TEIL C

Solarheizung und Vakuumröhren

Kollektorfelder zur Brauchwassererwärmung oder zur Vorwärmung großer Heizungssysteme sind technisch gesehen den Warmwasser-Kollektoren ähnlich, sie sind aber meist großflächiger und aufwendiger. Außerdem ist bei Solarheizungen ein großer und sehr gut gedämmter Wärmespeicher, sowie – besonders in mitteleuropäischem Klima – eine Zusatzheizung erforderlich. Solarheizungen werden daher lange als eher zusätzliche Energiequelle für eine konventionelle Warmwasser-Zentralheizung betrachtet, welche besonders in den Übergangszeiten eine günstige Vorlauftemperatur bis zu 50°C verfügbar macht. Als optimal wird die Verbindung mit einer Fußbodenheizung betrachtet. In der BRD werden rund 40 % des Endenergieverbrauchs für die Wärmeversorgung von Gebäuden eingesetzt.

Systeme solarer Art, die als Vollheizungen eingesetzt werden, sind aufwendig und lassen sich meist nur gemeinsam mit anderen Energietransformationssystemen einsetzen (Wärmepumpen, Windkonverter, u.s.w.). Eine ausführliche Betrachtung dazu folgt später unter dem Oberbegriff Sonnenhäuser. Auf die Nutzung der Sonnenenergie zur Beheizung von Schwimmbädern werde ich ebenfalls gesondert eingehen (s.u.).

Die Beheizung von Wohnraum alleine nur mit Sonnenenergie stellt den Architekten vor ganz besondere Anforderungen, denn die optimale Anordnung und Formgebung der Kollektoren ist nur unter Beachtung der günstigsten Dachneigung und Ausrichtung zu verwirklichen. Außerdem muß eine sehr hochwertige Wärmedämmung erreicht werden. Zwar läßt sich die Mindestanforderung an eine Solarheizung – die Speicherung der Tageswärme für den Abend, die Nacht und die frühen Morgenstunden – mit tragbarem Aufwand realisieren, und auch die Wärmespeicherung über mehrere Tage hinweg zum Ausgleich kurzfristiger Wetterveränderungen ist machbar, doch eine langfristige, d.h. saisonale Speicherung der Sonnenwärme zur Nutzung im Winter scheiterte lange an den zu hohen Kosten. Obwohl in der Forschung schon physikalische Optimallösungen erreicht werden, kommt es für den Markt doch eher auf technisch-wirtschaftliche Lösungen mit dem Ergebnis eines annehmbaren Wärmepreises an. Erst Mitte der 1990er Jahre werden in Deutschland die ersten Pilotprojekte mit Langzeitspeichern durchgeführt.

Um Solarheizungen wirtschaftlicher zu machen, kann man natürlich auch die Investitionskosten senken, z.B. durch einfache, mit Asphalt beschichtete Aluminiumbleche mit integrierten Stahlröhren für den Wärmemittel-Transportstrom aus einem Wasser/Alkohol- oder Wasser/Azeton-Gemisch. Der Quadratmeterpreis eines derartigen ‚Primitivsystems’ beträgt 1974 etwa 65.- DM.

Zu erwähnen ist ebenfalls, daß sich Systeme zur Raumbeheizung häufig auch zur Raumkühlung einsetzen lassen. So soll es 1978 in den USA schon etwa 40.000 Solaranlagen geben, mit denen man abwechselnd heizen und kühlen kann.

Ab 1986 wird besonders in Schweden durch eine Reihe von Pilotanlagen demonstriert, daß die Kosten solarer Großanlagen deutlich günstiger sind als die von kleinen dezentralen Solaranlagen. Zehn Jahre später betragen die Investitionskosten bei Kleinanlagen in Deutschland noch vielfach um 2.000 DM/m² installierter Kollektorfläche, während sie bei größeren Anlagen ohne Speicher 1.000 DM/m² – und bei einzelnen Pilotanlagen sogar nur noch 500 DM/m² betragen.

In Ostdeutschland wird bereits 1993 die erste solar betriebene Fußweg-Heizung installiert. Ein etwa 50 m langer Bürgersteig der Bahnhofstraße des westsächsischen Städtchens Mutzschen, Landkreis Grimma, wird dadurch im Winter Schnee- und Eisfrei gehalten. Auf einem nahe gelegenen Haus werden hierfür 10 m² Solarkollektoren installiert, deren warmes Wasser in ein nach unten gedämmtes Rohrsystem unter den Gehsteig gepumpt wird. Im gleichen Jahr geht in Köngen eine 160 m² Solaranlage in Betrieb, die 12 Reihenhäuser und 60 Wohneinheiten mit Brauchwärme versorgt.

Zu dieser Zeit kommen in Deutschland auch die ersten Vakuumröhren-Kollektoren für Heizzwecke auf den Markt – z.B. die Sydney-Vakuum-Röhren von Microtherm.

1994 startet das BMFT sein Programm Solarthermie 2000, das drei Schwerpunkte hat:

1. Untersuchung zum Langzeitverhalten von thermischen Großanlagen in bundeseigenen Gebäuden
2. Feldversuche mit solarthermischen Demonstrationsanlagen in öffentlichen Gebäuden (Schwerpunkt Neue Bundesländer)
3. Pilotanlagen zur solaren Nahwärmeversorgung mit saisonalen Wärmespeichern (Solare Nahwärme)

In das Programm werden auch alle Aktivitäten der solaren Nahwärme – also die Wärmeversorgung ganzer Wohnkomplexe durch mehr als 100 m² große Solarkollektoren – integriert; die Laufzeit des Programms geht bis 2002. Die messtechnische Begleitung der Projekte übernimmt das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart. Im Vorfeld waren vier Pilotprojekte evaluiert worden: Ravensburg I (Baujahr 1992 / Kollektorfläche 115 m² / 29 Reihenhäuser), Ravensburg II (1992 / 190 m² / 107 Wohneinheiten), Göttingen (1992 – 1993 / 847 m²) und Neckarsulm (1993 – 1994 / 700 m² / 325 WE u. RH).

Es wird zwischen solar unterstützten Nahwärmesystemen ohne und mit Langzeitwärmespeicher unterschieden. Folgende Eckdaten sind charakteristisch für die Auslegung der beiden Systemkonzepte:

Zentrale solare Brauchwassererwärmung ohne Langzeitspeicher:

1. Kollektorfläche: 0,9 m² – 1,2 m² pro Person
2. Speichervolumen: 40 l – 60 l pro m² Kollektorfläche

Zentrale solare Brauchwassererwärmung mit Langzeit-Heißwasserspeicher:

1. Kollektorfläche: 1,5 m² – 2,5 m² pro jährliche MWh
2. Speichervolumen: 2 m³ – 3 m³ pro m² Kollektorfläche

In Schwäbisch Gmünd wird 1994/1995 eine Solaranlage mit 100 m² installiert, die 64 WE versorgt. Hier werden erstmals Vakuumröhren-Kollektoren eingesetzt.

Eine 5.600 m² große Sonnenkollektorfläche wird 1995 im Rahmen des Programms Solarthermie 2000 in dem Neubaugebiet Wiggenhausen Süd in Friedrichshafen am Bodensee installiert und geht (zum Teil) im Oktober 1996 in Betrieb. Das von Bund, Land und Stadt geförderte größte entsprechende Pilotprojekt Deutschlands soll solare Nahwärme für 570 Wohneinheiten (WE) mit einer Gesamtfläche von 39.500 m² liefern. Die im Sommer anfallende Wärme wird hier erstmals in einen mit 12.000 m³ Wasser gefüllten unterirdischen Wärmespeicher eingebracht, der sich dabei bis zu 95 °C aufheizt. Eine außenliegende Wärmedämmung (Seitenwände und Decke) aus Mineralwolle reduziert die Wärmeverluste; innen ist der Speicher mit einer Edelstahlfolie abgedichtet. Der Speicher ist zu ca. drei Vierteln in den Boden gebaut. Durch die ebenfalls hohe Wärmedämmung der Gebäude soll 47 % des Jahreswärmebedarfs des Wohngebiets solar gedeckt werden, die restliche Heizenergie liefert ein Erdgas-Brennwertkessel. Die Kosten der gesamten Anlage betragen 8,4 Mio. DM, von denen das Solarsystem mit 6,3 Mio. DM zu Buche schlägt. Bis Ende 1999 ist allerdings erst 50 % der geplanten Kollektorfläche installiert – bei voller Speichergröße. Es gelingt dadurch nur 280 WE und einen Kindergarten mit insgesamt 21.380 m² Gesamtfläche zu versorgen, was einem solaren Deckungsanteil von 21 % – 28 % entspricht.

In Hamburg wird 1996 eine Großanlage mit 3.000 m² Kollektoren für 124 WE errichtet, die einen Langzeitspeicher von 4.500 m³ Volumen besitzt. Durch Blitzeinschlag wird die Messtechnik der 4,3 Mio. DM Anlage allerdings so stark beschädigt, daß es fast keine Meßergebnisse mehr gibt.

Kleinere Anlagen entstehen 1995/1996 in Reinbek (150 m² / 72 WE in einem Hochhaus), sowie in Holzgerlingen (120 m² / 56 WE) und Ravensburg-Hochberg (105 m² / 50 WE), wo die Solarspeicher direkt in das Heizsystem eingebunden werden, was die Regelung vereinfacht.

Ein weiteres Kollektorfeld mit 3.000 m² Gesamtfläche entsteht 1996 – ebenfalls im Rahmen von Solarthermie 2000 –auf  18 Reihenhauszeilen mit 123 WE in Hamburg-Bramfeld. Die Anlage ist von der Universität Stuttgart geplant worden und wird von der Firma Wagner & Co. Solartechnik installiert. Im Sommer werden 4.500 m³ Wasser in einem unterirdischen Speicher auf 85°C erwärmt, die im Winter zur Unterstützung der Warmwasserbereitung sowie der Raumheizung zur Verfügung stehen.

Zur gleichen Zeit wird für den neuen Stadtteil Amorbach im schwäbischen Neckarsulm eine Kollektorfläche von 15.000 m² geplant, um rund 1.600 Wohnungen inklusive Schule und Ladenzentrum mit Solarwärme zu versorgen. Dieses Konzept wird vom Steinbeis-Transferzentrum Energie, Gebäude- und Solartechnik entwickelt. Da man im Verlauf des Projekts verschiedene Bauweisen testen will, werden neben den hier erstmals eingesetzten Solar roofs – Solardächer, die als Fertigbauteile komplett in der Fabrik vorgefertigt werden – auch Solarziegel bzw. aufgeständerte Flachdach-Anlagen installiert. Als Reserve gibt es eine Erdgasfeuerung. Außerdem wird ein Erdsondenspeicher mit einem Endausbau-Volumen von 150.000 m³ eingebracht, der aus 800 Wärmetauscherrohren besteht, die 30 m tief in die Erde getrieben werden. In diesen zirkuliert ein Wasser/Glykol-Gemisch, das seine Wärme an das umgebende Erdreich abgibt und dieses bis auf 70°C – 80°C aufheizt. Die Kosten werden mit 24,5 Mio. DM veranschlagt, von denen das BMFT 2,2 Mio. DM trägt. Das Projekt geht Ende 1997 in Betrieb.

Bei einem ähnlichen Projekt in Chemnitz wird statt dem Erdsonden- ein Kieswasserspeicher mit einem Speichervolumen von 8.000 m³ erprobt. Im Rahmen des 1. Bauabschnitts erhält dort ein Bürogebäude 540 m² Kollektorfläche aus Vakuumröhren. Die Kosten des ersten und zweiten Bauabschnitts werden mit 2,8 Mio. DM angegeben.

Die o.g. Solar roofs sind zwar schon vor 20 Jahren unter dem Namen Absorberdach erfunden worden, waren damals aber noch zu teuer. Mit der Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt ist diese Technologie nun von der Firma Solar-Energie-Technik-GmbH (SET) im Baden-Württembergischen Altlußheim zu standardisierten Serienelementen zwischen 4 m² und 15 m² weiterentwickelt worden.

Ein weiteres Solarthermie-Projekt geht 1997 auf dem Dach der Mensa der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg in Betrieb (660 m² Kollektorfläche, 25.000 l Wasserspeicher im Keller). Gemeinsam mit dem Pumpenhersteller Wilo wird hier ein sensorgesteuertes Computerprogramm eingesetzt, das mit der online-Messung von Drücken und Volumenströmen das gesamte hydraulische System der Anlage optimal steuern kann. Die Anlage erreicht dadurch bundesweite Spitzenwerte beim Energieertrag.

1997 geht außerdem in Burgholzdorf bei Stuttgart eine Anlage mit 1.750 m² für ca. 1.000 WE in Betrieb.

Ingesamt gibt es zu dieser Zeit in Deutschland eine Gesamtfläche von etwa 2 Mio. m² Solarkollektoren (Brauchwasser und Heizung). Eine Analyse der Herstellungskosten von Solarkollektoren zeigt, daß die Preise für große Kollektorfelder bei den momentanen Produktionszahlen und -methoden nicht mehr wesentlich sinken werden. Beim Übergang zur Massenfertigung (ca. 500.000 m² pro Jahr in einer Fertigungsstätte, d.h. etwas das Doppelte der jetzigen Gesamtjahresproduktion in Deutschland) ließen sich die Kosten um fast 50 % senken. Bei den bisherigen Wachstumsraten wird allerdings erst in 10 Jahren damit gerechnet (!). Und während im Zeitraum 1996/1997 ganze 150 Wohnungen in Berlin öffentlich geförderte Solaranlagen installiert bekommen, sollen es in den beiden Folgejahren 2.000 Wohnungen werden.

In der 1998 veröffentlichten Langzeituntersuchung der ZfS Rationelle Energietechnik GmbH in Hilden wird belegt, daß große Solaranlagen am wirtschaftlichsten arbeiten, wenn sie als Vorwärmanlagen mit eher geringer Deckung zwischen 20 % und 40 % ausgelegt werden. Ende 1998 befinden sich bereits 30 Projekte des Solarthermie-Programms in Betrieb oder in der Realisierungsphase, und bis 2000 werden alleine 7 Pilotanlagen mit Langzeit-Wärmespeichern errichtet, wobei 4 unterschiedliche Speichertypen eingesetzt werden (s.d.): 1999 geht Neckarsulm II in Betrieb, wo 2.700 m² Kollektoren 6 Mehrfamilienhäuser, eine Schule, ein Altenwohnheim und ein Ladenzentrum versorgt. Hier wird ein Erdsondenspeicher mit 20.000 m³ installiert und man rechnet mit einem solaren Deckungsanteil von 50 %.

Bei einer 510 m² Anlage in Steinfurt-Borghorst (42 WE mit Fußbodenheizung / Kosten 1 Mio. DM) wird ein Kies/Wasser-Speicher mit 1.500 m³ integriert, und in Rostock (1.000 m² Solarkollektoren / 108 WE / 1,4 Mio. DM), wo man mit einem solaren Deckungsanteil von 62 % rechnet, wird erstmals ein Aquifer-Speicher mit einem Volumen von 20.000 m³ eingesetzt. Eine weitere Anlage geht in Hannover in Betrieb (1.300 m² / 106 WE / 2,4 Mio. DM), hier wird ein eher konventioneller Heißwasserspeicher mit 2.750 m³ installiert.

Durch das ZAE-Bayern und BMWi-gefördert wird 1999/2000 das sogenannte ISTT-Verfahren entwickelt (in situ short term testing), mit dem innerhalb von 4 – 6 Wochen die Werte des solaren Energieeintrages (GSR = Garantiertes Solares Resultat) der großen Solarthermie 2000 Anlagen ermittelt werden können. Bislang exsistierten nur normierte Kurzzeittests für Kleinanlagen. Als erste zu messende Anlage wird ein 109 m² Kollektorfeld in München ausgewählt, das 79 Wohnungen versorgt. Die Meßkosten pro Anlage betragen zwischen 10.000 und 15.000 DM.

Im Dezember 2004 stellen die Stadtwerke Crailsheim den zweiten Bauabschnitt der größten zusammenhängenden Solarwärmeanlage Deutschlands fertig. Der neue, fast 10 m hohe Speicherturm in Crailsheim lagert 100.000 Liter Wasser mit einer Temperatur von bis zu 108°C. Mit diesen Spitzentemperaturen können die Stadtwerke deutlich länger solare Nahwärme aus den Sonnenkollektoren liefern. Normalerweise betragen die Temperaturen in Kurzzeit-Wärmespeichern 95°C. Es wird ein Energie-Einsparpotential von bis zu 15 % erwartet. Im Juni 2005 werden weitere 400 m² Kollektorfläche angebracht, womit eine Gesamtfläche von 1.500 m² entsteht. Bis zum Endausbau im Jahr 2009 soll die Fläche um weitere 7.500 m² anwachsen.

Im Januar 2006 arbeitet ein Wissenschaftlerteam der Universität Kassel an einem Multikomponenten-System, bei dem zusätzlich zur Sonneneinstrahlung auch die Wärme der Umgebungsluft (Enthalpie) genutzt wird. Das System besteht aus drei Komponenten: Einem Luftkollektor, einem Luft-Wasser-Wärmeübertrager und einem wasserdurchströmten Solarkollektor. Diese drei Einheiten sind so miteinander gekoppelt, daß sich ihre Wirkung tagsüber addiert.

Im Rahmen eines deutsch-kirgisischen Kooperationsprojekts wird das System auf einem Heizwerk in der kirgisischen Hauptstadt Bishkek erprobt, wo bis zum Ende des Jahrzehnts die größte Solarwärmeanlage der Welt mit einer Größe von zehn Fußballfeldern gebaut werden soll. Die derzeit größte Anlage im dänischen Marstall auf der Insel Aero mißt nur vier Fußballfelder. Die VolkswagenStiftung fördert das Vorhaben mit 360.000 €.

Laut einer Studie des Bielefelder SOKO-Instituts Mitte 2006 rangiert Solarwärme mit 27,9 % ganz oben auf der Wunschliste von Hauseigentümern, gefolgt von Erdgas mit 23,1 % und Stückholz mit 22,7 %. Heizöl wünschen nur noch 13,2 %, Holzpellets schon 12,3 % und Geothermie 7,3 %.

Die Idee zur Errichtung der ESTTP wird erstmals Mitte Juni 2005 bei der zweiten European Solar Thermal Energy Conference aufgebracht. Knapp ein Jahr später, am 30. Mai 2006, findet die Gründungsveranstaltung der ESTTP in Brüssel statt.

Die Arbeit der Europäischen Solarthermie-Technologieplattform (ESTTP) startet in Brüssel am 06.12.2006. Ziel ist es, innerhalb der nächsten zwei Jahre eine Vision zur Nutzung der Solarthermie in Europa im Jahr 2030, die Steigerung der Forschungsaktivitäten in diesem Bereich, sowie die Verbreitung und Entwicklung der entsprechenden Technologie. Nach Ablauf der zweijährigen Arbeitsphase soll die Internetseite als eine Art Wissensspeicher weiterbestehen bleiben und die erzielten Erkenntnisse wiedergeben.

Erstes konkretes Ziel der ESTTP ist es, die Solarthermie als Basistechnologie für die Beheizung von Gebäuden zu etablieren. Die Mehrheit der Neubauten soll bis 2030 allein durch Solarthermie beheizt werden. Neben dem Wachstum der Solarwärme verfügt auch die solare Kühlung über ein großes Marktpotential.

Und da Studentenwohnheime ein besonders Profil beim Warmwasserverbauch aufweisen, werden im Rahmen des Förderprogramms Solarthermie2000 (Teilprogramm 2) Vakuumröhren-Solaranlagen an Studentenwohnheimen in Chemnitz, Freiburg/Breisgau, Leipzig, Magdeburg und Zwickau installiert, die einen Deckungsanteil bis zu 23 % erreichen.

Asphaltkollektoren

Die Vorstellung, die weitverzweigten, riesigen schwarz asphaltierten Flächen unserer Umwelt als solarthermische Asphaltkollektoren zu nutzen, liegt im Grunde so nahe, daß es mich sehr verblüfft hat, wie lange es dauerte, bis diese Technologie umgesetzt wurde. Immerhin wird Asphalt seit 200 Jahren im Straßenbau verwendet. Er trägt erheblich zum städtischen Wärmeinseleffekt bei und erreicht Spitzentemperaturen von bis zu 67°C, da er bis zu 95 % des Sonnenlichts absorbiert. Die Abführung und Nutzung dieser Wärme ist daher äußerst sinnvoll.

Einen weiteren Grund, den Asphalt zu kühlen, belegt eine im September 2020 veröffentlichte Studie von Prof. Drew R. Gentner et al. an der Yale University, die den Asphalt als Quelle für sekundäre organische Aerosole untersucht, eine Art Feinstaub, der mit Asthma und anderen Gesundheitsproblemen in Verbindung gebracht wird.

Das Team, an dem auch Wissenschaftlern der Carnegie Mellon University und des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz beteiligt sind, findet heraus, daß Asphalt unter sommerlichen Bedingungen eine größere Quelle für diese Schadstoffpartikel sein kann als Benzin und Diesel aus Kraftfahrzeugen zusammen. Je heißer und sonniger es ist, desto mehr Emissionen werden freigesetzt (‚Asphalt-related emissions are a major missing nontraditional source of secondary organic aerosol precursors‘).

In der folgenden Übersicht werden neben den solaren auch Systeme vorgestellt, bei denen die Wärme der Geothermie genutzt wird, ebenso wie Technologien, welche die Bodenflächen mit anderen Methoden beheizen.

Ein frühes Pilotprojekt namens Sonnenenergierückgewinnung aus Straßenoberflächen (SERSO) erfolgt 1994 durch das Bundesamt für Straßenbau, Tiefbauamt des Kantons Bern. Der entsprechende Bericht von R. J. Hopkirk et al. wird im August veröffentlicht.

Das Schweizer Konzept demonstriert die technische Machbarkeit solcher Systeme durch die Entschärfung eines Unfallschwerpunktes an einer Hangbrücke der A8 am Thuner See im Berner Oberland.

Die Wärme zur Beheizung der Belagsfläche von 1.300 m² wird über einen Ringwärmespeicher-Verbund aus mehreren Erdwärmesonden mit einer Länge von je 65 m bereitgestellt. Indem 91 Sonden in das Felsgestein getrieben werden, kommt ein Speichervolumen von 55.000 m³ zustande.

Im Jahr 1996 erscheint von K. Kamochita et al. ein zweiteiliger Artikel mit dem Titel ‚Development of Solar System with Collecting Surface of Asphalt Pavement‘. Während sich der erste Teil mit der Warmwasserversorgung befaßt, beschäftigt sich der zweite Teil mit dem  Schmelzen von Schnee auf einer Straße. Der Artikel im Journal of JSES (Vol. 22, No. 6) liegt m.W. aber nur auf Japanisch vor.

Der holländische Erfinder Henk Verweijmeren gründet gemeinsam mit Liz Stewart bereits 1995 die Firma Invisible Heating Systems Ltd., um von Ullapool im Norden Schottlands aus die ‚spiegelbildliche Technologie einer Fußbodenheizung’ zu vermarkten. Ein wesentliches Element dieser Entwicklung ist die Möglichkeit, im Winter Straßen und auch Landebahnen von Flughäfen zu beheizen und damit eisfrei zu halten - ohne hierfür tonnenweise Salz ausstreuen zu müssen.

Es dauert jedoch bis zum Juni 2006, bis das System erstmals unter dem Parkplatz des Unternehmens selbst verlegt wird. Das ausgebrachte Rohrnetz wird während der sehr heißen Asphaltierung von Kaltwasser durchströmt, um Schäden zu vermeiden. Obwohl der Quadratmeter eines Standard-Solarkollektors etwa die doppelte Wärmemenge erbringt, kostet dieser aktuell rund 400 £ - und damit sehr viel mehr als die 30 £, die für einen Quadratmeter Asphalt-Kollektor veranschlagt werden. Die entsprechende Studie namens ‚Innovation in The Production And Commercial Use of Energy Extracted From Asphalt Pavements‘ von Chris Sullivan et al. ist im Netz abrufbar.

Der Studie zufolge würden alle Gebäude Hollands mit dieser Technik beheizt werden können - sofern auch alle Straßen des Landes entsprechend ausgerüstet werden würden. Was sukzessive machbar ist – gleich beim Neubau von Straßen sowie bei der turnusmäßigen Erneuerung der Asphaltdecke bestehender Verkehrsadern, was im Durchschnitt alle 10 – 12 Jahre erfolgt.

Wesentlich ist auch, daß durch die Kollektortechnologie die Haltbarkeit der Asphaltdecke stark erhöht wird.

Im Sommer bleibt der Asphalt aufgrund der abgeführten Wärme kühler und ‚fließt’ nicht mehr (Spurrillen), während im Winter eine Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes eine Eisbildung an der Oberfläche ebenso verhindert, wie das Entstehen von Rissen in der Asphaltdecke selbst (Gefrierschäden). Zur Verhinderung teurer Frostschäden reicht hierbei eine Rücklaufwärme von 5°C - 10°C völlig aus.

Interessanterweise meldet die Presse ab Oktober 2007, daß diese genial einfache Entwicklung (nun) auf den Bauingenieur Adrian de Bondt und seine Mitarbeiter bei dem niederländischen Straßenbauunternehmen Ooms Avenhorn Holding BV zurückgehen soll, wo dieser seit September 1997 als Leiter der Abteilung Forschung und Entwicklung tätig ist. Die Fama spricht davon, daß es sich dabei um eine Zufallsentdeckung gehandelt habe – als man versuchte, Lösungen für die längere Haltbarkeit von Straßenbelägen zu finden.

Die Technologie ist identisch mit der von Verweijmeren: In die Asphaltschicht wird ein Röhrensystem eingelassen, dessen Rohre mit Aquiferen, d.h. wasserführenden Sandschichten, in rund 100 m Tiefe verbunden sind. Diese Aquifere fungieren als Grundwasser-Wärme- bzw. Kältespeicher. Im Sommer wird das vom heißen Asphalt aufgewärmte Wasser nach unten geschickt, wo es bis zum Winter gespeichert wird, um dann während der kalten Jahreszeit nach oben zu einer Wärmepumpe geführt zu werden, die es auf eine für die Heizsysteme der Firmen-Hauptniederlassung in Scharwoude geeignete Temperatur bringt. Der Überschuß an Wärmeenergie wird genutzt, um den Asphalt auf einer Temperatur über dem Gefrierpunkt zu halten, so daß die Straße eisfrei bleibt.

Das nun stark abgekühlte Wasser wird anschließend durch ein anderes Röhrensystem in einen zweiten Aquifer in der Tiefe geschickt, wo ein weiterer Satz Wärmetauscher das Grundwasser abkühlt. Dieses Kaltwasser wird dann im Sommer genutzt, um das Firmengebäude zu kühlen und den Asphalt vor allzu großer Hitze, die ihn brüchig oder gar weich macht, zu bewahren.

Das Unternehmen behauptet jedenfalls, das Road Energy System (RES), das zuvor unter den Namen Winnerway (in Beton) und Zonneweg (in porösem Asphalt) lief, seit 2000 selbst und in Zusammenarbeit mit den Firmen WTH Vloerverwarming B.V. in Dordrecht und TipSpit in Viborg entwickelt zu haben.

Gleichzeitig legt die Ooms bereits eine beeindruckende Liste an Referenzanlagen vor, darunter 10.000 m² in Rotterdam, 7.500 m² in Woensdrecht und 3.350 m² in einem Industriegebiet in Hoorn. Außerdem werden im schottischen Ullapool ein 500 m² großer Parkplatz, und im belgischen Zoerle-Parwijs 700 m² einer Straße mit dem Road Energy System ausgestattet.

Zwei weitere Beispiele: Die Sonnenenergie eines 180 m  (andere Quellen: 200 m) langen Straßenabschnitts und einer kleinen Parkplatzfläche liefert einen beträchtlichen Beitrag, um ein vierstöckiges Gebäude mit 70 Wohneinheiten im Norden von Avenhorn zu beheizen. Auch die Rollbahn einer dänischen Luftwaffenbasis im Süden des Landes soll mit Asphaltkollektoren ausgestattet die zugehörigen Hangars beheizen. Leider ließen sich darüber keine weiteren Details finden.

In Waarland wiederum wird das RES 2009 mit einem Wohnprojekt kombiniert, bei dem fünfunddreißig Häuser das Heiz- und Kühlsystem nutzen.

Späteren Informationen zufolge scheint das Unternehmen aber nur noch Fußbodenheizungen anzubieten, wobei der Schwerpunkt aber auch weiterhin auf der Nutzung erneuerbarer Energietechnologien liegt. Es gibt aber auch Meldungen, nach denen die Firma nach eingehender Untersuchung durch die Avondale Corp. an Beltrae Partners verkauft wurde, eine nordirische Private-Equity-Firma.

Danach gründen Mitarbeitern der ehemaligen Invisible Heating Systems im Jahr 2012 die Firma Invisible Heat Ltd. mit Sitz in Morefield, um Ersatzteile für bereits vorhandene Fußbodenheizungen sowie Fußboden- und Wandheizungen für Neubauten, Erweiterungen und Renovierungen und das Cooling Road Energy System anzubieten. Diese Firma scheint 2017 abgewickelt worden zu sein, unter ihrem Namen läßt sich nur noch eine äußerst seltsame Seite aufrufen.

Die Technologie der Firma Ooms Avenhorn wird übrigens auch in dem im Oktober 2014 erschienenen eBook Climate Change, Energy, Sustainability and Pavements von Kasthurirangan Gopalakrishnan et al. erwähnt. Das entsprechende Kapitel Energy Harvesting from Pavements von Andrew Dawson et al. ist im Netz einsehbar.

Im Januar 2001 erscheint eine Studie der Technischen Universität Delft mit dem Titel ‚Using Pavement as Solar Collector: Effect on Pavement Temperature and Structural Response‘, die das  Finite-Elemente-Programm FEMMASSE verwendet, um die Auswirkungen eines Systems zur Kühlung und Beheizung von Asphaltbelägen auf die Haltbarkeit der Belagsstruktur zu untersuchen. Aus den thermischen Analysen geht hervor, daß im Bereich der Polyethylenrohre hohe Spitzenwerte bei den Spannungen und Dehnungen auftreten, die die Lebensdauer des Systems negativ beeinflussen könnten.

 

Die Untersuchung kommt daher zu dem Schluß, daß die Frage der Energiegewinnung aus Asphaltbelägen mehrere komplexe technische und finanzielle Fragen beinhaltet, die gelöst werden müssen, bevor eine effektive Nutzung möglich ist.

Im September 2007 meldet die Presse, daß das Snow Management and Construction Technology Research Center in Fukui, Japan, ein kombiniertes System entwickelt habe, um die Eisbildung insbesondere bei Brücken zu vermeiden, ohne dabei Enteisungschemikalien einsetzen zu müssen. Neben der Verlegung von Rohrleitungen in der Asphaltschicht werden im Uferbereich 378 Wärmetauscher-Pfähle eingebracht. Hier wird die Sommerhitze gespeichert, um im Winter den Schnee von der Fahrbahn zu schmelzen.

Das System, das bereits im September 2006 installiert worden war, erwärmt einen 15 m breiten, 54,5 m langen und 23 m tiefen Uferabschnitt auf eine Temperatur von 35°C. Als Betriebsdauer werden 50 Jahre veranschlagt.

Im Januar 2008 meldet das Worcester Polytechnic Institute (WPI) in den USA, daß man sich zusammen mit Kollegen der University of Massachusetts in Dartmouth und finanziert von der National Science Foundation (NSF) und der Massachusetts Technology Collaborative ebenfalls mit dem Thema Asphaltkollektoren beschäftigt. Hier will man die asphaltierten Flächen sogar zur Stromgewinnung nutzen, nachdem die höchsten Temperaturen ein paar Zentimeter unter der Oberfläche gefunden werden – genau da, wo sich der Wärmetauscher befinden würde. Die entsprechende Studie trägt den Titel ,Capturing Solar Energy from Asphalt Pavements’.

Um die maximale Menge an Energie zu extrahieren, wird mit verschiedenen Asphaltmischungen experimentiert, wobei sich herausstellt, daß die Zugabe von hochleitfähigen Zusatzstoffen wie Quarzit die Wärmeaufnahme erheblich steigern kann. Als sehr effektiv erweist sich auch eine Farbe, welche die Reflektion des auf die Straße fallenden Sonnenlichts verringert.

Die Wissenschaftler des WPI wollen nun Kupferrohre in den Asphalt einlassen, durch welche Wasser geleitet wird, das mittels eines thermoelektrischen Generators zur Stromgewinnung genutzt werden kann. Anschließend sollen anstelle der Kupferrohre Tests mit einem speziell entwickelten, hocheffizienten Wärmetauscher erfolgen, der einen Höchstbetrag der Wärme aus dem Asphalt absorbieren kann.

Die Forschungen erfolgen auf Initiative von Michael S. Hulen, Präsident der Novotech Inc. in Acton, Massachusetts, die ein Patent über diese Technologie hält. Präsentiert werden die Untersuchungsergebnisse erstmals auf der jährlichen Tagung der International Society for Asphalt Pavements (ISAP) mit Hauptsitz in Lino Lakes, Minnesota, die unter dem Titel ‚International ISAP Symposium on Asphalt Pavements and Environment‘ in Zürich stattfindet.

Die Studie befaßt sich nicht nur damit, wie Asphalt am besten Sonnenenergie sammeln kann, sondern auch mit den Methoden, um Straßen und Parkplätze so zu errichten, daß ihre wärmeabsorbierenden Eigenschaften maximiert werden.

Im Oktober 2009 wird die Technologie in kleinem Maßstab getestet, und die Flächen werden Wind, Regen und anderen Wetterbedingungen ausgesetzt, um deren Auswirkungen auf die Stromerzeugung mittels der Thermoelemente zu bestimmen.

Beim Vergleich von zwei Materialien für Straßenbeläge, die entweder hohe Kalkstein-Anteile oder Quarzit-Kristalle enthalten, stellt sich heraus, daß Quarzit-haltigen Beläge die Sonnenstrahlung deutlich besser in Wärme umwandeln. Bei einer Strahlungsleistung von 1.000 W/m², was in etwa den Bedingungen im Sommer im Staat Massachusetts entspricht, erreichen die Quarzit-Beläge Temperaturen von 50 – 70°C, während die Kalkstein-Variante jeweils etwa zehn Grad darunter blieb.

Ende 2010 erscheint nochmals ein kurzer Bericht über die Arbeiten der Novotech. Dem Projektleiter Prof. Rajib B. Mallick zufolge habe das System an Teststandorten in Arizona Wasser mit einer Temperatur von bis zu 150°C erzeugt. Im April 2011 wird eine weitere Studie unter dem Titel ,Harvesting heat energy from asphalt pavements: development of and comparison between numerical models and experiment’ veröffentlicht, die im Netz einsehbar ist. Eine weitere Studie erscheint im Juni unter dem Titel ‚Evaluation of the potential of harvesting heat energy from asphalt pavements‘. Danach läßt sich aber nicht Neues mehr finden, auch nicht über die o.e. Forschungen am WPI.

Eine weitere Firma, die Asphaltkollektoren anbietet, ist die Londoner ICAX Ltd. des Architekten Mark Hewitt. Das patentierte ICAX Solar Road System speichert große Wärmemengen mit einer Temperatur über 25°C in isolierten ‚ThermalBanks’-Saisonspeichern, die neben den Gebäudefundamenten installiert werden. Die Zusatzkosten für das Ernten der Solarenergie von einer Asphaltdecke werden von Hewitt mit unter 50 £/m² beziffert.

Das Transport Research Laboratory veröffentlicht im April 2008 einen detaillierten Bericht (Projektbericht PPR302, 116 S.) an die Highways Agency über die zweijährige Untersuchung der Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen innerhalb des Autobahn-Netzes in den Sommern 2006 und 2007. Kernelement ist das Interseasonal Heat Transfer (IHT) System von ICAX Ltd, das unter einer Zufahrt zur M1 in Bedfordshire installiert worden war.

Auf der Homepage des Unternehmens werden zudem verschiedene Projekte vorgestellt, bei denen der Asphalt Solar Collector zum Einsatz kommt. Dazu zählt die Anwendung der IHT-Technologie im Gefängnisbereich, bei der diese in einem neuen Gebäude des HM Prison Garth getestet wird, einem Männergefängnis Dorf Ulnes Walton in Lancashire.

Ein weiteres Projekt wird an der Howe Dell School in Hatfield umgesetzt, deren 4.000 m2 großes Gebäude der Firma zufolge das weltweit erste ist, das von der IHT-Technologie profitiert. Das System umfaßt einen Sonnenkollektor auf dem Schulhof, eine ThermalBank unter dem Gebäude als Wärmespeicher und einen separaten Kühlraum, wobei der Sonnenkollektor auch zur Vorwärmung des Warmwassers für die Schule genutzt wird. Die Howe Dell School wird vom Grafschaftsrat von Hertfordshire als vorbildliche Öko-Schule mit erneuerbaren Energien ausgezeichnet.

Über das Jahr 2010 hinaus lassen sich aber keine neuen Umsetzungen finden.

Eine Abwandlung der Technologie ist an dieser Stelle ebenfalls erwähnenswert: In Deutschland starten im Januar 2009 die Bauarbeiten für eine neue Straßenbrücke über den Elbe-Lübeck-Kanal im Zuge der B 208 in der Ortslage Berkenthin (Kreis Herzogtum Lauenburg).

Die Brücke wird mit einem Heizsystem aus Kunststoffrohren ausgestattet, das Geothermie-Wärme aus dem Boden holt und die Brücke eisfrei hält. Bei drohender Glättebildung wird Grundwasser aus 80 m Tiefe durch das Rohrsystem gepumpt und die Brückenfahrbahn zuverlässig über dem Gefrierpunkt gehalten. Besonders auf Brücken vereist der Asphalt sonst deutlich schneller als auf anderen Straßenabschnitten.

Im Sommer soll in Umkehrung des Prinzips überschüssige Wärme abgeleitet werden, um so den Fahrbahnbelag, der sich auf über 60°C aufheizen kann, zu schonen und dessen Lebensdauer zu verlängern. Die der Brückenfahrbahn entzogene Wärme wird dann mit Hilfe von Erdwärmesonden in Tiefen bis zu 250 m gespeichert.

Das Verfahren wurde im Auftrag der in Bergisch-Gladbach beheimateten Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) von Prof. Ingbert Mangerig am Institut für Konstruktiven Ingenieurbau der Universität der Bundeswehr in München entwickelt. Die Brücke wird im Oktober 2011 eingeweiht. Da sie einen Kanal überquert, eignet sie sich besonders gut für einen Praxistest der entwickelten Technologie. Die Kosten von rund 9,7 Mio. € trägt der Bund.

Gemäß einem 79-seitigen Bericht der BASt vom Oktober 2012 mit dem Titel ‚Vermeidung von Glättebildung auf Brücken durch die Nutzung von Geothermie‘, den es für 5 € zu kaufen gibt, zeigen die Messungen an der Testbrücke, daß ein geringer Rohrabstand von 10 cm wichtig ist, um eine homogene Temperaturverteilung zu erzeugen. Ein weiteres Ergebnis ist, daß sich der Einfluß des Temperaturgefälles vom Vorlauf zum Rücklauf durch einen ausreichend hohen Volumenstrom reduzieren läßt.

Die Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit zeigen wiederum, daß die Kosten für die Wärmequelle einen erheblichen Einfluß auf das Gesamtergebnis besitzen. Bei einer Brückenfläche von zum Beispiel 1.000 m² wird eine Bandbreite der Investitionskosten von 150 – 350 €/m² ermittelt. Interessant ist auch die Bemerkung, daß eine weitere Option für die Zukunft darin besteht, die solaren Energiegewinne, die mit diesem Temperierungssystem erzielt werden können, für andere Anwendungen zu nutzen und so erhebliche Flächen zur nachhaltigen Energieerzeugung aktivieren zu können.

Im August 2020 erscheint eine Pressemitteilung, der zufolge das BASt eine weitere Methode in der Entwicklungsphase hat, die noch effizienter, aber teurer ist. Dabei wird der Asphalt im Winter auf ein bis zwei Grad erwärmt und im Sommer die Wärme aus dem Asphalt geholt und verstromt. Im Herbst wird diese Methode auf dem eigenen Versuchsgelände getestet, doch es wird wohl „noch viele Jahre dauern bis eine bezahlbare Lösung auf dem Markt ist.“

Daneben arbeitet das BASt an einer Wärmereduzierung durch hellere Oberflächen. Hierbei werden helle Mineralstoffe beigemischt, die den Asphalt weniger schnell aufheizen, was bis zu fünf Grad bringen soll. Das Verfahren wird im Juli auf der Autobahn 1 bei Bremen getestet, indem auf einem 800 m langen Teilstück auf der Weserbrücke ein cremefarbener Asphalt aufgebracht wird. Um aufzuzeigen, wie sich die Temperatur in dem Asphalt entwickelt, werden in unterschiedlichen Höhen zehn Meßsonden in die neue Fahrbahndecke eingesetzt.

Sehr interessant ist auch eine Entwicklung in den Niederlanden, die bereits 2001 angedacht wird. Der Flughafen Eindhoven, der Energieversorger Essent und das Ingenieurbüro Dubotechniek planten demnach, die 80.000 m² große Asphaltdecke einer Flughafenerweiterung als Wärmequelle für Wärmepumpen zu nutzen. Damit sollten ab 2003 etwa 2.600 neue Wohnungen und 130.000 m² Bürofläche in der direkten Nachbarschaft des Flughafens beheizt werden. Die Abbildung zeigt das Anlagenschema.

Der Asphaltkollektor wird durch Rohre in der Bewehrung gebildet, durch die Wasser fließt, das sich im Sommer erwärmt und den Asphalt kühlt. Die Wärme wird in den ‚warmen’ Brunnen eines Aquiferspeichers eingelagert und im Winter als Wärmequelle für die Raumheizung benutzt. Einzelne monovalente Wärmepumpen heizen die Wohnhäuser und Bürogebäude. Das Rücklaufwasser aus den Büros kann dann als Wärmequelle für die Wohnhäuser wiederverwendet werden.

Auch erwärmt das Wasser im Winter den Asphalt, um ihn frei von Schnee und Eis zu halten. Die Kollektoren verbessern so die Eigenschaften des Asphalts; Frost- und Salzschäden werden vermieden. Dadurch wird es möglich, die Flughafenerweiterung in Eindhoven mit Asphalt und nicht in Beton auszuführen.

Die entstehende Kälte wird in dem ,kalten’ Brunnen des Aquifers gespeichert und für die Raumkühlung im Sommer verwendet. Die gleichzeitige Lieferung von Kälte und Wärme wird durch eine 3-Leiter-Verteilung ermöglicht. Das System soll 21 MW Wärme liefern – oder umgerechnet 95 TJ an Primärenergie einsparen, was etwa dem jährlichen Gasverbrauch von 3.750 Wohnhäusern entspricht.

In einer Studie vom Juni 2005, die von einer Ingenieurgemeinschaft im Auftrag des Ministeriums für Verkehr, Energie und Landesplanung des Landes Nordrhein-Westfalen erstellt wurde und im Netz unter dem Titel ‚Geothermie sorgt für Sicherheit, GeoVerSi‘ einsehbar ist, ist dann allerdings zu erfahren, daß das Projekt aufgrund der ausstehenden Vermarktung der Wohnungen und der Büroflächen nie umgesetzt wurde.

Ein etwas befremdlicher Entwurf wird im September 2009 veröffentlicht. Bei der Arbeit der Designer Kyuri Kim und Eunkyoung Song aus Südkorea handelt es sich um einen Asphalt-Reflektionswärme-Kollektor namens Road Drama, bei dem die Wärmeenergie des Asphaltbelags in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann an die Straßenlaternen und die LED-Schilder weitergeleitet wird.

Das Konzept ist von einer Rose und dem Blau motiviert, die die Symbole der Stadt Incheon sind. Anstelle eines komplizierten architektonischen Entwurfs gibt es auf beiden Seiten der Straße Geländer in Form einer Welle blauer Rosen, die an einem regnerischen Tag oder des Nachts Licht emittieren. Details darüber, wie dies im Einzelnen umgesetzt werden soll, gibt es allerdings nicht.

Wesentlich praktischer ist das Skyway-ähnliche Konzept einer Fußgänger- und Radwegbrücke des niederländischen Architekturbüros Syb van Breda & Co. Architects aus Leiden und der Firma Technoconsult als Generalplaner. Im März 2010 genehmigt die Gemeinde Zoetermeer, die sich ab den 1960er Jahren zu einer Satellitenstadt von Den Haag entwickelt hatte, die Vorplanung der Hobbema 2.0 genannten Brücke, anschließend soll bis September das endgültige Angebot ausgearbeitet werden.

Der Arbeitstitel ist von einem Gemälde des bedeutenden niederländischen Landschaftsmalers Meindert Hobbema aus dem 17. Jahrhundert inspiriert, der u.a. eine von sehr schlanken und hohen Bäumen gesäumte Allee malte.

Die Brücke hat eine Länge von etwa 220 m und überspannt zwei Radwege, drei Gräben, zwei Bahngleise und eine zweispurige Straße. Sie ist nur für Fußgänger und Radfahrer zugänglich und stellt eine Verbindung mehrerer überregionaler Radwege her. Die markanten Beleuchtungskörper haben große Schalen, die von unten beleuchtet werden. Diese Schalen auf den 9 m hohen Säulen sind mit Solarzellen ausgestattet, die das 2,5-fache der für die Beleuchtung der Brücke benötigten Energie erzeugen., wobei die überschüssige Energie in das Stromnetz eingespeist wird.

Außerdem absorbieren 2.500 m² Asphaltkollektoren im Sommer die Sonnenwärme und speichern sie im Erdboden. Im Winter wird die Wärme aus dem Erdreich zurück in die Brücke geleitet, hält sie von Schnee und Eis frei und garantiert ihr eine längere Lebenszeit. Die Installation der Asphaltkollektoren bildet eine nachhaltige Prophylaxe gegenüber den zunehmend teurer werdenden Straßenreparaturkosten.

Hierzu ein Beispiel aus Deutschland: Aufgrund des harten Winters 2009/2010 mit wochenlangem Frost rechnet der Städte- und Gemeindebund mit Reparaturkosten für Straßenschäden in Milliardenhöhe. Allein in Berlin bräuchte man 100 Mio. € für die komplette Sanierung des 5.343 km langen Straßennetzes, während der Stadt dafür aber nur 2,5 Mio. € zur Verfügung stehen. Die provisorische Reparatur eines Schlaglochs kostet nach Angaben der Stadt im Schnitt 25 €, die Reparatur mit heißem Asphalt rund 100 € und eine neue Asphaltdecke 30 € pro Quadratmeter. Muß auch der Straßenaufbau erneuert werden, koste die Sanierung etwa 110 €/m². Teuer sind auch die Streudienste, die zuletzt bundesweit pro Tag rund 10.000 t Streusalz verteilen mußten.

Die Tragstruktur der Brücke in Zoetermeer, die im Dezember 2013 eröffnet wird, besteht aus wetterfestem Cortenstahl, kommt daher ohne Anstrich aus und ist praktisch wartungsfrei. Sie wiegt etwa 375 Tonnen.

Nach Angaben des Architekten hat die geschwungene Radweg- und Fußgängerbrücke, die nun den Namen Jan Waaijer Brug trägt, 4 Mio. € gekostet – doch die tatsächlich verwendeten Mittel belaufen sich auf eine höhere Summe: So die zahlte Provinz Südholland 3,5 Mio. €, weil diese Brücke in ihre Politik zur Verbesserung der regionalen (Freizeit-)Radwege paßte. Der Europäische Fonds für regionale Entwicklung hat 2 Mio. € beigesteuert, weil die Brücke der Schlüssel zur Verbesserung der Region ist, und schließlich hat die Gemeinde Zoetermeer 1,5 Mio. € bezahlt. Damit beläuft sich der Gesamtbetrag für dieses Projekt auf 7 Mio. €. Dafür erscheint sie immerhin auf einer im März 2015 herausgegeben Briefmarke.

Im Oktober 2010 folgen Berichte über ein weiteres System. Diesmal sind es Prof. K. Wayne Lee und sein Doktorand Andrew Correia, die in einem Labor der University of Rhode Island (URI) einen Prototypen bauen, um die von einem Stück Asphalt erzeugte Sonnenenergie zu messen. Die Ergebnisse zeigen, daß das Wasser unter bestimmten Umständen sogar heißer wird als der Asphalt selbst.

Die Forscher entwickeln dank einer Finanzierung durch das Korea Institute for Construction Technology vier verschiedene Methoden zur Nutzung dieser Energie. Neben flexiblen photovoltaischen Zellen auf der Oberseite der Barrieren, die die Autobahnen trennen, um Strom für Straßenlaternen und die Beleuchtung von Straßenschildern zu erzeugen, wird auch hier das Verlegen wassergefüllter Rohre unter dem Asphalt vorgeschlagen, so daß das erhitzte Wasser das Eis auf den Straßen schmelzen kann.

Eine dritte Alternative nutzt den thermoelektrischen Effekt, um eine kleine, aber nutzbare Menge Strom zu erzeugen, während die futuristischste Idee der vollständige Ersatz von Asphaltstraßen durch Straßen aus großen, haltbaren elektronischen Blöcken ist. Derartige Konzepte werden ausführlich im Kapitelteil der Solarstraßen behandelt.

An dieser Stelle soll auch auf den Beitrag sand.stone.road der Designer Thomas Kosbau und Andrew Wetzler aus New York hingewiesen werden, der Ende 2010 zu den Gewinnern des Italy International Design Award (IIDA) gehört. Das Projekt sieht die Verwendung eines organischen Verfahrens zur Herstellung von Sandstein aus Sand als alternativen Straßenbelag vor, wodurch die schädlichen Auswirkungen von Asphalt gemildert werden. Insbesondere die Temperatur soll sich dadurch um 2 – 3°C reduzieren lassen – allerdings, ohne die Wärme zu nutzen.

Der Vorschlag basiert auf den Arbeiten des Soil Interactive Laboratory (SIL) an der University of California, Davis (UC Davis), wo festgestellt wurde, daß sich mit Hilfe der weit verbreiteten Bakterienart Sporosarcina pasteurii lose Sandkörner zu einem stabilisierten Sandstein zementieren lassen. Es wäre daher sicherlich interessant zu untersuchen, ob sich dieser Sandstein auch als Kollektor nutzen ließe.

Ebenso erwähnenswert sind Berichte aus dem Jahr 2011, denen zufolge in der Stadt Freital in Sachsen schon vor sieben Jahren ein Abschnitt auf der einen Hälfte einer Straße mit einem besonderen Asphalt saniert wurde, der aus kleingehäckselten Plastikabfällen und billigem Bitumen besteht und bislang noch nicht geflickt werden mußte.

Die Erfindung des Ingenieurs Jörg Bredemeyer aus Dresden zeigt auf der im Volksmund ‚Joghurtbecherstraße‘ genannten Strecke trotz dichten Verkehrs und der widrigen Witterung der letzten Jahre keine Frostaufbrüche, Spurrillen oder Abrisse. In Indien sind schon ein paar hundert Kilometer von diesem Kunststoffasphalt verlegt (EU-Nr. 0670387, angemeldet 1994, veröffentlicht 1995). Auch in diesem Fall könnte eine Kombination mit der Kollektortechnologie sinnvoll sein. Bislang ist darüber aber nichts bekannt.

Im April 2017 wird übrigens über eine weitere Alternative zu herkömmlichen Asphaltstraßen berichtet, die diesmal auf den Ingenieur Toby McCartney und sein schottisches Unternehmen MacRebur zurückgeht, das er zusammen mit Nick Burnett und Gordon Reid gegründet hatte.

Die aus recyceltem Kunststoff hergestellten Straßen sollen bis zu 60 % stärker sein als herkömmliche Asphaltstraßen und etwa zehnmal länger halten. Konkret werden dafür sogenannte MR6-Pellets aus zu 100 % recycelten Kunststoffabfällen produziert, welche das aus Erdöl gewonnene Bitumen ersetzen. Nach der ersten Straße - McCartneys eigene Auffahrt - sind inzwischen auch die Straßen des Unternehmens in der Grafschaft Cumbria im Vereinigten Königreich mit dem neuen Belag ausgeführt worden.

Im November 2011 folgt ein Bericht über Ingenieurwissenschaftler der University of Arkansas, die ein neues System entwickeln, das die Kraft der Sonne nutzt, um das Einfrieren von Start- und Landebahnen zu verhindern. In diesem Fall soll ein in der Nähe befindliches Photovoltaiksystem das Sonnenlicht in Energie umwandeln, diese Energie in Batterien speichern und bei Bedarf die in leitfähigen Platten eingebetteten Elektroden mit Strom versorgen.

Auf den veröffentlichten Fotos ist bislang nur eine recht provisorisch wirkende Anordnung von PV-Paneelen zu sehen, die Teil eines zweischichtigen Abschnitts der Start- und Landebahn bilden, mit dem das System in diesem Winter getestet werden soll. Die untere Schicht besteht aus einer einzigen Platte aus nicht leitendem Beton, die auf einem Kiesbett ruht und 6,1 x 7,3 m groß ist. Darüber befindet sich eine zweite Betonschicht, die aus zwölf Platten besteht, die jeweils 1,2 x 3 m groß sind. Zehn davon bestehen aus einem speziellen, wärmeleitenden Beton, während die anderen beiden aus normalem Beton bestehen und als Kontrollpunkte für die Studie dienen.

Bei den bisherigen Test erwies sich, daß der Wärmefluß über die gesamte Teststrecke ungleichmäßig ist, wobei sich die Wärme näher an der Stromquelle konzentriert. Nach Angaben des Projektleiters Ernie Heymsfield soll dieses Problem durch eine Änderung der Elektrodenkonfiguration behoben werden.

Im Februar 2012 präsentiert das Ingenieursbüro Tauw in den Niederlanden ein Projekt, um Radwege bei Frost mit geothermischer Energie aus einer Tiefe von 30 – 50 m zu beheizen. Die Kosten sollen sich nach Angaben der Firma auf 20.000 – 40.000 € pro Kilometer Radweg belaufen.

Andererseits spart die Beheizung der Radwege erhebliche Kosten, da im Winter weniger Salz gestreut werden müßte. Verhindertes Glatteis bedeutet zudem einen Rückgang der Unfallzahlen im Winter, was das Gesundheitssystem entlastet. An dem Projekt haben bereits mehrere Gemeinden Interesse bekundet. Die östliche Stadt Zutphen mit rund 40.000 Einwohnern wartet auf die Ergebnisse eines vorläufigen Gutachtens, bevor sie selbst eine Machbarkeitsstudie in Auftrag geben will.

Die ENERGIEAGENTURnordbayern GmbH in Nürnberg erstellt – gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – eine Studie über ein Pilotprojekt, bei dem die die Stadt Marktredwitz testet, ob eine Temperierung die Lebensdauer von Straßen verlängern und die Verkehrssicherheit erhöhen kann. Ich erwähne den Bericht an dieser Stelle, obwohl die nötige Wärme zur Temperierung der Straße mit Hilfe der Geothermie und Wärmepumpen bereit gestellt werden soll, da in dem Bericht ausführlich auf die Grundprinzipien der Straßentemperierung eingegangen wird.

Die im April 2012 veröffentlichte, 37-seitige ‚Konzeptstudie Straßentemperierung – Wunsiedler Straße – Stadt Marktredwitz‘ ist im Netz einsehbar.

Im Sommer 2013 häufen sich in der deutschen Presse Meldungen über Hitzeschäden bei Straßenbetonplatten, als auf der Autobahn 93 bei Abensberg in Bayern ein Motorradfahrer stirbt. Dort war die Fahrbahn innerhalb von Sekunden aufgebrochen und hatte einen ein Zentimeter hohen Riß gebildet, der wie eine Sprungschanze wirkte.

Auch an zahlreichen anderen Stellen in Deutschland sprengt die Hitze Teile der Autobahnen auf, was als Blow-ups bezeichnet wird. Die A14 bei Halle wird so stark beschädigt, daß sie zeitweise gesperrt werden muß. Zeugen zufolge „gab hier einen Riesenknall, und dann stand die Betondecke zehn Zentimeter höher“. Als Reaktion darauf beginnt die Technische Universität München damit, die genauen Ursachen dafür wissenschaftlich zu untersuchen.

Zum Hintergrund: Der Anteil an Autobahnen mit Betonfahrbahnen liegt bei rund 30 %, während Asphaltfahrbahnen auf einen Anteil von rund 70 % kommen. Deutschlandweit bestehen etwa 95 % aller Fahrbahndecken aus Asphalt (Stand 2020).

Ebenfalls im Jahr 2013 eröffnet der Flughafen Greater Binghamton Airport in New York ein Flughafenvorfeld, das mit geothermischer Energie beheizt wird. Das Projekt wird ausführlich in der Publikation ‚Radiant Heating of Airport Aprons‘ vorgestellt.

Zum Hintergrund: Im Jahr 2008 beteiligte sich ein Team von Studenten der Binghamton University - State University of New York am Design-Wettbewerb für Universitäten der Federal Aviation Administration (FAA) und belegte mit seinem Vorschlag ‚Geothermal Snowmelt System for Airport Pavements‘ den ersten Platz. Der Entwurf fand so großen Anklang, daß die FAA und später die New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA) fast 2 Mio. $ für den Bau und die Untersuchung eines Prototyps des Systems am Greater Binghamton Airport bereitstellten.

Die Bauarbeiten begannen im Mai 2011 und umfaßten 295 m² Vorfeldbelag mit integrierter Strahlungsheizung und zugehörigen Steuerungen. Zusätzlich wurden 20 m²  beheizte Fußgängerwege installiert. Die Brunnenfelder, die aus 20 geschlossenen geothermischen Vertikalbrunnen mit einer Tiefe von jeweils 150 m und vier geschlossenen geothermischen Horizontalbrunnen mit einer Länge von jeweils 45 m und einer Tiefe von 1,5 m bestehen, befinden sich einige hundert Meter von den beheizten Gehwegen entfernt. Die Brunnen bestehen aus internen Schläuchen, die ein geschlossenes System aus Glykol führen.

Im Januar 2016 berichtet die Presse von der Erfindung von Prof. Chris Tuan an der University of Nebraska-Lincoln (UNL), die ebenfalls dafür sorgen soll, daß Straßen, Wege und Brücken künftig immer trocken und eisfrei bleiben. Die Innovation basiert auf normalem Beton, dem zu einem Fünftel Stahlspäne und Kohlenstoffpartikel beigemischt werden. Dadurch wird er elektrisch leitfähig und kann sich selbst von Schnee und Eis befreien. Der Beton leitet genug Strom, ohne gefährlich zu werden, um das Eis zu schmelzen, was eine Platte vor dem Peter Kiewit Institute in Omaha während eines Wintersturms im Dezember des Vorjahres demonstriert. Die Testphase läuft bis März.

Nachdem Tuan gemeinsam mit den UNL-Professoren Lim Nguyen und Bing Chen sowie mit Sherif Yehia von der American University of Sharjah viele Jahre an dem leitfähigen Beton gearbeitet hat, kooperiert er nun mit der Federal Aviation Administration (FAA) und anderen Organisationen an mehreren Anwendungen für seine patentierte Betonmischung.

Bereits 2002 hatte er zusammen mit dem Nebraska Department of Roads etwa 24 km südlich von Lincoln die ca. 46 m lange Roca Spur Bridge als erste Brücke der Welt aus leitfähigem Beton gebaut. Es zeigte sich, daß der Strom, der für die thermische Enteisung der Roca Spur Bridge während eines dreitägigen Sturms benötigt wird, etwa 250 $ kostete – ein Vielfaches weniger als eine LKW-Ladung Salz oder Enteisungschemikalien.

Nun wird der Einsatz auf Flughäfen getestet – allerdings noch nicht bei den Start- und Landebahnen, sondern für die Bereiche rund um die Flugsteige. Dort gibt es so viel Verkehr mit Tankwagen, Gepäcktransportern und Essenslieferungen, daß Behinderungen auf diesen Wegen oft für Verspätungen sorgten. Durch das Beheizen soll es zu wesentlich weniger wetterbedingten Verspätungen kommen. Bei zufriedenstellenden Ergebnissen soll die Technologie in die Rollbahn eines großen US-Flughafens integriert werden.

Die Technologie bietet übrigens noch eine weitere Anwendung, für die nicht einmal elektrischer Strom benötigt wird. Indem der Kalkstein und der Sand, die normalerweise in Beton verwendet werden, durch das Mineral Magnetit ersetzt werden, schirmt die Mischung elektromagnetische Wellen ab – auch die von Mobiltelefonen gesendeten und empfangenen Hochfrequenzwellen.

Im Zuge des Forschungsprogramms der FAA entwickelt zudem ein Team der Iowa State University unter der Leitung von Prof. Halil Ceylan eine weitere Art von elektrisch leitfähigem Beton, der Schnee und Eis schmelzen läßt. Dieser wird im Winter 2016/2017 am Des Moines International Airport im US-Bundesstaats Iowa getestet. Der Prüfstand auf dem Vorfeld besteht aus zwei nebeneinander liegenden Betonplatten mit den Maßen 4,6 x 4,1 m.

Jede Platte ist 19 cm dick und besteht aus zwei Schichten. Die untere Schicht (10 cm) besteht aus normalem Beton, während die obere Schicht aus 1 % Kohlefaser in Kombination mit einer Mischung aus Zement, Sand und Steinen besteht. Zwischen den Schichten befinden sich sechs Elektroden pro Platte, die fest mit einer Stromversorgung in einem nahe gelegenen Hangar verbunden sind.

Werden die Elektroden eingeschaltet, schicken sie einen elektrischen Strom durch die oberste Schicht. Durch die Kohlenstoff-Fasern ist der Beton zwar elektrisch leitfähig, aber der Widerstand ist immer noch groß genug, um Wärme zu erzeugen. Diese Wärme macht die Oberfläche des Betons heiß genug, um angesammeltes Eis und Schnee wegzuschmelzen, und ist dennoch sicher zu berühren. Bei einem Verbrauch von 333 W/m² für sieben Stunden – mehr als genug, um einen Zentimeter Eis oder Schnee zu schmelzen – liegen die Betriebskosten von bei 19 Cent pro Quadratmeter.

Im August 2016 folgen erneut Berichte über die o.e. Bundesanstalt für Straßenwesen in Köln (BASt), bei denen es diesmal um eine mit Erdwärme gespeiste Asphaltheizung geht, die die Autobahn frei von Schnee und Eis halten soll. Dafür wird neben dem Autobahnkreuz Köln-Ost für etwa 6,8 Mio. € (andere Quellen: rund 13 Mio. €) ein Versuchsgelände gebaut. Die Autobahnen selbst werden also vorerst nicht in die Tests eingebunden.

Auf dem rund 25.000 m² großen Gelände des Demonstrations-, Untersuchungs- und Referenzareal der BASt (duraBASt) entsteht eine Teststrecke, die Mitte Oktober eröffnet wird und über einen Zeitraum von 30 Jahren genutzt werden soll, um neue Baustoffe, Bauweisen und Bauverfahren zu erproben. Hier sollen u.a. Sensoren für Brücken erprobt werden, die beispielsweise Risse anzeigen, während die Bundesanstalt für Straßenbau aus Bergisch Gladbach verschiedene Straßenbeläge auf Haltbarkeit und Griffigkeit untersuchen wird.

Bei einem der Projekte zur Steigerung der Haltbarkeit enthält der ausgebrachte Asphalt magnetische Partikel, die sich durch Induktionsenergie schlagartig erwärmen lassen. Das Bitumen um sie herum dehnt sich aus, verändert seine Zähigkeit – und verschließt kleine Risse. Man könnte die Straße also von außen reparieren und langlebiger machen, indem man sie mit einer Induktionsmaschine abfährt.

Verfolgt werden zudem unterschiedliche Konstruktionsparameter von fünf verschiedenen Varianten in der Teststrecke mit dem Ziel, im Sommer Wärmeenergie aus einer wasserdurchströmten Zwischenschicht des Straßenkörpers zu gewinnen, welche in geothermalen Wärmespeichern aufbewahrt und im Winter zur Temperierung der Straße genutzt wird. Oder die Energie wird abgeführt und später in Strom umgewandelt.

Hierfür werden für den Aufbau des Straßenkörpers zwei Varianten unter Verwendung vonRohrleitungssystemen, sowie drei Varianten mit dem Einbau einer Polyurethan-gebundenen, durchströmten Zwischenschicht entwickelt, durch welche jeweils Wasser fließt. Im Mai 2019 erscheint der 51-seitige, im Netz abrufbare Bericht ‚Temperierte Straße – Untersuchungen zur Realisierung eines Demonstrators auf dem duraBASt’.

Um die städtische Erhitzung zu reduzieren, läßt die Stadtverwaltung von Los Angeles ab Mai 2017 einige Straßen testweise mit einer Spezialfarbe des Herstellers Guardtop beschichten, die einen Großteil des Sonnenlichts reflektiert. Damit wird ein Temperaturunterschied von sechs bis sieben Grad erreicht. Mehr über diese Technologie findet sich im Schwerpunkt Cool Roof / White Roof.

Zeitgleich wird in Paris ein neuartiger Asphalt getestet, der den Verkehrslärm senken und die Hitze im Sommer reduzieren soll, indem er die Rollgeräusche der Autos halbiert und dank einer möglichen Bewässerung im Sommer die Umgebungstemperatur um bis zu 2° senkt. Der neuartige Straßenbelag, der höchstens 10 % mehr kostet als klassischer Asphalt, wird auf drei jeweils 250 m langen Straßenabschnitten getestet, wo Verkehrslärm und aufgestaute Hitze im Sommer ein Problem sind.

In das im Januar gestartete und bis Mitte 2023 laufende Projekt ,Life Cool & Low noise Asphalt’ (LIFE C-LOW-N ASPHALT) fließen 2,3 Mio. €, von denen 1,35 Mio. € von der EU stammen.

Die Thematik erscheint erst im Februar 2023 erneut in der Presse, als Forscher um Quansheng Zhao an der chinesischen Hebei University of Science and Technology in Shijiazhuang über ihren ersten Praxistest mit einem Anti-Eis-Asphalt berichten. Hierfür waren Mikrokapseln entwickelt worden, die mit einer umweltfreundlicheren Salzmischung gefüllt sind und dem Asphalt zugegeben werden, bevor dieser auf den Straßen aufgetragen wird. Das Taumittel besteht aus einem chloridfreien Salz, Tensiden, Siliziumdioxid, Natriumbicarbonat und Hochofenschlacke. Fällt Schnee auf eine Mikrokapsel, platzt sie und gibt das Tausalz frei.

In dem ersten Versuch an einer Autobahnausfahrt senkt die Asphaltmischung den Gefrierpunkt von Wasser auf minus 21°C. Die Wissenschaftler schätzen, daß eine 5 cm dicke Schicht des Anti-Eis-Asphalts 7 – 8 Jahre lang Schnee schmelzen kann, danach wäre ein neuer Straßenbelag oder das klassische Ausbringen von Salz nötig (‚Preparation of a Green Sustained-Release Microcapsule-Type Anti-Icing Agent for Asphalt Pavement and Its Application Demonstration Project‘).

Im März 2024 folgt der Bericht über einen neuen Hightech-Beton, auf dem sich Eis und Schnee kaum noch bilden können. Forscher der Drexel University testen auf dem Hochschulgelände seit drei Jahren zwei 72 x 72 cm große Platten, die zu jeder Jahreszeit eis- und schneefrei bleiben. Der innovative Beton von Amir Farnam und seinem Team erwärmt sich ohne Zufuhr von Fremdenergie selbst, wenn sich die Außentemperatur der Null-Grad-Celsius-Marke nähert. Regen oder Schnee, der darauf fällt, schmilzt umgehend.

Beim Mischen des Betons wird Paraffin in zwei verschiedenen Formen eingebracht – als Latentspeichermaterial (o. Phasenwechselmaterial; Phase Change Material, PCM). Bei Temperaturen über 0°C ist es aufgrund der Wärme der Luft flüssig. Sinkt die Temperatur, verfestigt sich das Paraffin und gibt die Wärme, die es zuvor beim Schmelzen gespeichert hat, an seine Umgebung ab. Der Beton erwärmt sich dadurch für bis zu zehn Stunden auf bis zu 13°C – eine Temperatur, der weder Schnee noch Eisregen etwas entgegenzusetzen haben.

Eine der beiden Platten, die eisfrei bleiben, besteht aus Beton, in den die Forscher möglichst gleichmäßig flüssigen Paraffin eingebracht haben. In der anderen stecken paraffingefüllte Mikrokapseln. Es zeigt sich, daß beide Techniken zu nahezu gleichen Ergebnissen führen. Bei starkem Schneefall reicht die Wärme allerdings nicht aus, um die Oberfläche freizuhalten, ebenso nicht bei Dauerfrost.

Interessant ist in diesem Zusammenhang auch das von der VolkswagenStiftung mit rund 707.000 € geförderte Forschungsprojekt NOBIT (No Bitumen), bei dem Wissenschaftler der TU Braunschweig, der TU Wien und der Ostschweizer Fachhochschule das Technologiekonzept für einen sogenannten Bioasphalt entwickeln. Bei diesem ersetzen nachhaltige biologische Bindemittel das herkömmliche fossile Bitumen.

Der neue nachhaltigere Baustoff soll nahezu vollständig aus aufbereitetem Ausbauasphalt bestehen, ergänzt durch biologische Bindemittel. Das Projekt ‚Technology Concept for Bioasphalt: 100% Recycling @ 0% Fresh Fossil Fuels‘ oder kurz NOBIT wird für drei Jahre bis Ende Januar 2027 laufen.

Über weitere konkrete Entwicklungen auf dem Sektor der Asphaltkollektoren gibt es allerdings nichts zu berichten Aus diesem Grund soll zum Abschluß noch auf eine Reihe von Publikationen hingewiesen werden, die sich für weitere Recherchen nutzen lassen:

Study of ice and snow melting process on conductive asphalt solar collector, Shaopeng Wu et al., Wuhan University of Technology, Dezember 2011

Effect mechanism of mixing on improving conductivity of asphalt solar collector, Shaopeng Wu et al., Wuhan University of Technology, August 2014

How to transform an asphalt concrete pavement into a solar turbine, Alvaro García und Manfred N. Partl, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), April 2014

Safe and Sustainable Coastal Highway Route E39, Bijan Adl-Zarrabi et al., Chalmers University of Technology, 2016

Hydronic Pavement Heating for Sustainable Ice-free Roads, Bijan Adl-Zarrabi et al., Chalmers University of Technology, 2016

Finite Element Approach to Assess the Benefits of Asphalt Solar Collectors, Lala Dakessian et al., American University of Beirut, 2016

3D numerical modelling and experimental validation of an asphalt solar collector, Alejandro Alonso-Estébanez et al., University of Cantabria, November 2017

The Asphalt Collector and Solar Road on the A58, Bachelorarbeit von J. Aron Vossebeld, Universität Twente, Juni 2018

Alternative hydronic pavement heating system using deep direct use of geothermal hot water, I-Hsuan Ho, University of North Dakota, und Sheng Li, Lanzhou Jiaotong University, Februar 2019

Developing a new thermoelectric approach for energy harvesting from asphalt pavements, Samer Dessouky et al., University of Texas at San Antonio, März 2019

A critical review of roadway energy harvesting technologies, Samer Dessouky et al., University of Texas at San Antonio, März 2020

Ernte von urbaner solarer Abwärme von Gebäuden und Oberflächen zur Vermeidung der sommerlichen Überhitzung in Städten, E. Haslinger et al., Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK), Wien, Februar 2021

A simplified model to assess the thermal performance of pavement solar collectors, Taher Ghalandari et al., Universität Antwerpen, Oktober 2021

Road Thermal Collector for Building Heating in South Europe: Numerical Modeling and Design of an Experimental Set-Up, Marco Beccali et al., Universität Palermo, Januar 2022

Hydronic Road-Heating Systems: Environmental Performance and the Case of Ingolstadt Ramps, Arslan Ahmed et al., TH Ingolstadt, November 2022

 

 

GewÄchshaus-Beheizung

Gewächshäuser gehören zu den ältesten Formen des passiven Solarenergienutzung. An vielen wissenschaftlichen Institutionen werden Versuche mit lichtkonzentrierenden Kollektoren, mit Spiegel- und Reflektorsystemen gemacht; auch die UN beschäftigt sich mit diesem Thema. Inzwischen ist man dazu übergegangen, die Sonnenenergie zusätzlich auch noch aktiv einzusetzen.

Israelische Forscher haben ebenfalls schon früh damit angefangen, Solartreibhäuser zu entwickeln, die in der Lage sind, die Sonnenenergie tagsüber zu speichern und Nachts als Wärme abzugeben.

Am Institut für Technik in Gartenbau und Landwirtschaft der Universität Hannover wird bereits Mitte der 1970er Jahre damit begonnen, die Nutzung der Sonnenergie für die Gewächshausbeheizung zu erforschen. 1975 ergeben erste Berechnungen, daß es für Heizzwecke günstiger ist, das Gewächshaus selbst als Kollektor zu nutzen, statt separate Sonnenkollektoren aufzustellen. Mit BMFT-Unterstützung wird 1977 das erste Solargewächshaus gebaut.

1979 wird die Entwicklung eines geschlossenen Gewächshaussystems mit integrierter solarer Wasserentsalzung (s.d.) für aride Gebiete begonnen, ebenfalls mit BMFT-Unterstützung.

Ab 1980 werden im Rahmen einer deutsch-zypriotischen Kooperation Solarheizsysteme für Gewächshäuser im Mittelmeerraum entwickelt und untersucht.

1984 unterstützt das BMFT den Aufbau einer Solaranlage mit Steinspeicher unter dem Gewächshaus eines Gartenbaubetriebes.

1988 fördert das BMFT schon das zweite Forschungsprojekt, bei dem es um die Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit verschiedener solartechnischer Systeme in Verbindung mit Gewächshäusern geht. Eine Pilot-Gewächshausanlage wird in der Südtürkei aufgestellt.

Richtige Neuigkeiten gibt es dann erst wieder Ende 2005, als die NaturPur Energie AG in der Orangerie der Stadt Darmstadt bundesweit erstmalig drei SunFlower-Module installiert. Nach einem erfolgreichen Praxistest plant man Anfang 2006 eine leistungsfähige Anlage mit einer Leistung von insgesamt knapp 15 kW in einem neu zu errichtenden Gewächshaus. Dabei soll auch untersucht werden, welche Auswirkungen die Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage auf das Mikroklima und auf das Pflanzenwachstum hat.

Konzentrierende Anwendungen der Solartechnologie erfordern eine präzise Nachführung, doch raue Witterungsverhältnisse machen oft massive Konstruktionen erforderlich. Das System von Sunvention hingegen wird unter einer schützenden Folie oder Glas als kostengünstiger Leichtbau realisiert (Envelope Power Greenhouse).

Hier verbindet sich die regenerative Erzeugung von Wärme und Strom mit Hilfe eines in zwei Achsen nachführbaren Linsensystems. Über Fresnellinsen wird das Sonnenlicht gebündelt und trifft in 20-facher Konzentration auf eine dahinter liegende, mit Wasser gefüllte Glas-Absorberröhre, in der sich die Solarzellen befinden. Das Wasser dient zum einen als Kühlflüssigkeit, um den Wirkungsgrad der Solarzellen möglichst hoch zu halten, und zum anderen als Wärmeträgermedium. Während die Direktstrahlung solartechnisch genutzt wird, wird das transmittierte Diffuslicht optimal den Bedürfnissen der darunterliegenden Pflanzen gerecht. Die Gewächshauskultur profitiert von verbesserten Wachstumsbedingungen, die Sunflower vom geschützten Umfeld, wobei gleichzeitig Kühlaufwand und Wasserverbrauch stark reduziert werden. An sonnigen Tagen mit hoher Gesamtstrahlung überwiegt die Direktstrahlung (ca. 80 %), welche vom Fresnel-Linsensystem konzentriert und in Strom umgewandelt wird. Es verbleibt ein Diffusstrahlungsanteil von rund 270 W/m², was ungefähr der Sättigungs-Energiedichte für das Pflanzenwachstum entspricht. An trüben Tagen wird die Einstrahlung nicht wesentlich reduziert, da der Direktstrahlungsanteil gering ist.

Projektpartner von NaturPur bei diesem bundesweit erstmaligen, rund 97.000 € teuren Pilotprojekts sind – neben der Stadt – auch die Heppenheimer Sunvention GmbH und die FH Darmstadt. Zu den Gründern von Sunvention GmbH in Heppenheim gehört unter anderem auch der bereits mehrfach erwähnte Jürgen Kleinwächter.

Schwimmbad-Beheizung

Für die Erwärmung großer Wassermassen in Schwimm­bädern ist Sonnenenergie besonders gut geeignet. Hier wird nur ein geringer Temperaturanstieg gewünscht, dafür ist der Wasserdurchlauf sehr groß. Schon 1978 gibt es in den USA mehr als 100.000 solarbeheizte, zumeist private Schwimmbäder.

Inzwischen sind vielerorts – auch in Mitteleuropa – öffentliche Frei- oder Hallenbäder mit einer Solarheizung gekoppelt worden. Als Richtwert genügt im allgemeinen pro Quadratmeter Beckenoberfläche eine Kollektorfläche von 0,5 m² bis 1 m². Bei den öffentlichen Bädern wird mit einer Wärmebedarfsdeckung zwischen 70 % und 85 % gerechnet, so daß auf jeden Fall eine zusätzliche Warmwasserbereitungsanlage installiert werden muß, die allerdings sehr viel kleiner dimensioniert sein kann als sonst. Die durchschnittliche Amortisationszeit beträgt 10 – 11 Jahre. Aufgrund der ständig steigenden Preise für fossile Brennstoffe wird immer öfter vorgeschlagen, zusätzlich zu den bereits existierenden Heizanlagen in bestehenden Bädern auch Solarheizungen einzubauen, um die Preissteigerungen aufzufangen.

Für kleinere Becken gibt es – ähnlich den bereits erwähnten Solarmatten von VW – auch die Aquasun-Schwimmbad-Kollektoren aus stark lichtabsorbierendem Kunststoff, die kissenartig und vom Wasser durchströmt neben das Becken gelegt werden, und die das Wasser um 4°C – 8°C erwärmen. Der Anschaffungspreis pro Quadratmeter beträgt 1976 etwa 50 DM. Allgemein gesprochen ist die Anwendung der Sonnenenergie bei der Schwimmbadbeheizung deshalb auch angemessen und verhältnismäßig preiswert, weil das Wasser selbst ja die Rolle des – bei anderen Anwendungen oft problematischen und teuren – Wärmespeichers übernimmt.

Ein gutes Beispiel für die Beheizung eines großen Frei­bades mit Sonnenenergie ist die 'Großversuchsanlage zur Nutzung der Sonnenenergie' in Wiehl, deren Grundstein 1975 gelegt wird. Die 1.100 Kollektoren der Anlage sind mit einer Gesamtfläche von 1.485 m² genauso groß wie die Oberflächen aller Schwimmbecken zusammen. Mit einem (maximalen) Wirkungsgrad von 74 % soll die Kollektoranlage zwischen Mai und September rund 650 MW in Form von Wärme liefern, womit das Schwimmbadwasser auf durchschnittlich 24°C erwärmt werden kann. Etwa 20 % – 30 % der gewonnenen Wärme erwärmen die 120 – 180 m³ Frischwasser auf 45°C, welche von den Besuchern an einem schönen Sonnentag – meist in den Duschen – verbraucht werden.

An diesem Beispiel zeigt sich auch deutlich, wie sinnvoll derartige Anlagen sind: Je stärker die Sonne scheint, desto mehr sonnenerwärmtes Wasser steht zur Verfügung, und desto mehr Besucher frequentieren die Anlage und benötigen mehr erwärmtes Duschwasser. Das Projekt wird zu etwa 50 % vom BMFT gefördert, die Gesamtkosten betragen 20 Mio. DM und die Realisation obliegt der Firma Brown, Boveri & Cie., Mannheim. Die Anlage ist zum Zeitpunkt ihrer Realisation die größte Kollektoranlage Westeuropas.

Die Musteranlage in Wiehl besitzt außerdem noch einige interessante Subsysteme, wie eine Anzahl von Wärmepumpen, die neben den Kollektoren in das Gesamtheizsystem integriert werden. So wird dem Fluß Wiehl bei Bedarf Wärme entzogen – ebenso wie dem Filterspülwasser. In Verbindung mit einer auch als Eislaufbahn nutzbaren Mehrzweckhalle wird der Einsatz einer Wärmepumpe zur Eiserzeugung vorgeschlagen, wobei diese ihre überschüssige Abfallwärme wiederum für die Freibadbeheizung nutzt. Vorausberechnungen hatten ergeben, daß im Winter etwa 70 % des Wärmebedarfs der Mehrzweckhalle durch diese Abwärme gedeckt werden können, die restlichen 30 % würde die Wärmepumpe durch das Abkühlen von Brunnenwasser bereitstellen. Eine Badebeckenabdeckung verhindert außerdem nächtliche Wärmeverluste. Neben alledem werden auch noch besondere Fenster mit hoher Wärmedämmung – d.h. Zweiglasscheiben mit einer Gasfüllung – eingesetzt, allerdings erst versuchsweise, da bisher noch nicht bekannt ist, ob das in die Scheiben eingeführte Gas über die im Bauwesen übliche Betriebsdauer tatsächlich nicht entweicht.

Alles in allem bildet Wiehl nicht nur ein einfaches solarbeheiztes Freibad, sondern ist ein sehr wichtiges Experiment der Integration verschiedener Energietransformationssysteme bis hin zur Nutzung besonderer Fliesenfarben in den Becken, die zur Erhöhung der sogenannten Globalstrahlungsabsorption beitragen. Außerdem ist die Kollektorstation gleichzeitig ein Versuchsfeld, auf dem verschiedene Kollektorbauarten untersucht werden. Die Betriebskostenreduzierung beträgt nach Inbetriebnahme etwa ein Drittel der Kosten des konventionellen Heizölbetriebs, was in diesem Fall einer jährlichen Einsparung von etwa 80.000 l Heizöl entspricht.

1990 entscheidet die Berliner Bauverwaltung, 14 Schwimmbäder mit Solarthermie auszurüsten.

1993 erhält die österreichische Solarfirma Solkav in Wilhelmsburg den Staatspreis für Erfinder für die Entwicklung und Umsetzung des weltweit ersten begehbaren Sonnenkollektors, der im Zuge einer Sanierungsmaßnahme des Erlebnisbades Bad Bibra in Sachsen-Anhalt als Schwimmbeckenumrandung installiert wird. Der Sport-Solar-Kollektor hat einen Wirkungsgrad von 81,1 %, erwärmt das Beckenwasser bis auf 28°C, ist auch im nassen Zustand rutschemmend und kann sogar saisonal als Sportplatz oder als Absorber für eine Kunsteisfläche genutzt werden. 

Im Zuge meiner eigenen praktischen Arbeit im Bereich der Solarthermie in Syrien erhalte ich 2001 den ersten Auftrag, ein privates Schwimmbad solar zu erwärmen. Das Becken ist nicht groß und kann sogar mit einer bogenförmigen Makrolon-Abschirmung abgedeckt werden, doch es gibt kaum Platz für die Kollektoren, geschweige denn eine offene, der Sonne zugewandte Fläche. Schließlich entwickeln wir einen 9 m langen und 1,25 m breiten Kollektor mit EPDM-Absorbern von Solkav, der an einer Stützwand in 6 m Höhe und quasi frei hängend installiert wird. Das Grundwasser mit seinen 14°C, das der Bauherr aus einem eigenen Brunnen hinaufpumpt, erreicht in wenigen Tagen die vereinbarte Temperatur von 23°C – und im Sommer wird das Wasser im Becken sogar 35°C warm, worauf umgehend diverse Folgeaufträge eingehen. Sehr verständlich für jeden, der schon mal ein Bad in wohlig heißem Wasser unter dem sternenklaren Nachthimmel von Damaskus genossen hat...

Und obwohl unser Team keinerlei vorhergehende Erfahrungen damit hat gelingt es uns auf Anhieb, hocheffiziente wie auch ästhetisch anspruchsvolle Lösungen zu realisieren, die unsere Kunden begeistern. Auf dem Foto sieht man den Kollektor noch ohne seine UV-resistente Polycarbonat-Abdeckung, während im Vordergrund die bewegliche Abdeckung und Zugangsschleuse zum Becken zu sehen sind.

Eine sehr empfehlenswerte Seite mit aktuellen Informationen zur Solarenergie aus den vorangegangenen Bereichen ist das Solarmagazin von solarserver.de.

Doch es gibt noch viele weitere Einsatzformen der Solarthermie kennenzulernen - wie Hybridanlagen, solare Kühlsysteme oder Solarteiche, also weiter...