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 Solartechnik, die die Sonnenenergie nutzbar macht. Während PV-Anlagen Solarstrom erzeugen, liefern Solarthermie-Anlagen Solarwärme beziehungsweise Sonnenwärme.

Solarwärme für Privathaushalte, Gewerbe und Industrie

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 Solarthermie-Anlagen zur reinen Warmwasserbereitung und zur Heizungsunterstützung (sekundärer Wärmeerzeuger). Bei entsprechend energieeffizient ausgelegten Gebäuden kann die Solarthermie-Anlage sogar als primärer beziehungsweise alleiniger Wärmeerzeuger zum Einsatz kommen. In Gewerbe und Industrie dienen Solarthermie-Großanlagen zur Erzeugung solarer Prozesswärme.

Rotes Haus mit Garten auf dem Dach befindet sich eine Solarthermie-Anlage

Aufbau und Funktionsweise der Solarthermie-Anlagen

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 und, daraus resultierend, auch in der Leistung unterscheiden. So sind derzeit folgende Kollektoren im Einsatz:

Allerdings gibt es von diesen beiden Kollektor-Typen auch noch Varianten, zum Beispiel Vakuumröhrenkollektoren mit weiteren Untertypen wie Heatpipe-Kollektoren. In denen verdampft eine Flüssigkeit und kondensiert anschließend wieder, wobei das Kondensat die dabei frei werdende Wärme via Wärmetauscher an eine Wärmeübertragerflüssigkeit abgibt. Handelt es sich um direkt durchströmte Kollektoren, fließt die Übertragerflüssigkeit durch ein Röhrchen unter dem Absorber hindurch und nimmt die Wärme dabei wieder auf. Sogenannte CPC-Kollektoren arbeiten nach dem Thermoskannenprinzip mit zwei Glasröhren, zwischen denen ein Vakuum besteht. Bei ihnen hat man die Absorberschicht auf der Außenseite der inneren Röhre aufgedampft, während innen ein Wärmeleitblech mit Röhrchen für das Wärmeübertragermedium liegt. Das CPC steht für „Compound Parabolic Concentrator“ und meint eine Spiegeltechnologie, die mit hoch reflektierenden Spiegeln unter den Röhren des Vakuumröhrenkollektors einfallendes Licht auf einen Absorber lenkt und so selbst bei diffusem Sonnenlicht für hohe Solarwärme-Ausbeute sorgt.

Absorber

Um möglichst viel von der Sonnenenergie zum Heizen einzusammeln, besitzen Solarthermie-Kollektoren einen Absorber in Form einer Absorberfläche, die selektiv beschichtet ist und sich beim Absorbieren der Sonnenenergie aufwärmt. Die Absorberfläche sitzt in Rohren, durch die das Wärmeübertragermedium strömt. Dabei handelt es sich meist um ein Solarfluid: Entweder ein Mix aus Wasser und dem Frostschutzmittel Glykol oder Wasser beziehungsweise ein Gas. Fließt das Medium an der Absorberfläche vorbei, erwärmt es sich.

Solarkreislauf

Nun besteht eine Solarthermie-Anlage nicht nur aus den Kollektoren mit den Absorbern, die optimal in Richtung Sonne platziert werden müssen, sondern auch aus einer Umwälzpumpe (bei flüssigem Wärmeübertrager) oder einem Ventilator (bei gasförmigen Wärmeübertrager). Pumpe, Ventilator oder auch allein die Auftriebskraft infolge der Erwärmung sorgen dafür, dass der erhitzte Wärmeübertrager zu einem in den Heizungskreislauf integrierten Wärmespeicher transportiert wird. Je nach Modell hat dieser Wärmetauscher ein sich dort befindliches Wärmespeichermedium erwärmt. Auf diese Weise bleibt die Wärme im Wärmespeicher, bis sie von den Wärmeverbrauchern gezielt abgerufen wird. Das abgekühlte Solarfluid oder Gas wird zurück zu den Absorbern geführt, so dass sich der solare Heizkreislauf schließt.

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. Darauf nimmt aber nicht nur die Kollektortechnik selbst Einfluss, sondern auch die Art und Weise der Platzierung der Kollektoren gen Sonne.

Globalstrahlung

Balkendiagramm mit solaren Deckungsgraden für die Trinkwassererwärmung eines Einfamilienhauses.


Die Grafik zeigt, dass Sonnenenergie bis zu 60 Prozent der für das Erwärmen des Trinkwassers nötigen Energie liefern kann.

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

Doch auch 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.

Vielversprechende Partner für eine Solarthermie-Anlage

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

Doreen Brumme

Fazit von Doreen Brumme

Solarthermie ist gratis Sonnenenergie zum Heizen. Sie macht Verbraucher unabhängiger von fossilen Brennstoffen und ihren langfristig stetig steigenden Kosten. Mit der optimalen und fachgerecht installierten Solarthermie-Anlage kann der Betreibers ein Maximum an Heizenergie und CO2-Emissionen sparen und trägt somit zur Wärmewende bei. Vorausgesetzt, er scheut nicht die Investition in die komplexe Solartechnik.

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