Thermische Solaranlagen

Vakuumröhrenkollektor

Basis-Info Solarthermie – Serie. Ohne die Energie der Sonne wäre das Leben auf der Erde undenkbar. Alle Lebensprozesse sind direkt oder indirekt von der Aktivität der Sonne abhängig. Selbst die fossilen Brennstoffe – Kohle, Öl und Erdgas – sind nichts anderes als in Jahrmillionen gespeicherte Sonnenenergie.

Rund zwei Millionen Kollektoranlagen sammeln auf deutschen Dächern solare Wärme, damit Hausbewohner duschen, waschen und heizen können. Bis zum Jahr 2020 möchte die Bundesregierung den Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch von Wärme von 11 Prozent auf 14 Prozent steigern. Solaranlagen werden hierzu einen großen Beitrag leisten.


Eine halbe Stunde Sonne genügt – theoretisch

Schon die Sonnenenergie, die in weniger als einer halben Stunde die Erde erreicht, genügt theoretisch, um den jährlichen Weltenergiebedarf zu decken. Selbst in Deutschland, einem Land mit relativ hohem Energiebedarf und weniger günstigen klimatischen Verhältnissen, fällt pro Jahr 80-mal so viel Sonnenenergie ein, wie das komplette Land an Energie verbraucht. Dieses Potenzial an Solarenergie lässt sich zur Stromerzeugung (Photovoltaik) oder zur Wärmeerzeugung nutzen (Solarthermie).

Heizen und Duschen mit der Sonne

Solaranlagen sorgen für warmes Wasser beim Spülen, Duschen und Waschen. In der kälteren Jahreszeit unterstützen sie die Raumheizung. Auch bei industriellen Prozessen, Klimaanlagen, Kraftwerken oder in Schwimmbädern kommt die solare Wärme zum Einsatz. Der Großteil der Solaranlagen in Deutschland wird mittlerweile als sogenannte Kombi-Anlagen betrieben – mit steigender Tendenz. Diese Systeme tragen sowohl ganzjährig zur Warmwassererzeugung als auch während der Übergangsperiode und im Winter zur Heizungsunterstützung bei.

Globalstrahlung Sonne - Energy-Mag
Globalstrahlung besteht in Mitteleuropa je nach Jahreszeit zu 50 – 70 % aus diffuser Strahlung. © BINE Informationsdienst

Diffuse und direkte Sonnenstrahlung

Die Strahlung der Sonne trifft mit einer Intensität von 1.340 W/m² auf die Atmosphäre der Erde. Auf dem Weg durch die atmosphärische Hülle unseres Planeten verliert die Sonnenstrahlung durch Reflexion und Absorption an Intensität.

Das Strahlungsangebot der Sonne hängt aber auch vom Einstrahlwinkel der Sonne ab. Bedingt durch die Schrägstellung der Erdachse zur Umlaufbahn der Erde, treten abhängig von der Jahreszeit unterschiedliche Sonnenhöchststände auf. An Wintertagen erreicht weniger Sonnenenergie die nördliche Halbkugel als im Sommer, da die Tage kürzer sind und die Sonne niedriger steht.

Globalstrahlung nennt man die solare Strahlung, die letztlich auf der Erdoberfläche messbar ist. Sie setzt sich zusammen aus der an Wolken oder Dunst gestreuten diffusen Strahlung und der direkten Solarstrahlung, die ohne Ablenkung die Atmosphäre passiert. Direkte Strahlung lässt sich mit Spiegeln und Linsen bündeln und so für Prozesse mit hohen Temperaturen, wie in Dampfturbinen zur Stromgewinnung, einsetzen. Diffuse Strahlung hingegen kommt aus dem gesamten Himmelsbereich und lässt sich daher nicht optisch fokussieren.

Um ein Maximum an direkter Strahlung nutzbar zu machen, sind Systeme nötig, die dem Verlauf der Sonne nachgeführt werden. Da der Anteil der diffusen Strahlung in unseren Breiten im Jahresmittel etwa 50 % der Globalstrahlung ausmacht und nachführende Systeme aufwendig und teuer sind, finden bei uns nur Anlagen Anwendung, die Globalstrahlung nutzen.

Waerme von der Sonne - Grafik - Energy-Mag
Solaranlage zur Brauchwassererwärmung (links) und zur kombinierten solaren Raum- und Warmwasserheizung. © Agentur für Erneuerbare Energien

So funktionieren Solaranlagen

Solarkollektoren sammeln Sonnenlicht und wandeln es in den Absorbern in Wärme um. Die Absorberstreifen sind mit Rohren verbunden, die ein frostsicherer Wärmeträger durchströmt, in der Regel ein Wasser/Glykol-Gemisch. Der Wärmeträger nimmt die Wärme auf und transportiert diese in einen Solarwärmespeicher.

Da die Zeit der Sonneneinstrahlung und der Verbrauch von Wärme zeitlich oft auseinander liegen, ist ein Speicher für die Wärme wesentlicher Bestandteil eines Solarsystems. Der Speicher soll die Wärme solange vorhalten, bis der Verbraucher sie nachfragt. Angetrieben durch eine Pumpe transportiert der Solarkreis die Wärme zum Wärmetauscher, der diese an den Pufferspeicher abgibt.

Die Regelung ist so angelegt, dass die Pumpe in Gang gesetzt wird, sobald die Temperatur im Kollektor einige Grade über der Temperatur im Speicherteil der Anlage liegt. Im Sommer reicht die gewonnene Sonnenwärme meist für den gesamten Warmwasserbedarf. In den Wintermonaten muss das solar vorgewärmte Wasser zusätzlich mit einer konventionellen Öl-, Gas- oder Holzheizung oder Wärmepumpe erwärmt werden. Soll die Solarwärme neben der Erwärmung des Brauchwassers auch die Raumheizung unterstützen, wird ein zweiter, größerer Speicher als Wärmepuffer für die Heizung benötigt.

Steht im Winter nicht genügend Sonnenstrahlung zur Verfügung, wird die konventionelle Heizung zugeschaltet, sobald die Temperatur im oberen Teil des Speichers zu gering ist.

Vakuumröhrenkollektor
Vakuumröhrenkollektor © Viessmann Werke

Welche Kollektortypen gibt es?

Bei Solaranlagen für die Warmwasserbereitung und Raumheizung werden überwiegend verglaste Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren verwendet. Erstere besitzen ein gut wärmegedämmtes Gehäuse mit transparenter Abdeckung des Absorbers, welches Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung reduziert. Mit diesem Kollektortyp können bei Temperaturen bis 50 °C Wirkungsgrade von etwa 70 % erreicht werden. Das heißt, 70 % der auftreffenden Strahlungsenergie wird in nutzbare Wärme umgewandelt. Noch bessere Wirkungsgrade und höhere Temperaturen lassen sich mit Vakuumröhrenkollektoren erzielen. Bei ihnen befinden sich die einzelnen Absorberstreifen in nahezu gasfreien (evakuierten) Glasröhren.

Aufbau Flachkollektor - Energy-Mag
Prinzipieller Aufbau eines Flachkollektors. © BINE Informationsdienst

Dieses Vakuum bietet eine ideale thermische Isolation, die die Wärmeverluste durch Konvektion der Luft verhindert. Insbesondere bei der Heizungsunterstützung, aber auch zur Prozesswärmeerzeugung werden Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Die aufwendigere Technik bedeutet höhere Investitionskosten. Als Absorbermaterialien werden Metalle wie Kupfer oder Aluminium genutzt. Eine sogenannte selektive Beschichtung der Absorber sorgt dafür, dass die Aufnahme von Strahlungsenergie erhöht wird und die Abstrahlung von Wärme minimiert. Eine weitere Steigerung der Energieausbeute erreicht man durch die Verwendung von Antireflexglas als Abdeckung. Haben bislang bei normalem Glas bestenfalls 90 % des Lichts das Kollektorinnere erreicht, so sind es bei Antireflexglas über 95 %.

Der Wärmespeicher ist elementar

Da Wärme oft gerade dann benötigt wird, wenn die Sonne nicht scheint, muss ein Solarsystem mit einem gut gedämmten Speicher ausgerüstet sein. Wenn dieser Trinkwasser vorhalten soll, muss er darüber hinaus aus Edelstahl hergestellt oder geeignet beschichtet sein. Durch geschickte Be- und Entladung von schlanken, hohen Wärmespeichern kommt es zu einer Temperaturschichtung des Wassers. Aufgrund seiner geringeren Dichte steigt das warme Wasser in den oberen Teil des Speichers, während das kalte Wasser im unteren Bereich bleibt.

Die thermische Beladung des Speichers erfolgt über einen Wärmetauscher in das niedrigere Temperaturniveau. Da hier die Differenz zur Kollektortemperatur am größten ist, wird die Kollektorbetriebstemperatur besser abgesenkt. Dies wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad der Anlage aus, da kaltes Wasser mehr Wärme aufnehmen kann als warmes Wasser. Die Entnahme als Brauchwasserwärme oder Heizwärme erfolgt aus dem oberen, wärmeren Speicherbereich. Reicht die solar gewonnene Energie nicht aus, um diesen Entnahmebereich auf Solltemperatur zu bringen, so wird mit einer konventionellen Zusatzheizung nachgeheizt.

Die Schichtung des Wassers entscheidet über die Effizienz

Da im Bedarfsfall nur der Entnahmebereich im oberen Speicherteil und nicht das ganze Speichervolumen nachgeheizt werden muss, können so Energiekosten minimiert werden. Die Temperaturschichtung sollte daher beim Beladen und bei der Entnahme der Wärmefracht möglichst nicht zerstört werden. Schichtladesysteme helfen bei der Optimierung der Temperaturschichtung.

Lesen Sie im nächster Teil der Serie: „Welche Typen von Solaranlagen gibt es?“ Das nächste Energy-Mag erscheint am 30.5.2015.

Quelle: BINE Informationsdienst

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