Thermische oder Photovoltaische Solaranlage? – Ein Kostenvergleich

Martin Creuzburg, Regensburg

(erscheint in Sonnenenergie und Wärmetechnik 12/99)

Die Sonnenstrahlung ist der Ursprung jedes Lebens. Auch der intelligente Mensch hat es –wie die übrige Natur – verstanden, sie optimal zu nutzen. Beim industriellen Menschen scheint dieses Wissen teilweise verloren gegangen zu sein. Die Sonnenstrahlung und ihre Folgeformen werden oft, besonders von etablierten "Energieversorgern", abwertend als "regenerative Energien" in eine Nische gestellt, aus der sie sich möglichst nicht über die 1-Prozent-Marke hinausbewegen mögen. Trotzdem übt die direkte Nutzung der Sonnenstrahlung zum dezentralen Antrieb unseres modern-komfortablen Lebens eine grosse Faszination auf Menschen aus, die über ihr eigenes Leben und den eigenen Vorteil hinaus denken – wie sonst wäre es zu verstehen, dass auf immer mehr Häusern thermische Sonnenkollektoren für die Brauchwasserbereitung und Photovoltaik(PV)-Module zur Stromversorgung gebaut werden, obwohl es viel billiger ist, Wärme über Öl oder Gas und Strom aus der Steckdose zu kaufen. An diesem Preisdilemma ändern auch die meisten Förderprogramme nichts.

Die Energie der Sonnenstrahlung ist für menschliche Bedürfnisse unbegrenzt: Auf jedes Quadratmeter scheint in unserem Klima pro Jahr effektiv 800 Stunden lang die volle Sonnenleistung von 1000 Watt. Beschränkt sind der Platz und die Investitionsgelder für die Energieumwandlung. Während thermische Kollektoren mit 6 m2 im Sommer genügend Warmwasser für einen anspruchsvollen Haushalt liefern, lässt sich mit PV-Modulen wertvoller Strom erzeugen: mit 30 m2 der gesamte Strombedarf einer Familie. Die auf die Fläche bezogenen Kosten sind heute für beide Techniken ungefähr gleich, so dass sich Bauwillige oft schwer entscheiden können, in welche Technologie sie investieren sollen.

Im folgenden soll deshalb ein Vergleich darüber angestellt werden, welche Kosteneinsparungen auf den Bauherren zukommen. Dabei muss beachtet werden, dass die Erträge von Kollektoranlagen wegen der verschiedenen Ausnutzung der Wärme sehr stark schwanken (s.u.), so dass ein Vergleich mit den praktisch einheitlichen spezifischen Stromerträgen von PV-Anlagen nur ungenau möglich ist.

Sonnenkollektoren haben einen Wirkungsgrad von ca. 60 %, PV-Anlagen von ca. 10 %. Könnte die gesamte Wärme ausgenutzt werden, so ergäbe sich, obwohl Strom 2,5 mal wertvoller als Wärme ist, ein ökologischer Vorteil der Kollektoren von 240 %. In vielen Fällen (s.u.) kann dieser aber nicht voll ausgenutzt werden, besonders wenn die Anlagen grösser sind als dem Verbrauch entspricht. Auf die ökologischen Aspekte soll hier aber nicht weiter eingegangen werden.

Bezogen auf den Ertrag des eingesetzten Kapitals erweist sich jedoch die Photovoltaik mit ihrem grossen Kostenreduktionspotenzial bei gleicher Förderung schon heute als günstiger als die Thermie, selbst wenn, wie im folgenden, die Thermie eher günstig und die Photovoltaik eher konservativ dargestellt wird. Mit der 37%-Förderung durch das 100 000-Dächer-Programm oder gar bei kostendeckender Solarstromvergütung (KV) fällt die Entscheidung natürlich leicht, besonders für eine grössere Anlage.

Gesamtkosten. Der Vergleich, dessen Ergebnisse in der Tabelle zusammengestellt sind, geht von einer 6 m2 Kollektoranlage für einen Systempreis von DM 9000,- aus (Zeile 3). Dieser Wert wird im konkreten Fall meist überschritten, seltener unterschritten. Die Gründe dafür liegen nicht nur in Qualität und Ausführung der Anlage, im Anteil der Eigenleistungen und den baulichen Besonderheiten, sondern vor allem auch in der möglichen Einbindung

vorhandener Komponenten oder der Gutschrift z.B. aus einem ohnehin zu ersetzenden Brauchwasserspeicher. Diese sehr breite Streuung wird in [1] ausführlich dargestellt.

Photovoltaikanlagen sind einfacher zu kalkulieren, da Arbeits- und Systemanteil wesentlich geringer sind. Trotzdem schwanken die spezifischen Preise etwa zwischen 11 DM/kWp 15 DM/kWp, wobei nicht immer die grössten den niedrigsten Preis haben (z.B. Neue Messe München mit 15 DM/Wp). Zur Berechnung der Anlagengrösse (Zeile 5), die man für dieselbe Investition wie die einer thermischen Anlage erhält, wird vom Maximalwert von 15 DM/Wp ausgegangen.

 

thermisch

photovoltaisch

1

Eigenmittel (Kosten abzgl. Förderung) (DM)

7.200,-

7.200,-

7.200,-

7.200,-

2

Förderung

20 %

20 %

37 %

49 %

3

Gesamtkosten (DM)

9.000,-

9.000,-

11.430,-

14.800,-

4

Grösse (m2)

6

6

7,6

9,9

5

Leistung (kWel)

-

0,6

0,76

9,9

6

Service / Reparaturen (DM/a)

100,-

90,-

114,-

148,-

7

Stromkosten (DM/a)

20,-

-

-

-

8

Thermischer Energie-Ertrag (kWhth/a)

2100

-

-

-

9

Elektrischer Energie-Ertrag (kWhel/a)

-

480

608

792

10

Finanzieller Ertrag (DM/a)

155,-

122,-

155,-

202,-

11

Geldertrag abzgl. Betriebskosten (DM)

35,-

32.-

41,-

54,-

12

Annuität bei 4 % Zins und 20 Jahren (DM/a)

530,-

13

Wärme- bzw. Strompreis (DM/kWh)

0,31

1,29

1,06

0,86

 

Förderung. Das zur Zeit gültige Förderprogramm des Bundes (baw) für thermische Solaranlagen enthält nur 125,-DM/m2, also 8,3 %. Viele Bundesländer und Gemeinden gewähren einen höheren Zuschuss (Spitze: Hamburg mit 33 %)[1]. In Zeile 2 wird ein mittlerer Fördersatz von 20 % angenommen. Damit hat der Bauherr DM 7200,- aufzubringen.

Für das gleiche Geld erhält er bei gleicher Förderung von 20 % eine PV-Anlage mit einer Spitzenleistung von 600 Wp (Zeile 5); Nimmt er das 100 000-Dächer-Programm in Anspruch, welches effektiv 37 % Zuschuss gewährt, so kann er 760 Wp installieren. Viele Gemeinden haben ein kummulierbares Förderprogramm, im Falle Regensburg weitere 12 %, so dass dann für DM 7200,- eine Anlage mit 990 Wp installiert werden kann.

Betriebskosten. Solaranlagen sollten regelmässig kontrolliert werden. Bei thermischen Anlagen wird dazu meist ein Installateur beauftragt oder ein Wartungsvertrag abgeschlossen. In Zeile 6 wir dafür ein jährlicher Betrag von DM 100,- angesetzt [1], der aber noch keine realen Reparaturkosten enthält. Für die Steuerung und die Umwälzpumpe werden Stromkosten von DM 20,- pro Jahr gerechnet, ein Betrag, der durch ein spezielles PV-Modul vermieden werden kann, jedoch verursacht dessen Anschaffung etwa gleich grosse jährliche Kosten.

Photovoltaikanlagen sind inzwischen sehr wenig störanfällig und ihre Funktion kann von jedem Betreiber selbst kontrolliert werden. Störungen am Wechselrichter treten heute nur noch selten auf. Die PV-Module laufen seit über 10 Jahren störungsfrei (bis auf die AEG-Module, die aber durch die Nachfolgefirma ASE kostenlos ausgewechselt werden.) Trotzdem wird in Zeile 6 eine Pauschale von 1% der Gesamtkosten angesetzt, wie sie auch bei der Berechnung der Kostendeckenden Vergütung in NRW zugrundegelegt wird. Von den von uns [2] koordinierten 35 Anlagen im Regensburger Raum hat aber keine annähernd so hohe Betriebskosten verursacht.

Energie-Ertrag. Dieser Schlüsselfaktor bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist bei thermischen Anlagen wohl der schwierigste. Die maximal mögliche solare Ernte von 800 kWh/m2 wird durch den Kollektorwirkungsgrad von 60 % [1, S.62] zu 0,6× 800 kWh/m2 = 480 kWh/m2 und durch den Ernteverlust im Winter um weitere ca. 20 % zu 384 kWh/m2 reduziert. Diese maximal nutzbare Energie kann aber nur in den seltensten Fällen voll genutzt werden. Die wirkliche solare Ernte schwankt deshalb sehr stark, weil sie von der Systemauslegung und vom Benutzerverhalten abhängt. Nur bei geringem Deckungsgrad, z. B. bei Mehrfamilienhäusern, oder bei hohem Brauchwasserverbrauch [1, S. 76] wird die ganze erreichbare thermische Energie auch genutzt. Leider gibt es keine Feldstudien für die real erreichten Energieerträge, weil die dazu nötigen Wärmemengenzähler nur sehr selten installiert sind. Grosse Anlagen, bei denen auf Ertragsoptimierung geachtet werden sollte, sind eher dokumentiert. Eine 2000 m2 grosse Kollektorfläche für saisonale Speicherung brachte aber z.B. nur einen Kollektorertrag von 270 kWh/m2a [3]. In einem anderen Beispiel wurden zwischen 390 und 280 kWh/m2 gemessen, je nach Warmwasserverbrauch. Dabei handelt es sich aber um eine 8 m2 grosse Vakuum-Flachkollektoranlage, die, besonders in der kalten Jahreszeit, effizienter als die heute üblichen Flachkollektoren arbeitet [4]. Den in Zeile 8 angenommenen Ertrag von 6 × 350 = 2100 kWh/m2, der mitunter auch im Prüfzertifikat für Kollektorerträge gefordert wird, erreichen also höchstens optimal laufende und maximal genutzte Anlagen.

Der Stromertrag (Zeile 9) der Photovoltaikanlagen lässt sich in einfachster Weise am Zähler oder am Einspeisegerät ablesen. Anders als beim 1000-Dächer-Programm vor 10 Jahren, dessen Anlagen bundesweit ausgewertet werden und die keinen störungsfreien Betrieb zeigen, ist heute ein Ertrag von 800 kWh pro 1000 W-Anlage Standard, mit Streuungen je nach Anlage und Region von ± 10 %.

Geld-Ertrag (Zeile 10). Bei thermischen Anlagen sind damit die durch das Abschalten des Heizsystems vermiedenen Kosten gemeint. Da vor dem Erwerb einer thermischen Solaranlage ein altes Heizungssystem jedenfalls renoviert werden sollte, wird hier nur ein modernes Heizungssystem betrachtet. Dieses solle bei der Brauchwassererzeugung einen Sommer-Nutzungsgrad von etwa 70 % haben. Da der Brauchwasserbetrieb nur einen kleinen Teil der Gesamtbetriebszeit der Anlage erfordert, wird hier keine Stillstandsgutschrift berücksichtigt. Bei einem Ölpreis von 40 Pf/l errechnen sich dann Brennstoffkosten von 0,04 DM/kWh × 2100 kWh / 0,70 = 120,- DM und Stromkosten bei 150 W Pumpenleistung von DM 6,-. Bei einem Gaspreis von 60 Pf/m3 ergibt sich entsprechend etwa 0,06 × 2100 / 0,70 = 180,- DM und wegen der geringeren Pumpenleistung nur 3,- DM Strom. In Zeile 10 ist der Mittelwert von DM 126,- und DM 183,- eingesetzt. Mitunter wird eine elektrische Nachheizung für sonnenlose Zeiten angeboten. Selbst wenn diese nur 10 % ausmachen, reduziert sich wegen des 10 mal höheren Strompreises der Geldertrag praktisch auf Null.

Für den Solarstrom wird unterschiedlich viel gezahlt. Das Stromeinspeisungsgesetz verlangt rund 17 Pf/kWh, bei vollständigem Eigenverbrauch (oder kostenneutraler Stromeinspeisung, dem sogenanntem 1:1-metering) werden 35 Pf/kWh gespart. In Zeile 10 wird ein Mittelwert von 25,5 Pf/kWh angenommen.

Ergebnis. Die pekuniären Einsparungen liegen bei thermischen Anlagen rechnerisch nur DM 15,- über den Betriebskosten (Zeile 11). Bei den Photovoltaikanlagen entsteht, je nach Förderung, ein Überschuss von zwischen DM 32,- und DM 54,- pro Jahr, wenn unrealistisch hohe 1% Reparaturkosten gerechnet werden. Auf der Ausgabenseite bleibt bei Fremdfinanzierung die verzinste jährliche Rückzahlung (Annuität), der bei Eigenfinanzierung die verzinste Abschreibung entspricht. Bei 530,- DM pro Jahr (Zeile 12) wird von einer niedrigen Verzinsung von 4 % und einer Laufzeit von 20 Jahren ausgegangen. Bei 6 % Zins würde die jährliche Belastung auf DM 627,- steigen. Photovoltaikanlagen werden aber noch länger betriebsbereit sein, denn die Module tragen heute eine Leistungsgarantie von 25 Jahren. Bei 30 Jahren Laufzeit reduziert sich die jährliche Belastung bei 4 % Zins auf DM 417,-.

Aus Zeile 12, 6 und 7 sowie Zeilen 8 bzw. 9 ergibt sich der in Zeile 13 eingetragene Wärmepreis von 31 Pf/kWhth und der Strompreis von 112, 91 bzw. 74 Pf/kWhel. Der erzeugte Strom ersetzt im bundesdeutschen Strommix ca. 2,5 mal mehr Heizenergie [5], so dass der Kilowattstundenpreis für Thermie und Photovoltaik sich kaum unterscheiden. Als Preise für emissionsfreie Energie liegen sie beide unter denen von fossiler und nuklearer Energie, wenn deren externe Kosten berücksichtigt werden (Verachtfachung des Strompreises [6]).

Ausblick. Solange die Solarenergie nicht den ihr zustehenden Umweltbonus gegenüber den zur Zeit noch billigen klimabelastenden fossilen Energieträgern erhält, hat sie bei uns trotz der gegenwärtigen Fördermassnahmen keine wirtschaftliche Perspektive. Solaranlagen werden also aus idealistischen Motiven der Resourcenschonung gebaut. Wenn aber in Zukunft ein merklicher Anteil des bundesdeutschen Energieverbrauches durch Solaranlagen gedeckt werden soll, müssen stärkere wirtschaftliche Anreize geschaffen werden: Bei thermischen Anlagen durch stärkere Investitionsförderung (mit allen Schwierigkeiten bei der Betriebsüberwachung), bei photovoltaischen Anlagen am wirksamsten, einfachsten und gerechtesten durch Ertragsförderung (Kostendeckende Vergütung), wie sie allen anderen Stromerzeugungstechniken, vom Atomkern bis zum Wind, gewährt wird. Das in den privaten Haushalten schlummernde Investitionspotential wird dann einen Massenbedarf auslösen, der zu einer Kostenreduktion führen wird: Bei der produktintensiven Photovoltaik um den Faktor drei [7] und damit wesentlich mehr als bei der arbeitsintensiven Thermie. Dann kann Sonnenstrom ohne Zuschüsse auch in unseren Breiten beim Endverbraucher mit dem Umwelt-subventionierten fossilen Strom konkurrieren.

 

Zitate: [1] Thermische Solaranlagen – Marktübersicht, Öko-Institut Freiburg 1997
[2] Interessengemeinschaft Regensburger Solarstromeinspeiser,
Adresse des Autors.
[3] Hausladen et al. in: Fachforum Solares Bauen, OTTI, Regensburg 1999
[4] Pistohl, Studie in Zusammenarbeit mit der OBAG, Regensburg 1996
[5] GEMIS 3.0, Bilanzierungsprogramm des Öko-Instituts Darmstadt
[6] Studien von Prognos und ISI, WIRTSCHAFTSWOCHE Nr.46, 1992
[7] P. D. Maycock in: Renewable ENERGY World, July 99