Auf den drei Mehrfamilienhäusern in Scuol wird die Auskühlung von Erdsonden analysiert: Bei ersten wird nicht regeneriert, beim zweiten kommen Hypridmodule zum Einsatz, beim dritten Photovoltaikmodule und Flachkollektoren. ©Bild: SPF

Die Wärmeabgabe der Kollektoren an den Eisspeicher in Rapperswil betrug 22 MWh, der Wärmebezug 18 kWh, die Verluste ans Erdreich betrugen 17 %. Die bis heute erzielte Jahresarbeitszahl des Systems beträgt 5.2, die der Wärmepumpe 4.0. ©Bild: SPF

Für die Zertifizierung der Module und Kollektoren wird eine Lebensdauer von rund 30 Jahren bei wechselnden Schneelasten simuliert. Die Grafik zeigt den Aufbau des Teststandes. ©Bild: SPF

Das simulierte Testfeld betrug 250 mal 250 Meter, auf denen die Erdsonden in einem 20-Meter-Abstand auf 200 Meter abgetäuft wurden. ©Bild: SPF

SPF-Industrietag 2015: Von Einzelkomponenten zu Systemen

(©AN/SPF) „Wir müssen uns am SPF in allen Energiebereichen auskennen, nicht nur mit Solarthermie, denn heute und in Zukunft geht es darum, aus verschiedenen Technologien effiziente Systeme zusammenzubauen“, erklärte Prof. Matthias Rommel, Institutsleiter am SPF in Rapperswil, zu Beginn des Industrietags vom 4. März 2015, der einen Überblick über die aktuellen Projekte des SPF ermöglichte.


Rommel erklärte, dass das SPF zum Ziel habe, seinen Beitrag zur Energiestrategie 2050 zu leisten: „Dabei ist uns die Industrie als Auftragsgeber ein wichtiger Entwicklungspartner.“ Rund 150 Vertreter aus Industrie und Forschung verfolgten die Referate über die aktuellen Projekte.

Thermie
versus Photovoltaik
„Wir im BFE sind mitten im Spannungsfeld zwischen Photovoltaik und Solarthermie“, erklärte Andreas Eckmanns, Bereichsleiter Solarwärme beim Bundesamt für Energie (BFE). Eckmanns stellte die in der letzten Februarwoche erschienene Studie „Solarwärme und Photovoltaik - ein Technologievergleich“ vor (siehe ee-news.ch vom 4.2.15 >>). Die Studie, an der auch das SPF mitgewirkt hat, vergleicht Warmwasser-Systeme im Einfamilienhaus. Es wurde bewusst ein volkswirtschaftlicher Ansatz gewählt für den Vergleich, d.h. bei den Kosten wurden allfällige Subventionen nicht mit eingerechnet, und bei der Photovoltaik wurde die KEV nicht mitgerechnet. Die Studie zeigt auf, dass die Kombination Photovoltaik und Luft-Wasser Wärmepumpe, sowohl was den Einsatz nicht erneuerbarer Energien betrifft als auch in Bezug auf die Kosten, der Kombination Solarwärme und Gasboiler ebenbürtig ist. Je nach Variante liegt die Photovoltaik-Variante sogar leicht im Vorteil, was die Kosten betrifft. Dies vor allem auf Grund der grossen Kostenreduktion in den letzten Jahren. Dadurch wird klar, dass die Solarwärme heute von der Photovoltaik konkurrenziert wird, und entsprechend unter Kostendruck steht. Eckmanns macht jedoch auch klar, dass die Solarwärme nach wie vor wichtiger Bestandteil der Energiestrategie 2050 des Bundes sei, und auch bei einigen Kantonen strategisch im Vordergrund stehe: „So müssen im Kanton Basel-Landschaft und Basel Stadt heute im Neubau 50 % des Warmwassers mit erneuerbaren Energien aufbereitet werden.“ Die Solarthermie passe hier bestens ins Bild. Zudem erwähnt er auch die unbestrittenen Vorteile der Solarwärme: "Sie macht keinen Lärm, es sind keine Erdbohrungen nötig, sie liefert praktisch gratis Energie, wenn die Sonne scheint, sie belastet das Netz nicht, und es kommen vorwiegend Schweizer Qualitätsprodukte zum Einsatz.“

Eine Bevorzugung der oder zusätzliche Fördermassnahmen für die Solarwärme von Seiten Bundesbern – so Eckmanns – kann jedoch auch für die nächsten Jahre nicht erwartet werden, da man prinzipiell keine Technologie gegenüber der anderen bevorzugen möchte. Dies geht aus einem kürzlich publizierten Berichts des Bundesrats "Solarwärme und Photovoltaik – ein Technologievergleich" hervor. Michel Haller, Leiter SPF Forschung, wie auch andere Teilnehmer stellen jedoch die Frage, ob dieser Grundsatz denn nicht bereits heute verletzt werde: „Solarstrom wird kostendeckend im ganzen Land durch die KEV gefördert, so dass auch noch ein kleiner Gewinn für den Investor rausspringt, bei der Thermie ist die Förderung in einigen Kantonen gar nicht vorhanden, und in den meisten gerade knapp nicht kostendeckend. Die Förderspiesse sind doch somit ganz klar ungleich lang!“ Urs Wolfer, ehemaliger Bereichsleiter Solarenergie am BFE, selber Solarthermie- und Photovoltaikanlagebesitzer, kritisiert, dass Solarwärmeanlagen oft mit dem Argument verkauft würden, dass sie sich finanziell auszahlen würden. Ein Versprechen, dass dann oft nicht gehalten werden kann. Er plädierte für mehr Ehrlichkeit in der Branche. „Die angeregten Diskussionen zeigen, dass das Thema Warmwasseraufbereitung wieder interessant ist. Das Interesse an neuen Entwicklungen ist wieder gross“, schloss Matthias Rommel das Thema Thermie versus Photovoltaik.

Endlich Kennzahlen für die Speicherschichtung!
„Seit über 30 Jahren wissen wir, wie wichtig die Temperaturschichtung im Solarspeicher ist, aber bis heute gab es keine Testmethode oder Kennzahl, die aufzeigt, welche Wärmespeicher aufgrund ihrer Schichtung die besten sind“, erklärten Michel Haller und Robert Haberl einleitend zu ihrem Referat. Eine solche Testmethode und eine darauf basierende Kennzahl haben die Forscher des SPF im Projekt StorEx entwickelt, und erstmalig an sechs Kombispeichern angewendet. Bei Heizöl und Erdgas als Wärmelieferant habe die Schichtung wenig Einfluss auf den Endenergiebedarf, aber bei LowExergy-Systemen wie Solarwärme, Wärmepumpen und Wärmerückgewinnung sind die Auswirkungen mangelhafter Schichtung dramatisch. Am SPF wurden deshalb sechs 800 und 900 Liter-Speicher je dreimal mit unterschiedlichen Randbedingungen bezüglich Warmwasser-Zeitfenster und Durchfluss – respektive Leistung der angebundenen Wärmepumpe – getestet. „Die Ergebnisse zeigen, dass die Schichtungseffizienz eine noch grössere Rolle spielt für den Endenergiebedarf als die Wärmeverluste.“ Die unterschiedlichen Resultate der Tests mit einer Spannweite von ca. 12 – 16 kWh Endenergiebedarf für das Abdecken derselben Wärmelast konnten letztendlich auf unterschiedliche Schichtungseffizienz zurückgeführt werden. Eine Korrelation mit den gemessenen Wärmeverlusten liess sich jedoch nicht nachweisen. „Das Beispiel zeigt, wie ähnlich die Themen bei den verschiedenen Technologien sind: Auch in der Photovoltaik wird die Speicherung immer wichtiger!“ erinnerte Matthias Rommel.

Abhilfe gegen Auskühlung von Erdwärmesonden
Erdwärmesonden sind immer beliebter. Dass Erdsondenfelder im Gegensatz zu Einzelsonden im Sommer regeneriert werden müssen, um einer Langzeitauskühlung (nach aktueller SIA-Norm 50 Jahre) und in der Folge Frostschäden zu vermeiden, ist schon seit längerem bekannt. Die Stadt Zürich hat bereits vor einiger Zeit eine Studie publiziert, welche darauf hinweist, dass auch bei vielen Einzelsonden in dicht überbauter Nachbarschaft ein ähnliches Problem entstehen könnte, und dass auch in diesem Falle in Zukunft wohl die gegenseitige Beeinflussung und eine längerfristige Auskühlung des Erdreichs berücksichtigt werden müssten. Das SPF simulierte in einer Nachfolgestudie die grossflächige Beeinflussung durch Nachbarsonden und verschiedene Varianten zur Einhaltung des SIA-Kriteriums von frostfreiem Betrieb über 50 Jahre. Die Regeneration der Erdwärmesonden erfolgte dabei mit Geocooling, über einen Luftwärmetauscher, mit zwei Typen unverglaster Kollektoren (selektiv und nicht selektiv), verglasten Kollektoren und mit PVT-Modulen. „Zudem haben wir eine Verlängerung der Erdsonden zur Einhaltung der SIA-Norm auch unter Berücksichtigung der Nachbarn angeschaut“, erklärte Florian Ruesch.

Das simulierte Testfeld betrug 250 mal 250 Meter, auf denen die Erdsonden in einem 20-Meter-Abstand auf 200 Meter abgetäuft wurden. Denn es gibt einerseits bereits heute Standorte mit dieser Dichte und andererseits gehen die Behörden des Kantons Zürich davon aus, dass 2050 eine vergleichbare Situation an vielen Standorten zu erwarten ist.

Simuliert wurden die einzelnen Lösungen anhand eines Mehrfamilienhauses mit 12 Wohnungen, saniert nach Minergie. „Die Verdoppelung der Erdsondenlänge ist eine der teuersten und am wenigsten nachhaltigen Varianten zur Einhaltung des SIA-Kriteriums“, erklärte Florian Ruesch die Resultate. Denn die genutzte Energie ist fast ausschliesslich gespeicherte Solarenergie, der Anteil an Geothermiewärme ist gering. Über Geocooling konnte beim simulierten Objekt auf Grund des geringen Kühlbedarfs und der kleinen Temperaturdifferenzen gegenüber dem Erdreich nur geringfügig regeneriert werden. Die Variante Luftwärmetauscher vermochte zwar im ersten Jahr nicht einmal die Hälfte des Wärmeentzugs aus der Erde durch Regeneration zu kompensieren. Auf Grund der über die Jahre fortschreitenden Auskühlung jedoch nahm der Regenerationsanteil bis im Jahr 50 deutlich zu, so dass fast schon ein stabiles neues Gleichgewicht gefunden werden konnte und diese Variante letztendlich von den Kosten her am besten abschnitt. Bei den Varianten Luft-Wärmetauscher und unverglaste Kollektoren stiegen die ermittelten Kosten pro kWh Nutzwärme-Lieferung im Vergleich zu einem Objekt, das nicht regeneriert werden muss (also keine Nachbarn hat) von 19 Rp auf 21 Rp. Im Gegensatz dazu wurden für längere Sonden oder andere Solarwärme-Varianten zur Regeneration Kosten von 22 – 23 Rp/kWh ermittelt. Eine vollständige Regeneration konnte jedoch nur mit grösseren Flächen von verglasten oder unverglast-selektiven Kollektoren und für einen leicht höheren Preis erreicht werden.

Regeneration von Erdwärmesonden in der Praxis
In einem Forschungsprojekt untersucht das SPF den Einfluss der Regeneration sowohl auf die Erdwärmesonde als auch auf den Photovoltaikertrag von Hypridmodulen von Meyer Burger. So wird die Anlage im Oberfeld in Obermundigen, die sich auf einem Minergie-P-Eco Mehrfamilienhaus befindet, seit vergangenem Winter gemessen. Neben der Regeneration der Erdwärme gilt es auch, den thermischen Solarertrag und den Ertrag der Photovoltaik der Hybridmodule im Sommerhalbjahr zu messen. Diese werden dann gekühlt, weil die Wärme in die Erdwärmesonden abgeführt wird. Meyer Burger geht von einem Mehrertrag der Photovoltaik von insgesamt 10 % pro Jahr aus.

Ein weiteres Projekt wird auf den drei Mehrfamilienhäusern Sotchà in Scuol realisiert, die sich noch im Bau befinden. Eines der Hausdächer wird mit Photovoltaik ausgerüstet und die Erdsonde wird nicht regeneriert. Beim zweiten kommen die Hypridmodule von Meyer Burger zum Einsatz, beim dritten Photovoltaikmodule und Flachkollektoren nebeneinander. In den beiden letztgenannten Fällen soll die Erdwärmesonde regeneriert werden.

Schneelastzertifikate für PV und Thermie
Seit etwas mehr als einem Jahr werden am SPF Sonnenkollektoren und PV-Module für den Einsatz bei hohen Schneelasten zertifiziert. Das Zertifikat wird zusammen mit der Vereinigung der kantonalen Feuerversicherungen (vkf), also dem Dachverband der Gebäudeversicherungen, vergeben. Das Verfahren wurde entwickelt, weil die normierten Prüfverfahren bei weitem nicht ausreichend sind für die Schneelasten, wie sie in den verschiedenen Regionen der Schweiz auftreten können. Wie Dr. Andreas Bohren, Leiter SPF Testing, erklärte, ist hier noch viel Arbeit zu leisten: „Die von den Normen vorgeschriebenen Schneelasten von 100 Kilogramm pro Quadratmeter sind schlicht viel zu tief angesetzt. In den Bergen oder bei Nassschnee in den Voralpen kann die Schneelast auch mal um den Faktor zehn höher sein!“. Mit dem neuen SPF-Prüfstand können diese Lasten geprüft werden. Für die Zertifizierung wird eine Lebensdauer von rund 30 Jahren bei wechselnden Schneelasten simuliert. Bis jetzt konnte allerdings erst ein einziges Zertifikat vergeben werden. Dies für ein Produkt der Firma Alectron AG das speziell für Anlagen in schneereichen Gebieten entwickelt wurde. Ein weiterer Produzent wird in den nächsten Tagen die Zertifizierung erhalten. Wie Bohren erklärte, ist die geringe Zahl bis jetzt zertifizierter Produkte nicht Ausdruck der fehlenden Nachfrage, sondern Ausdruck der mangelnden Qualität vieler Produkte betreffend Schneelast.

Blendung besser definieren
Der Zürichsee, die Parkbank, ein Auto, ein Gewächshaus, Andreas Bohren zeigte am Morgen eindrücklich Bilder zu Blendeffekten, die praktisch überall beobachtet werden können. Und natürlich können auch Photovoltaik- und Thermiemodule blenden. „Leider gibt es in der Schweiz keine Definition der einzuhaltenden Immissionswerte, obwohl im Umweltschutzgesetz „lästige Einwirkungen“ und auch "Strahlung" erwähnt werden. Dies führt dazu, dass, wenn Anlagen blenden, die Einzelfälle immer wieder vor Gericht landen. In einem deutschen Bundesland wurden unlängst klare Grenzwerte definiert: Wenn eine Anlage an mindestens 30 Minuten pro Tag und 30 Stunden im Jahr in weniger Distanz als 100 Meter blendet, dann gilt das als störend. Am besten wäre es aber, erklärte Andreas Bohren, wenn bereits beim Bauen an die Blendung gedacht würde: „Denn im Nachhinein sind Anpassungen immer kostspielig!“

Blendung ist nicht gleich Blendung
Die Blendeffekte von glattem Glas, strukturiertem Glas und anderen Materialien der Gebäudehülle werden am SPF auch untersucht. Gemessen wird die Leuchtdichteverteilung in einer sogenannten Imaging Sphere, eine Halbkugel, auf deren Innenseite das vom Objekt reflektierte Licht abgebildet wird. Die Bilder und Erklärungen, die Stefan Brunold, stellvertretender Institutsleiter SPF, von den Tests zeigte und lieferte, führten den Tagungsteilnehmenden einfach vor Augen, dass praktisch jede Fläche Licht reflektiert. Auch das in den Baureglementen oft gewünschte reflexionsarme Glas. Die meisten denken da an strukturiertes Glas, das aber vom Betrachter aus gesehen als ganze Fläche über einen längeren Zeitraum Licht reflektiert als ein glattes Kollektorglas, sogenanntes Floatglas. Hier fällt die Blendung dagegen kurz, aber intensiver aus. Was ein reflexionsarmes Glas ist, sei leider bis heute nirgends definiert.

Photovoltaik vermehrt im Fokus am SPF
Nach der Mittagspause und der Technical Tour durchs SPF erklärte Christof Biba, der am SPF neu für die Systemtechnik Photovoltaik zuständig ist, warum Forschung, Entwicklungen und Dienstleistungen im Bereich Photovoltaik am SPF ausgebaut werden. Für das Forschungs- und Testinstitut, das im Bereich Solarenergie nahe am Markt arbeitet, stand lange fast ausschliesslich die Solarwärme im Fokus. Erst mit den Preissenkungen bei der Photovoltaik habe diese vor wenigen Jahren den Punkt erreicht, an dem diese auch ohne staatliche Förderung als marktfähig im grossen Stil bezeichnet werden kann. Aus diesem Grund steht sie inzwischen beim SPF ebenso auf der Agenda wie die Solarwärme. Die Systemtechnik werde dabei immer wichtiger, auch durch die Verschmelzung der Photovoltaik zum Beispiel mit der Mobilität, aber auch durch Wärmepumpen kombiniert mit Photovoltaik. Er rechnete vor, dass er in der Schweiz für 2020 von einem Anteil der Photovoltaik an der Stromerzeugung von 4 % ausgehe, was dann ganz neue Auswirkungen auf die Systemintegration habe. Christof Biba sieht am SPF viele Synergien mit der Thermie, auch punkto Ausrüstung, die am SPF bereits vorhanden ist.

Sommerwärme für den Winter speichern
Die Lösung vieler unserer Energieprobleme würde gemäss Matthias Rommel ein Durchbruch bei der Langzeitspeicherung von Wärme bringen. Das SPF forscht hierzu an der thermochemischen Speicherung mit einem Absorptionsprozess mit Natronlauge, weil hier hohe Energiedichten und geringe Verluste erreicht werden können. Vor allem in abgelegenen Gebieten könnte mit dieser Absorptionsspeicher-Technologie die Sommerwärme für den Winter gespeichert werden. Das Referat „Langzeitspeicherung und Industrielle Prozesswärme“ von Paul Gantenbein präsentierte den Stand der Forschung bei diesem und weiteren Projekten im Bereich Langzeitspeicherung und industrielle Prozesswärme, in welchen das SPF auch als Teil der SCCER (Swiss Competence Center for Energy Research) beteiligt ist.

Eisspeicher für Solarwärme
Erste Resultate des 2012 gebauten Eisspeichers in Rapperswil präsentierte Daniel Philippen (siehe auch ee-news.ch vom 6.11.13). Im Herbst 2012 begannen die Bauarbeiten für den Eisspeicher eines Kindergartens in Rapperswil-Jona. Die Stadt stellte das Gebäude des Kindergartens Säntisstrasse zur Verfügung. Die Eisspeicher-Anlage ersetzte eine alte Gasheizung, die Vorlauftemperatur beträgt hier bis zu 48 °C. Der 75’000 Liter fassende Eisspeicher wurde ins Erdreich eingelassen und mit 60 cm Erde bedeckt. Zum Schutz der Pflanzen wurde der Speicher oben zusätzlich isoliert – aber nur dort. Die Wärmeverluste sind deswegen im Sommer zwar gross, wenn sich das Speicherwasser auf bis zu 55 Grad erwärmt. Die Wärmezu- und -abfuhr erfolgt über Wärmeüberträger, die von Sole durchflossen werden, die Wärme vom Dach einträgt und später an die Wärmepumpe weitergibt. Das Solewasser ist wichtig, weil die Sole auch bei Temperaturen unter 0°C flüssig bleibt. Entzieht man dem Eisspeicher Wärme mit Soletemperaturen unter 0 °C, vereist das Wasser im Speicher. Auf diese Weise wird die beim Phasenwechsel von flüssig zu fest frei werdende Wärme des Wassers genutzt. Erste Ergebnisse sind erfolgversprechend: Die Wärmeabgabe an den Eisspeicher betrug 22 MWh, der Wärmebezug 18 kWh, die Verluste ans Erdreich betrugen 17 %. Die bis heute erzielte Jahresarbeitszahl des Systems beträgt 5.2, die der Wärmepumpe 4.0.

©Text: Anita Niederhäusern in Zusammenarbeit mit dem SPF

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