Solarthermie

Wohnhausdächer mit Flachkollektoren. Foto: Wagner

Die Solarthermie steht für die energetische Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme. Je höher die Arbeitstemperatur (60°C - 200°C) in einer solarthermischen Anlage ist, desto größer ist die Güte und der technischen Aufwand. Das Prinzip bleibt bei allen Anwendungen gleich.

Archimedes schaffte es im Jahr 214 v. d. Z. mittels eines Hohlspiegels, Wasser zum Kochen zu bringen. Eine wichtige Rolle spielt der Standort, da die Sonneneinstrahlung intensiver wird, je näher ein Ort am Äquator ist. In Berlin ist die jährliche Sonneneinstrahlung 1005 kWh/m²/a, im Vergleich dazu kann in der Sahara die Sonneneinstrahlung bis 2500 kWh/m²/a erreichen.

Solarthermische Systeme können unterschiedliche Zwecke erfüllen. Warmes Wasser wird in einem Haus meistens zum Reinigen oder Duschen benötigt bei Temperaturen zwischen 35°C und 50°C, aber auch zum Heizen. Dort werden natürlich höhere Arbeitstemperaturen gebraucht (70°C bis 90°C), so dass eine solarthermische Anlage auch unterstützend arbeiten kann. In diesem Fall wird das Wärmeträgermedium im Solarkollektor teilweise erwärmt und anschließend durch einen Heizkessel auf die gewünschte Heiz- oder Trinkwassertemperatur gebracht.

Jede solarthermische Anlage besitzt einen Wärmespeicher, in dem die Wärme gespeichert werden kann. Der Vorteil von Wärmespeichern ist, dass zu Zeiten schwacher Sonneneinstrahlung die Nachfrage nach Warmwasser gedeckt werden kann. Diese Aufgabe erfüllen Kurzzeitspeicher, die in der Regel kleinere Volumen als Langzeitspeicher aufweisen, nicht.

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel der eintreffenden Sonnenenergie in Wärme umgewandelt werden kann. Bei einem Flachkollektor mit einem Wirkungsgrad von 65% sind 35% Verluste, d.h. ein Teil der eintreffenden Solarstrahlung wird nicht vom Absorber erfasst (optische Verluste) und ein Teil der umgewandelten Wärme geht verloren (thermische Verluste). Letztere werden mit steigender Arbeitstemperatur größer.

Kollektor

Die eintreffende Sonnenstrahlung trifft auf den Solarkollektor, der das Licht einsammelt. Ein Teil der Sonnenstrahlung fällt auf den Absorber, wo diese absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Der Absorber ist häufig eine dunkle beschichtete Fläche, die durch die Sonnenstrahlung sehr stark erwärmt wird. Weiterhin sind im Absorber Kupferrohre, in denen das Wärmeträgermedium fließt. In den meinten Fällen ist dieses Medium auf Grund seiner ungefährlichen Eigenschaften Wasser. Dieses hat beim Eintritt in den Solarkollektor eine geringere Temperatur als beim Austritt, so dass die umgewandelte Wärme im Absorber abtransportiert wird.

Speicher

Im Wärmespeicher wird die erzeugte Wärme des Solarkollektors zwischengespeichert. In den meisten Fällen trennt der Speicher den Wasser- und den Solarkreislauf über einen Wärmetauscher. Der geschlossene Solarkreislauf besteht aus Wasser und Frostschutzmittel und transportiert die Wärme aus dem Solarkollektor in den Speicher. Das Frostschutzmittel soll verhindern, dass im Winter das Wasser in den hausexternen Leitungen einfriert. Der Wasserkreislauf, in dem sich reines Wasser befindet, ist meistens ein offener Kreislauf. Kaltes Leitungswasser wird im Wärmespeicher erwärmt und kann anschließend zum Duschen, Reinigen etc. benutzt werden.

Wärmespeicher lassen sich wie folgt unterteilen:

Niedertemperaturspeicher für Temperaturen kleiner 100°C

Mitteltemperaturspeicher für Temperaturen zwischen 100°C und 500°C

Hochtemperaturspeicher für Temperaturen über 500°C

Pumpe

Eine elektrisch angetriebene Umwälzpumpe fördert das Wärmeträgermedium im Solarkreislauf. Die Leitungen, der Solarkollektor und der Wärmetauscher im Wärmespeicher können als Widerstände betrachtet werden, in denen sich das Wasser durch Reibung ständig abbremst. Dieser Widerstand wird auch als Druckverlust bezeichnet.

Der Einsatz von hocheffizienten Pumpen ermöglicht es, nicht mehr elektrische Antriebsenergie zu verbrauchen, als nötig ist, um den Druckverlust in den Leitungen zu überwinden.

Kessel

Der Heizkessel einer solarthermischen Anlage dient dazu, weitere Wärme für den Wärmespeicher zur Verfügung zu stellen, wenn die Solarstrahlung nicht ausreicht. Dies ist meistens in den Übergangszeiten und im Winter der Fall, so dass über das gesamte Jahr eine warme Dusche möglich ist. Konventionelle Heizkessel verbrennen Erdgas und sind meistens an das Heizungssystem eines Hauses gekoppelt.

Ein solarthermisches System zur Trinkwassererwärmung und zur Heizungsunterstützung kann durch eine größere Solarkollektorfläche und einen größeren Wärmespeicher den Verbrauch an Erdgas für den Heizkessel reduzieren und somit die Heizungskosten senken.

Regelung

Die Regelung einer solarthermisches Anlage regelt die gesamte Anlage und gibt Befehle an einzelne Komponenten, wie bspw. die Pumpe oder an verstellbare Ventile. Im Hochsommer kann es passieren, dass der Wärmespeicher eine vorher festgelegte Maximaltemperatur erreicht hat und dass kein weiterer Nachschub aus dem Solarkollektor notwendig ist. Die Regelung misst am Wärmespeicher die Temperatur und entscheidet, ob die Pumpe des Solarkreislaufs arbeiten soll.

Beispiel

Typische Randparameter
Anlage	Daten
Solarkollektorfläche	1 … 1,5 m² Fläche pro Person im Haus
Größe des Wärmespeichers	80 … 100 Liter pro Person im Haus
Durchschnittliche Kosten einer Anlage ohne Montage (4-Personen-Haushalt)	3000-3500 Euro

Variante 1: Anlage mit guter Wirtschaftlichkeit
Kollektorfläche (Flachkollektor)	0,8 m² pro 10 m² Wohnfläche
Kollektorfläche (Vakuum-Röhrenkollektoren)	0,6 m² pro 10 m² Wohnfläche
Speichergröße	min. 50 Liter pro m² Kollektorfläche

Variante 2: Anlage mit hohem solaren Deckungsgrad
Kollektorfläche (Flachkollektor)	1,6 m² pro 10 m² Wohnfläche
Kollektorfläche (Vakuum-Röhrenkollektoren)	1,2 m² pro 10 m² Wohnfläche
Speichergröße	min. 100 Liter pro m² Kollektorfläche