Wärme aus der Sonne – Fakten zur Solarthermie
In diesem Themenblock zeigen wir Ihnen, wie die Energie der Sonne durch den Einsatz einer Solarthermie genutzt werden kann und welche Komponenten – vom Solarkollektor bis hin zum Wärmespeicher – eine solarthermische Anlage auszeichnen.
Sonnenstrahlen als Wärme-Energiequelle
Wie eine Solarthermie Sonnenenergie nutzbar macht
Die Strahlung der Sonne nehmen wir als Licht und als Wärme wahr – und analog dazu gibt es auf dem Dach auch zwei Arten der Gewinnung von Solarenergie: Neben der Stromerzeugung über Solarmodule lässt sich auch Wärme über sogenannte Solarkollektoren gewinnen, die Solarstrahlung absorbieren und an eine Wärmeträgerflüssigkeit abgeben.
Die Solarthermieanlage, die auch als thermische Solaranlage oder Solarwärmeanlage bezeichnet wird, dient der CO2-sparenden Warmwasseraufbereitung oder der Unterstützung einer wasserführenden Heizungsanlage. Außer Sonnenenergie benötigt eine Solarthermie nur ein wenig Strom für die Solarpumpe. In den meisten Fällen arbeiten solche Anlagen in Verbindung mit einer Erdgas-, Öl- oder Biomasseheizung, mitunter werden Kollektoren aber auch in Verbindung mit Wärmepumpen eingesetzt, um diesen durch das Anheben des Temperaturniveaus die Arbeit zu erleichtern.
Wie in der Photovoltaik bestimmt die Energiemenge, die man im Jahresverlauf gewinnen möchte, über die Größe der Kollektorfläche und die Dimensionierung des Wärmespeichers der Solaranlage, der die Energie aus der Sonne mit verhältnismäßig geringen Verlusten vorhalten – sie im Gegensatz zum Stromspeicher aber nur im Wärmesektor einsetzen kann. Auf der anderen Seite wird die mögliche Wärmeleistung durch Dachfläche, Dachform und Ausrichtung begrenzt. Im Sommer kommen hohe Solarstrahlung und geringer Wärmebedarf zusammen – in dieser Zeit erzeugt eine Solaranlage Überschüsse, die im Gegensatz zur Photovoltaik nicht in ein Netz eingespeist werden können.
Verschiedene Prinzipien der Wärmegewinnung mittels Solaranlage
Flach- und Röhrenkollektoren im Vergleich
Der Sonnenkollektor oder Solarkollektor wandelt die Energie nicht um, sondern sammelt sie ein. Die Wärmestrahlung wird von der Absorberfläche aufgenommen und über ein Trägermedium transportiert. Dabei handelt es sich meist um eine spezielle Solarflüssigkeit, aber auch Wasser und Luft sind möglich. Ein Speicher hält die Solarenergie für die Warmwasseraufbereitung oder die Heizungsunterstützung bereit.
Das Kernelement sämtlicher Solarkollektoren ist der Absorber, der aus gut leitendem Material wie Kupfer oder Aluminium besteht. Absorber haben in der Regel eine schwarze Oberfläche und sind mit einer selektiven Beschichtung versehen, um einen hohen Anteil der Sonnenstrahlung aufzunehmen – möglich ist ein Absorptionsgrad von über 90 %.
Die am häufigsten verwendete Kollektorart ist der Flachkollektor. Er ist relativ preisgünstig und bietet eine breite Palette an Montagemöglichkeiten. Der Wirkungsgrad des Flachkollektors ist gut, nimmt jedoch bei höheren Temperaturen ab. Das ist jedoch bei normalen Anwendungen kein Hindernis, sodass die Wahl am häufigsten auf den Flachkollektor fällt. Auch bei Röhrenkollektoren zirkuliert die Solarflüssigkeit durch Rohre, jedoch mit dem Unterschied, dass die Röhren von einem isolierenden Vakuum umgeben sind. Gerade bei hohen Temperaturunterschieden zwischen Umgebung und Absorber ist der Wirkungsgrad eines Röhrenkollektors höher, er ist durch aufwendige Produktion allerdings auch relativ teuer. Es gibt außerdem noch Hybridkollektoren, die Strom und Wärme erzeugen, und Speicherkollektoren mit einem eigenen Speicher. Beide Varianten werden jedoch in Deutschland selten genutzt.
Wärmespeicher hält Energie bereit
Mit einer Solarthermie für sonnenarme Zeiten vorsorgen
Es ist wie beim Strom: Wärmeenergie wird auch dann benötigt, wenn die Sonne nicht scheint. Deshalb ist der Wärmespeicher eine unverzichtbare Komponente von Solarthermie-Anlagen. Ein Solarthermie-Speicher nimmt die Wärmeenergie auf und gibt sie bei Bedarf wieder ab. Die Art der Solarwärmenutzung – Warmwasserbereitung oder Heizungsunterstützung – entscheidet sowohl über die Beschaffenheit als auch über die Größe des Wärmespeichers.
Ein weit verbreiteter Typ des Wärmespeichers ist der Brauchwasserspeicher, der ausschließlich für die Warmwasserversorgung genutzt wird und einen Vorrat an erwärmtem Wasser vorhält. Das Brauchwasser ist hier also zugleich das Speichermedium. Die Dimensionierung dieses Speichers hängt von der Personenzahl im Haushalt ab. Der Speicher sollte bivalent, also mit einer zweiten Wärmequelle neben der Sonne, betrieben werden.
Wird die Solarthermie für Warmwasser und Heizungsunterstützung genutzt, sind zwei Speichersysteme (Brauchwasser- und Pufferspeicher) oder ein sogenannter Kombispeicher erforderlich. Der Pufferspeicher – zumeist ein Schichtspeicher mit verschiedenen Temperaturbereichen – speichert Wärme für die Heizungsunterstützung aufgrund seines großen Volumens auch über mehrere Tage einer Schlechtwetterperiode. Theoretisch lässt sich die Wärmeversorgung komplett über einen großen, gut isolierten Speicher abdecken – das ist aber mit sehr hohen Kosten und viel Platzbedarf verbunden. Eine Alternative zu zwei separaten Speichern sind die Kombispeicher, die das erwärmte Brauchwasser und die Heizwärme in zwei „Tanks“ speichern, aber Platz sparen und integriert gesteuert werden.
Einsparung ja, Einnahmen nein
Zur Wirtschaftlichkeit einer Solarthermieanlage
Die thermische Solarthermie ist ein reines Eigenversorgungsprojekt, denn die Anlagen sind nicht mit einem Netz verbunden und können anders als die Photovoltaik-Anlage auch keine Überschüsse einspeisen. Solarenergie, die insbesondere im Sommer nicht im Haus direkt als Wärmenergie eingesetzt werden kann, bleibt ungenutzt. Ohne Einspeisung und entsprechende Vergütung beruht die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Solarwärmeanlage also ausschließlich auf den über die Lebenszeit erzielbaren Einsparungen bei der Heizenergie.
Zur Berechnung der Amortisation werden die voraussichtliche Nutzungsdauer, die Kosten der Anschaffung, Installation und Wartung sowie die Einsparungen bei der konventionellen Wärmeenergie betrachtet. Durch die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten der Solarthermie – Warmwasseraufbereitung, Heizungsunterstützung oder die Beheizung eines Pools ergeben sich sehr unterschiedliche Nutzungsprofile und Investitionsbedarfe. Ein hoher solarer Deckungsgrad ist aus Sicht des Klimaschutzes erstrebenswert und bringt auch die höchsten Einsparungen – er ist aber auch mit entsprechend hohen Ausgaben für die nötige Kollektorfläche, den ausreichend großen Speicher und die Regelungstechnik verbunden.
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