Unter Solarthermie versteht man Solaranlagen, die Sonnenenergie für Warmwasser oder die Heizung bereitstellen. Die Sonne liefert uns täglich ein enormes Energiepotential, das in Deutschland den Primärenergieverbrauch um das Achtzigfache übersteigt. Denn diese Energiequelle ist praktisch unerschöpflich und steht uns auch in den nächsten Jahrmillionen zur Verfügung. Daher ist Sonnenenergie als Solarthermie zur Wärmenutzung und Photovoltaik zur Stromerzeugung die wichtigste erneuerbare Energie, die in Deutschland fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdgas oder Erdöl ersetzen kann.
Die Funktion einer thermische Solaranlage für Warmwasser und Heizung
Solarkollektor sammelt Sonne ein
Die Funktion der Solarthermie beruht auf einem altbekannten Prinzip. Wenn Sonnenlicht auf eine dunkle Fläche scheint, heizt sich die Fläche auf. In der thermischen Solaranlage für Warmwasser und Heizung ist dieses Funktionsprinzip perfektioniert. Denn das Herzstück der Solarthermie, der Sonnenkollektor kann das Sonnenlicht besonders effektiv in Wärme umwandeln. Der Flachkollektor, die am weitesten verbreitete Bauform eines Kollektors, besteht aus einem selektiv beschichteten Absorber. Dabei handelt es sich in modernen Flachkollektoren in der Regel um eine Aluminiumplatte. Die selektive Beschichtung auf der Aluminiumplatte hat die Aufgabe eine möglichst hohe Absorption („Aufnahme“) der einfallenden Sonnenstrahlung zu erreichen. Heutige Beschichtungen erreichen mehr als 95 Prozent Absorption. Gleichzeitig soll nur wenig Wärme in Form von Infrarotstrahlung wieder verloren gehen. Selektive Beschichtungen sind in der Lage, nur 5 bis 6 Prozent durch Emission abzustrahlen.
Damit außerdem die thermischen Verlusten gering bleiben, bettet man den Absorber in einem wärmegedämmten Kasten mit transparenter Abdeckung (meistens Glas) ein. Bei Vakuumröhren-Kollektoren befindet sich der Absorber im Vakuum. Das minimiert die thermischen Verluste noch weiter. Moderne Solarkollektoren können dank der selektiven beschichtung mehr als 80 Prozent der Sonnenenergie in Wärme umwandeln.
Solarkreis bringt die Sonnenwärme ins Haus
Damit die Wärme vom Solarkollektor auf dem Dach zum Solarspeicher und dann weiter zur Warmwasserbereitung und zur Heizung gelangen kann, durchströmt man den Absorber mit einer Wärmeträgerflüssigkeit. Diese Wärmeträgerflüssigkeit ist meist ein Gemisch aus Wasser und einem ökologisch unbedenklichem Frostschutzmittel. Sie zirkuliert zwischen Sonnenkollektor und Solar-Warmwasserspeicher. Bei so genannten Aqua-Solaranlagen besteht die Wärmeträgerflüssigkeit aus reinem Wasser. Für den Frostschutz pumpt man in kalten Nächten ein wenig warmes Wasser aus dem Solarspeicher durch den Solarkreis. Um die Wärmeverluste zu minimieren, setzt man beim Aquasystem Vakuumröhren-Kollektoren ein. Eine weitere Möglichkeit Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit zu nutzen bieten so genannte Drainback-Solaranlagen. Bei dieser Form der Solaranlage läuft die Wärmeträgerflüssigkeit immer dann, wenn kein Solarertrag möglich ist, aus den Sonnenkollektoren heraus in einen Sammelbehälter im Haus.
Solarregler startet die Anlage, wenn genug Sonne scheint
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 Solarkreis-Umwälzpumpe ein und die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die im Kollektor aufgenommene Wärme in den Warmwasserspeicher. Wenn die Sonneneinstrahlung nicht mehr ausreicht und die Temperatur im Kollektor die Speichertemperatur nicht mehr wesentlich übersteigt, schaltet der Solarregler die Solarthermie-Anlage ab.
Solaranlagen zur Warmwasserbereitung
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. Wenn die Sonnenenergie nicht ausreicht, um genug Warmwasser bereitzustellen, heizt die konventionelle Heizung über den Ladekreis nach. 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. Meistens kann im Sommer 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.
Solaranlagen zur Warmwasserbereitung zeichnen sich durch eine einfache Anlagentechnik aus und sind technisch ausgereift. Mittlerweile gibt es eine große Anzahl von Solar-Fachfirmen, die über langjährige Erfahrung bei der Anlagenplanung und -montage verfügen. Durch diese Unternehmen bietet der Markt für die unterschiedlichsten Anforderungen eine breite Palette an Anlagenkonzepten an.
Komponenten einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung:
- Solarregler
- Temperaturfühler am Kollektor
- Temperaturfühler am Speicher
- Solarkreis-Umwälzpumpe
- Kaltwasserzufluss
- Warmwasserabfluss
- Ausdehnungsgefäß
- Temperaturfühler für Nachheizung
- Ladekreis-Umwälzpumpe
Die Solarheizung: Sonnenenergie für Warmwasser und Heizung
Wenn die Solaranlage nicht nur warmes Wasser sondern auch Heizwärme bereitstellt, spricht man von Solaranlagen zur Heizungsunterstützung. Auch diese Anlagen sind technisch ausgereift und in einer breiten Palette von Anlagenkonzepten verfügbar. Der Unterschied zur Warmwasser-Solaranlage besteht in erster Linie im Solarspeicher. Denn dieser bewahrt bei einer Solarheizung nicht Trinkwasser sondern Heizungswasser auf. Um auch in der Übergangszeit und im Winter noch Beiträge zur Wärmeversorgung liefern zu können, enthalten Solaranlagen zur Heizungsunterstützung deutlich größere Kollektorflächen als Warmwasser-Solaranlagen. Das führt dazu, dass sie auch einen höheren Beitrag zur Warmwasserversorgung beisteuern. Über 80 % sind keine Seltenheit.
Wie groß der solare Beitrag am gesamten Wärmebedarf eines Hauses ist, hängt von vielen Faktoren ab. Die Dämmung des Hauses spielt genauso eine Rolle wie das Nutzerverhalten und der Warmwasserbedarf. In einem normalen Neubau erreichen typische Solaranlagen zur Heizungsunterstützung einen solaren Deckungsanteil von 20 bis 30 Prozent. Bei besser gedämmten Häusern kann die Solarheizung auch mehr als 50 Prozent zur Wärmeversorgung beitragen. Häuser mit Solarheizungen, die 50 Prozent und mehr zur Wärmeversorgung beitragen, nennt man Sonnenhäuser. Mit Sonnenhaus-Konzepten kann ein Gebäude auch mit bis zu 100 Prozent durch die Sonne beheizt und mit Warmwasser versorgt werden. Wirtschaftlich sinnvoller sind aber solare Deckungsanteile von 80 bis 90 Prozent.
Hybrid-Heizung mit Solarthermie
Eine Solarheizung ist immer eine Hybridheizung aus mehreren Wärmerzeugern. Die klassische Kombination besteht aus Solarthermie udn einem Gas- oder Ölkessel. Während die Ölheizung mit Solarthermie keine staatliche Förderung mehr erhält, ist die Gas-Hybridheizung aus Solarthermie und Gasbrennwert-Gerät nach wie vor in der Bundesförderung effiziente Gebäude (BEG) enthalten. Wer ganz auf fossile Brennstoffe verzichten möchte und klimaneutral heizen will, kann die Solarthermie auch mit einem Pelleltskessel oder einer Wärmepumpe kombinieren. Für eine solche Erneuerbare-Energien-Hybridheizung (EE-Hybridheizung) erhalten Hausbesitzer:innen einen höheren Fördersatz in der BEG-Förderung.
Aktiver Umweltschutz
Mit der Installation von Solaranlagen für Heizung und Warmwasser trägt man aktiv zu einer Verringerung der klimaschädlichen CO2-Emissionen bei. Eine Solaranlage hat gegenüber konventionellen Warmwasserbereitungssystemen eine eindeutig positive CO2-Bilanz. Da auch eine Wärmepumpe im deutschen Strommix einen Anteil an Kohlestrom nutzt, ist auch die CO2-Bilanz der EE-Hybridheizung aus Wärmepumpe aund Solarthermie besser als die der Wärmepumpe allein. In der Kombination mit einem Holzkessel reduziert die Solaranlage den Bedarf an dem nicht unbegrenzt zur Verfügung stehenden Brennstoff Holz. Zudem werden Feinstaub-Emissionen vermieden.
Die energetische Amortisationszeit von Solaranlagen für Heizung und Warmwasser (Zeitspanne, bis die Solaranlage soviel Energie erzeugt hat, wie zu ihrer Herstellung benötigt wurde) beträgt zwischen einem halben und zweieinhalb Jahren. 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) und amortisieren sich daher energetisch nie.
Sind Solaranlagen für Heizung und Warmwasser nicht zu teuer?
Häufig wird gegen den Einsatz von Solaranlagen für Heizung und Warmwasser das Argument der Unwirtschaftlichkeit vorgebracht. Denn 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. Denn die Sonne liefert ihre Energie kostenlos. Wer heute in eine Solaranlage investiert, investiert also in die Zukunft. Außerdem amortisieren sich thermische Solaranlagen heute schon nach durchschnittlich 10 bis 15 Jahren. Zudem macht die CO2-Bepreisung, die die Politik im Jahr 2021 eingeführt hat, sie immer attraktiver. Da die Solaranlagen in der Regel wesentlich länger als 20 Jahre halten, sind sie aber auch heute schon ein gutes Geschäft und ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz.
Text und Abbildungen (soweit nicht anders gekennzeichnet) mit freundlicher Genehmigung der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. / Überarbeitung SolarServer 2021
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