Solaranlage - Strom oder Wärme für den Eigenbedarf

Auch mit einer Entfernung von rund 150 Millionen Kilometern ist die Sonne die größte und sauberste auf der Erde verfügbare Energiequelle – so schickt sie jede Stunde ein Vielfaches der Energie, welche die gesamte Menschheit in einem Jahr verbrauchen könnte. Mit einer Solaranlage kann diese aufgefangen und in Form von Wärme oder Strom im eigenen Haus genutzt werden. Welche technischen Möglichkeiten es dabei gibt, wie diese funktionieren und was eine Solaranlage eigentlich kostet, erklären wir in den folgenden Abschnitten.

Die Themen im Überblick:

Solaranlage auf einem roten Hausdach

Strom oder Wärme – wohin mit der Solarenergie?

Geht es darum, die kostenfreie Energie der Sonne im eigenen Haus zu nutzen, gibt es zwei wesentliche Technologien: Mit der Solarthermie wird die Strahlung über eine Solaranlage aufgefangen und in Wärme für Heizung oder Warmwasserbereitung umgewandelt. Photovoltaik-Sonnenanlagen nutzen die Energie der Sonne dagegen zur Erzeugung von Strom, der entweder gespeichert, direkt selbst verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist werden kann.

Solarthermie – Solaranlagen zur Gewinnung kostenfreier Umweltwärme

Die Solarthermie ist eine Sonnenanlage, mit der die kostenfreie solare Strahlung aufgefangen und in Wärme umgewandelt wird. Diese kann dann zum Beispiel zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung genutzt werden.

Da das Energie-Angebot der Sonne durch Verschattung, Bewölkung oder ihre Stellung am Himmel nur schwankend auftritt, wird sie immer mit einem anderen Heizsystem kombiniert. Eine Gasheizung oder eine Wärmepumpe sorgen zum Beispiel dafür, dass so viel kostenfreie Energie wie möglich über die Sonnenanlage gewonnen und das Haus immer mit ausreichend Wärme versorgt werden kann.

Aus welchen Komponenten besteht eine Solaranlage zur Wärmeerzeugung?

Eine Solarwärme- oder Solarthermieanlage besteht aus einer Reihe von Komponenten, die sowohl im Neubau als auch bei einer Sanierung installiert werden können. Diese sind:

  • die Solarkollektoren auf dem Dach
  • der Solarkreislauf mit Regelungs- und Sicherheitstechnik
  • der Speicher zum Puffern der Wärme, wenn sie einmal nicht benötigt wird

Solarkollektoren wandeln Strahlung in Wärme

Die Kollektoren sind die Bauteile einer Sonnenanlage, die auch von außen gesehen werden. Sie haben die Aufgabe, die Strahlung der Sonne aufzunehmen und direkt in Wärme umzuwandeln. Einfach erklärt funktioniert das wie bei einem geschlossenen Regenfass. Während die Sonne darauf scheint, überträgt sie ihre Energie und das Wasser im Inneren wird warm. Bei einer Solaranlage funktioniert das ähnlich, jedoch unterscheidet man bei den Kollektoren einer Sonnenanlage zwei typische Arten: die Flachkollektoren und die Röhrenkollektoren bzw. Vakuumröhrenkollektoren.

Der Flachkollektor besteht aus einem ringsum gedämmten Kasten, durch dessen Inneres eine Rohrschlange führt. Zur Sonne ist er mit einer transparenten Scheibe abgedeckt. Diese wurde so weit optimiert, dass sie den größten Teil der auftreffenden Strahlung ohne Spiegelung hindurch lässt. Scheint die Sonne, heizt sich der Kollektor auf und die Solarflüssigkeit – mit Frostschutzmittel versetztes Wasser – in den Rohrleitungen transportiert die Wärme zum Speicher der Solaranlage.

Vakuumröhrenkollektoren einer Solaranlage

Vakuumröhrenkollektoren einer thermischen Solaranlage sind besonders effizient.

Ein Vakuumröhrenkollektor besteht im Gegensatz dazu aus mehreren miteinander verbundenen Glasröhren. Wie bei einer Thermoskanne befindet sich in diesen ein Vakuum, das die Wärmeverluste der Kollektorröhren reduziert. Vergleicht man beide Arten, können Sonnenanlagen mit Vakuumröhrenkollektoren auf der gleichen Fläche mehr Wärme gewinnen. Da sie auch teurer sind, eignen sie sich vor allem da, wo der Platz auf dem Dach begrenzt oder die Bedingungen für eine Solaranlage nicht optimal sind. Eine Zwischenform der beiden Typen sind Vakuumflachkollektoren. Diese sind technisch aufwendig und werden nur von wenigen Herstellern angeboten.

Der Solarkreislauf transportiert Wärme vom Dach und gewährleistet Sicherheit

Abbildung einer thermischen Solaranlage anhand der Abbildung eines Hauses

Schema einer thermischen Solaranlage mit 1) Brennwerttherme 2) Speicher und 3) Kollektoren

Der Solarkreislauf besteht aus einem Rohrnetz, das Kollektoren und Heizungsanlage im Haus miteinander verbindet. Angetrieben von einer Umwälzpumpe zirkuliert dabei eine Solarflüssigkeit durch die gesamte Solaranlage, die die Wärme aus dem Kollektor zum Speicher transportiert. Ein Ausdehnungsgefäß und ein Sicherheitsventil gewährleisten, dass dies immer sicher und effizient funktioniert. Da die Wärme vor allem bei Solaranlagen zur Warmwasserbereitung meist dann benötigt wird, wenn die Sonne nicht scheint, muss die Energie gepuffert werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Speicher, der je nach Einsatzgebiet der Solaranlage mit Trinkwasser oder Heizungswasser befüllt ist. Um zu verhindern, dass die Solarflüssigkeit mit Heizungs- oder Trinkwasser gemischt wird, fließt sie nie direkt, sondern über einen Wärmeübertrager durch den Speicher. Dieser besteht aus einer Rohrschlange und heizt den Speicher ähnlich einem Tauchsieder auf.

Wie können Solaranlagen zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden?

Die Wärme der Sonnenanlage kann im Haus für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. Generell unterscheidet man dabei zwischen der Solaranlage zur Warmwasserbereitung und der Solaranlage zur Heizungsunterstützung:

Bei der Warmwasserbereitung mit Sonnenenergie wird die gewonnene Energie ausschließlich auf den Trinkwasserspeicher übertragen. Wie bereits beschrieben, funktioniert das mit einem Wärmeübertrager – einer Rohrschlange – der in dem Speicher integriert ist. Reicht die kostenfreie Umweltenergie nicht aus, stellt ein zusätzlicher Wärmeerzeuger sicher, dass immer genügend Wärme vorhanden ist. Da die gesamte Solaranlage zu diesem Zweck eine überschaubare Größe hat, kann sie neben Neubauvorhaben oft auch gut in ein bestehendes Gebäude integriert werden.

Bei einer Sonnenanlage zur Heizungsunterstützung wird die gesamte Umweltenergie zunächst in einen Pufferspeicher geschickt. Dieser ist mit Heizungswasser gefüllt und hält die Wärme zur Beheizung des gesamten Gebäudes vor. Auch hier wird der Speicher zusätzlich von einem zweiten Wärmeerzeuger versorgt. Dieser wird jedoch erst dann eingeschaltet, wenn die Energie im Speicher zu knapp ist und Haus oder Warmwasser nicht mehr ausreichend versorgt werden können. Im Vergleich zu Sonnenanlagen, die ausschließlich zur Warmwasserbereitung installiert werden, haben Anlagen zur Heizungsunterstützung oft größere Kollektorflächen sowie einen größeren Speicher. Eine besondere Form der Solarheizung ist das beinahe energieautarke Solarhaus. Dieses besteht neben einer besonders großen Kollektorfläche aus einem Speicher, der im Einfamilienhaus gut 10.000 Liter oder mehr als 70 Badewannenfüllungen fassen kann. Ziel des Behälters, der auch architektonisch zum Kern der Gebäude wird, ist es, die Energie der Sommersonne bis in den Winter zu bevorraten.

Was kostet eine Solarwärmeanlage?

Die Kosten einer Sonnenanlage zur Wärmeerzeugung unterscheiden sich, je nachdem zu welchem Zweck die Anlage eingesetzt werden soll. Für eine Solaranlage zur Warmwasserbereitung müssen Hausbesitzer mit Kosten um die 4.000-5.000 Euro rechnen. Eine Anlage zur Heizungsunterstützung kann dagegen Kosten von 9.000-11.000 Euro verursachen. Die Preise für eine Solarwärmeanlage können jedoch nach Region, Hersteller und Dienstleister variieren und stellen damit nur eine grobe Kosteneinschätzung dar. Abhängig von der solaren Deckungsrate – dem Anteil der Solarenergie am Wärmebedarf – können die Kosten auch höher ausfallen. Der Staat unterstützt den Kauf einer Sonnenanlage mit hohen Förderung. Einen Überblick über aktuelle Möglichkeiten finden interessierte Hausbesitzer im Artikel Förderung für Solartechnik.

Vor- und Nachteile der Sonnenanlage zur Wärmeerzeugung

Wie jedes andere Heizsystem sind auch Solarthermie-Anlagen mit eigenen Vor- und Nachteilen verbunden, die in den Vor- und Nachteilen der Solarthermie nochmals übersichtlich beschrieben werden.

Die wichtigsten Vorteile der Solarthermie: Die wichtigsten Nachteile einer Sonnenanlage zur Wärmeerzeugung:
arbeiten ausschließlich mit erneuerbarer Energie Platzbedarf auf einem gut ausgerichteten und
ausreichend steilen Dach ohne Verschattung
verursachen selbst keine Brennstoff- oder Verbrauchskosten Energieerzeugung ist abhängig vom schwankenden
Solaranagebot
für neue Anlagen gibt es hohe Förderungen hohe Kosten der Sonnenanlage, abhängig vom Einsatzzweck

Photovoltaik – Solaranlagen zur Gewinnung von Strom aus der Sonne

Im Gegensatz zu Solarthermieanlagen gewinnen Photovoltaik-Sonnenanlagen Strom aus der kostenfreien Energie der Sonne. Dieser kann zum Beispiel im eigenen Haus verwendet oder in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist werden. Da die Einsparungen am höchsten sind, wenn so viel Strom wie möglich auch selbst verbraucht wird, werden moderne Solarstromanlagen meist mit einem Speicher ausgestattet. Dieser nimmt die elektrische Energie auf, wenn die Sonne scheint und hält sie so lange vor, bis sie im Haus benötigt wird. Mit Ausnahme von Klimageräten – die benötigen den meisten Strom zum Kühlen, wenn die Sonne scheint – ist das meist morgens oder abends.

Aus welchen Komponenten besteht eine Sonnenanlage zur Stromerzeugung

Photovoltaikanlagen erzeugen Strom aus solarer Strahlung. Die Funktionsweise der Photovoltaik beruht dafür auf verschiedenen Komponenten. Diese sind:

  • die Kollektoren zum Umwandeln der Strahlung in elektrische Energie
  • der Wechselrichter zum Wandeln von Gleich- in Wechselstrom
  • der Stromspeicher zum Puffern des Stroms, bis er im Haus benötigt wird

Die Kollektoren erzeugen elektrische Energie aus Sonnenlicht

Die Kollektoren einer Sonnenanlage zur Stromerzeugung werden meist auf dem Dach montiert und fangen die Strahlung der Sonne auf. Mithilfe des photoelektrischen Effekts, den Albert Einstein bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts untersuchte, erzeugen sie Strom. Genauer passiert das in den Zellen eins Photovoltaik-Moduls, in denen Elektronen bei der Bestrahlung mit Licht zwischen zwei unterschiedlichen Materialien wandern.

Wie effizient die Strahlung dabei in Strom gewandelt werden kann, hängt vom Material der Kollektoren ab. Heute unterscheidet man vor allem folgende Arten:

  • Monokristalline Zellen
  • Polykristalline Zellen
  • Amorphe Zellen

Monokristalline Zellen werden aus homogenen Kristallstäben gesägt und erreichen durch die gleichförmige Struktur einen Wirkungsgrad von bis zu 18 Prozent. Sie eignen sich vor allem da, wo die Bedingungen für die Sonnenanlage nicht perfekt sind oder viel Leistung auf einer geringen Fläche erzeugt werden muss. Im Vergleich zu anderen Zell-Arten sind sie teuer.

Polykristalline Zellen werden aus inhomogenen Kristallblöcken hergestellt. Sie sind an ihrer typischen Kristall-Struktur zu erkennen, erreichen Wirkungsgrade von 11 bis 14 Prozent und haben allgemein ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Bei amorphen Zellen – Zellen ohne geordnete Struktur – wird Silizium auf ein Trägerelement aufgedampft. Durch dieses Verfahren können Module mit besonders dünnen Schichtdicken hergestellt werden, die in einen Wirkungsgrad von 6 bis 8 Prozent erreichen. Die Kosten sind im Vergleich zu den anderen Modularten am günstigsten.

Wechselrichter wandeln Gleich- in Wechselstrom

Die Module der Solaranlage wandeln das auftreffende Licht in Gleichstrom um. Damit dieser aber im Haus genutzt oder in das öffentliche Stromnetz umgewandelt werden kann, muss er in Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernehmen die Wechselrichter, die meist direkt unter dem Dach oder im Keller installiert werden.

Stromspeicher puffern den Strom, bis er im Haus benötigt wird

Bei Photovoltaikanlagen ohne Stromspeicher können etwa 20 Prozent des geernteten Stroms im Haus verbraucht werden. Die übrigen 80 Prozent werden ins öffentliche Netz eingespeist und aktuell für 20 Jahr mit 12,31 Cent je Kilowattstunde vergütet. Wird der Strom selbst verbraucht, sparen Hausbesitzer mit aktuell etwa 27,50 Cent je Kilowattstunde mehr als doppelt so viel. Um die Solaranlage wirtschaftlich zu betreiben, ist es daher sinnvoll auch einen Stromspeicher zu installieren. Der puffert die Energie der Sonnenanlage so lange, bis er im Haus gebraucht wird, und kann den Selbstversorgungsgrad und damit auch die Einsparungen deutlich steigern.

Für Solaranlagen in Einfamilienhäusern unterscheidet man heute zwischen:

  • Blei-Akkumulatoren
  • Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Blei-Akkumulatoren kennen viele aus dem Auto. Denn hier werden sie in der Regel als Starter-Batterie eingesetzt. Sie sind zwar günstig, erreichen mit 80 bis 85 Prozent aber auch nur niedrige Wirkungsgrade. Außerdem erreichen Blei-Akkumulatoren oft nur 2.000 Ladezyklen und müssten in einer Solaranlage alle 10 Jahre ausgetauscht werden.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden zum Beispiel in Smartphones, Tablets oder Notebooks verwendet und kommen mit Wirkungsgraden von 90 bis 95 Prozent ohne bedeutende Speicherverluste aus. Neben einer hohen Energiedichte, durch die der Strom platzsparend gespeichert werden kann, erreichen sie mitunter mehr als 5.000 Ladezyklen und können in einer Solaranlage mindestens 20 Jahre lang verwendet werden.

Wie können Photovoltaikanlagen eingesetzt werden?

Abbildung des ganzheitlichen Energiekonzeptes mit Ganzheitliches Energiekonzept mit Solaranlage

Ganzheitliches Energiekonzept mit 1) Photovoltaik-Sonnenanlage 2) thermischer Solaranlage 3) Wärmepumpe 4) Wohnungslüftungsgerät 5) Photovoltaik-Wechselrichter 6) Außeneinheit der Wärmepumpe

Solaranlagen, die Strom auf den Dächern von Ein- oder Mehrfamilienhäusern erzeugen, werden in der Regel netzgekoppelt installiert. Das heißt, sie sind mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Auf diese Weise können die Anlagen Strom aus dem Netz beziehen, wenn die Sonne gerade nicht scheint und die Speicher gleichzeitig leer sind.

Eine Alternative zu netzgekoppelten Sonnenanlagen sind Inselanlagen. Diese bestehen ausschließlich aus Modulen, Wechselrichter und Speicher. Sind alle Vorräte aufgebraucht, kann dabei kein Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Um das zu verhindern, werden die Stromspeicher dabei für einen Drei- bis Viertagesvorrat ausgelegt. Anwendung finden die netzunabhängigen Inselanlagen zum Beispiel in Gartenhäusern, zeitweise genutzten Gebäuden, oder an Orten die aufgrund ihrer Lage nicht ohne Weiteres an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden können.

Was kostet eine Photovoltaik-Anlage?

Wie teuer die Solaranlage zur Stromerzeugung auf einem Hausdach ist, hängt generell von ihrer Größe ab. Für eine Anlage mit einer Spitzenleistung von fünf Kilowatt und einem Speicher mit einer Kapazität von vier bis fünf Kilowatt müssen Hausbesitzer einen Preis von 13.000 bis 15.000 Euro einplanen. Da Photovoltaikanlagen besonders umweltfreundlich sind und zusammen mit Stromspeichern auch zu einer Entlastung der öffentlichen Stromnetze führen können, werden sie vom Staat gefördert. Welche Mittel dabei zur Verfügung stehen, lesen Sie in unserem Artikel zur Förderung für Solartechnik.

Welche Vor- und Nachteile haben Photovoltaik-Anlagen?

Sonnenanlagen können die kostenfreie und unerschöpfliche Energie der Sonne nutzen, um Strom für den eigenen Bedarf zu erzeugen. Das entlastet nicht nur das Portemonnaie vieler Hausbesitzer, sondern auch die Umwelt. Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile der Photovoltaik übersichtlich zusammengefasst:

Die wichtigsten Vorteile der Photovoltaik: Die wichtigsten Nachteile der Photovoltaik:
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, dort, wo der Strom verbraucht wird Platzbedarf auf einem gut ausgerichteten, ausreichend steilen Dach ohne Verschattung
sinkende Energiekosten durch Eigenstromnutzung Energieerzeugung ist abhängig vom schwankenden Angebot der Sonne
Unabhängigkeit von Energieversorgern und Strompreisschwankungen Anlagen sind häufig mit hohen Anschaffungskosten verbunden

Die Solaranlage in Alt- und Neubauten

Eine Solaranlage lässt sich in der Regel schnell und unkompliziert abringen. Viele Altbauten können mit einigen Umbaumaßnahmen geändert werden, sodass eine Solaranlage den benötigten Platz auf dem Dach findet. Das gilt natürlich auch für Neubauten.

Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Solaranlagen erzeugen Strom oder Wärme aus der kostenfreien und unerschöpflichen Energiequelle Sonne. Sie können in vielen neuen oder bestehenden Gebäuden installiert und wirtschaftlich betrieben werden. Ob sich eine Sonnenanlage lohnt, kann bei einer Vor-Ort-Analyse festgestellt werden.

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