren zu vergleichen.
Die Parameter aus den Solar-Keymark-Zertifikaten werden fast immer mit Wasser ermittelt. Verwendet man ein anderes Fluid als Wasser, dann sind die realen Ergebnisse grundsätzlich kleiner als die berechneten. Das Diagramm (Abb. 3) zeigt die Abhängigkeit verschiedener Kollektortypen von der mittleren Kollektortemperatur.
Vor dem Hintergrund des Legionellenschutzes und in Anbetracht dessen, dass Solarwärme in der Regel auch gespeichert werden soll, wobei dies am besten bei 85 bis 95 °C geschieht, um die Kapazität der Speicher gut zu nutzen, gibt es unterhalb von 50 °C kaum solarthermische Anwendungen. Auch beim solaren Heizen werden meistens deutlich höhere Kollektortemperaturen gebraucht, z. B. in der Nah- und Fernwärme, aber auch, um MFH wirksam unterstützen und nebenbei auch noch Wärme speichern zu können.
Die Bruttoflächen-Kollektoreffizienz auf der linken y-Achse von Abbildung 3 zeigt, wieviel Sonnenenergie in Wärme verwandelt wird. Ein preiswerter Flachkollektor schafft bei 50 °C etwa 30 Prozent oder entsprechend der rechten y-Achse etwa 400 kWh/a in Würzburg. CPC-Plasma-Vakuumröhrenkollektoren und Vakuumflachkollektoren liefern 60 Prozent mehr und bei 100 °C das Fünffache.
Sehr gute FK mit selektivem Absorber werden nur noch selten und der Kollektor „Bester FK …“ nahezu ausschließlich für Fernwärmeprojekte eingesetzt. Die beiden besten Kollektorbauarten liefern bei 50 °C etwa 55 Prozent der Jahresstrahlung als Wärme und bei 100 °C noch über 40 Prozent. Das ist gegenüber Photovoltaik die 3- bis 4-fache Flächenausnutzung.
Außer bei sehr niedrigen Temperaturen liefern Kollektoren mit Vakuumtechnik stets weitaus höhere Jahreserträge als Flachkollektoren mit Einscheibenverglasung und mineralischer Dämmung. Heat-Pipe- und direkt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren könnten auch noch etwa 25 Prozent mehr bringen, wenn sie technisch in der Lage wären, CPC-Reflektoren zu nutzen.