Solarthermie: Heizen mit Sonnenenergie

Ein vergleichbares Grundprinzip der Solarthermie kennt so mancher aus dem Garten. Aus einem Wasserschlauch, der dort für eine Weile in der Sonne lag, strömt zunächst das von der Sonne erwärmte Wasser, das darin stand. Solarthermie-Anlagen machen sich diesen Effekt zunutze. Sie erzeugen aus der gratis von der Sonne gelieferten Sonnenenergie Wärme zum Heizen. Wie die Photovoltaik (PV) ist auch die Solarthermie eine Technologie der Solaranlage, die die Sonnenenergie nutzbar macht. Während PV-Anlagen Solarstrom erzeugen, liefern Solarthermie-Anlagen Solarwärme beziehungsweise Sonnenwärme. Wie sich beide Technologien im Detail unterscheiden, lesen Sie im Beitrag "Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik". Der folgende Text wirft hingegen einen genauen Blick auf die Eigenschaften der Solarthermie.

Mit der Solarthermie Solarwärme nutzbar machen

Die Solarthermieanlage nutzt kostenfreie Umweltwärme der Sonne für Heizung oder Warmwasserbereitung im eigenen Zuhause. Damit das funktioniert, fängt sie die solare Strahlung über Kollektoren auf. Anschließend überträgt sie die thermische Energie an einen Wärmespeicher im Heizungs- oder Trinkwassersystem.

Zur Heizungsunterstützung und/oder Warmwasserbereitung

Diese solar erzeugte Wärme lässt sich in privaten Haushalten zum Erhitzen von Heizwasser und Trinkwasser nutzen. Dieses wird zur Gebäudeheizung sowie zum Baden, Waschen, Duschen und Kochen benötigt. Man unterscheidet demnach Solarthermieanlagen zur reinen Warmwasserbereitung und zur Heizungsunterstützung (sekundärer Wärmeerzeuger). Bei entsprechend energieeffizient ausgelegten Gebäuden kann die Solarthermie sogar als primärer beziehungsweise alleiniger Wärmeerzeuger zum Einsatz kommen. In Gewerbe und Industrie dienen Großanlagen der Solarthermie zur Erzeugung solarer Prozesswärme.

Aufbau und Funktionsweise der Solarthermieanlagen

Um die Sonnenenergie zum Heizen nutzen zu können, bedarf es eines bestimmten Aufbaus der Solarthermie. Dabei sind die folgenden Komponenten unerlässlich: 

  • Kollektoren 
  • Absorber
  • Solarkreislauf
  • Solarflüssigkeit

Daneben sollte ein Wärmespeicher zur verfügung stehen, der die Wärme abnimmt, wenn sie entsteht und bevorraten kann. Denn die Intensität der Sonneneinstrahlung ist nicht gleichmäßig über den gesamten Tag verteilt. 

Die Kollektoren der Solarthermie

Was bei der Photovoltaik die Solarmodule mit den Solarzellen sind, sind bei der Solarthermie die Kollektoren. Diese Bauteile sammeln die elektromagnetischen Strahlen der Sonne ein. Es gibt verschiedene Solarthermie-Kollektortypen, die sich sowohl im Aufbau als auch in der Funktionsweise sowie in der Leistung unterscheiden. So sind derzeit folgende Kollektoren im Einsatz:

Grundsätzlich haben die Kollektoren der Solarthermieanlage die Aufgabe, die Strahlung der Sonne aufzunehmen und sie in nutzbare Wärme umzuwandeln. Sie werden meist auf dem Dach installiert und bestehen einfach beschrieben aus einem gedämmten Kasten.

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.

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.

Vakuumröhrenkollektoren einer Solaranlage
Vakuumröhrenkollektoren einer thermischen Solaranlage sind besonders effizient. (© Viessmann)

Absorber wandeln Licht in Wärme

Im Inneren der Solarkollektoren befinden sich Absorber. Je nach Kollektortyp kann dies eine dunkel gefärbte Fläche sein, welche die Strahlungswärme der Sonne aufnimmt (Flachkollektoren). Um die Kollektoren vor Witterungseinflüssen zu schützen, werden sie zur Sonne hin mit einer durchsichtigen Scheibe abgedeckt. Diese wurde so weit optimiert, dass nur sehr wenig des auftreffenden Lichts reflektiert und ein großer Teil ins Innere des Kollektors gelangt. Handelt es sich um Röhrenkollektoren, befindet sich der Absorber im Inneren der Röhre. Bei den sogenannten Vakuumröhrenkollektoren kann man sich dies wie bei einer Thermoskanne vorstellen, wobei das Vakuum vor den Wärmeverlusten schützt.

Solarflüssigkeit

Damit die Sonnenwärme an einen bestimmten Ort im Haus gelangt, muss es ein Trägermedium geben - die Solarflüssigkeit. Dabei handelt es sich meist um einen Mix aus Wasser und dem Frostschutzmittel oder nur Wasser. Fließt das Medium an der Absorberfläche vorbei, erwärmt es sich.

Solarkreislauf transportiert Energie ins Haus

Nun besteht eine Solarthermieanlage nicht nur aus den Kollektoren mit den Absorbern. Der sogenannte Solarkreislauf einer Solarthermie verbindet die Kollektoren mit dem Wärmespeicher der Heizungs- oder Trinkwasseranlage. Er besteht aus einem verzweigten Rohrnetz, das seinerseits mit der speziellen Solarflüssigkeit gefüllt ist. Zum Kreislauf gehört zudem die Solarpumpe. Sie transportiert das erhitzte Wärmeträgermedium zu einem in den Heizungskreislauf integrierten Wärmespeicher. Dieser kann entweder mit Heizungs- oder mit Trinkwasser befüllt sein. Die thermische Energie bleibt dann im Speicher, bis sie von den Wärmeverbrauchern gezielt abgerufen wird. Das abgekühlte Solarfluid strömt zurück zu den Absorbern, so dass sich der solare Heizkreislauf schließt.

Außerdem gehören zum Solarkreislauf spezielle Armaturen. Sie schützen die Solarthermie vor einem zu hohen Druck. Dieser entsteht zum Beispiel dann, wenn die Temperatur der Solarflüssigkeit stark ansteigt. Dies kann ohne entsprechende Einrichtungen mitunter zu schwerwiegenden Schäden führen. Nicht zuletzt sorgt ein sogenannter Solarregler dafür, dass alles reibungslos funktioniert.

Der Wärmespeicher einer Solarthermie

Der Wärmespeicher nimmt die thermische Energie der Solarthermieanlage auf und hält sie so lange vor, bis sie dann im Gebäude benötigt wird. Wichtig ist das, da die Wärme für Heizung und Warmwasser überwiegend dann verbraucht wird, wenn die Sonne nicht scheint - nämlich morgens und abends.

Um zu verhindern, dass sich diese Flüssigkeiten mit der Solarflüssigkeit mischen, werden Wasser- oder Kombispeicher ausschließlich über einen Wärmeübertrager mit solarer Wärme versorgt. Dieser besteht aus einer Rohrschlange, die von der Solarflüssigkeit durchflossen wird und funktioniert in etwa wie ein Tauchsieder.

Günstige Bedingungen für hohe Solarthermie-Erträge

Der solare Ertrag hängt maßgeblich davon ab, wie viel der Sonnenenergie zum Heizen oder zur Aufbereitung von Warmwasser absorbiert wird. Danach bemisst sich, ob sich die Anschaffung einer Solarthermieanlage lohnt. Darauf nimmt aber nicht nur die Kollektortechnik selbst Einfluss, sondern auch die Art und Weise der Platzierung der Kollektoren gen Sonne.

Globalstrahlung

Grafik zum solaren Deckungsgrad im Bereich Solarthermie
Die Grafik zeigt, dass Sonnenenergie bis zu 60 Prozent der für das Erwärmen des Trinkwassers nötigen Energie liefern kann. (© heizung.de)

Die globale Sonneneinstrahlung variiert. Während man im Norden Deutschlands mit jährlich zwischen 900 und 1.000 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter rechnen kann, sind es im Süden schon 1.200 kWh pro Quadratmeter. Zum besseren Verständnis: Auf nur einen Quadratmeter trifft damit eben so viel Sonnenwärme auf, wie sie 100 bis 120 Liter fossiles Heizöl oder -gas liefern würden. Dazu muss man wissen, dass ungefähr die Hälfte dieser Strahlung verloren geht. Realistisch betrachtet sind es im Schnitt etwa 450 bis 600 kWh, die man mit einem Quadratmeter Kollektorfläche hierzulande pro Jahr ernten kann.

Dachausrichtung

Allein der Standort des Hauses macht den Solarertrag nicht größer. Die Installationsfläche für die Solarthermie-Kollektoren, meist also das Hausdach, sollte möglichst viele der tagsüber anfallenden Sonnenstrahlen einfangen. Alternativ können auch die Hauswand oder Freiflächen auf dem Gelände für die Platzierung der Kollektoren verwendet werden. Hausdächer, die nach Süden oder Südosten ausgerichtet sind, kommen hier auf optimale Erträge.

Dachneigung

Die oben erwähnten Strahlungswerte gelten für eine Kollektorfläche, die waagerecht zu den Sonnenstrahlen ausgerichtet ist. Dies ist zum Beispiel auf einem Flachdach der Fall. Über Tag und Jahr ändert sich der Einfallswinkel der Sonne jedoch, was den Ertrag der Solarthermie-Anlage ebenfalls beeinflusst. Mit der Abweichung vom senkrechten Einfall der Sonnenstrahlen auf die Kollektorfläche mindert sich auch der Energieertrag. Wer jedoch große Ertragseinbußen bei nicht optimal ausgerichteten Kollektoren befürchtet, kann beruhigt werden. Laut Solarthermie-Experten erreichen selbst nach Südwest oder Südost ausgerichtete Dächer mit Neigungen zwischen 20 bis 65 Grad immer noch mehr als 85 Prozent des maximal möglichen Ertrags an gewonnener Sonnenenergie.

Verschattung

Nicht zuletzt wirkt sich auch die Verschattung auf den Solarthermie-Ertrag aus. Werfen hohe Bäume, Gebäude oder Berge große Schatten über das eigene Dach, mindern sie die solare Einstrahlung und damit auch die Gewinne der Solarthermie. Wer sich für eine solche Anlage interessiert, sollte die Einflussfaktoren daher frühzeitig prüfen. 

Einsatzmöglichkeiten einer Solarthermieanlage

Solarthermieanlagen für Warmwasser nutzen die kostenfreie Energie der Sonne, um Trinkwasser zu erhitzen. Sie sind vergleichsweise klein und eignen sich daher auch bei einer energetischen Sanierung. Für ein typisches Einfamilienhaus sollten Hausbesitzer mit einer Kollektorfläche von einem Quadratmeter je Bewohner und einer Speichergröße von rund 60 Liter je Person im Haushalt rechnen. Ein zusätzlicher Wärmeerzeuger stellt ferner sicher, dass auch bei wenig Sonnenschein immer genügend warmes Wasser verfügbar ist. Worauf es bei der Planung einer Warmwasser-Anlage ankommt, erklären wir im Beitrag Solaranlage zur Warmwasserbereitung.
Rotes Haus mit Garten auf dem Dach befindet sich eine Solarthermie-Anlage
© bildergala / Fotolia

Solarthermieanlage zur Heizungsunterstützung

Solarthermieanlagen zur Heizungsunterstützung speisen die gesamte Wärme der Sonne erst einmal in einen zentralen Speicher. Dieser ist mit Heizungswasser gefüllt und verteilt die thermische Energie je nach Bedarf an das Heizungs- oder das Warmwassernetz. Ein zusätzlicher Wärmeerzeuger sorgt auch hier dafür, dass immer ausreichend Wärme vorhanden ist.

Im Vergleich zu Warmwasseranlagen sind Solarthermieanlagen zur Heizungsunterstützung größer auszulegen. In speziellen Fällen können sie dabei sogar fast den gesamten Wärmebedarf eines Gebäudes decken. Wie groß die einzelnen Komponenten zu wählen sind, entscheidet sich bei der Beratung durch einen Installateur. Für grundlegende Informationen rund um das Thema Einbau empfehlen wir Ihnen unsere kostenlose "Checkliste Solarthermie installieren". 

Vielversprechende Systeme für eine Solarthermie-Anlage

Grundsätzlich kann Solarthermie beinahe jede andere Heizungsart ergänzen. Sinnvoll ist ihr Einsatz aus ökologischer Sicht, wenn man sie mit anderen erneuerbaren Energien kombiniert, so zum Beispiel eine Pelletheizung mit Solar. Ebenso kommen eine Holzheizung, eine Wärmepumpe und Photovoltaik-Anlage für eine Kombination in Frage. Der Klassiker ist jedoch nach wie vor die Kombination Ölheizung oder Gasheizung mit einer Solaranlage. Der Grund ist darin zu sehen, dass diese fossilen Heizungen zurzeit noch am meisten verbreitet sind.

Kosten und Fördermittel für die Solarthermie

Die Kosten einer Solarthermieanlage hängen sehr stark vom Einsatzzweck ab. Während es eine  Solaranlage zur Warmwasserbereitung bereits für 3.000 bis 6.000 Euro gibt, sollten Hausbesitzer für eine Solar-Heizung (Solarthermie zur Heizungsunterstützung) etwa 8.000 bis 12.000 Euro einplanen. Das Gute daran: Der Staat fördert die Technik mit hohen Zuschüssen. So bekommen Hausbesitzer mindestens 500 Euro für Solarthermie-Anlagen zur Warmwasserbereitung. Unterstützt die Technik auch die Heizung, steigen die Beträge auf über 2.000 Euro an. Einen Überblick geben wir im Beitrag Förderung für Solartechnik.

Heizung.de Autorin Doreen Brumme

Fazit von Doreen Brumme

Mithilfe der Solarthermie lässt sich die kostenlose Sonnenenergie zum Heizen nutzen. Sie macht Anlagenbesitzer ein Stück weit unabhängiger von fossilen Brennstoffen und ihren steigenden Kosten. Mit der optimalen und fachgerecht installierten Anlage senkt der Betreiber Heizenergie sowie CO2-Emissionen und trägt somit zur Wärmewende bei. Vorausgesetzt, er scheut nicht die Investition in die komplexe Solartechnik.

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