Definition: Was ist Solarthermie?
Solarthermie bezeichnet die technische Nutzung von Sonnenstrahlung zur Erzeugung von Wärme. Im Gegensatz zur Photovoltaik, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt, wird bei solarthermischen Anlagen ein Wärmeträger erwärmt. Die gewonnene Wärme kann anschließend beispielsweise für Warmwasser, Raumheizung oder industrielle Prozesse eingesetzt werden.
Solarthermie gehört zu den erneuerbaren Energietechnologien und kann den Verbrauch fossiler Brennstoffe für Wärmeversorgung reduzieren. Besonders bei der Warmwasserbereitung können solarthermische Anlagen einen erheblichen Teil des jährlichen Energiebedarfs übernehmen. Die tatsächliche Leistung hängt stark von Standort, Anlagenfläche, Speichervolumen und Wärmebedarf ab.
Funktionsweise der Solarthermie
Das zentrale Bauteil einer solarthermischen Anlage ist der Solarkollektor. Er nimmt Sonnenstrahlung auf und wandelt sie in Wärme um.
Diese Wärme wird an eine Flüssigkeit übertragen, die durch Rohrleitungen zwischen Kollektor und Wärmespeicher zirkuliert.
Wärmeträgerflüssigkeit
Als Wärmeträger wird häufig ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel verwendet. Dadurch kann die Anlage auch bei niedrigen Außentemperaturen betrieben werden.
Die erwärmte Flüssigkeit transportiert die Energie vom Dach zum Wärmespeicher.
Solarkollektoren
Solarkollektoren unterscheiden sich deutlich von Photovoltaikmodulen. Sie erzeugen keinen Strom, sondern nehmen Sonnenwärme auf.
Im Inneren befindet sich ein Absorber, der möglichst viel Strahlung aufnimmt und in Wärme umwandelt.
Absorber
Der Absorber besteht meist aus einem gut wärmeleitenden Material mit einer dunklen oder speziell beschichteten Oberfläche.
Durch ihn verlaufen Rohrleitungen, in denen die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert.
Flachkollektoren
Flachkollektoren gehören zu den verbreiteten Bauformen solarthermischer Anlagen. Der Absorber liegt in einem flachen, wärmegedämmten Gehäuse unter einer transparenten Abdeckung.
Die Abdeckung lässt Sonnenstrahlung hinein und reduziert gleichzeitig Wärmeverluste.
Aufbau
Neben Absorber und Glasabdeckung besitzen Flachkollektoren eine rückseitige Wärmedämmung und ein Rohrsystem.
Die Konstruktion ist vergleichsweise robust und eignet sich besonders für Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung.
Vakuumröhrenkollektoren
Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus mehreren Glasröhren, in denen ein Unterdruck erzeugt wird. Das Vakuum reduziert Wärmeverluste.
Dadurch können höhere Temperaturen erreicht werden als bei vielen Flachkollektoren.
Hohe Effizienz
Vakuumröhrenkollektoren können besonders bei niedrigen Außentemperaturen oder höheren benötigten Wassertemperaturen Vorteile besitzen.
Sie sind jedoch häufig technisch aufwendiger und teurer als einfache Flachkollektoren.
Warmwasserbereitung
Eine der häufigsten Anwendungen von Solarthermie ist die Erwärmung von Trinkwasser. Sonnenwärme wird in einem Warmwasserspeicher gesammelt.
Das erwärmte Wasser steht anschließend für Duschen, Waschen und andere Anwendungen zur Verfügung.
Solare Deckung
Die solare Deckung beschreibt, welcher Anteil des Wärmebedarfs durch die Solaranlage gedeckt wird.
Bei der Warmwasserbereitung kann Solarthermie insbesondere während der sonnenreichen Monate einen hohen Anteil übernehmen.
Heizungsunterstützung
Größere solarthermische Anlagen können neben Warmwasser auch die Raumheizung unterstützen. Dafür werden zusätzliche Kollektorflächen und größere Wärmespeicher benötigt.
Besonders geeignet sind Gebäude mit relativ niedrigen Heiztemperaturen und guter Wärmedämmung.
Niedertemperaturheizung
Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen arbeiten mit geringeren Vorlauftemperaturen als viele klassische Heizkörper.
Dadurch können sie besonders gut mit erneuerbaren Wärmetechnologien kombiniert werden.
Wärmespeicher
Da Sonnenwärme nicht immer genau dann verfügbar ist, wenn sie benötigt wird, ist ein Wärmespeicher ein wichtiger Bestandteil solarthermischer Systeme.
Typischerweise wird warmes Wasser in gut gedämmten Speichern bevorratet.
Pufferspeicher
Pufferspeicher nehmen überschüssige Wärme auf und geben sie zeitversetzt wieder an Heizung oder Warmwassersystem ab.
Je größer der Speicher ist, desto länger können Erzeugung und Verbrauch voneinander entkoppelt werden.
Saisonale Wärmespeicherung
Eine besondere Herausforderung besteht darin, große Wärmemengen vom Sommer bis in den Winter zu speichern.
Große saisonale Wärmespeicher können beispielsweise in Nah- und Fernwärmesystemen eingesetzt werden.
Großspeicher
Große Wasserbecken, Erdsondenfelder oder andere thermische Speicher können erhebliche Wärmemengen aufnehmen.
Solche Systeme benötigen jedoch ausreichend Platz, gute Dämmung und eine langfristige technische Planung.
Solarthermie im Sommer
Im Sommer steht meist deutlich mehr Sonnenenergie zur Verfügung als für Warmwasser benötigt wird. Dadurch können hohe solare Deckungsanteile erreicht werden.
Bei zu groß dimensionierten Anlagen kann jedoch überschüssige Wärme entstehen.
Stagnation
Kann ein Kollektor seine Wärme nicht mehr an den Speicher abgeben, kann sich die Anlage stark aufheizen. Dieser Zustand wird als Stagnation bezeichnet.
Solarthermische Systeme müssen technisch so ausgelegt sein, dass solche Situationen ohne Schäden überstanden werden.
Solarthermie im Winter
Im Winter ist die Sonneneinstrahlung geringer, während gleichzeitig der Wärmebedarf von Gebäuden steigt.
Solarthermie kann deshalb meist nur einen Teil der benötigten Heizenergie bereitstellen.
Zusatzheizung
In den meisten Gebäuden wird Solarthermie mit einer weiteren Wärmequelle kombiniert.
Dies kann beispielsweise eine Wärmepumpe, ein Wärmenetz oder ein anderer Wärmeerzeuger sein.
Ausrichtung und Neigung
Die Ausrichtung der Kollektoren beeinflusst den Wärmeertrag. In Mitteleuropa sind südlich ausgerichtete Flächen häufig besonders günstig.
Abweichungen nach Osten oder Westen können jedoch ebenfalls sinnvoll genutzt werden.
Neigungswinkel
Der optimale Neigungswinkel hängt davon ab, ob hauptsächlich Sommerwärme oder eine möglichst hohe Jahresausbeute gewünscht wird.
Steilere Kollektoren können im Winter aufgrund des niedrigen Sonnenstands Vorteile besitzen.
Solarthermie und Gebäude
Solarthermische Anlagen werden überwiegend auf Gebäudedächern montiert. Dadurch kann vorhandene Fläche genutzt werden, ohne zusätzliche Landschaft zu beanspruchen.
Auch Fassaden oder Nebengebäude können als Installationsflächen dienen.
Bestandsgebäude
Solarthermie kann auch in bestehenden Gebäuden nachgerüstet werden. Entscheidend sind geeignete Dachflächen und ausreichender Platz für Speicher und Technik.
Die Integration in vorhandene Heizungssysteme muss fachgerecht geplant werden.
Solarthermie und Wärmepumpe
Solarthermie kann mit einer Wärmepumpe kombiniert werden. Während die Solaranlage direkte Wärme liefert, nutzt die Wärmepumpe Strom, um Umweltwärme auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen.
Die Systeme können sich je nach Gebäude und Auslegung ergänzen.
Hybride Wärmesysteme
Hybride Systeme verbinden mehrere Wärmequellen miteinander. Eine Steuerung entscheidet, welche Quelle zu welchem Zeitpunkt genutzt wird.
Ziel ist eine hohe Effizienz und ein möglichst geringer fossiler Energieverbrauch.
Solarthermie in Wärmenetzen
Solarthermie kann nicht nur einzelne Gebäude versorgen, sondern auch größere Wärmenetze speisen.
Dafür werden häufig große Kollektorfelder installiert, deren Wärme in zentrale Speicher gelangt.
Solare Fernwärme
Solare Fernwärmesysteme können insbesondere in Verbindung mit großen saisonalen Speichern einen bedeutenden Anteil der Wärmeversorgung übernehmen.
Sie ermöglichen eine zentrale Nutzung erneuerbarer Wärme für viele Gebäude.
Industrielle Solarwärme
Auch Industrie und Gewerbe benötigen große Wärmemengen. Ein Teil dieses Bedarfs liegt in Temperaturbereichen, die solarthermisch bereitgestellt werden können.
Beispiele sind Wasch-, Trocknungs- und Reinigungsprozesse.
Prozesswärme
Prozesswärme macht einen erheblichen Teil des industriellen Energieverbrauchs aus.
Solarthermie kann fossile Brennstoffe dort teilweise ersetzen, wenn Wärmebedarf und Sonnenangebot gut zusammenpassen.
Solarthermische Kraftwerke
In sehr sonnenreichen Regionen wird Solarthermie auch zur Stromerzeugung genutzt. Spiegel konzentrieren Sonnenstrahlung und erzeugen hohe Temperaturen.
Die Wärme dient anschließend dazu, Dampf für Turbinen bereitzustellen.
Parabolrinnen und Solartürme
Parabolrinnen bündeln Sonnenstrahlen auf lange Absorberrohre. Solarturmkraftwerke verwenden dagegen zahlreiche Spiegel, die Licht auf einen zentralen Empfänger richten.
Beide Verfahren benötigen hohe direkte Sonneneinstrahlung.
Solarthermie und Klimaschutz
Solarthermie kann fossile Brennstoffe für Warmwasser, Heizung und Prozesswärme ersetzen. Dadurch können Treibhausgasemissionen reduziert werden.
Während des Betriebs entstehen keine direkten Emissionen aus Verbrennung.
Lebenszyklus
Herstellung, Transport und Installation von Kollektoren benötigen jedoch Materialien und Energie.
Über eine lange Nutzungsdauer können die Anlagen deutlich mehr erneuerbare Wärme bereitstellen, als für ihre Herstellung benötigt wurde.
Rohstoffe und Materialien
Solarthermische Anlagen bestehen unter anderem aus Glas, Aluminium, Kupfer, Stahl, Dämmstoffen und Kunststoffen.
Die Auswahl langlebiger und recyclingfähiger Materialien beeinflusst ihre Umweltbilanz.
Lebensdauer
Gut gewartete solarthermische Anlagen können über viele Jahre betrieben werden.
Eine lange Nutzungsdauer verteilt die Umweltbelastungen der Herstellung auf eine größere erzeugte Wärmemenge.
Wartung
Solarthermische Anlagen benötigen regelmäßige Kontrolle. Dazu gehören Wärmeträgerflüssigkeit, Pumpen, Druck und Speichertechnik.
Frostschutzmittel kann mit der Zeit altern und muss gegebenenfalls erneuert werden.
Anlageneffizienz
Defekte Pumpen, Luft im System oder unzureichende Dämmung können den Wärmeertrag reduzieren.
Regelmäßige Wartung trägt deshalb zu langfristig effizientem Betrieb bei.
Solarthermie und Photovoltaik
Solarthermie und Photovoltaik nutzen dieselbe Energiequelle, erzeugen aber unterschiedliche Energieformen. Photovoltaik liefert Strom, Solarthermie unmittelbar Wärme.
Welche Technologie auf einer begrenzten Dachfläche günstiger ist, hängt vom Gebäude und vom Energiesystem ab.
Kombination beider Systeme
Grundsätzlich können Photovoltaik und Solarthermie auf demselben Gebäude kombiniert werden.
Die Flächenaufteilung sollte an Stromverbrauch, Wärmebedarf, Speicher und Wirtschaftlichkeit angepasst sein.
Grenzen der Solarthermie
Solarthermie ist stark vom Sonnenangebot abhängig. Besonders im Winter kann der Wärmebedarf nicht allein durch eine typische Dachanlage gedeckt werden.
Zusätzliche Wärmeerzeuger und Speicher bleiben daher in vielen Anwendungen notwendig.
Zusammenfassung
Solarthermie nutzt Sonnenstrahlung zur direkten Erzeugung von Wärme. Solarkollektoren erwärmen eine Wärmeträgerflüssigkeit, die ihre Energie an einen Speicher oder ein Wärmesystem überträgt.
Die Technik eignet sich besonders für Warmwasser, Heizungsunterstützung, Wärmenetze und bestimmte industrielle Prozesse. Solarthermie kann fossile Brennstoffe ersetzen und dadurch zum Klimaschutz beitragen. Speicher, geeignete Dimensionierung und eine gute Integration in das gesamte Wärmesystem sind entscheidend für einen effizienten Betrieb.
