Thema Solarthermie (Solarwärme) vom 15.04.2002 @ 21:54:31 CEST
»Auf die Menge kommt es an«
Solarpumpen, deren Leistung an den Durchfluss von Kollektoranlagen angepasst werden kann, helfen Energie zu sparen...
Kollektor, Speicher, Regler. Das sind die Komponenten, welche die Qualität einer Solaranlage ausmachen. Oft unterschätzt wird die Rolle eines kleinen Bauteils, das in dieser Aufzählung fehlt: Denn die Pumpe arbeitet tagtäglich und frisst Strom. Sie läuft rund 1.500 h im Jahr. Da kommen bei einer 10m2-Solaranlage etwa 150 kWh/a zusammen. Bei einem 100m2-Kollektorfeld mehr als das Doppelte. Welche Anforderungen stellen Solaranlagen an die Pumpe? »Herkömmliche Heizungspumpen sind so ausgelegt, dass der Wasserdruck ausreicht, um jeden Heizkörper des Hauses auch an den kältesten Wintertagen mit warmen Wasser zu versorgen. Dazu ist eine Durchflussmenge von 2.500 bis 3.500 l/h bei einer Förderhöhe von bis zu 4 m nötig. Eine durchschnittliche Solaranlage (6 m2) braucht im Highflow-Betrieb dagegen nur rund 300, im Lowflow-Betrieb gerade mal 90 l/h«, erklärt Detlef Ipach, beim Dortmunder Pumpenhersteller Wilo zuständig für das Marketing im Solarbereich, den Hauptunterschied. Der erforderliche Druck, der durch die maximale Förderhöhe gegeben ist, kann bei Solaranlagen jedoch sehr viel höher sein als bei Heizungsanlagen. Denn je nach Länge der dünnen Rohre des Solarkreislaufes kann hoher Druck nötig sein, damit das Wärmeträgerfluid den Kollektor mit der gewünschten Durchflussmenge durchströmt. Bis zu 7 m Förderhöhe im Lowflow-Betrieb; bei großen Anlegen sogar noch mehr. Setzt man nun eine Standard-Heizungspumpe im Solarkreislauf ein, erzielt sie einen maximalen Wirkungsgrad von 10%, mit dem die elektrische Leistung in hydraulische Leistung umgewandelt wird. Das ist nur etwa die Hälfte des Wirkungsgrades, den eine solche Pumpe als Heizungspumpe mit der idealen Durchflussmenge erreicht. Daher macht es Sinn, spezielle Solarpumpen einzusetzen, deren Durchfluss und Förderhöhe auf die Anforderungen einer Solaranlage abgestimmt sind.
Schritt für Schritt Wilo nähert sich dem Ziel einer effizienten, energiesparenden Solarpumpe schrittweise an. Seit dem vergangenen Jahr ist die erste Generation der Solarpumpen auf dem Markt. Diese erste Generation haben die Entwickler hydraulisch optimiert, indem sie die Durchflussmenge reduziert haben. Außerdem ist das Gehäuse der Pumpe innen mit einer Kataphorese-Beschichtung vor der aggressiven Frostschutzlösung geschützt. Diese erste Generation ist für den Highflow-Einsatz konzipiert. Parallel dazu hat Wilo eine spezielle Lowflow-Zahnradpumpe in sein Programm aufgenommen. Die Zahnradtechnik ist ideal für große Drücke bei kleinen Durchflussmengen, wird sich aber aufgrund der Kosten nur in Spezialanwendungen wie Drainback Systemen durchsetzen können. Die Zahnradpumpe schafft eine maximale Förderhöhe von 40 m bei einem Durchfluss von 150 l/h. »Dieser große Druck ist nötig, um eine komplett entleerte Anlage wieder zu befüllen. Diese Pumpe soll in mit reinem Wasser betriebenen Anlagen zum Einsatz kommen, die zum Schutz vor Frost automatisch leer laufen und die bei Sonnenschein neu befüllt werden müssen«, erläutert Ipach das Konzept. Zum Befüllen und Entlüften des Solarkreislaufes ist ein Stutzen an der Pumpe angebracht. Im November 2001 kam ein Modell für größere Solaranlagen auf den Markt: »Wir sehen einen Trend zu Anlagen, die größere Fördermengen brauchen: Große Anlagen mit bis zu 100 m2 Kollektorfläche, aber auch Vakuumröhrenkollektoren«, sagt Ipach. Auch hier haben die Entwickler mit einfachen Veränderungen Erfolge erzielt. Ein größeres Laufrad erzeugt einen höheren Druck bei einem geringen Durchflussvolumen. Dazu musste der Durchmesser des Gehäuses um 3 cm vergrößert werden. Was bringt der Einsatz von Solarpumpen? Um die Energieeinsparung zu messen, haben die Entwickler die Solarpumpen mit Standardheizungspumpen verglichen, indem sie beide auf ihrem Solarprüfstand vermessen haben. Das Ergebnis: Bis 30% Strom sparen die großen Pumpen ein, die kleinen rund 20%. Pumpe auch Durchflussmesser Neben den ungeregelten Pumpen produziert Wilo auch ein drehzahlgeregeltes Modell und bietet es zusammen mit einem eigens dafür konzipierten Solarregler an. Die Elektronik der Regelung passt die Drehzahl der Pumpe stufenlos an den Bedarf der Anlage an. Dadurch ist jederzeit der optimale Betriebszustand für den gewünschten Volumenstrom gewährleistet. Durch die Variation des Volumenstroms wird die Solarernte größer. Denn bei wenig Sonne, wenn der Kollektor nur wenig wärmer als das Fluid ist, muss das Fluid sehr langsam durch den Kollektor fließen, um sich effektiv aufheizen zu können. So können auch geringe Strahlungsstärken genutzt werden und das bei einem möglichst geringen Stromverbrauch der Pumpe. Die Regelung erfolgt entweder über eine konstante oder eine variable Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher. Gemessen werden neben Kollektor- und Speichertemperatur auch die Temperaturen des Speichervor- und Rücklaufes. Das Regelsystem hat einen integrierten Wärmemengenzähler, der ohne Durchflussmesser auskommt. Da die Pumpe bei vorgegebener Drehzahl und bekannter Viskosität des Fluids »weiß«, wie groß der Durchfluss ist, kann der Regler die Wärmemenge aus den Pumpendaten berechnen. Das funktioniert mit einer Genauigkeit von 10%, wie Messungen auf dem Solarprüfstand bei Wilo ergeben haben. Nächster Schritt in Sicht In welcher Hinsicht können Solarpumpen noch verbessert werden? »Die Hydraulik ist so weit optimiert, dass eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades hier nicht mehr zu erzielen ist. Auch das Potenzial des Motors ist ausgereizt«, sagt Ipach. »Die Zukunft liegt in der Entwicklung von neuen Motoren.« Für den Einsatz in Heizungssystemen hat Wilo kürzlich eine Pumpe mit einem sogenannten EC-Motor vorgestellt. Wirkungsgrade von 50% sind mit der neuen Motortechnologie zukünftig erreichbar, weil ein Permanentmagnet d
ie Verluste einspart, die bei herkömmlichen Asynchronmotoren durch Magnetisierungsströme auftreten. Die Ingenieure erhoffen sich ein Stromeinsparpotenzial von 80% gegenüber heutigen Standard-Heizungspumpen. Aufgrund der hohen Kosten wird sich das neue System eher bei großen Anlagen rechnen. Denn hier kann mehr Strom eingespart werden, was sich dann umso stärker im Portemonnaie bemerkbar macht. Auch für den Einsatz in Solaranlagen ist der neue Pumpenantrieb vorgesehen. Noch in diesem Jahr soll er in großen Kollektorfeldern getestet werden. Und wie wichtig ist dem Pumpenhersteller Wilo der Solarsektor? »Wenn man die zur Zeit beantragten Kollektorflächen zu Grunde legt, kommt man mit dem Bedarf an Ersatzpumpen auf 150.000 Stück, die der Markt pro Jahr verlangt«, so Ipach. Ein interessanter Markt. Doch man hält sich bedeckt, was die Absatzzahlen angeht. Ipach: »Früher lag unser Marktanteil im Solarsektor bei 10%. Aber wir werden stärker und sind auf dem besten Wege Marktführer zu werden.«
Jens-Peter Meyer
Dieser Beitrag erschien erstmals in dem Branchenmagazin Sonne Wind & Wärme 1/2002. Weitere Infos unter www.bva-solar.de.E-Mail: Sonnenenergie@bva-bielefeld.de
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Quelle: Sonne, Wind & Wärme
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