Solarthermie

Die Funktionsweise von Solarthermieanlagen und ihre Einsatzbereiche


Im bundesweiten Durchschnitt liefert die Sonne jährlich etwa 1.000 Kilowattstunden pro Quadratmeter an Solarenergie. Das macht sich die Technik der Solarthermie zunutze, die die Sonnenenergie als Heizenergie und zur Erwärmung von Brauchwasser nutzt. Erfahren Sie, wie Solarthermie funktioniert und wo sie eingesetzt wird.

Die Funktionsweise der Solarthermie

Das Sonnenlicht, bei dem es sich um elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Intensität handelt, kann auf zweierlei Weise in thermische Energie, also in Wärmeenergie umgewandelt werden. Die Aufnahme beziehungsweise Absorption des Sonnenlichts erfolgt hauptsächlich durch Sonnenkollektoren, die es in unterschiedlichen Ausführungen gibt. . Grundsätzlich sind für die Solarthermieanlage verwendete Sonnenkollektoren von Solarmodulen abzugrenzen, die in Photovoltaikanlagen verbaut werden und der Stromerzeugung dienen. Für Solarthermieanlagen werden am häufigsten Flachkollektoren eingesetzt. Neben Flachkollektoren gibt es unter anderem auch Vakuumröhrenkollektoren, die sich hinsichtlich ihrer Bauweise und der Effektivität der Absorption der Sonnenenergie unterscheiden.

Flachkollektoren

Flachkollektoren bestehen aus einem rechteckigen Gehäuse, in dem sich ein dunkler Absorber befindet, der durch die Sonnenenergie direkt erwärmt wird und eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Das dort auftreffende Sonnenlicht wird zu Wärmeenergie, die mittels einer Wärmeträgerflüssigkeit über einen Flüssigkeitskreislauf mit Hilfe einer Pumpe zu einem Speicher transportiert wird. Dazu ist der Kollektor an seiner Oberseite mit einer speziellen Verglasung versehen, die die Energie im Gehäuse hält. Um einen Energieverlust zu vermeiden, sind Flachkollektoren mit Dämmmaterial isoliert. Neuere Flachkollektoren haben anstelle des Dämmmaterials eine besondere Vakuum-Isolierung, wodurch der Wirkungsgrad aufgrund geringerer Energieverluste gesteigert wird.

Vakuumröhrenkollektoren

Vakuumröhrenkollektoren sind effektiver, aber auch kostspieliger und werden deshalb nicht allzu oft als Absorber für die Solarthermieanlage verwendet. Sie bestehen aus zwei konzentrisch ineinander gebauten Glasröhren, zwischen denen sich ein Vakuum befindet. Das Vakuum hat zwei Funktionen. Zum einen wirkt es isolierend und zum anderen lässt es die Übertragung der Strahlungsenergie des Lichts zum Absorber zu. In der inneren Röhre befindet sich die Wärmeträgerflüssigkeit, die sich erwärmt und, angetrieben durch Pumpen, entweder durch das Röhrchen fließt oder indirekt über ein sogenanntes Heat-Pipe-System abgegeben wird. Dadurch werden Wärmeverluste reduziert, weshalb Vakuumröhrenkollektoren gegenüber Sonnenkollektoren effektiver sind, da sie höhere Temperaturen erreichen und deutlich höhere Erträge erzielen.

Bei Flachkollektoren und bei Vakuumröhrenkollektoren wird die thermische Energie des Sonnenlichts an Wärmeträgermedien abgegeben, bei denen es sich um ein Wasser- Propylenglycol-Gemisch handeln kann. Durch den Zusatz von Propylenglycol wird ein Schutz vor Frost bis minus 23 Grad Celsius erreicht und darunter ein Gefrieren ohne Volumenzunahme. Die auf diese Weise eingefangene Wärmeenergie wird mit einer Umwälzpumpe in den Wärmetauscher des Wärmespeichers gepumpt und an das Heizsystem abgegeben oder zur Erwärmung von Brauchwasser verwendet. Unter anderem kann die Solarthermie auch zum Erwärmen eines Schwimmbads im Innen- oder Außenbereich genutzt werden, wobei die Intensität der Sonne in den Herbst- und Wintermonaten allein nicht ausreicht.

Die optimale Ausrichtung der Kollektoren

Bei allen genannten möglichen Einsatzorten hängt die Effizienz einer Solarthermieanlage auch von der optimalen Ausrichtung der Kollektoren ab. In unseren Breitengraden lassen sich die besten Erträge mit einer Neigung der Sonnenkollektoren von 30 bis 45 Grad erzielen mit einer direkten Ausrichtung nach Süden. Der optimale Aufstellwinkel sollte im Einzelfall unter Zuhilfenahme regionaler Wetterdaten berechnet werden. Es kann durchaus sinnvoll sein, typische Wetterphänomene einer Region bei der Aufstellung zu berücksichtigen, beispielsweise eine verstärkte Wolkenbildung oder eine erhöhte Luftfeuchtigkeit zu bestimmten Zeiten.

Die Speicherung der Wärmeenergie

Um die überwiegend in den Sommermonaten gewonnene Wärmeenergie über einen längeren Zeitraum zu speichern, gibt es eine ganze Reihe von Wärmespeichersystemen, die sowohl für den Einsatz im privaten Bereich als auch für gewerbliche Zwecke geeignet sind. Meist nehmen Wärmespeicher für Privathaushalte Wärme nur einige Tage auf, während Großspeicher in der Lage sind, Wärme über mehrere Monate zu speichern. Um Wärme speichern zu können, benötigt der Wärmespeicher sogenannte Speichermedien, die abhängig von ihrer Dichte unterschiedliche Mengen an Wärme speichern können. Am gebräuchlichsten ist Wasser als Speichermedium, aber auch Kies-Wasser-Mischungen werden eingesetzt.

Die vielseitigen Einsatzbereiche der Solarthermie

Die Solarthermie kommt vor allem bei Ein- und Mehrfamilienhäusern zum Einsatz, um das Brauchwasser zu erwärmen und um das bestehende Heizsystem zu unterstützen. Sie kann jedoch auch als eigenständige und vollwertige Heizung eingesetzt werden. Für diesen Zweck reicht es bereits aus, wenn die meist auf dem Dach des Einfamilienhauses montierten Sonnenkollektoren eine Gesamtfläche von fünf Quadratmetern haben. Handelt es sich um ein Mehrfamilienhaus mit rund zwanzig Bewohnern, wird eine Kollektorfläche von rund fünfzig Quadratmetern benötigt. Daneben wird diese Technik auch für die Bereitstellung von Prozesswärme in Gewerbe- und Industriebetrieben genutzt. Ein weiterer Einsatzbereich der Solarthermie ist die Nutzung in Städten und Gemeinden und hier insbesondere in öffentlichen Gebäuden sowie in Schwimmbädern, bei denen die Kollektorfläche eine Größe von mindestens zwanzig bis dreißig Quadratmetern haben sollte.