Zusammenfassung

Mongolei: Heizen mit Solarstrom

atmosfair finanziert und installiert Photovoltaikanlagen und elektrische Heizsysteme in der Mongolei und ermöglicht so Institutionen wie Kindergärten und Schulen die Umstellung vom Heizen mit umwelt- und gesundheitsschädlicher Kohle zu Solarstrom.

Die Solaranlagen sind dabei so ausgelegt, dass sie über das Jahr so viel Strom produzieren, wie für das Heizen benötigt wird. Im Winter soll Strom zusätzlich aus dem Netz bezogen und im Sommer die gleiche Menge Solarstrom in das Netz eingespeist werden.

Elektrische Heizung

Die ersten zwei solarelektrischen Heizsysteme wurden Anfang Oktober 2023 in Betrieb genommen. Es handelt sich um „Zwillings“-Kindergärten in Ulaanbaatar, d.h. zwei Kindergärten am gleichen Ort in zwei benachbarten quasi identischen Gebäuden. Hier testen wir zwei Ansätze für das elektrische Heizen:

Im Kindergarten A nutzen ein wassergeführtes Heizsystem mit Heizstäben, um den Strom aus der 50 kWp PV-Anlage in Wärme umzuwandeln. Diese wird in Latentwärmespeichern zwischengespeichert, bei denen die Wärme beim Schmelzen von Wachsen gespeichert und beim Aushärten der Wachse wieder freigegeben wird. Dies ermöglich die effektive Nutzung des Solarstroms im Winter auch ohne Netzeinspeisung. Die Wärme wird in isolierten Wasserleitungen zu den Heizkörpern in den einzelnen Räumen geleitet.

Das zweite Heizsystem im Kindergarten B nutzt den Strom einer 20 kWp PV-Anlage, um mit 19 Klimaanlagen, also Luft-Luft-Wärmepumpen, die einzelnen Räume direkt und effizient zu beheizen. Wie der Name schon sagt, pumpen die Wärmepumpen die Wärme von der Außenluft in die Innenluft der Gebäude. In einem Kompressorkreislauf wird ein Kühlmittel durch niedrigen Druck in der Außeneinheit der Klimaanlage zum Verdampfen gebracht. Hierbei entzieht sie der Umgebungsluft Wärme. Dies funktioniert auch bei Minustemperaturen. In der Inneneinheit der Klimaanlage wird das Kühlmittel unter hohem Druck verdichtet und kondensiert. Die Wärme wird dabei an die Innenluft abgebeben. Betreibt man eine Klimaanlage im Kühlbetrieb dreht sich der Prozess um. Handelsüblichen Kühlschränke funktionieren nach demselben Prinzip.

Eine Studie mit insgesamt 7 Haushalten zeigte bereits 2019, dass das effiziente Heizen mit modernen Klimaanlagen selbst in der sehr kalten Mongolei möglich ist[1]. Selbst bei Tiefsttemperaturen waren die Klimaanlagen noch leicht effizienter als Heizstäbe (100% Effizienz) und produzierten während der gesamten Heizperiode im Schnitt für jede kWh Strom 2,8 kWh Wärme. Man spricht hier auch von einem SCOP (seasonal coefficient of performance) von 2,8. In Deutschland sind aufgrund der milderen Wintern Werte zwischen 4 und 5 möglich. Die PV-Anlage für den Kindergarten B konnte somit kleiner dimensioniert werden als die für den Kindergarten A.

Mongolei und Solarenergie

Ca. 90% der Heizenergie deckt die Mongolei mit heimischer Kohle. Neben den immensen Umwelt- und Klimafolgen ist die Luftverschmutzung, welche primär durch das Verbrennen der Kohle verursacht wird, allein in Ulaanbaatar für ca. 3300 frühzeitige Tote jedes Jahr verantwortlich[2]. Die Umstellung auf solarelektrisches Heizen kann eine nachhaltige Lösung darstellen.

Der Winter in der Mongolei ist kalt. Mit einer Jahresdurchschnittstemperatur von -2°C und Tiefsttemperaturen von bis zu -40° C im Winter ist Ulaanbaatar die kälteste Hauptstadt der Welt. Gleichzeitig produzieren Photovoltaikanlagen durch die stärkere Sonneinstrahlung bei niedrigeren Temperaturen ca. 1,8 mal mehr Strom wie gleichgroße Anlagen in Deutschland (ca. 1800 kWh/kWp/Jahr vs 1000 kWh/kWp/Jahr). Werden die Solaranlagen steil aufgeständert (45-50°) und nach Süden ausgerichtet, produzieren sie in den hochgelegenen Gebieten der Mongolei auch im Winter so viel Strom wie im Sommer. Im Vergleich: in Deutschland fällt die Solarleistung im Winter auf ca. 1/3 der Leistung im Sommer ab. Dadurch kann in der Mongolei auch ohne Saisonspeicher ca. 75% des Solarstroms zum Heizen genutzt werden.

 Ausblick

Nach dem Auswerten der beiden unterschiedlichen elektrischen Heizsystemen nach dem ersten Winter ist die Ausweitung des Projekts auf weitere Institutionen geplant. Um den Zuschussanteil zu reduzieren und eine Skalierung zu ermöglichen wird in Zukunft neben Kostenoptimierungen die Einspeisevergütung des produzierten Solarstroms von entscheidender Bedeutung sein.

[1]2019, Pillarisetti et al,  Advanced household heat pumps for air pollution control: A pilot field study in Ulaanbaatar, the coldest capital city in the world, https://householdenergy.org/wp-content/uploads/2019/03/1-s2.0-S0013935119301471-main.pdf; [2] https://newclimate.org/news/the-important-health-benefits-of-preventing-coal-lock-in-in-mongolia

Partner

Die kraftBoxx GmbH hat sich auf Power2Heat- und Latentspeichersysteme spezialisiert. kraftBoxx stellt die Wassergeführten Heizsysteme inkl. Heizstäben und Latentspeicher her und übernimmt zusammen mit dem Mongolischen Partner Solar Energy Consulting LLC die Montage, Installation und Überwachung für die solarelektrischen Heizsysteme der Kindergärten.

Das NewClimate Institute (NCI) ist eine gemeinnützige Organisation, die Ideen zum Klimaschutz entwickeln und deren Umsetzung vorantreiben. Das NCI co-finanzierte das solarelektrische Heizsystem mit den Luft-Luft-Wärmepumpen.

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