Auch wenn EIGENSONNE zur Zeit keine Solarthermie plant und installiert, möchten wir Ihnen in diesem Artikel alle Fakten rund um thermische Solaranlage zur Verfügung stellen. Solarthermie bedeutet nichts anderes als Sonnenwärme und besagt, dass Sonnenenergie in Wärmenergie umgewandelt wird. Anders ist es zum Beispiel bei PV-Anlagen, bei denen Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Solarthermien gehören wie Photovoltaikanlagen und thermische Solarkraftwerken zu den Solaranlagen. Sie dienen in erster Linie der Warmwasserbereitung und der Beheizung von Häusern. Letzteres kann auch in Unterstützung zu einem bestehenden Heizsystem geschehen, wenn beispielsweise die Dachfläche für eine flächendeckende Wärmeabdeckung nicht ausreicht.

Energie durch Sonnenstrahlen

Der Stern Sonne ist mehrere Milliarden Kilometer von unserem Planeten entfernt. Die rund um die Uhr abgegebene Energie durch Strahlen kann alle Menschen auf der Erde für die nächsten fünf Millionen Jahre versorgen. Strom oder Wärme aus Solarenergie ist damit eine der nachhaltigsten Formen der Energiegewinnung und leistet einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz. Die Menge an Strahlungsenergie, die auf der Oberfläche unserer Erde eintrifft, wird unter anderem vom Zustand unserer Atmosphäre, dem Abstand der Sonne zur Erde und der Tageszeit beeinflusst.

Wie funktioniert eine thermische Solaranlage?

Im Gegensatz zu PV-Modulen sind die Module für Solarthermie schwarze Platten, auch Flachkollektoren genannt, oder Rohre, auch Vakuumröhrenkollektoren genannt. Die Module für thermische Solaranlagen nennt man Solarkollektoren, die sich durch die schwarze Farbe der Module maximal mit Wärme aufladen. Innen befindet sich eine Trägerflüssigkeit (Frostschutzmittel), das die Wärme aufnimmt und zum Solarspeicher bringt. Im Solarspeicher erfolgt der Übertrag auf das Wasser zum täglichen Gebrauch oder das Heizsystem des Haushalts. Es gibt übrigens auch die Kombination von PV-System und Solarthermie. Die Größe der Solarkollektoren wird möglichst genau auf den Warmwasserbedarf und das Heizverhalten der Bewohner abgestimmt, da überflüssige Wärme zwar gespeichert, aber nicht wie bei Strom ins öffentliche Netz eingespeist werden kann.

Was ist ein Solarturm-Kraftwerk?

Ein Solarturm ist eine große solarthermische Anlage, die aus einem bis zu 150 Meter hohen Turm besteht, der von Brennspiegeln umgeben ist. Diese nachgeführten Brennspiegel reflektieren das Sonnenlicht auf einen an der Spitze des Turms angebrachten Receiver. Durch diesen Absorber fließt ein Medium, dass sich auf bis zu 1000 Grad aufheizt und mit Hilfe eines Austauschsystems die Wärmeenergie zur Dampferzeugung nutzt. Die durch den Dampf angetriebene Turbine erzeugt dann die nutzbare elektrische Energie. Bei dem Wärmemedium im Receiver kann es sich um Luft, Wasser, Dampf oder Salzschmelze handeln.

Weitere solarthermische Anlagen: Fallwind, Parabolrinnen- und Solarteichkraftwerke

Fallwindkraftwerke haben einen entscheidenden Unterschied zu Solartürmen: Sie brauchen keine Sonnenkollektoren am Boden. Bei Fallwindkraftwerken wird in einem hochliegenden Kamin Sprühnebel verwendet, um der Luft Wärme zu entziehen. Die abgekühlte Luft hat zur Außenluft einen Temperaturunterschied von 12 Grad, ist deshalb schwerer und fällt in einem an den Kamin angeschlossenen Schacht nach unten. Mit einer Geschwindigkeit von 20 Metern pro Sekunde wird am Fuße des Kamins durch den erzeugten Wind eine Turbine angetrieben, die wiederum elektrische Energie erzeugt. Die Rossbreiten im subtropischen Hochdruckgebiet eigenen sich für den Einsatz von Fallwindkraftwerken am meisten, da hier die meisten Zeit im Jahr trockene und warme Luftverhältnisse herrschen. Ein weiterer Vorteil ist die indirekte Nutzung der Sonne, die einzig und allein durch Wärme funktioniert und eine nächtliche Nutzung möglich macht. Fallwindkraftwerke haben mit einer Nettoleistung von 600 Megawatt durchaus das Potential fossilen Kraftwerken Konkurrenz zu machen. Ein flächendeckender Einsatz in den beschriebenen Gebieten ist zur Zeit vor allem aus Mangel an Finanzierungsmöglichkeiten noch nicht gegeben.

Parabolrinnenkraftwerke als eine Form der Solarthermie arbeiten mit nachgeführten Hohlspiegeln, die das Licht der Sonne auf eine in der Mitte der Hohlspiegel verlaufende Röhre lenken. Die parabelförmigen Hohlspiegel verstärken die Intensität der Sonne um ein Vielfaches, da auch die Strahlung, die am Rand eintrifft umgelenkt werden kann. Im Absorberrohr befindet sich ein Wärmemedium, dass die erzeugte Wärme zu einer Turbine leitet, die so elektrische Energie erzeugt.

Flache Salzseen fungieren quasi als natürliche Solarthermie in Form von Solarteichkraftwerke und sind Solarkollektor und Speicher zugleich. Der Salzgehalt am Seegrund ist viel salzhaltiger und dichter als der an der Oberfläche. Wird das Sonnenlicht in den tiefer liegenden Salz- und Wasserschichten absorbiert heizen sich diese auf bis zu 90 Grad auf. Salzgehalte haben unterschiedliche Dichten und sorgen deshalb dafür, dass das erwärmte Wasser im See nicht aufsteigen kann und die Wärme am Grund des Sees gespeichert wird. Sie wird in einem Turbinen-Generator-Block verwendet, der dauerhaft Strom erzeugen kann.

Die Geschichte von Solarthermie

Solarthermische Verwendung von Sonnenenergie geht bis ins Jahre 800 v. Chr. zurück, als Hohl- und Brennspiegel für die Zusammenführung von Sonnenstrahlen genutzt wurden. Die ersten Modelle der heutigen Sonnenkollektore wurden allerdings erst im 18. Jahrhundert entwickelt. Grund war die ausgebrochene Ölkrise in den 1970er Jahren und der Bedarf nach der Erschließung neuer Energiequellen.

Wie teuer sind thermische Solaranlagen?

Die Investitionskosten von Solarthermie hängen von drei Faktoren ab: Modulart der Solarkollektoren, Einsatzbereich und der Größe der Anlage. Bei den Modularten gibt es wie oben beschrieben Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren, die teurer, aber auch effizienter sind. Sie bieten sich beispielsweise bei wenig Platz auf dem Dach an, weil sie eine höhere Wärmeleistung erzielen. Ähnlich wie bei PV-Systemen gibt es weitere Faktoren wie Wirkungsgrad und Leistungsgarantie, die sich natürlich auch im Investitionspreis bemerkbar machen. Die Kosten für eine thermische Solaranlage zur Warmwasseraufbereitung belaufen sich für einen vierköpfigen Haushalt inklusive Montage und Solarspeicher auf etwa 5.000 Euro. Dieser Richtwert entspricht Solarkollektoren von mittlerer Qualität. Für eine Installation zur Heizungsunterstützung in vergleichbarer Qualität und für die gleiche Haushaltsgröße müssen Sie mit Kosten in Höhe von 10.000 Euro rechnen. Die Wartungs- und Stromkosten für eine Solarthermie belaufen sich auf ca. 1,5% der Anschaffungskosten pro Jahr.

Auch für Solarthermie gibt es eine Vielzahl an Förderungen des Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) und der KfW-Bankengruppe. So wird eine heizungsgekoppelte Solarthermie mit bis zu 140 Euro pro Quadratmeter Kollektorfläche gefördert. Für Warmwasseraufbereitung gibt es maximal 50 Euro pro Quadratmeter.

Wie wird Solarthermie passiv genutzt?

Solarthermische Solaranlagen kommen im privaten Bereich vorrangig im Rahmen der Gebäudeheizung und der Klimatisierung zum Einsatz. Verbindet man die Nutzung von Wärme durch Sonnenenergie mit einer guten Wärmedämmung und passiven Nutzung der Einstrahlung, kann man einen Großteil seiner Heiz- und/oder Warmwasserkosten einsparen. Unter passiver Nutzung der Einstrahlung versteht man die Nutzung von transparenten Wänden und Materialien im Hausbau. Ein gutes Beispiel sind Gewächshäuser oder der Wintergarten. Die durch das Fenster einfallenden Wärme kann im Inneren genutzt werden, ohne dass zusätzliche Beheizung nötig ist. Das solarthermische Prinzip kommt auch in der Solararchitektur zum Einsatz. Absorberwandflächen, die aus einer schwarzen Wand hinter einer transparenten Scheibe bestehen, beheizen innenliegende Wände. Der Commerzbank Tower in Frankfurt ist ein weiteres Beispiel für Architektur, die Sonnenenergie effizient nutzt: Eine vollverglaste Außenfassade blockt im Sommer Sonnenstrahlen ab und lässt im Winter Sonnenstrahlen das Glas passieren.

Wie funktioniert die Speicherung der Wärme?

Saisonale Wärmespeicher, Pufferwärmespeicher oder Latentwärmespeicher, gewährleisten die Speicherung von Sonnenenergie in Form von Wärme über längere Zeit. Sie haben allgemein den Nachteil, dass sie viel Platz in Anspruch nehmen. Ziel ist es, dass die Wärme verlustfrei gebunden und abgegeben werden kann. Pufferwärmespeicher speichern Wärme durch Wasser, während Latentwärmespeicher aus Paraffin bestehen und eine 1,5 Mal erhöhten Wärmekapazität als Pufferspeicher haben. Generell kommen Pufferspeicher heute weniger häufig zum Einsatz, da auch einem thermochemischen Saisonspeicher bedarfsgerecht auch kurzfristig Wärme entnommen werden kann. Kurzfristwärmespeicher sind in der Regel kleiner und speichern Wärmeenergie nur für kurze Zeit.

Solarthermie zur Kühlung

Die Energie der Sonne kann nicht nur in Wärmeenergie und elektrische Energie umgewandelt werden, sondern auch in Kälteenergie. Das Problem mit Kühlung ist folgendes: Der Peak des Kühlbedarfs ist leicht nach hinten versetzt immer zum Mittagshoch des Strombedarfs. Spitzenlaststrom ist ökonomisch und ökologisch nicht erstrebenswert und Gebäude müssen vor allem dann klimatisiert werden, wenn sie durch Sonnenlicht aufgewärmt werden. Der Bedarf erfolgt mit Verzögerung, da Gebäude thermisch träge sind und die höchste Temperatur im Schnitt um 15 Uhr Nachmittags besteht. Sinnvoll wäre also eine gleichzeitige Nutzung von Sonnenenergie zur Stromerzeugung und zur Kühlung. Bei der so genannten solaren Klimatisierung wird ein Raum oder Material mit Hilfe von lokal produziertem Solarstrom durch ein PV-System gekühlt. Zusätzlich ist der Kühlapparat oder die Klimaanlage mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden, um die Anlage auch bei nicht laufenden Modulen betreiben zu können. Der Vorteil einer Kühlung nach diesem Prinzip ist, dass die Klimaelemente nachgerüstet werden können und nicht von Anfang an mit eingeplant werden müssen.

Auch mit einer Solarthermie kann Kälte erzeugt werden. Dies geschieht mit einer Absorptions- oder einer Adsorptionskältemaschinen. Ersteres arbeitet mit Ammoniak, Wasser und Salzlösung. Der Einsatz von Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel ist besonders preiswert und nachhaltig, da es sich bei beiden Stoffen um natürliche Stoffe handelt. Solarthermie mit Absorptionkältemaschine funktionieren mit einer Wärmepumpe, die Kältemittel zwischen einem geschlossenen inneren und äußeren Kältekreislauf austauscht. Im inneren Bereich, z.B. dem eines Kühlschranks, soll es dauerhaft kalt bleiben oder Temperatur sogar gesenkt werden. In diesem Bereich wird mit Hilfe eines Verdampfers Kältemittel verdampft und der Umgebung dadurch Wärme entzogen. Im äußeren Bereich wird das gasförmige Kältemittel mit Hilfe einer Salzlösung wieder verflüssigt und der Vorgang beginnt von neuen. Bei der Adsorption arbeitet man mit Silikagel, Zeolith oder Aktikohle und Wasser. Das Verfahren beruht auf Adsorption und Desorptionm inklusive Veränderung des Aggregatzustands, also dem Binden und Lösen von einem Feststoff. Die Adsorption arbeitet mit Kondensation, also niedriger Temperatur und großem Druck. Das Gegenteil, also die Desorption ist das genau entgegengesetzte.

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