Die 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. Für die Umwandlung dieser Energie in Wärme ist eine Solarthermieanlage zuständig. Die Umwandlung in Strom übernimmt wiederum eine Photovoltaikanlage. Wie diese Technologien funktionieren und was eine Solaranlage eigentlich kostet, erklären wir in den folgenden Abschnitten.

Thermische Solaranlagen zur Gewinnung von Umweltwärme

Die Solarthermie ist eine Sonnenanlage, die kostenfreie solare Strahlung auffängt und sie in Wärme umwandelt. Diese lässt sich dann zum Beispiel zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung nutzen. Da das Energie-Angebot der Sonne durch Verschattung, Bewölkung oder ihre Stellung am Himmel schwankt, wird sie in der Regel mit einem anderen Heizsystem kombiniert. Eine Gasheizung oder eine Wärmepumpe sorgen zum Beispiel dafür, dass so viel kostenfreie Energie wie möglich über die Solaranlage gewonnen und das Haus immer mit ausreichend Wärme versorgt werden kann. Wie Solaranlagen zur Wärmeerzeugung konkret eingesetzt werden können, dazu kommen wir gleich.

Aus welchen Komponenten besteht eine Solaranlage zur Wärmeerzeugung?

Eine Solarwärme- oder Solarthermieanlage besteht aus einer Reihe von Komponenten, die sich sowohl im Neubau als auch bei einer Sanierung installieren lassen. 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
Solaranlage auf einem roten Hausdach
© Viessmann

Solarkollektoren wandeln Strahlung in Wärme um

Die Kollektoren sind die Bauteile einer Sonnenanlage. 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 erwärmt sich. Bei einer Solaranlage funktioniert das ähnlich, jedoch unterscheidet man bei den Kollektoren einer Sonnenanlage zwei typische Arten: die Flachkollektoren und die Röhrenkollektoren beziehungsweise Vakuumröhrenkollektoren.

Der Solarkreislauf transportiert Wärme vom Dach und gewährleistet Sicherheit

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.  

Pufferspeicher bevorratet Wärme für zeitversetzte Nutzung

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 wie ein Tauchsieder auf.

Wie können Solaranlagen zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden?

  • Für Solar-Warmwasser wird die gewonnene Energie ausschließlich auf den Trinkwasserspeicher übertragen. 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 neben der Solaranlage von einem zweiten Wärmeerzeuger versorgt. Dieser schaltet sich jedoch erst dann ein, 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.

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 3.000 bis 5.000 Euro rechnen. Eine Anlage zur Heizungsunterstützung kann dagegen Kosten von 8.000 bis 14.000 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 ist auch eine thermische Solaranlage 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
Solaranlage 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 eine neue Solaranlage gibt es hohe Förderungen hohe Kosten der Sonnenanlage, abhängig vom Einsatzzweck

Ausführliche Informationen zum Thema Wärmeerzeugung mit Sonnenenergie finden Sie im Beitrag "Solarthermie: Heizen mit Sonnenenergie". 

Solaranlagen zur Gewinnung von Strom 

Im Gegensatz zu Solarthermieanlagen gewinnen Photovoltaik-Sonnenanlagen Strom aus der kostenfreien Energie der Sonne. Dieser lässt sich zum Beispiel im eigenen Haus verwenden oder in das öffentliche Versorgungsnetz einspeisen. Da die Einsparungen der Solaranlage am höchsten sind, wenn Hausbesitzer möglichst viel Strom selbst verbrauchen, 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. Diese benötigen den meisten Strom zum Kühlen, wenn die Sonne scheint, ist das meist morgens oder abends.

Aus welchen Komponenten besteht eine Sonnenanlage zur Stromerzeugung?

Die Funktionsweise der Photovoltaik beruht auf verschiedenen Komponenten. Diese sind:

  • die Kollektoren oder Solarmodule zum Umwandeln der Strahlung in elektrische Energie
  • der Wechselrichter der Solaranlage, zum Wandeln von Gleich- in Wechselstrom
  • der Stromspeicher zum Puffern des Stroms, bis er im Haus benötigt wird
Eine Nahaufnahme einer Solaranlage als Symbol für Photovoltaik-Finanzierung
© electra kay-smith | Fotolia

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 Solarzellen, in denen Elektronen bei der Bestrahlung mit Licht zwischen zwei unterschiedlichen Materialien wandern.

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 zunächst in Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernehmen die Photovoltaik-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 12,20 Cent je Kilowattstunde (Stand: Juli 2018) vergütet (nach der sogenannten Einspeisevergütung). Nutzen Hausbesitzer die Photovoltaik zum Eigenverbrauch, sparen sie mit aktuell etwa 28 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. Neben dem Selbstversorgungsgrad kann er damit auch die Einsparungen deutlich steigern.

Wie können Photovoltaikanlagen eingesetzt werden?

  • 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 der Solaranlage für einen Drei- bis Viertagesvorrat ausgelegt.

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 12.000 bis 15.000 Euro einplanen. Da Photovoltaikanlagen besonders umweltfreundlich sind und zusammen mit Stromspeichern auch zu einer Entlastung der öffentlichen Stromnetze führen, 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 mit der Solaranlage Energieerzeugung ist abhängig vom schwankenden Angebot der Sonne
Unabhängigkeit von Energieversorgern und Strompreisschwankungen Eine Solaranlage ist mit hohen Anschaffungskosten verbunden

Ausführliche Informationen zum Thema Stromerzeugung mit Sonnenenergie finden Sie im Beitrag "Photovoltaik: Strom aus Sonnenenergie". 

Wann lohnt sich eine Solaranlage?

Wer die Möglichkeit hat, die kostenlose Sonnenenergie in Wärme oder Strom umzuwandeln, sollte diese unbedingt nutzen. Denn als Energielieferant ist Sonnenenergie nicht nur langfristig verfügbar, sondern auch noch umweltfreundlich. Damit die Anlage wirtschaftlich bleibt, sind mehrere Voraussetzungen zu erfüllen: 

  • Die richtige Auslegung der Anlage
  • Die ausreichende globale Sonneneinstrahlung
  • Die optimale Dachausrichtung und -neigung

Die Auslegung der Anlage

Die passende Auslegung für eine Solaranlage bekommen Hausbesitzer und Interessenten bei einem Angebot ihres Fachberaters. Schließlich entscheiden auch die Dachfläche und die Art der eingesetzten Kollektoren über die Größe. Es gibt aber grobe Richtwerte, woran sie sich orientieren können. Als Faustregel für die richtige Größe einer Solarthermieanlage gilt:

  • 1,0 bis 1,2 Quadratmeter Flachkollektoren pro Person
  • 0,8 bis 1,00 Quadratmeter Vakuumröhrenkollektoren pro Person

Als Faustregel für die richtige Größe einer Photovoltaikanlage gilt:

  • 1 Kilowatt peak erzeugt bis zu 1.000 Kilowattstunden pro Jahr
  • bei einem Verbrauch von 4.000 Kilowattstunden reicht theoretisch eine Anlage mit 4-5 kWp

Globale Sonneneinstrahlung  

Entscheidend für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Solaranlage sind neben der Größe vor allem die globale Sonneneinstrahlung. Während der Norden Deutschlands eher wenig davon hat, können sich Gegenden im Süden über ausreichende Sonneneinstrahlung freuen. Nach Experteneinschätzungen gibt es deutschlandweit aber keine Einschränkungen. Es kommt auf die richtige Auslegung sowie Dachneigung und -neigung an. 

Nach Süden oder Südosten ausgerichtete Dächer sind optimal

Hausdächer, die nach Süden oder Südosten ausgerichtet sind, eignen sich in der Praxis bestens für eine Solaranlage. Für die optimale Dachneigung geben Experten einen Neigungswinkel von 20 bis 60 Grad an. Wichtig ist auch hier, dass die Anlage nicht verschattet wird. Außerdem sollte sie möglichst frei von Störfaktoren wie Schmutzschicht oder Blätter sein. In manchen Fällen empfiehlt sich eine Photovoltaik-Renigung durch Fachfirmen.

Sind alle Voraussetzungen erfüllt, können Hausbesitzer die Sonnenenergie auch doppelt nutzen - mit einer Solaranlage zur Strom- und Wärmeerzeugung. Wie das schematisch aussehen kann, zeigt das folgende Bild. 

Abbildung einer Solaranlage auf dem Dach und Heizkesseln im Keller
Ganzheitliches Energiekonzept mit 1) Photovoltaik-Sonnenanlage 2) thermischer Solaranlage 3) Wärmepumpe 4) Wohnungslüftungsgerät 5) Photovoltaik-Wechselrichter 6) Außeneinheit der Wärmepumpe (© heizung.de)

Haben Sie gut aufgepasst? Dann testen Sie ihr Wissen zu Solaranlagen in unserem Solartechnik-Quiz!

Heizung.de Autor 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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