Solarthermie

Solarthermie
„In der Solarthermie wird die thermische Energie der Sonnenstrahlung nutzbar gemacht.“
(Wikipedia, Februar 2003)
Verwendung
„Im Haushalt findet die Sonnenwärme vorwiegend zur Erwärmung von Wasser und der
Raumluft Verwendung. Ein weiterer Einsatz ist die aktive solare Klimatisierung, bei der eine
Absorptionskältemaschine zur Kühlung von Gebäuden mit Sonnenwärme betrieben wird.
In der Industrie ist darüber hinaus noch die Umwandlung in chemische Energie, elektrische
Energie und mechanische Energie anzutreffen.“(Wikipedia, Februar 2003)
Solarthermiebranche in Deutschland ― Kurzprofil zum Ende 2007
„Gesamt installierte Kollektorfläche: rd. 9,2 Mio. Quadratmeter
Senkung Kosten für Solarthermieanlagen von 1990 bis 2007 / 2020* rd. 40 Prozent /66
Prozent
Anteil am deutschen Wärmeverbrauch: 2007/ 2050* < 1% / rd. 30%
Anzahl der Beschäftigten 2007: rd. 15.000“ (Bundesverband Solarwirtschaft e.V.)
Noch 2003 betrugen jedoch Solaranlagen und andere regenerative Methoden nur 1% der
insgesamt erzeugten Energie. (siehe Abbildung 1)
Anteil am Energiemix weltweit
„Eine IEA-Studie im Jahr 2005 ermittelte einen weltweiten Energiebeitrag der Solarthermie
von 70 Gigawatt.“(Wikipedia, Februar 2008)
Geschichte
„Das weltweit erste Patent für eine Solaranlage wurde 1891 an den Metallfabrikanten
Clarence M. Kemp aus Baltimore vergeben. Hierbei handelte es sich um einen einfachen
Wärmekollektor für Warmwasser“.(Wikipedia, Februar 2008)
Industrielle Nutzung
Durch die Bündelung der Sonnenenergie mit Spiegeln, wie es in den meisten
Sonnenwärmekraftwerken geschieht, können am Brennpunkt Temperaturen bis zu 1300 °C
erzielt werden, die industriell gut nutzbar sind. Die hohen Energiekonzentrationen werden mit
einem Dampfkraftwerk oder einem Stirlingmotor in mechanische Energie und anschließend
mit einem Stromgenerator in elektrische Energie umgewandelt. Manchmal ist die gewonnene
Solarenergie eine zusätzliche Energiequelle in einem konventionellen Kraftwerk. Aufgrund
des notwendigen hohen Direktstrahlungsanteils ist diese Anwendung eher für südeuropäische
Regionen sinnvoll. Mit dem Solarkraftwerk Andasol 1wird zurzeit ein solches Kraftwerk in
Andalusien gebaut.
Funktionsprinzip Kollektor zur Erwärmung von Wasser
„Herzstück einer thermischen Solaranlage ist der Kollektor. Der auf dem Dach oder an der
Fassade installierte Sonnenkollektor wandelt das durch seine Glasscheibe eindringende Licht
in Wärme um. Der Kollektor ist damit das Bindeglied zwischen der Sonne und dem
Warmwassernutzer.“(Grall et al. 2007) „Ein Flachkollektor, die am weitesten verbreitete
Bauform eines Kollektors, besteht aus einem selektiv beschichteten Absorber, der zur
Absorption („Aufnahme") der einfallenden Sonnenstrahlung und ihrer Umwandlung in
Wärme dient. Dieser hat eine besonders hohe Aufnahmefähigkeit (Absorptionsgrad) für den
Spektralbereich des Sonnenlichts, in dem die meiste Energie eingestrahlt wird, während die
Abstrahlung infraroter Wärme-Strahlung durch einen geringen Emissionsgrad minimiert wird.
Einfache schwarze Farbe nimmt dagegen Strahlung so gut auf, wie sie Wärmestrahlung
abgibt.“ (Wikipedia, Februar 2003)
Zur Minimierung von thermischen Verlusten wird dieser Absorber in einen wärmegedämmten
Kasten mit transparenter Abdeckung (meistens Glas) eingebettet.(siehe Abbildung 2) „Der
Absorber wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit (üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und
ökologisch unbedenklichem Frostschutzmittel) durchströmt, die zwischen Kollektor und
Warmwasserspeicher zirkuliert.“(Grall et al. 2007)
Es wird meist ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch (Verhältnis 60:40) als
Wärmeträgermedium verwendet. Durch den Zusatz von 40 Prozent Propylenglykol wird ein
Frostschutz bis -23 °C und darunter ein Gefrieren ohne Volumenzunahme (keine
Frostsprengung) erreicht, sowie eine Siedetemperatur, die je nach Druck 150 °C und mehr
betragen kann. Bei höheren Temperaturen gehen viele Kollektoren in Stillstand und liefern
keine Energie mehr. Dieses nimmt die gesammelte Wärme auf. Thermische Solaranlagen
werden über einen Solarregler in Betrieb genommen. Sobald die Temperatur am Kollektor die
Temperatur im Speicher um einige Grad übersteigt, schaltet die Regelung die SolarkreisUmwälzpumpe ein und die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die im Kollektor
aufgenommene Wärme in den Warmwasserspeicher.(siehe Abbildung 3) Dort wird die
Wärme über einen Wärmetauscher an das Trinkwasser übertragen. Das abgekühlte Medium
fließt in einem zweiten Rohrstrang zum Kollektor zurück, das erwärmte Trinkwasser steigt im
Speicher nach oben. Entsprechend seiner Dichte bzw. Temperatur entsteht im Speicher eine
Schichtung: das wärmste Wasser befindet sich oben (dort wird Warmwasser entnommen), das
kälteste unten (dort findet die Kaltwassereinspeisung statt).(siehe Abbildung 4) Im
Wärmespeicher wird die im Sommer gesammelte Solarenergie monatelang bis in den Winter
gespeichert (Puffer). „Die konventionelle Heizung gewährleistet über den Ladekreis, dass
auch dann ausreichend warmes Wasser zur Verfügung steht, wenn die Solaranlage keine oder
zu wenig Nutzenergie liefert.“ (Grall et al. 2007) „Flachkollektoren werden in verschiedenen
Größen hergestellt: von 1,5 m2 bis 12,5 m2, in Bestimmten Fällen auch größer. Die gängige
Größe eines Flachkollektors beträgt ca. 2 m2.Das Gewicht ist ca. 40 kg.“ (Deutsche
Gesellschaft für Sonnenenergie e.V., o.J.)
Wirkungsgrad
Solarthermische Anwendungen sind umso effizienter, je mehr von der Sonneneinstrahlung
tatsächlich absorbiert wird und je weniger der dabei entstehenden Wärme durch
Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wärmeübertragung verloren geht.
Handelsübliche Kollektoren erreichen können bis zu 60 bis 70 Prozent der auf die
Kollektorfläche auftreffenden Sonnenenergie in nutzbare Wärme umwandeln.
(Wirkungsgrad)
Die jährlich nutzbare Wärmeenergie, die ein Solarkollektor von 6 m² im privaten
Wohnungsbau liefert, liegt bei circa 2.100 Kilowattstunden (circa 350 kWh/m²). Größere
Kollektorflächen haben tendenziell niedrigere Nutzungsgrade, da der Wärmebedarf im
Sommer oft nicht mit dem Angebot mit wächst. Die größere Fläche wird jedoch in den
sonnenärmeren Zeiten benötigt.
„Bei üblicher Dimensionierung im Ein- und Zweifamilienhausbereich
(pro Person etwa 1,2 bis 1,5 m2 Flachkollektorfläche und ca. 80 – 100 Liter
Speichervolumen) wird das Trinkwasser im Sommer weitgehend allein über die Solaranlage
erwärmt.“ (Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.,o.J.) (siehe Abbildung 5)
„Dadurch ergibt sich ein Jahresdeckungsgrad (Anteil der Sonnenenergie am
Gesamtenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung) von etwa 65 %.(siehe Abbildung 6) Für
die Nutzung der Sonnenenergie zur Warmwasserbereitung ergeben sich günstige
Voraussetzungen, da der Warmwasserbedarf eines Haushaltes über das Jahr annähernd
konstant ist. Es besteht dadurch eine größere Übereinstimmung zwischen Energiebedarf und
solarem Energieangebot als bei der Nutzung zur Raumheizung. Mit einer richtig
dimensionierten Anlage kann man jährlich 50 % bis 65 % des Warmwasserbedarfs mit
Sonnenenergie decken. Im Sommer kann meistens der gesamte Bedarf an Warmwasser über
die Solaranlage bereitgestellt werden. Dann kann die konventionelle Heizanlage ganz
abgeschaltet werden. Das ist besonders vorteilhaft, weil sie in diesem Zeitraum wegen des
wegfallenden Heizbedarfs nur mit einem niedrigen Nutzungsgrad arbeitet.
Man kann die angebotene Sonnenenergie noch besser nutzen, wenn anstatt der
herkömmlichen Geräte, Waschmaschinen und Geschirrspüler mit Warmwasseranschluss zum
Einsatz kommen.“(Grall et al. 2007)
„Die restlichen 40 % der benötigten Energie müssen über eine Zusatzheizung vorwiegend im
Winter gedeckt werden. Dies geschieht in der Regel über den Heizkessel und den oberen
Wärmetauscher des Speichers. Mitentscheidend für die Höhe des Zusatzenergiebedarfs ist
die am Kesselregler eingestellte Trinkwassersolltemperatur. Je niedriger diese eingestellt
wird, z. B. auf 45 °C, desto höher ist der Deckungsanteil der Solarenergie und entsprechend
niedriger der Anteil der Zusatzenergie und umgekehrt. Wird eine Solaranlage bereits bei der
Planung der Heizung berücksichtigt, bietet es sich an, sie hier auch zur Heizungsunterstützung
einzusetzen. Der geringe Wärmebedarf bei Niedrigenergiehäusern und die höheren
Leistungen der modernen Solaranlagen begünstigen den Trend, Solarsysteme mit
Heizungsunterstützung zu installieren. Besonders interessant ist die Kopplung einer
Solarthermischen Anlage mit z. B. einem Holzpelletkessel; dies macht den Bauherrn völlig
unabhängig von fossilen Energien. Unter bestimmten Umständen ist auch die Kombination
mit einer Wasser-Wasser oder Sole- Wasser-Wärmepumpe sinnvoll.“ (Deutsche Gesellschaft
für Sonnenenergie e.V., o.J.)
Gegenüberstellung zwischen Kosten und Nutzen
„Häufig wird gegen den Einsatz von Solaranlagen das Argument der Unwirtschaftlichkeit
vorgebracht. Die zunächst günstigen Energiepreise der konventionellen Energieträger
entsprechen aber oft nicht der Wahrheit. Die durch ihren Gebrauch verursachten Folgekosten
für Umwelt- und Gesundheitsschäden (so genannte „externe Kosten") müssen von der
Allgemeinheit getragen werden und sind nicht im Preis enthalten. Zu berücksichtigen ist auch,
dass die konventionellen Energiepreise angesichts sich verknappender Ressourcen in
absehbarer Zukunft erheblich steigen werden. Die Sonne dagegen liefert ihre Energie
kostenlos. Die auf den ersten Blick relativ hohen Anfangsinvestitionen können das Bild
vermitteln, die Anlagen seien generell sehr teuer. Aber vom Zeitpunkt der Anlageninstallation
an entstehen, außer sehr geringen Kosten für Wartung und Pumpenstrom, keine weiteren
Betriebskosten mehr. Man trägt zudem noch aktiv zu einer Verringerung der
klimaschädlichen CO2-Emissionen bei.“
(Grall et al. 2007)
Die Zeitspanne, bis die Solaranlage soviel Energie erzeugt hat, wie zu ihrer Herstellung
benötigt wurde, beträgt nur zwischen einem halben und zweieinhalb Jahre. Im Gegensatz
dazu verbrauchen konventionelle Systeme für die Bereitstellung einer bestimmten Menge
nutzbarer Energie (Wärme, Strom) immer eine größere Menge an Primärenergie (Kohle,
Erdgas, Erdöl, Uran). Solaranlagen lassen sich problemlos in die Gebäudetechnik integrieren.
Damit ergänzt eine moderne thermische Solaranlage, die mit mindestens 20 Jahren die
Lebensdauer eines Heizkessels übertrifft, die konventionelle Heiztechnik ideal.
Beispiel Kosten:
„Für den Kauf inklusive Installation einer typischen Solaranlage zur Trinkwasserbereitung im
Einfamilienhaus (ca. 4 bis 6 m2 Kollektorfläche, 300 bis 400 Liter Solarspeicher) müssen Sie
mit ca. 4.000 bis 5.000 Euro rechnen.
Für übliche Solaranlagen zur Heizungsunterstützung können Sie größenabhängig mit Preisen
von 8.000 bis ca. 10.000 Euro, bei sehr großer Dimensionierung oder kompliziertem Aufbau
auch bis zu 12.000 Euro rechnen.“ (Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.,o.J.)
Basisförderung von Solarkollektoren
Die Installation von Sonnenkollektoren wird staatlich gefördert, wodurch die oben
aufgeführten Kosten sich noch einmal verringern würden.
„Bei der Erstinstallation von Solarkollektoranlagen zur Warmwasserbereitung bis 40 m² kann
die Förderung zwischen 60-105 Euro je angefangenem Quadratmeter betragen. Für die
Erweiterung von bereits in Betrieb genommenen Solarkollektoranlagen um bis zu 40 m²
Solarkollektorfläche beträgt die Förderung 45 Euro je zusätzlich installiertem angefangenem
Quadratmeter.“(Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, Bundesministerium für Umwelt,
Dezember 2007)