Solarthermie - Aufbau, Funktionsweise und Einsatzgebiet



Die Bestandteile einer Solarthermie-Anlage

Der Ausgangspunkt bei der Solarthermie sind die Kollektoren, die sich vorwiegend auf dem Dach befinden. Vom optischen gibt es durchaus Ähnlichkeiten zu PV Modulen. Wer sich aber schonmal damit beschäftigt hat, kennt den Unterschied sofort. Der Solarkollektor besteht im wesentlichen aus einem Absorber und einem Rohrsystem in dem sich die Solarflüssigkeit befindet. Wie der Name schon sagt, absorbiert das Absorbermaterial die solare Einstrahlung und überträgt die aufgenommene Wärme auf die Solarflüssigkeit im Rohrsystem. Auf der Hinterseite befindet sich im klassischen Kollektor noch ein Dämmstoff. Geschützt wird es zudem durch den Kollektorrahmen und einem Sicherheitsglas um auch gegen Witterung beständig zu sein.


Neben dem eben beschriebenen Flachkollektor, der am öftesten zum Einsatz kommt, gibt es noch den Röhrenkollektor. Man erkennt diese auch rein optisch sofort. Der Absorber befindet sich dabei direkt an den Röhren und kommt nicht wie beim Flachkollektor als eigene Absorberschicht zum Einsatz. Zwischen den Außenröhren und einem weiteren innenliegenden Glasrohr, in dem sich die Solarflüssigkeit befindet, existiert zudem ein Vakuum. Das führt zu einer noch besseren Wärmedämmung und es kommt zu weniger Wämeverlusten.


Vor allem im privaten Bereich werden die Flachkollektoren am häufigsten eingesetzt. Zwar haben die Röhrenkollektoren einen besseren Wirkungsgrad und bringen auch in den kalten Jahreszeiten mehr. Es sind aber meist die geringeren Anschaffungskosten weshalb dann doch öfters die Flachkollektoren eingesetzt werden.


Beispiel Flachkollektor



Beispiel Röhrenkollektor


Die Hauptaufgabe der Kollektoren besteht also darin die darin enthaltene Solarflüssigkeit aufzuheizen. Diese besteht aus einem simplen Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Hat die Flüssigkeit eine entsprechende Temperatur erreicht, wird sie mithilfe eine Pumpe durch den Solarkreislauf bewegt. Mithilfe eines Wärmetauschers wird die Wärme der aufgeheizten Solarflüssigkeit auf einen Pufferspeicher übertragen. Die dadurch abgekühlte Solarflüssigkeit fließt im Kreislauf wieder zurück in die Kollektoren. Ebenfalls im Solarkreislauf enthalten ist die zentrale Steuerungseinheit, der Solarregler. Dieser ist dafür verantwortlich die Pumpe im richtigen Moment in Gang zu setzen damit der Wärmetransport von den Kollektoren zum Speicher erfolgen kann.



Solarkreislauf für Erwärmung von Trinkwasser und zur Heizungsunterstützung


So sehen also der Solarkreislauf und das technische Prinzip von Solarthermie aus. Nun interessiert uns aber auch in welchen Anwendungsgebieten Solarthermie eingesetzt werden kann.



Die beiden Anwendungsgebiete von Solarthermie

Trotz gleichem Grundprinzip, kann Solarthermie grundsätzlich für zwei verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Nämlich für die Warmwasseraufbereitung von Trink- und Brauchwasser oder auch zur Heizungsunterstützung. Auch wenn der technische Ablauf in beiden Fällen ähnlich aussieht, ist es vor allem hinsichtlich der Auslegung und Dimensionierung wichtig die Anlage auch entsprechend zu planen.


Man spricht ja gerne vom Solarspeicher. Also jener Wasserspeicher, der schlussendlich durch die aufgeheizte Solarflüssigkeit über einen Wärmetauscher aufgeheizt werden soll. Aber je nachdem was man mit der Solarthermie-Anlage anstrebt, unterscheidet sich auch der Solarspeicher. Wir sehen uns diese Unterschiede mal an.


Solarthermie zur Erwärmung von Trink- und Brauchwasser

Wird die Solartherme-Anlage rein zur Aufbereitung von Warmwasser genutzt, dann ist der Kreislauf direkt mit dem Trinkwasserspeicher verbunden. Je nach Fassungsvermögen und Auslegung kann damit ein Großteil des Warmwasserbedarfs mit der Solaranlage gedeckt werden. Pro Kopf kann mit einer Kollektorfläche von 1 - 1,5m2 gerechnet werden. Damit kann man in einem durchschnittlichen Haushalt über das Jahr gesehen bis zu 60% der Energie für die Trinkwassererwärmung einsparen. In den Sommermonaten geht sich oft sogar eine Deckung von 100% aus.


Solarthermie zur Heizungsunterstützung

Soll die Solaranlage auch zu zur Unterstützung der Heizung verwendet werden, ist auch der Energiebedarf weit höher. Dementsprechend muss auch die Anlage größer dimensioniert werden. Als Solarspeicher wird hier der Pufferspeicher verwendet, der im Gegensatz zu einem einfachen Trinkwasserspeicher auch weit mehr Volumen fasst. Mit einem durchschnittlichen Fassungsvermögen von 750 - 1000l fasst ein Pufferspeicher meist mehr als das doppelte des Trinkwasserspeichers. Das muss auch bei der Auslegung der Solaranlage beachtet werden. Wird diese für die Heizungsunterstützung verwendet, kann man pro Kopf mit einer Fläche von 3m2 rechnen. Das Einsparpotentiel kann hier aber sehr unterschiedlich ausfallen. Neben der Dimensionierung des Kollektorfeldes spielen noch weitere Faktoren wie der eigentliche Raumwärmebedarf, die Art des Gebäudes und die Dämmung eine entscheidende Rollen. Besonders bei Neubauten und Niedrigenergiehäusern kann Solarthermie sehr attraktiv sein. Ein realistischer solarer Deckungsanteil würde dabei bei rund 30 - 40% liegen. Parallel muss aber natürlich noch eine weitere Heizungsquelle verwendet werden um den restlichen Anteil abzudecken.

Auch die Kombination von Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung ist möglich. Dazu eignet sich der bekannte Kombispeicher, der sowohl als Pufferspeicher für die Heizung aber auch als Trinkwasserspeicher dient.



Die Effizienz von Solarthermie

Wenn es darum geht die Effizienz einer Solaranlage zu bewerten, denkt man schnell mal an den Wirkungsgrad. Dabei ist das aber nicht der einzige Wert, der aussagt wie effizient eine Solaranlage wirklich ist. Zudem ist es auch nicht immer eindeutig über welchen Wirkungsgrad genau gesprochen wird. Aber sehen wir uns die wichtigsten Kennzahlen zur Beurteilung der Effizienz mal genauer an.


Der Gesamtwirkungsgrad

Hier wird das Verhältnis beschrieben zwischen der Energie, die vom Kollektor absorbiert wird und jener Energie, die am Ende tatsächlich auch in Form von Wärme genutzt werden kann. Also ein sehr allgemein gehaltener Wert, der sich auf die komplette Anlage bezieht. Bei heutigem Stand der Technik wäre ein Gesamtwirkungsgrad von 50% bei Solartherme-Anlagen ein realistischer Wert. Oft findet man in den technischen Angaben auch den Systemwirkungsgrad. Dieser berücksichtigt die Verluste innerhalb eines kompletten Systems und beschreibt somit den Wirkungsgrad aller Komponenten einer Solaranlage.


Der Kollektorwirkungsgrad

Um spezifischer auf die Kollektoren selbst einzugehen, gibt es auch für die Kollektoren die Angabe eines Wirkungsgrades. Beim Flachkollektor beträgt dieser rund 60-85%. Bei modernen Röhrenkollektoren erreichen wir sogar bis zu 90%. Umso höher der Kollektorwirkungsgrad, desto höher natürlich auch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Es gibt aber natürlich noch weitere Bereiche einer Anlage wo es zu Verlusten kommt wie durch Leitungen, den Wärmetauscher oder im Speicher. Diese werden beim Kollektorwirkungsgrad aber nicht berücksichtigt.


Die unterschiedlichen Wirkungsgrade sagen uns zwar aus technischer Sicht ob die Anlage effizient ist. Es wird aber noch wenig darüber gesagt ob sie auch effizient eingesetzt wird.


Die Deckungsrate

Hier geht es schon mehr in Richtung effizienter Anwendung. Die Deckungsrate beschreibt den prozentuellen Anteil des Wärmebedarfs, der durch die Solaranlage gedeckt werden kann. Hier hängt es sehr stark davon ab ob die Anlage zur Warmwasseraufbereitung oder auch zur Heizungsunterstützung verwendet wird.

Bei reiner Anwendung zum Heizen des Brauch- und Trinkwassers kann der solare Anteil aufgrund des relativ konstanten Bedarfs sehr hoch ausfallen. Über das Jahr gesehen kann man durchaus mit bis zu 60% rechnen. Über die Sommermonate ist es teilweise sogar möglich die Warmwasseraufbereitung zu 100% durch solare Energie zu ermöglichen.


Wird die Anlage auch zur Heizungsunterstützung verwendet, fällt die Deckungsrate meist nicht so hoch aus. Hier befinden wir uns eher bei 30-40% Deckungsrate über da Jahr gesehen. Das hat zum einen natürlich den Grund, dass hier der Bedarf in den Wintermonaten wenn weniger Sonne scheint, höher ist. Zudem ist auch der Wasserbedarf im Pufferspeicher höher als in einem reinen Trinkwasserspeicher.

Die Deckungsrate sagt also schonmal viel über die Dimensionierung und den effizienten Einsatz der Anlage aus. Um die Wirtschaftlichkeit aber noch besser abschätzen zu können, gibt es noch eine weitere Kennzahl.


Der Nutzungsgrad

Dieser gibt an wieviel der von der umgewandelten solaren Energie auch wirklich zum Heizen des Wassers verwendet wird. Dabei wird auch berücksichtigt wenn es in den Sommermonaten zu einem Überschuss kommt beziehungsweise wenn die Anlage im Stillstand steht weil es zurzeit keinen Bedarf für die Wärme gibt. Dabei spricht man auch von der thermischen Stagnation, die man natürlich vermeiden möchte. Deshalb werden Solaranlagen auch mehr für die Übergangsmonate ausgelegt.


Die Deckungsrate und der Nutzungsgrad sind ein wenig vergleichbar mit dem Autarkiegrad und der Eigenverbrauchsquote eine PV Anlage. Auch hier versucht man in punkto Wirtschaftlichkeit ein Mittelmaß zu finden mit individuellen Fokus je nach unterschiedlichen Bedürfnissen.



Ich hoffe die technischen Eigenschaften aber auch die Anwendungsgebiete von Solarthermie sind nun etwas klarer. Was auf jeden Fall noch fehlt, ist ein reales Zahlenbeispiel wo wir uns ansehen wieviel uns eine Anlage wirklich an Energie bringt und welches Kostenpotential wir damit haben. Dazu aber ein anderes mal mehr