Warum gibt es bei Solarthermiekollektoren keine Nennleistung?

Muskelkraft als Sinnbild für Heizlast oder Heizleistung

Es ist schon etwas unfair. Als Nichttechnikerin und bis vor einigen Jahren keine Ahnung über kWh und kW habend bin ich es nun endlich gewohnt die Anlagenleistungen der verschiedenen Energieträger einordnen zu können. Ich weiß zB. dass ein 275 Watt Photovoltaikmodul schon recht hoch ist, weil meine eigene Anlagen mit solchen Modulen ausgestattet ist.

Wie “stark” ist mein Kollektor denn nun?

Nun beschäftige ich mich seit über zwei Jahren mit Solarthermie und muss mich nach wie vor ärgern, dass es diese Nennleistung bei einzelnen Solarthermiekollektoren nicht gibt. Wie sollen die Menschen verstehen wie “stark” ein Kollektor ist, wenn sich die Antwort auf diese Frage ausschließlich in diesen komischen Kollektorkennlinen versteckt? Ein Auto hat ja auch einfach nur 190 PS und keine Kennline und jeder weiß, dass das ein starkes Gefährt ist. Ok das war jetzt vielleicht etwas zu plakativ und ärgern ist vielleicht das falsche Wort, aber ich orte in diesem Umstand einen der vielen Gründe, warum die Solarthermie noch ein Schattendasein führt. Leute, das ist eine tolle Technologie, also zeigt es bitte auch so, dass es normale Menschen auch verstehen! Da ich mit Problemen auch gerne Lösungen präsentiere, versuche ich mich dem Thema mal anzunähern und vielleicht sowas wie eine Standardtestbedingung (STC) für Solarthermiekollektoren zu diskutieren.

Standardtestbedingungen für Kollektoren

Bei meinen Gesprächen darüber, warum es bei der Solarthermie so schwierig ist eine Nennleistung unter Standardtestbedingungen wie zB. bei Photovoltaik wo 1000Watt/m2 Einstrahlung und 25° Zelltemperatur angenommen werden sind bei der Solarthermie vor allem deshalb so schwierig weil die Außentemperatur und eben die Temperaturdifferenz zwischen dem Kollektor und der gewünschten Temperatur eine so riesige Rolle spielen. So ziemlich jeder Kollektor schafft nämlich einen Temperaturunterschied von 20° herzustellen, wenn es im Winter aber 0 Grad draußen hat, würde ich fürs duschen doch gern mehr als 20 Grad aus dem Kollektor bekommen, deshalb sind vor allem die Werte jenseits der 40° Temperaturdifferenz entscheidend.

Ausflug Kelvin vs. Celsius

Ich spreche gerade dauernd von Temperaturdifferenz, deshalb hier ein kleiner Ausflug.

Exemplarische Kollektorkennlinien für Vakuumröhrenkollektoren und Flachkollektoren bei Einstrahlungswerten von 800 W/m² und 400 W/m²

Temperaturdifferenzen werden immer in Kelvin angegeben, was nicht wirklich zur leichteren Verständlichkeit der Solarthermietechnologie führt. Auch die Angabe der Aperturfläche verstehen viele nicht. Deshalb wird in weiterer Folge in Grad und Bruttokollektorfläche gesprochen.

Bei diesen komischen Kollektorkennlinen sieht man unten oft diese böse Wort Kelvin, bei dem es zumindest mir die Haare aufstellt und das Hirn auf “Bäh – kompliziert” umschaltet. War ich damit alleine oder geht das sonst noch wem so? Nun weiß ich aber natürlich mittlerweile, dass das alles gar nicht so kompliziert ist, denn früher hieß Kelvin ganz normal Grad und irgendjemand hat sich 1967 eingebildet, dass Temperaturdifferenzen ab jetzt nicht mehr in Grad sondern in Kelvin angegeben werden müssen. Auch wenn der Unterschied zwischen zwei Celsius- Graden derselbe ist wie zwischen zwei Kelvin-Graden. Die Rebellin in mir schreit jetzt ganz laut, dass ich ab jetzt nur mehr das Wort Grad verwenden werde und dieser Kelvin mir gestohlen bleiben kann. Vielleicht überlegen sich das die Normungsinstitute ja ohnehin wieder, wenns vor 1967 auch ok war (Ja, es gibt sicher irgendeinen ganz wichtigen Grund warum das damals so entschieden wurde…).

Die Temperaturdifferenzen sind Schuld an der Misere

Soweit so kompliziert. Nun wissen wir zumindest mal, warum die Nennleistung so schwer zu bestimmen ist. Wie stark der Kollektor ist, hängt vor allem davon ab, wie und wo er eingesetzt wird. Ein Schwimmbad zu erwärmen und 10-20° Temperaturunterschied herzustellen schafft schnell mal ein Kollektor, aber bei niedrigen Temperaturen noch Temperaturdifferenzen von 50° und mehr herzustellen, ist dann schon eine andere Herausforderung und es ist wichtig, dass die Kurve eben nicht so schnell abflacht.

Parameter Nr. 1 für Nennleistung Solarthermie: 50°

Nachdem wir ja sowas wie Standardtestbedingungen bestimmen wollen und die möglichen Temperaturdifferenzen zwischen 0 und 200 ° liegen, nehme ich für die Standardtestbedingung den Temperaturunterschied von 50° an. Bei der Photovoltaik geht man übrigens von einer Außentemperatur von 25° aus, das eine hat mit dem anderen zwar nur wenig zu tun, aber auch dort spielt Temperatur eine Rolle.

Parameter Nr. 2 für Nennleistung Solarthermie: 1000 W/m2

Dieser Punkt scheint noch am einfachsten zu definieren sein, in vielen Publikationen sieht man Kollektorkennlinien sowohl für 400 W/m2 also auch für 800 W/m2 um die Vergleichgbarkeit mit der PV beizubehalten nehme ich für dieses Beispiel aber 1000 W/m2.  Langfristig könnte man einen 400er und einen 800er Wert standardisiert einführen.

We proudly present “Nenn”leistung des Aqua Plasma

Soo, wenn erstmal diese Punkte fixiert sind, ist es relativ einfach aus unseren wunderschönen Kollektorkennlinien auch die Nennleistung abzulesen. Da ich bei der Solar Keymark Beschreibung der Ertragswerte auch den Aqua Plasma verwendet hab, setze ich das hier fort, damit dann irgendwann ein gutes Gesamtbild entsteht.

Kollektorkennlinien Solarthermie und Photovoltaik im Vergleich

Umrechnung der Kollektorkennlinie in eine Nennleistung bei 1000 W/m2 und 50° Termperaturunterschied. Bei 1000 W/m2 liegt der Wert an diesem Punkt bei 600 W/m2 Bruttokollektorfläche und entspricht bei einem Kollektor mit 1,7 m2 Fläche 1020 W/m2

600 Watt Leistung bei 50° Temperaturunterschied je m2 = “Nenn”leistung Die rote Linie zeigt den plasmabeschichteten Röhrenkollektor bei 1000 W/m2. Links sieht man die erreichte Leistung je Quadratmater und unten die Temperaturdifferenz in Grad. Ich würde mir hier übrigens wünschen, dass es auch Diagramme mit Außentemperaturen auf der X-Achse gäbe. Normale Menschen könnten da viel mehr damit anfangen und man könnte auch klar sehen, dass es durchaus möglich ist bei kalten Außentemperaturen warmes Wasser mit der Sonnenheizung zu erzeugen. Der Hausverstand sagt einem da nämlich etwas ganz anderes und da die meisten von uns keine Physiker sind, wäre das echt hilfreich. Wichtig ist auch noch darauf hinzuweisen, dass diese Werte pro Quadratmeter Bruttokollektorfläche gelten. Man muss also schnell nochmal ins Datenblatt schauen und sieht dann, dass der kleinste Kollektor 1,7 m2 Bruttokollektorfläche hat. Der ist also fast so groß wie ein 270 Watt PV-Modul. Damit wir uns das dann im Vergleich etwas besser vorstellen können, nehme ich diesen Kollektor und multipliziere die Watt/m2. Und schon haben wir unsere fiktive Nennleistung des Aqua Plasma bei 1000 W/m2 Einstrahlung! 600*1,7=1020 Watt

1020 Watt t(p)eak auf einem 1,7 m2 großen Kollektor! Quasi ein 1000 Watt Kollektor!!

Wow, und das alles in nur einem Kollektor mit gerade mal 1,7 Quadratmeter groß ist, also genausogroß wie ein PV-Modul. Ich weiß, dass man Photovoltaik und Solarthermie nicht so einfach vergleichen kann, man hört auch immer das die Flächeneffizienz so viel größer ist, aber in dieser Sprache verstehen es auch die Photovoltaiker unter uns, die mit Solarthermie noch nie was am Hut hatten. Photovoltaik Modul 250 Wp – Gleich großer Thermiekollektor 1020 Wt Das teak ist jetzt nur eine erste Wortkreation. Mit diesem Wert UND der Kollektorkennlinie kann man aber viel mehr damit anfangen finde ich! Man sieht in der Grafik auch schön, dass bei der PV die Temperatur für die Nennleistung eben keinen Unterschied macht. Natürlich sagt dies noch nichts über den Ertrag aus, deshalb hier der Vollständigkeit halber auch noch die entscheidenden Erträge, die sich ebenfalls sehen lassen können. Hier kommt es wie auch bei der PV dann darauf an, wo der Kollektor im Einsatz ist.

  • Ertrag Athen: 1660 kWh
  • Ertrag Davos: 1550 kWh
  • Ertrag Würzburg: 1100 kWh
  • Ertrag Stockholm: 1000 kWh

Was meint ihr? Vollkommen blöde Herangehensweise? Irgendwo ein Denkfehler? Welche Parameter sollten eurer Meinung nach für die Standardtestbedingungen herangezogen werden und findet ihr auch, dass diese tollen Pferdestärken auch bei der Solarthermie sichtbarer gemacht werden sollten indem die einzelnen Kollektoren Nennleistungen haben? Bilder: TiteL. inkje / photocase.com, Kennlinie: Dr. Rolf Meissner, Ritter XL Solar

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17 Kommentare zu “Warum gibt es bei Solarthermiekollektoren keine Nennleistung?”

  1. Kurt Krautgartner

    Zum direkten Vergleich der Kollektoren untereinander kann ein Leistungswert bei Standardbedingungen schon hilfreich sein. Welche Bedingungen das genau sind, sehe ich nicht so kritisch, weil sie mit dem Ertrag in der Praxis ohnehin wenig zu tun haben.

    Dass thermische Kollektoren viermal so leistungsfähig sind wie PV ist ja an sich klar, wenn man sich den Ertag anschaut, 400 vs. 100 kWh/m². Aber das scheint wenigen so bewusst zu sein.
    Und dann ist offenbar selbst erzeugter Strom mehr als viermal so geil wie selbst erzeugtes Warmwasser 😉

    1. Cornelia Daniel-Gruber

      lol, du sagst es. Dieses 4 Mal so viel geht bei vielen glaub ich bei einem Ohr rein und beim anderen wieder raus. Wenn man dann aber einen 1000 Watt Kollektor vs. ein 250 Watt Modul vor sich hat, ist das viel anschaulicher finde ich, wobei natürlich jedes davon seine Berechtigung hat. Und zum Vergleich untereinander wäre es eben schon sehr praktisch sowas zu haben. Ich versteh auch nicht, warum noch niemand einfach auch eine Watt-Zahl für die Kollektoren verwendet auch wenn es keine genormten Bedingungen gibt. Sobald man erklärt unter welchen Umständen der Wert zustande kommt, ist ja alles in Ordnung und ja, natürlich sind bei der Planung dann natürlich die realen Bedingungen relevant und nicht die aus dem Labor.

  2. Sebastian

    Hallo Frau Daniel-Gruber,

    “bei Photovoltaik geht man übrigens von einer Außentemperatur von 25° aus”
    Wenn Sie damit auf die STC (standard test conditions) anspielen ist dies nicht richtig, hier wird die Zelltemperatur auf 25°C gehalten um die Peakleistung der Module standarisiert zu ermitteln.
    Übrigens die Temperatur spielt hier auch eine Rolle jedoch bedeutend geringer, dies ist im Datenblatt über den Temperaturkoeffizienten einsehbar. Je wärmer, die Zelle, desto geringer die Ausgangsleistung.
    MfG

    Sebastian

    1. Cornelia Daniel-Gruber

      Danke für den Hinweis. Ja, es geht um die STC. Ich dachte immer es geht da um die Außentemperatur und natürlich spielt die Temperatur eine Rolle und die Leistung geht bei hohen Temperaturen zurück, aber eben nicht annähernd eine so große wie der Temperaturunterschied bei der Thermie. Leider verstehen dieses Thema sehr viele Leute nicht, deshalb hab ich versucht hier etwas Licht ins Dunkel zu bringen.

  3. ich

    Die Nennleistung ist aber in Wirklichkeit total egal.
    Wichtig wäre eine Solarberechnung die den Bedarf, die benötigten Temperaturen, die Speichergröße, Ausrichtung, Ort der Anlage und die Anlagenkennwerte berücksichtigt.
    Es ist komplizierter aber so ist Solarthermie numal.
    Die Hohe Leistung kann sich als so sinnvoll entpuppen wie ein Formel 1 Wagen in der 30er Zone.

    1. Sabine E. Rädisch Post Author

      Klar kommt es letztlich auf die individuelle Auslegung der Anlage an. Das IST eine komplexe Aufgabe, die bei den Solarteuren die Spreu vom Weizen scheidet. Der Kollektor allein entscheidet nicht über den Erfolg der Anlage, leistet aber einen nicht unwesentlichen Beitrag. Im Artikel kommt auch raus, dass der Kollektorertrag von verschiedenen Randbedingungen abhängig ist.

      Trotzdem sind, um beim Autovergleich zu bleiben, auch ein paar (vereinfachte) technische Angaben für die Entscheidung hilfreich. Zum Beispiel bei den angegebenen Spritverbrauchswerten ist jedem und jeder Autokäufeirn klar, dass der tatsächliche Verbrauch vom eigenen Fahrverhalten abhängt.

  4. Hermann

    Der Vergleichsansatz macht durchaus Sinn, da die Leistung/Arbeit dsmit etwas griffiger wird. Doch wenn man von einem Faktor 4 zugunsten Thermie ausgeht, könnte man dies mit einer Wärmepumpe mit Leistungszahl 4 wieder wettmachen.
    Vorteil: Ein System für Strom, Wärme und Mobilität.

    1. Sabine E. Rädisch Post Author

      Hallo Hermann, danke für den Beitrag. Was meinen Sie mit “Faktor 4 zugunsten der Thermie”? Richtig ist, dass ein Solarkollektor bei gleicher Sonneneinstrahlung 4 – 5 mal so viel Energie (Wärme) liefert wie die Photovoltaik (Strom). Und wie meinen Sie das mit dem “einen System”?

  5. Markus

    @Sabine E. Rädisch:
    Hermann meint mit “ein System” wohl Photovoltaik.
    Mit einer Wärmepumpe hat man dann die selbe Wärmeleistung (natürlich nur bei nicht so hohen Zieltemperaturen!).
    Ganzjährig betrachtet bringt wohl Solarthermie mit großem Puffer und entsprechend hohen Temperaturen mehr.
    Aber bei Wärmepumpen wird der COP in den nächsten Jahren hoffentlich noch weiter steigen.

  6. Hermann

    @Markus und Sabine: Die ideale Heizung wird aus meiner Sicht in Zukunft die Wärmestrahlungsheizung sein. Den Strom dazu gewinnen wir ohne Stoffeinsatz und bewegliche Teile aus Sonne und zukünftig aus Licht (künstliche Photosynthese). Speichern diesen dann im Baukörper und/oder “veredeln” ihn heute über die Wärmepumpe (Faktor 3-4, COP). Es sollte IMMER dabei der Gedsnke eines möglichst einfachen Gesamtsystems verfolgt werden. Denn Hauptproblem ist das oft mangelnde Verständnis von Fachbetrieben über das Zusammenspiel von versch. Systemen. Dazu kommen die steigenden Investitions- und Wartungskosten.
    Heizen mit Sonnenstrom bleibt mein Favorit, die kWh zu 5cent ein Ziel 😉

    1. Sabine E. Rädisch Post Author

      Hier vielleicht noch zur Ergänzung: Die COP (Coefficient of performance – Leistungszahl) einer Wärmepumpe ist ein Laborwert, der unter Normbedingungen gemessen wird. Wichtiger für den Endanwender ist die Effizienz der gesamten Anlage unter Betriebsbedingungen (die naturgemäß nicht konstant sind). Maß dafür ist die Jahresarbeitszahl (JAZ), also das Verhältnis der zum Betrieb der Wärmepumpe eingesetzten elektrische Energie zur erzeugten Wärmeenergie, über das gesamte Jahr gerechnet. Der COP erlaubt also keine energetische Bewertung der Gesamtanlage. Übliche Jahresarbeitszahlen liegen bei 2,5 bis 4 oder bei einer sehr guten Anlage auch darüber. Bei Publikationen heißt es genau hinschauen, welcher Kennwert genannt wird.

  7. Cornelia Daniel-Gruber

    Hui, da ging ja schon die Post ab. Bitte, bitte nicht immer nur von Einfamlienhäusern und Neubau sprechen. Es gibt eben noch eine Welt abseits des Häuslbauers und in dieser Welt wird so unfassbar viel Energie und eben auch hohe Temperaturen gebraucht und dafür ist es eben auch wichtig, das ganze etwas besser zu verstehen und einordnen zu können. Für Nichttechniker fände ich deshalb sowas wie eine Nennleistung pro Kollektor schon praktisch.

  8. Matthias

    Sicher, dass hier nicht falsch gerechnet wurde ? Nicht, dass jemand sich das noch zum Beispiel nimmt:

    Wenn ein Kollektor mit 1,7 m2 Fläche 600 W bei ΔT = 50 K leistet, dann leistet er standartisiert auf 1 m2 “nur” 353 Watt.

    Bei 1000 Watt Lichteintrag KANN kein Kollektor dieser Welt 1020 Watt Leistung erbringen, das verstößt gegen den Energieerhaltungssatz und ist eher der schwarzen Magie oder Verschwörungstheorie zuzuordnen. D’uh d’uh d’uh !

    1. Cornelia Daniel

      ok, also letzter Versuch… die Daten in der Grafik sind immer auf einen Quadratmeter, aber du hast recht, dass die Beschriftung diesbezüglich irreführend sein kann. Falls ich mich irre (auch das kommt vor) ändere ich das gerne noch.

  9. COPilot

    Hallo Frau Daniel,
    Sie haben hier ausführlich über Ihre Probleme der Umrechnung von °Celsius in °Kelvin geschrieben. Das muss wohl jeder für sich selbst nachvollziehen…
    Was – abseits des berechtigten Einwurfes von Mattias – nicht wirklich klar wird: die Bedeutung der angegebenen Nennleistung von Solarthermiekollektoren für den zu erwartenden Ertrag.
    Spannend wäre doch mal eine fachkundige Abhandlung darüber, welche Auswirkungen eine steigende oder sinkende Temperaturdifferenz auf verschiedene Kollektorarten und -typen hat! Da scheit es wohl doch Unterschiede zu geben.
    Wie wärs damit für Sie als gestandene Solar-Unternehmerin?

    1. Cornelia Daniel

      Hallo Copilot. Danke für den Kommentar. Die Nennleistung ist nur ein Element das fehlt und sagt natürlich nicht alles aus.
      Der Kollektorertrag bei unterschiedlichen Temperaturniveaus wird ja mittlerweile endlich durch das Datenblatt 2 sehr gut dargestellt. Ich hab hier mal versucht zu erklären wo man diese Werte für jeden einzelnen Kollektor findet.
      https://blog.paradigma.de/wie-findet-man-den-kollektorertrag-der-solaranlage-kwh/

      Aber ein Beitrag zum Thema Temperaturdifferenz, Mittlere Kollektortemperatur und Temperaturniveaus spukt mir schon länger im Kopf herum, weil ich merke, dass da auch immer wieder Dinge durcheinandergewürfelt werden und das natürlich massiven Einfluss auf die Erträge hat. Hab aber noch nicht den richtigen Aufhänger gefunden. Ideen, Wünsche für einen Titel?

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