Ruhig fließt die Oder als kleines Flüsschen durch das winterliche Ratibor. Hier, in der Nähe des schlesischen Städtchens, entspringt der Fluss. Es gehört eine Portion Fantasie dazu, sich vorzustellen, dass aus dem kleinen Rinnsal mehrere Hundert Kilometer weiter ein schiffbarer Strom wird, der die Grenze zwischen Polen und Deutschland markiert. Weniger schwer vorstellbar ist es, dass in dem nüchternen Bürogebäude gleich neben dem Flussufer an der Lösung der europäischen Energieprobleme getüftelt wird. Tatsächlich produziert das Unternehmen Ensol, das in dem Gebäude seine Dependance hat, seit acht Jahren solarthermische Kollektoren und hat sich inzwischen auf die vorderen Plätze der polnischen Solarthermiebranche gearbeitet.
In der Region um Racibórz – zu deutsch Ratibor – hat die Energieerzeugung Tradition. Nicht weit von hier fördern die Kumpel die berühmte schlesische Steinkohle, die in europäischen Kraftwerken zu Strom verfeuert wird. Inzwischen ist die Nutzung der Abwärme keine neue Entwicklung mehr. Was die großen Kraftwerke können, schaffen auch die kleinen Kollektoren. Strom und Wärme gleichzeitig zu produzieren, das war die Triebfeder, um die Kollektoren mit Solarzellen zu bestücken. Vor drei Jahren haben sich die Schlesier mit einem chinesischen Modulhersteller und einem europäischen Hersteller von Absorbern zusammengesetzt und gemeinsam ein Hybridmodul entwickelt.
Wie bei einem richtig großen Kraftwerk steht beim Hybridkollektor die Stromproduktion im Vordergrund. Die Wärme ist eigentlich nur noch das Abfallprodukt. Aus ihrem Hybridkollektor, der vom TÜV Rheinland zertifiziert wurde, holen sie immerhin eine elektrische Leistung von 300 Watt aus 72 polykristallinen Solarzellen heraus. Mit einer thermischen Leistung von 895 Watt kann sich auch der Solarkollektor sehen lassen. „Wir haben die beiden Technologien so gut aufeinander abgestimmt, dass wir eine Effizienz aus dem Kollektor von immerhin 55,5 Prozent auf einer Fläche von zwei Quadratmetern schaffen“, erklärt Marek Mandrysz, kaufmännischer Direktor von Ensol. „Wir nutzen mit dem Hybridkollektor die Energie, die sonst in der Photovoltaik verloren geht: die Wärme. Ein zweiter Effekt ist, dass die Module gut gekühlt bis zu 15 Prozent mehr Ertrag bringen, weil die thermische Degradation der Solarzellen viel geringer ist.“ Zudem schlagen sie zwei Fliegen mit einer Klappe. Das verringert die Installationskosten im Vergleich zu zwei separaten Systemen um 30 Prozent, ohne dass die Hybridkollektoren teurer sind als zwei parallele Anlagen mit der gleichen Leistung.
Werte können sich sehen lassen
Die Wärmeleistung des Hybrids ist zwar geringer als die eines reinen Thermiekollektors. Aber in der Konkurrenz mit anderen Herstellern von Hybridkollektoren erreicht Ensol einen Spitzenwert. Das gelingt durch einen bionischen Absorber. „Das ist eine Imitation der Natur und beruht auf dem Prinzip, nach dem auch die Blätter von Pflanzen aufgebaut sind“, sagt Mandrysz. Den vollständig aus Aluminium gefertigten Absorber durchziehen flächendeckend viele kleine Kanäle, durch die der Wärmeträger fließt. Dadurch verteilt sich die Wärme gleichmäßig auf der gesamten Fläche. Das hat einen entscheidenden Vorteil gegenüber den bisher verwendeten Absorbern, die die Wärme über ein Absorberblech auffangen und an ein darauf geschweißtes Absorberrohr übertragen. Denn die Absorberrohre nehmen nur dort Wärme auf, wo sie tatsächlich mit dem Blech in Berührung kommen. Dadurch wird die Verteilung der Wärme sehr ungleichmäßig über die gesamte Fläche.
Hohe Effizienz erreicht
Dadurch konnte Ensol die hohe Effizienz des thermischen Teils vom Hybridkollektor erreichen. „Immerhin liegt dieser um 10 bis 15 Prozent höher als bei einem Hybridkollektor mit Standardabsorber“, weiß Marek Mandrysz. „Die gute Wärmeaufnahme des bionischen Absorbers hat aber auch Vorteile für die elektrische Seite des Kollektors. Denn dadurch erreichen wir, dass die Solarzellen besser gekühlt werden.“
Damit reizen die Schlesier das volle Potenzial aus, das ein solcher Hybridkollektor bietet. Denn das Prinzip beruht darauf, dass der Absorber die Wärme, die die Solarzellen während der Stromproduktion erzeugen, abführt und damit für eine optimale Kühlung der Zellen sorgt. Diese Wärme fließt über ein normales Trägermedium – in diesem Falle ein Wasser-Glykol-Gemisch – und einen Wärmetauscher in den Pufferspeicher. Dort kann sie sowohl zur Bereitung von Trinkwasser als auch zur Unterstützung der Heizung genutzt werden. Ensol macht dabei vieles selbst. Doch den Absorber und die Solarmodule lassen sie sich liefern. Der Absorber wird von einem europäischen Partner im sogenannten Walzplattierverfahren hergestellt. Dabei werden zwei Aluminiumplatten auf den Flächen, wo später die Kanäle verlaufen, mit einem Trennmittel bestrichen. Dann werden die beiden Platten verschmolzen.
Die Temperatur muss stimmen
Durch das Trennmittel bleiben die Flächen für die Kanäle frei. Dann wird Luft hineingedrückt. Dadurch heben sich die mit dem Trennmittel bestrichenen Flächen an, es entsteht das Kanalsystem. Die große Herausforderung ist, dass auch all die kleinen und sehr feinen Kanäle im fertigen Absorber durchlässig sind.
In Ratibor nehmen die Arbeiter in der Produktion zwei dieser Absorber und löten die Verrohrung an die Aus- und Eingänge des Kanalsystems. „Das Komplizierte beim Löten von Aluminium im Vergleich zu Kupfer ist, dass die Temperatur stimmen muss“, erklärt Mandrysz. „Denn im Gegensatz zum Kupfer liegt die Schmelztemperatur des Aluminiums und des Lotes näher beieinander.“ Da beim Löten nur das Lot und nicht die Bauteile schmelzen dürfen, muss die Temperatur beim Löten von Aluminium exakter eingestellt werden.
Mit der Maschine in der Werkhalle von Ensol schaffen es die Mitarbeiter immerhin, 25 bis 30 Absorber in der Stunde zu löten. Danach kommt der entscheidende Arbeitsgang. Mit einem Spezialkleber verbinden sie die glatte Seite des Absorbers mit dem Photovoltaikmodul. Ensol hat in diesen Schritt viel Entwicklungsarbeit gesteckt, um den richtigen Kleber zu finden. Jetzt noch stehen zwei Prototypen für einen Dauertest vor der Produktionshalle in Ratibor. Das Entscheidende dabei ist, dass der Kleber die hohen Temperaturen aushält und sich das Modul nicht vom Absorber löst, und auf der anderen Seite, dass der Kleber die Wärmeübertragung vom Modul auf den Absorber nicht behindert.
Wärmeverluste minimieren
Der so vorbereitete Kollektor wird jetzt noch gut eingepackt und gerahmt, sodass die Wärmeverluste möglichst gering bleiben. Den Aluminiumrahmen haben sich die Schlesier patentieren lassen. Denn im Gegensatz zur Konkurrenz schrauben sie diesen nicht aus vier Einzelteilen zusammen, sondern er besteht aus einem Stück. „Der Vorteil unseres Rahmens ist, dass er steifer ist als ein herkömmlicher Rahmen“, erklärt Marek Mandrysz. „Das bedeutet, dass unser Kollektor größere mechanische Belastungen aushält als andere, und das ohne zusätzliches Gewicht.“ Dabei ist aber Maßarbeit gefragt.
Schließlich müssen auf der gesamten Länge die Öffnungen für die Anschlussrohre und der Abschluss genau passen. Dafür hat Ensol eigens eine CNC-Maschine entwickelt, die den kompletten Rahmen in einem Stück fräst, bohrt und schneidet.
Ein Mitarbeiter nimmt den Rahmen und setzt ihn an der Unterkante des Kollektors an. An der vorbereiteten Nut biegt er danach die beiden Seitenstücke an den Kollektor. Zum Schluss biegt er die beiden oberen Endstücke des Rahmens so an den Kollektor, dass beide Enden bündig abschließen. Jetzt muss der vorher aufgetragene Kleber noch einige Zeit trocknen, bevor die Leisten den Kollektor komplett abdichten. Auch hier ist präzises Arbeiten angesagt. Schließlich darf kein Spalt bleiben, durch den die gesammelte Wärme entweichen oder Wasser von außen eindringen kann. Dazu sägt der Mitarbeiter die vier Abschlussleisten zunächst auf Gehrung und passt sie nach und nach so weit an, dass sie genau passen. Das kostet zwar viel Zeit, lohnt sich aber. Denn nur so kann der Kollektor auch die Leistung bringen, die Ensol verspricht.
Um die Qualitätsanforderungen zu konstant zu erfüllen, geht am Ende jeder Schicht ein Kontrolleur durch die gesamte Produktionshalle und prüft, ob alle Einstellungen und Toleranzen noch im vorgegebenen Rahmen sind. Stimmen sie nicht mehr, wird nachjustiert. Außerdem prüft der TÜV Rheinland regelmäßig die Produktionsanlage, um festzustellen, ob Ensol die Vorgaben für das Zertifikat noch einhält.
TÜV überwacht die Fertigung
Am Ende der Schicht stehen 80 bis 100 neue Hybridkollektoren fertig verpackt zur Abholung bereit. Diese am Markt zu verkaufen, damit hat Ensol bisher keine Probleme. „Die Hälfte unserer gesamten Produktion geht in den Export, die andere Hälfte verkaufen wir in Polen“, sagt Adrian Pason, Vizepräsident von Ensol. „Einen großen Teil unserer Produktion fertigen wir als OEM für andere Unternehmen, darunter auch große Anbieter in Deutschland.“ Für die Zukunft sieht das Unternehmen keine Probleme am Markt, auch wenn Unwägbarkeiten lauern. Denn in Polen läuft demnächst die bisher gute Förderung der Solarthermie aus. „Zwar soll es eine Anschlussförderung geben, doch wir befürchten, dass diese schlechter ausfällt als die bisherige Förderung“, sagt Parson. „Auf die Photovoltaikförderung warten wir hingegen schon seit zwei Jahren. Es wird wohl noch eine Weile dauern, bis sie verabschiedet wird.“
Themendossier
Mehr Praxis: Hybridmodule
Für unsere Abonnenten haben wir auf unserer Homepage ein Themendossier aufgebaut. Dort finden Sie alle Informationen, die wir seit Mai 2013 über die solare Kraft-Wärme-Kopplung gesammelt haben. Das Dossier wird kontinuierlich gepflegt und erweitert. Außerdem stehen wichtige Informationen und Datenblätter zum kostenlosen Download für Sie bereit.
Der Zugang ist nur für Abonnenten möglich, die sich über ihre Zugangsdaten einloggen können. Die Daten finden Sie auf dem Adressaufkleber auf Ihrem persönlichen Exemplar der photovoltaik.
Valvo Deutschland
Sonne fürs ganze System
Sonnenstrom in den Verdichter einer Wärmepumpe zu schicken, ist inzwischen keine Ausnahme mehr. Der Magdeburger Anbieter Valvo geht den Weg bis zum Ende. Das Unternehmen hat eine Komplettlösung mit Hybridmodul, Wärmepumpe, Batterie und Eisspeicher entwickelt. Damit liefert die Sonne rund um die Uhr Wärme und Strom, sieben Tage in der Woche.
Das Herzstück der Anlage ist der Hybridkollektor auf dem Dach. Der Absorber im Kollektor erhitzt sich auf maximal 60 Grad Celsius, während die Solarzellen auf der Oberseite gut gekühlt viel Strom liefern. Die Temperatur aus dem Kollektor ist wiederum ideal für den Einsatz einer Sole-Wasser-Wärmepumpe. Der Solarkreis wird als Wärmequelle für den Arbeitskreis der Wärmepumpe genutzt.
Dazu leiten die Magdeburger die erwärmte Trägerflüssigkeit zunächst in ein Energieverteilsystem. Reicht die Temperatur nicht für die Heizungsunterstützung oder Warmwasserbereitung aus, wird sie zur Anhebung der Vorlauftemperatur in die Wärmepumpe geleitet. Die wiederum wird durch Sonnenstrom vom Dach angetrieben.
Bis zu einer Außentemperatur von minus fünf Grad Celsius liefern die Solarzellen genügend Wärme, um das gesamte System am Laufen zu halten. Wird es draußen noch kälter, kommt der Eisspeicher zum Einsatz. Das ist ein Wassertank, der in der Erde vergraben wird. Überschüssige Solarwärme wird dort eingespeichert und im Winter bei sehr kalten Temperaturen der Wärmepumpe zur Verfügung gestellt. Das Prinzip basiert auf der Freisetzung von Kristallisationswärme, wenn sich der Aggregatzustand des Wasser-Glykol-Gemischs im Speicher ändert.
Die Magdeburger bieten ihre Hybridkollektoren in zwei Größen an. Der größere der beiden Hybride ist mit 80 polykristallinen Zellen ausgestattet und leistet 320 Watt. Die Wärmeleistung dieses Kollektors liegt bei immerhin 600 Watt auf einer Absorberfläche von 1,68 Quadratmetern. Die kleinere Variante, die Valvo für kleinere Dachflächen konzipiert hat, holt aus den 72 Zellen 250 Watt. Die thermische Leistung liegt aufgrund der geringeren Absorberfläche bei 300 Watt.
Mit dem gesamten System ist der Hausbesitzer zwar vollständig versorgt. Doch am Ende entscheiden die Kosten. Die Gesamtanlage ohne Eisspeicher kostet für ein Einfamilienhaus satte 40.000 Euro. Das erscheint erst einmal viel. „Aber wir müssen das mit den Kosten für ein konventionelles Heizsystem gegenrechnen“, erklärt René Vogler, Geschäftsführer von Valvo Deutschland. „Da kostet allein der Gasanschluss 6.800 Euro. Dazu kommen noch die Komponenten und die Installation. Am Ende liegt ein konventionelles Heizsystem bei 20.000 Euro. Dann hat der Kunde aber noch die Betriebskosten.“
Diese beiden Werte gegenübergestellt, amortisiert sich das System von Valvo immerhin innerhalb von fünf bis sechs Jahren, verspricht Vogler.
Von der Natur abgeschaut: Die Kanäle des bionischen Absorbers verlaufen wie die Adern eines Blattes über die gesamte Fläche. Der Wärmeträger durchströmt den Absorber gleichmäßig bei geringem Druckverlust. Dadurch verringert sich der Energiebedarf für die Pumpe im Solarkreis.
Der Rahmen des Kollektors besteht aus einem Stück. Er wird einfach um den Hybriden herum gebogen. Das verbessert die Steifigkeit und die Belastbarkeit des Kollektors.
Mit Fingerspitzengefühl und Gummihammer montiert der Mitarbeiter die Frontleisten. Sind sie einmal montiert, lassen sie sich nicht mehr lösen.
Ensol baut die Photovoltaikmodule auch ohne Absorber in den Rahmen ein, sodass der Kunde sich die Anlage selbst zusammenstellen kann.
