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2006-02: Neue Wege in der Solarthermie

Systeme

Solare Warmwasserbereitungsanlagen sind ohne finanzielle Unterstützung oder andere Anreize schwierig zu verkaufen. Daher ist es notwendig, solare Warmwasserbereitungsanlagen kostengünstiger zu machen. Bei den derzeit am Markt erhältlichen Systemen sind keine großen Kosteneinsparungen mehr möglich.

Die Warmwasseranlage Econcern ICS

Von Martin Koper, Anton Schaap und Iwan van Bochove*

Es müssen neue Konzepte mit geringeren Materialkosten und niedrigeren Installationskosten erarbeitet werden. Econcern entwickelt einen sogenannten ICS Kollektor (“Integrierter Kollektor Speicher”). Der Energiespeicher befindet sich direkt im Kollektor, dadurch können die Materialkosten deutlich gesenkt werden.
Es gibt unterschiedliche Typen von ICS Kollektoren. Der Econcern ICS hat einen zylindrischen Speicher und eine transparente Abdeckung. Der Speicher ist von einer selektiven Folie umgeben. Dadurch wird die solare Absorption erhöht und die Abstrahlung während der Nacht verringert. Die geplante Aperturfläche beträgt 1,8 m², der Speicher fasst 150 Liter.
Zwei gebogene Spiegel sind neben dem Speicher angebracht. Die gesamte eintreffende Strahlung wird auf den Speicher reflektiert. Durch die gebogene Abdeckung ist auch bei extremen Einstrahlungswinkeln eine Einstrahlung auf die Absorberfläche möglich. Der Speicher wird direkt über einen Einlass im Boden mit Leitungswasser gefüllt. Durch die Temperaturschichtung im Speicher wird am höchsten Punkt im Speicher auch die höchste Wassertemperatur erreicht.
Abbildung 1 zeigt verschiedene Temperaturverläufe bei der Entnahme von Wasser an einem sonnigen Tag im Spätsommer 2005. Die Temperaturverläufe zeigen die perfekte Schichtung des Wassers im Speicher. Dies ist besonders wichtig für den Ertrag der Anlage. Das am meisten erwärmte Wasser ist direkt am Auslass verfügbar, während der Wärmeverlust, der sich aus der durchschnittlichen Temperatur des ganzen Speichers ergibt, gering ist.
Der Wärmeverlustkoeffizient der Anlage beträgt etwa 2 W/m² K bezogen auf die gesamte Aperturfläche. Im Vergleich zu einer Thermosyphonanlage ist der Wärmeverlust der gesamten Anlage deutlich geringer.

Abbildung 1: Temperaturprofile bei der Entladung im geschichteten Speicher am 7. September 2005
(T1: Speicherboden, T4: Oberes Ende des Speichers)

Marktchancen

Das Konzept des ICS Kollektors ist besonders für Länder mit mildem Klima wie in Südeuropa geeignet, der Einsatz ist aber auch in Ländern mit einem Klima wie in Westeuropa möglich. Strenge Winter wie in Nord- oder Osteuropa sind nicht so günstig für den Betrieb des ICS. Der ICS kann als direkter Mitbewerber von Thermosyphonanlagen gesehen werden, die standardmäßig in Südeuropa eingesetzt werden.
Das System kann aber auch mit gepumpten Systemen verglichen werden, die in Westeuropa üblich sind. Das Preis/Leistungsverhältnis ist aufgrund des geringeren Materialverbrauchs und der einfachen Installation um ca. 25% besser. Ein wesentlicher Punkt ist das Design, der einen Vorteil am Markt gegenüber den bisher verfügbaren Anlagen bringen soll.
Der neue ICS Kollektor ist mit geringem Materialaufwand sehr einfach konstruiert. Es gibt keine separaten Rohrleitungen, keinen Wärmetauscher und keinen weiteren Wärmespeicher außerhalb des Kollektors. Im Vergleich zu Thermosyphonanlagen sind die Installationskosten deutlich geringer, da nur ein Bauteil auf dem Dach montiert werden muss. Es sind keine weiteren Installationen nötig um Kollektor und Speicher zu verbinden, es ist kein Frostschutzmedium verwendet. Im Vergleich zu gepumpten Systemen erspart man sich die Pumpe und den Ersatz derselben nach dem Ende ihrer Lebensdauer von maximal 10 Jahren. Der jährliche Stromverbrauch der Anlage liegt bei ca. 1 kWh (bei gepumpten Systemen liegt der Stromverbrauch bei 30 bis 100 kWh/a, was einem Primärenergieverbrauch von 0,3 bis 1 GJ/a entspricht).

Herstellung

Der ICS besteht aus wenigen Teile, die alle in Massenproduktion hergestellt werden können. Die Anlage ist außerdem wartungsfrei, da kein Glykol eingesetzt wird. Weiters benötigt der Speicher keine Opferanode. Bei der Entsorgung der Anlage kann diese sehr einfach in mehrere größere und einige kleinere Teile zerlegt werden. Der Edelstahlspeicher kann als Edelstahl recycled werden. Alle anderen Materialien sind ebenso recyclierbar.

Schutz vor Frost und Überhitzung

Da der Speicher im Freien montiert ist, muss er im Winter vor Frost und im Sommer vor Überhitzung geschützt werden. Diese Schutzmassnahmen werden zur Sicherheit zweifach (elektronisch und mechanisch) ausgeführt. Wird der Speicher zu kalt (weniger als 4°C) oder zu warm (heißer als 90°C) wird Wasser aus dem Speicher abgelassen und durch frisches Leitungswasser mit ca. 10°C ersetzt. Weiters wird über ein Thermostatventil die Anlage zur Nachheizung vor Überhitzung und die Rohrleitungen im Haus vor Frost geschützt. Simulationen habe gezeigt, dass bei normaler Benützung die Menge des abgeleiteten Wassers unter 100 Litern pro Jahr liegt.

Installation

Gebäude mit einem Flachdach sind prädestiniert für den Einsatz von ICS Kollektoren. Häufig haben diese keinen Platz für einen Speicher innerhalb des Gebäudes. Durch das Gewicht der Anlage (220 kg befüllt, 70 kg unbefüllt) ist keine weitere Fixierung oder Beschwerung notwendig. Bei Mehrfamilienhäusern oder Reihenhäusern können mehrere Anlagen parallel installiert werden.

Entwicklung und Markteinführung

Vor 15 Jahren wurde in den Niederlanden mit der Arbeit am ICS Kollektor begonnen, erste Prototypen wurden 1996 gebaut und montiert. Ein Prototyp wurde am TNO Institut in den Niederlanden der DST-Testprozedur (Dynamischer Systemtest) unterzogen. Der jährliche Ertrag der gestesteten Anlage betrug 3,1 GJ bei einer Einstrahlung von 1.100 kWh/m² und einem täglichen Warmwasserbedarf von 110 Liter.
Bei Econcern wurde das System überarbeitet und das äußere Erscheinungsbild verbessert. Die Anlage wird nun an acht Standorten in den Niederlanden und an zwei Standorten in Spanien getestet. Das Projekt wird aus dem EOS-DEMO Programm in den Niederlanden und aus dem NEGST Projekt der EU unterstützt.
Derzeit wird die industrielle Produktion der Anlage vorbereitet. Im Sommer 2006 soll der neue ICS Kollektor am Markt eingeführt werden. Die industriell gefertigten ICS Kollektoren sollen ebenfalls der DST-Testprozedur unterzogen werden. Es werden voraussichtlich Erträge von ca. 3 GJ/a (830 kWh/a) in den Niederlanden und 5 bis 6 GJ/a (1400 bis 1700 kWh/a) in südlichen Ländern erwartet.
Das Ziel ist es einen Warmwasserbedarf von 100 bis 120 Litern pro Tag abzudecken. Dies entspricht dem Warmwasserbedarf eines Vierpersonenhaushalts.

Abbildung 2: Längsschnitt durch den ICS-Kollektor

*)Maritin Koper ist der kaufmännische Leiter für die Markteinführung des ICS Kollektors und verfügt über mehrjährige Erfahrung im HVAC Bereich, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Anton Schaap ist der technische Entwickler des ICS. Er arbeitet seit 20 Jahren im Bereich der thermischen Solarenergienutzung
Iwan van Bochove ist verantwortlich für das industrielle Design des ICS. [^]