Solarthermie – Grundlagen und Funktionsweise

Solarthermie – Grundlagen und Funktionsweise

Unter dem Begriff Solarthermie versteht man die Umwandlung von Sonnenergie in thermische Energie. Die Solarthermie zählt zu den erneuerbaren Energien.

Im Tagesdurchschnitt beträgt die weltweit auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlungsenergie der Sonne schätzungsweise jährlich 1.045 kWh/m². Je nach Breitengrad, Höhenlage oder Witterung können die Werte in diesem Bereich stark schwanken. Die gesamte Energiemenge, welche auf die Erdoberfläche auftrifft ist zehntausendmal größer als der benötigte Energiebedarf der Menschheit. Damit ist das Potenzial der Solarenergie um ein Vielfaches größer als das aller anderen erneuerbaren Energien zusammen.

Geschichte der Solarthermie

Die ersten Anwendungen im Bereich der Solarthermie gehen zurück bis in die Antike. Bereits zur damaligen Zeit wurden Brenn- bzw. Hohlspiegel zur Fokussierung von Lichtstrahlen verwendet. Auch im alten Ägypten wurde die passive Nutzung der Solarthermie mittels der Architektur der damaligen Bauwerke praktiziert. Türen wurden beispielsweise so positioniert, dass diese sich zur Mittagszeit an der sonnenabgewandten Seite des Bauwerks befanden. Türen und Fenster in kalten Klimazonen hingegen wurden bevorzugt auf der windabgewandten Hausseite verbaut, möglichst in Richtung der Mittagssonne.

Bereits im 18. Jahrhundert erfand der Naturforscher Horace-Bénédict de Soussure die Vorläufer unserer heutigen Sonnenkollektoren. Allerdings wurden erst Mitte der 70er Jahre erste brauchbare Konzepte zur Solarenergienutzung entwickelt, ausschlaggebend hierfür war die erste Ölkrise.
Das erste Patent für eine Solaranlage wurde bereits 1891 an einen Metallfabrikanten aus Baltimore vergeben.

Sonnenkollektoren für die Solarthermie

In Form von Aufdachanlagen werden Sonnenkollektoren häufig verbaut. Selbstverständlich gibt es auch in diesem Bereich Annahmen. Zunächst unterscheidet man Sonnenkollektoren für die Solarthermie in unterschiedliche Bauformen:

Spezifität von Vakuumröhrenkollektoren ohne die Konzentration der Strahlung zur Erhöhung der Temperatur

Zwei konzentrisch ineinander verbaute Glasröhren werden als Vakuumröhrenkollektoren bezeichnet. Zwischen diesen zwei Glasröhren befindet sich ein Vakuum. Es lässt die Übertragung der Strahlungsenergie des Lichts als Absorber zu. Der Wärmeverlust wird stark verringert. Das Wärmeübertragungsmedium, welches sich im Inneren der Röhre befindet und zumeist aus einem Wasser-Diethylenglycol-Gemisch besteht, wird durch Pumpen angetrieben. Wärme wird transportiert, während „offene Systeme“ das Wasser direkt erhitzen. Die Kollektoren arbeiten bis zu einer Betriebstemperatur von ca. 150 °C. Mit einem höheren Wirkungsgrad als Flachkollektoren sind Vakuumkollektoren teuer in ihrem Anschaffungspreis.

Spezifität von Vakuumröhrenkollektoren mit der Konzentration der Strahlung zur Erhöhung der Temperatur

Vakuumröhrenkollektoren können alternativ auch mit Reflektoren ausgestattet sein. Sie konzentrieren die Strahlung auf das Rohr mit dem Wärmeträgermedium. Die Konzentrationswirkung ist dabei unterschiedlich stark und bewirkt, dass kein Licht ungenutzt zwischen den Wärmeträgerröhren hindurchscheint.
Andererseits können die Vakuumabsorber mit einem lichten Abstand angeordnet werden. Das spart Kosten. Die Temperatur im Wärmeträgermedium steigt schneller und wird schneller erhöht, durch die Konzentration der Strahlung. Die minimale Systemtemperatur und damit verbundene Nutzbarkeit der Energie ist schneller erreicht.
Um diesen Vorteil zu erhalten, ist eine regelmäßige Reinigung der Kollektoren notwendig.

Spezifität von Flachkollektoren ohne die Konzentration der Strahlung zur Erhöhung der Temperatur

Flachkollektoren arbeiten mit einer durchschnittlichen Temperatur von 80 °C. Das Licht wird in Flachkollektoren nicht gebündelt. Eine flache wärmeabsorbierende Fläche wird direkt erwärmt. In dieser Fläche befindet sich das Wärmeträgermedium. Neuere Flachkollektoren sind bereits mit einer Vakuum-Isolierung versehen. Der Wirkungsgrad wird durch geringer Energieverluste gesteigert. Die nutzbare jährliche Wärmeenergie ist mit circa 350 kWh/m² ausgezeichnet.

Spezifität von Parabolrinnenkollektoren mit der Konzentration der Strahlung zur Erhöhung der Temperatur

Fokussierte Lichtstrahlen werden von Parabolrinnenkollektoren genutzt. Diese verlaufen zentral zur absorbierenden Wärmeleitung. Die höhere Arbeitstemperatur von 200 und 500° C, verlangt den Einsatz von Ölen als Wärmeträgermedium.

Solarthermie im privaten Bereich

Solarthermie wird im privaten Bereich vorwiegend zur Heizung oder Klimatisierung genutzt. Dadurch verringert sich der Bedarf an zusätzlicher Heizenergie.

Typische Beispiele für die passive Nutzung von Sonneneinstrahlung stellen das Gewächshaus und der Wintergarten dar. Während Dachüberstände im Sommer kühlend wirken und im Winter – bedingt durch den niedrigen Stand der Sonne – wärmend wirken. Durch Absorberwandflächen lässt sich ein ähnlicher Effekt erreichen. Techniken dieser Art finden zunehmend häufig in der Solararchitektur Anwendung.

Als eigenständige und vollwertige Heizung können Kollektoren zur Warmwasseraufbereitung fungieren, alternativ könne sie zur Unterstützung bei einer bereits vorhandenen Heizung fungieren.

Die umweltfreundlichen Betriebseigenschaften der Solarthermie überzeugen im Vergleich zu anderen Heizungsformen. Passiv solare Bautechniken sowie Solarthermie sind weniger wartungsanfällig und weisen weitere Vorteile, durch den nicht vorhandenen Brennstoff, auf. Laufende Kosten entfallen für den Anlagenbetreiber. Geringe Stromkosten von circa 10,00 bis 20,00 Euro pro Jahr fallen für den Betrieb der elektrischen Umwälzpumpe, bei einer Nennleistung von circa 7 bis 15 Watt und einer Durchschnittslaufzeit von ca. 5.300 Stunden/Jahr, an.

Zwischen 8 bis 10 Jahren beträgt die durchschnittliche Amortisationszeit eines Solarthermie Systems. In dieser Laufzeit führen die Kollektoren je nach Einstrahlungsbedingungen die beständig gleiche Menge an Energie der Heizung zu. Die Lebensdauer der Kollektoren wird bei entsprechender Wartung mit mindestens 30 Jahren angegeben.

Wirtschaftlich sinnvoll hängt die Amorsisationszeit einer Solarthermieanlage hauptsächlich von der Sonneneinstrahlung sowie der Langlebigkeit verbauter Komponenten ab, denn die Anlage rechnet sich ausschließlich über die eingesparten Brennstoffe.

Als unerlässlich zur Nutzung solarer Wärme gelten:

• die Südausrichtung, oder Ost-West-Schaltung
• hochwertige Sonnenkollektoren
• ein hochwertiger Schichtenspeicher
• eine hydraulisch ausreichend gut abgeglichene Heizungslange
• eine geringe Vorlauftemperatur

Berücksichtig man diese Faktoren bereits in der Planung rechnet sich eine Solarthermieanlage nicht nur wirtschaftlich, sondern erhöht sogar die solare Gewinnspanne. Flachkollektoren gelten gegenüber Vakuumröhrenkollektoren sogar als weitestgehend in ihrer Nutzung unempfindlicher gegen äußere Einflüsse.

Förderung Solarthermie in Deutschland

Der Einsatz von solarthermischen Anlagen wird je nach Größe und Einsatzgebiet von der Bundesrepublik finanziell gefördert.

Die staatlichen Förderungen werden durch die BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) oder KfW-Bankengruppe gewährt. Nicht selten ist die Vergabe der Förderkredite oder Zuschüsse an weitere Modernisierungsmaßnahmen gebunden.

Folgende Maßnahmen werden gefördert:

• solare Trinkwassererwärmung
• solare Heizungsunterstützung
• große Solaranlagen
• Erweiterung von Bestandsanlagen