Wie funktioniert Solarthermie: Das Prinzip der thermischen Solarkollektoren
Das Herzstück jeder thermischen Solaranlage ist der Sonnenkollektor, auch als Solarmodul oder Solarkollektor bekannt. Wobei es sich bei der Solarthermie immer um thermische Solarkollektoren handelt. Dieser Kollektor absorbiert mit Hilfe eines integrierten Absorbers die Wärme der auftreffenden Sonneneinstrahlung. Diese überträgt er auf einen durch den Kollektor fließenden Wärmeträger, die Solarflüssigkeit. Dabei handelt es sich bevorzugt um ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, um ein Einfrieren der Solarflüssigkeit bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu verhindern.
Die Solarflüssigkeit einer Solarthermie-Anlage fließt immer innerhalb eines in sich geschlossenen Kreislaufs. Sobald sie den im Pufferspeicher installierten Wärmetauscher erreicht, gibt die Solarflüssigkeit die mitgeführte Wärme ab und erwärmt auf diese Weise das im Speicher enthaltene Wasser. Dieses grundlegende Funktionsprinzip wird bei der Warmwasserbereitung und der Heizungsunterstützung angewandt.
Ein Sonnenkollektor nutzt jedoch nicht nur das sichtbare Licht, sondern die gesamte Strahlungsenergie der Sonne, die sich aus folgenden Einzelkomponenten zusammensetzt:
- Sichtbares Licht (48 %)
- Wärmestrahlung in Form von infrarotem Licht (38 %)
- Ultraviolettes Licht (7 %)
- Strahlungsarten wie kurzwellige UV-Strahlen, Röntgen- und Radiostrahlen (7 %)
Dies erklärt, warum eine Solarthermie-Anlage bei bedecktem Himmel ebenfalls Wärme produziert, wenn auch in geringerem Umfang.
Solarthermie und ihre Einsatzbereiche
Die Aufgabe der Solarthermie ist die Gewinnung von Wärme aus der vorhandenen Sonnenenergie. Mit dieser Wärme wird Brauchwasser erwärmt, das zum Duschen oder zum Betrieb von Geschirrspülern oder Waschmaschinen erforderlich ist. Ist die Lage korrekt dimensioniert, deckt die Solarthermie bis zu 65 Prozent des jährlichen Warmwasserverbrauchs.
Solarthermie deckt bis zu 65 % des jährlichen Warmwasserverbrauchs ab
Bei der Unterstützung der Heizungsanlage erwärmt die Solarthermie-Anlage zusätzlich das Heizwasser. Dadurch reduziert sich durch die Nutzung der Sonnenenergie der Verbrauch an fossilen Brennstoffen. Im Durchschnitt reduzieren sich die Heizkosten um 20 Prozent.
Solarthermie kann Heizkosten um 20 % senken
Alternativ dient die Solarthermie, so paradox es im ersten Augenblick klingt, zur Kühlung. Eine besonders hohe Effizienz zeigt sich bei der Kombination von Warmwasserbereitung, Heizung und Kühlung. Denn in diesem Fall wird die produzierte Solarwärme komplett genutzt.
Diese Argumente sprechen für die Solarthermie
Für die Installation einer Solarthermie-Anlage gibt es mehrere gute Gründe. Einer davon ist der aktive Umweltschutz. Denn eine thermische Solaranlage wirkt sich äußerst positiv auf die C02-Bilanz aus. Vor allem in der Kombination Solarwärme und Brennwertheizkessel oder innovativer Heizanlagen wie Wärmepumpen. Zeitgleich reduziert sich der Einsatz von Primärenergie wie fossile Brennstoffe.
Die Vorteile der Solarthermie auf einen Blick
- Solarthermie reduziert den CO2-Ausstoß
- Geringer Flächenbedarf - 1,5 Quadratmeter Solarkollektor pro Person decken drei Fünftel des jährlichen Wasserbedarfs
- Reduzierter Einsatz fossiler Brennstoffe
- Unabhängigkeit von Primärenergie erhöht sich
- Beim zusätzlichen Einsatz für die Kühlung wird Sonnenenergie optimal genutzt: im Sommer kühlen, im Winter heizen
- Autark von anderen Energieträgern
Sonnenkollektoren für die Wärmegewinnung
Wie bereits angedeutet, stellt der Sonnenkollektor das Hauptelement einer thermischen Solaranlage dar. Dabei stehen unterschiedliche Varianten an Sonnenmodulen zur Auswahl. Im Vergleich zu Solarmodulen für die Photovoltaik erzielen die Sonnenkollektoren zur Wärmegewinnung mit 60 bis 75 Prozent einen sehr hohen Wirkungsgrad.
Diese Kollektortypen sind für die Solarthermie verfügbar:
- Flachkollektor
- Vakuumröhrenkollektor
- Vakuum-Flachkollektoren
- Solarabsorber
- Hybridkollektoren
Aus welchen Kollektortypen die Solarthermie-Anlage besteht, hängt von der Nutzung der produzierten Wärme ab. So bieten sich für die Unterstützung der Heizanlage Vakuumröhrenkollektoren an, während für die reine Warmwasserbereitung der preisgünstigere Flachkollektor ideal ist. Dient die Solarthermie ausschließlich zum Erwärmen des Pools, sind einfache Solarabsorber die Lösung. Für die kombinierte Produktion von Warmwasser und Solarstrom unter Nutzung von Sonnenenergie bieten sich Hybridkollektoren an.
Flachkollektoren für Solarthermie
Flachkollektoren sind die in der Solarthermie am häufigsten verbauten Kollektoren. Sie sind technisch unkompliziert aufgebaut und preisgünstig. Durch die erzielten Temperaturen sind diese Kollektoren ideal für die Warmwasserbereitung.
Als Absorber dient geschwärztes Metall wie Aluminium - oder Kupferblech, das durch eine Glasabdeckung vor Beschädigungen durch Witterungseinflüsse geschützt ist. Die mit der wärmeleitenden Solarflüssigkeit gefüllten Rohre sind unterhalb des Absorbers angebracht. Für die Dämmung der Seitenflächen sowie der Rückwand dienen Mineralwolle, Polyurethan-Schaum oder Schaumglas.
Ein Vorteil von Flachkollektoren liegt in der Möglichkeit, sie nicht nur aufliegend zu montieren, sondern sie in das Dach zu integrieren.
Vakuumröhrenkollektoren für Solarthermie
Vakuumröhrenkollektoren produzieren durch ihren speziellen Aufbau höhere Temperaturen. Dies liegt vor allem an der aufwendigeren Dämmung sowie an der Absorberfläche, die sich in luftleeren Glasröhren befindet. Beide Maßnahmen reduzieren den Wärmeabtrag durch äußere Einflüsse. Für einen optimalen Ertrag aus der Sonneneinstrahlung sind Vakuumröhrenkollektoren zusätzlich von Metallreflektoren umgeben. Diese leiten das Sonnenlicht in die Röhren und erhitzen den Absorber.
Obwohl auch beim Vakuumröhrenkollektor Solarflüssigkeit für den Transport der Wärme zum Einsatz kommt, gibt es zwei verschiedene Formen:
- Direkt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren:Die Solarflüssigkeit als Wärmeträger fließt in ein Sammelrohr.
- Heat-Pipe-Röhrenkollektor:Die in den Wärmerohren enthaltene Solarflüssigkeit verdampft bei Erwärmung.Dieser Dampf steigt in den Röhrchen nach oben und wird über einen Wärmetauscher geführt.Hier gibt er die Wärme an eine Wärmeträgerflüssigkeit ab, kühlt ab und fließt an das Rohrende zurück.
Vakuumröhrenkollektoren sind zwar teurer als Flachkollektoren, zeichnen sich jedoch durch eine höhere Effizienz bei der Wärmeproduktion und höhere Temperaturen aus. Dadurch benötigen Sie für die gleiche Ertragsmenge eine geringere Dachfläche.
Vakkuumröhrenkollektoren eignen sich nur für die aufliegende Montage und nicht für die In-Dach-Montage.
Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung mit Solarthermie
Sehr häufig dient die Solarthermie zur Warmwasserbereitung. Obwohl es sich in diesem Fall um die einfachste Form einer thermischen Solaranlage handelt, ist aus Gründen der Wirtschaftlichkeit die richtige Dimensionierung wichtig.
Für diesen Zweck muss der Warmwasserbedarf eines Haushalts ermittelt werden. Obwohl der grobe Richtwert mit 30 Litern Warmwasser pro Person und Tag angegeben ist, bietet sich eine detaillierte Erfassung über einen längeren Zeitraum mittels einer Warmwasseruhr an.
Sollen Geräte wie die Waschmaschine oder der Geschirrspüler ebenfalls mit dem über Solarthermie produzierten Warmwasser betrieben werden, müssen diese als Verbraucher mit eingerechnet werden. Auf diese Weise reduzieren sich die Kosten für elektrische Energie, die beim Aufheizen des Wassers in diesen Geräten anfallen.
Wovon die Anlagengröße der Solarthermie abhängt
Die Größe der Anlage hängt von folgenden Faktoren ab:
- Anzahl der Personen
- Zusätzliche Bedarfsfaktoren wie mit Warmwasser betriebene Geräte
- Zukünftige Entwicklung des Bedarfs
- Kollektortyp
Beträgt der tägliche Bedarf an Warmwasser beispielsweise 40 Liter, wird die Solarthermie-Anlage auf eine Leistung von 80 bis 100 Litern ausgelegt, um Tage mit geringem Ertrag abzudecken. Wie groß die tatsächliche Kollektorfläche ist, hängt von der Leistungsfähigkeit der Kollektoren ab. Grundsätzlich wird von 1,5 Quadratmetern pro Person ausgegangen.
Ist eine kombinierte Solarthermie-Anlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung geplant, verdoppelt sich die erforderliche Kollektorfläche. Wie hoch die Einsparung an Heizkosten tatsächlich ist, hängt von der Wärmedämmung des Gebäudes ab und von der Heizanlage an sich.
Kühlen mit Solarthermie
Zusätzlich zur Unterstützung der Heizanlage und der Warmwasserbereitung eignet sich Solarthermie zum Kühlen von Gebäuden. Auf diese Weise nutzt der Anlagenbetreiber die vor allem im Sommer anfallenden Überschüsse der Solaranlage, die aus dem Wegfall des Heizungsbetriebs resultieren.
Vorteile beim Kühlen mit Solarthermie:
- Angebot an Sonnenenergie und Bedarf an Kühlung harmonisieren
- Solarthermie-Anlage entfaltet den optimalen Wirkungsgrad
- Verzicht auf klimaschädigende Kältemittel
- Produzierte Überschüsse werden verwertet und Kosten für elektrische Energie eingespart
- Schutz vor Überhitzung der Solaranlage durch kontinuierliche Abnehmer im Sommer
Zusätzlich wird die Kühlung mit Solarthermie mit Fördermitteln des BAFA sowie zinsgünstigen Darlehen der KfW-Bank gefördert.
Standortvoraussetzung für die Solarthermie
Die Voraussetzungen für den Standort von Solarthermie-Anlagen sind weniger hoch als die einer Photovoltaik-Anlage. Trotzdem sollten bestimmte Kriterien erfüllt sein, um einen optimalen Ertrag zu erwirtschaften.
Optimale Standort-Bedingungen für Solarthermie:
- 30 - 50 Grad Neigungswinkel optimal für Warmwasserbereitung
- 45 - 70 Grad Neigungswinkel für Heizungsunterstützung
- Verschattung durch Bäume, Gebäude oder Aufbauten unbedingt vermeiden
- Zukünftige Bausituation im unmittelbaren Umfeld berücksichtigen
Die maximale Abweichung von der südlichen Ausrichtung nach Osten oder Westen sollte nicht mehr als 30 Prozent betragen. Innerhalb dieses Bereichs beträgt die Ertragseinbuße ungefähr fünf Prozent.
Bauliche Voraussetzungen für eine thermische Solaranlage
Vor der Installation einer Solarthermie-Anlage müssen die baulichen Voraussetzungen abgeklärt werden. Obwohl in der Regel die Dachlasten ausreichend hoch kalkuliert sind, ist eine entsprechende Kontrolle der Tragfähigkeit vor allem in schneereichen und durch Wind belasteten Regionen sinnvoll.
Genauso bedeutend ist die verfügbare Dachfläche an sich. Denn für die Installation einer Solarthermie-Anlage ist eine durchgehende Fläche erforderlich. Diese für die Kollektoren gedachte Gesamtfläche ist entsprechend tragfähig und nicht durch Störfaktoren wie Verschattungen beeinflusst.
Solarthermie - Amortisation und Wirtschaftlichkeit
Bei der Amortisation einer Solarthermie-Anlage wird zwischen der energetischen und der finanziellen Amortisation differenziert.
Die energetische Amortisation erfolgt innerhalb von ein bis zwei Jahren ab Inbetriebnahmen und definiert die Zeitspanne, in der eine Solaranlage die Energie erwirtschaftet hat, die zu Ihrer Produktion erforderlich war. Im Durchschnitt beträgt die energetische Amortisation zwischen zwei und fünf Jahren.
Die energetische Amortisation beträgt bei Solarthermie zwischen zwei und fünf Jahren
Für die finanzielle Amortisation einer thermischen Solaranlage für Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung gilt ein Zeitraum von 8 Jahren für Flachkollektoren und von 14 Jahren bei der Installation von Vakuumröhren-Kollektoren. Wobei sich die Preise dieser effizienten Kollektoren und damit auch die Amortisationszeit kontinuierlich verringern.
Die finanzielle Amortisation beträgt bei Solarthermie zwischen 8 und 14 Jahren
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