Solarstation (Solarthermie)

Beispielanlage einer Solaranlage (Solarkreises) mit Solarstation

Als thermische Solaranlage werden Solaranlagen bezeichnet, die Wärme aus der Sonneneinstrahlung nutzbar machen (Solarthermie). Die Wärme wird in der Gebäudetechnik nutzbar gemacht oder in thermischen Solarkraftwerken zur Stromerzeugung genutzt. Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom wird dagegen als Photovoltaik, die entsprechenden Anlagen als Photovoltaikanlagen bezeichnet.

Einsatzgebiete

Überwiegend werden thermische Solaranlagen in der Haustechnik genutzt. Die gewonnene Wärme wird hierbei hauptsächlich zur Trinkwasser-Erwärmung (Dusch- und Badewasser) und für Heizzwecke für die Raumheizung eingesetzt. Für die Unterstützung der Raumheizung wird eine größere Kollektorfläche benötigt als für die solare Trinkwassererwärmung.

Daneben verwenden einige Industriebetriebe Anlagen mittlerer Größe zur Produktion von Prozesswärme im Temperaturbereich bis 100 °C oder wenig darüber, etwa zur Beschleunigung biologischer und chemischer Prozesse bei der Biomasseverarbeitung oder in der chemischen Industrie.

Ebenfalls zu den thermischen Solaranlagen zählen Anlagen zur solaren Klimatisierung.

Ein großtechnischer Einsatz findet dagegen in thermischen Solarkraftwerken statt. Die meisten dieser Anlagen verwenden konzentrierende Kollektoren zur Fokussierung der Sonnenstrahlen auf einen Absorber, in dem Temperaturen von 390 °C bis über 1000 °C erreicht werden können. Diese Wärme wird anschließend entweder als industrielle Prozesswärme genutzt oder über Generatoren in Strom umgewandelt (solarthermische Stromerzeugung). Da konzentrierende Anlagen auf direkte Sonneneinstrahlung angewiesen sind, werden sie nur in sonnenreichen und trockenen Regionen (in Europa beispielsweise in Südspanien) eingesetzt.

Dieser Artikel konzentriert sich im Folgenden auf den Einsatz der Solarthermie zur Brauchwasser-Erwärmung und Heizungsunterstützung, da dies der in Mitteleuropa häufigste und am meisten verbreitete Anwendungsbereich ist.

Bestandteile einer thermischen Solaranlage (Solarkreis)

Die thermische Solaranlage besteht aus einem Kollektor, welcher die Sonnenwärme auffängt und absorbiert, einem Solarwärmespeicher, der die nicht sofort genutzte Wärme speichert sowie dem verbindenden Solarkreislauf, über den die Wärme vom Kollektor in den Speicher transportiert wird. Dazu gehören Armaturen, die den einwandfreien Betrieb der Anlage sichern, sowie ein Regler, welcher die Solaranlage an- und ausschaltet.

Kollektoren

Der Sonnenkollektor ist der Teil der Solaranlage, der das Licht und die Wärme der Sonne aufnimmt. Für seine Leistung ist entscheidend, dass er einen großen Teil der Energie des Sonnenlichts aufnimmt (Absorption), gleichzeitig nur wenig davon wieder als Wärmestrahlung abgibt (Emission). Stattdessen soll die absorbierte Wärme möglichst verlustfrei auf die so genannte Solarflüssigkeit im Solarkreislauf übertragen werden.

Kollektorarten

Die wichtigste bautechnische Unterscheidung bei Kollektoren ist die zwischen

• Flachkollektoren, die mit herkömmlichen Isolationsmaterialien gegen die Wärmeverluste geschützt werden. Sie sind wegbereitend für die effiziente Solarnutzung gewesen. Sie haben erfahrungsgemäß eine sehr lange Lebensdauer; einige Hersteller geben eine Funktionsgarantie über 20 Jahre.
• Vakuumröhrenkollektoren; diese arbeiten nach dem Thermoskannenprinzip: Um die das Transportmedium enthaltene innere Absorberröhre ist eine zweite, äußere (Glas-)Röhre gesetzt und dem Zwischenraum zur optimierten Isolation die Luft entzogen (Vakuum). Sie sind vor allem bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Außenluft und Absorber leistungsfähiger als andere Bautypen. Sie werden daher auch im industriellen Bereich eingesetzt, wo Prozesswärme mit konstant über 80 °C benötigt wird.

Da Flachkollektoren deutlich preisgünstiger und damit in der Regel wirtschaftlicher sind, wird in der Haustechnik überwiegend dieser Bautyp eingesetzt. Vakuumkollektoren haben dagegen einen deutlich höheren Ertrag pro Quadratmeter Absorberfläche; sie werden häufig empfohlen, wenn nur wenig zur Aufstellung von Kollektoren geeignete Fläche vorhanden ist. Allerdings schmilzt der Unterschied bei der Umrechnung auf die Bruttofläche des gesamten Kollektors statt der reinen Absorberfläche stark zusammen, da bei Flachkollektoren der Absorber einen deutlich größeren Anteil der insgesamt zur Aufstellung benötigten Fläche einnimmt.

Theoretisch sollten Vakuumröhrenkollektoren vor allem im Winter größere Erträge liefern, wenn bei starken Minustemperaturen die bessere Isolierung zum Tragen kommt. In der Praxis sind die Kollektoren dann aber häufig schnee- und eisbedeckt, und gerade durch die bessere Isolierung tauen Schnee und Eis von Vakuumröhrenkollektoren langsamer ab, wodurch die effektive Nutzdauer sinkt.

Eine Mischform sind so genannte Vakuumflachkollektoren. Diese stellen einen Versuch dar, die besseren Isoliereigenschaften des Vakuums auch in Flachkollektoren zu nutzen. Bauartbedingt neigen diese aber zu Undichtigkeiten, so dass eindringende Luft an Stelle des Vakuums tritt und dieses regelmäßig mit Hilfe einer Vakuumpumpe wieder hergestellt werden muss.

Aufbauempfehlung

Tichelmann-System für Sonnenkollektoren

Wenn mehrere Sonnenkollektoren in einem System verwendet werden sollen, empfiehlt sich das Tichelmann-System, um möglichst gleichmäßige Durchströmung eines jeden Kollektorsegmentes sicher zu stellen.

Solarspeicher

Um die eingefangene Wärme unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung nutzen zu können, muss sie gespeichert werden. Als Speichermedium dient überwiegend Wasser; man spricht dann auch vom Solartank. Obwohl Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität hat, ist bei solchen Solartanks eine aufwändige Isolierung erforderlich, um nicht erwünschte Wärmeverluste zu verringern.

Aufbau

Von herkömmlichen Brauchwassertanks unterscheiden sich Solartanks vor allem durch:

• verstärkte Isolierung; üblich sind 10 cm und mehr aus einem stark isolierenden Material wie PU- oder PP-Schaum, zum Teil zweischichtig, gegenüber oft nur 5 cm Mineralwolle bei herkömmlichen Warmwasserspeichern in Zentralheizungsanlagen.
• eine hohe und schlanke Bauform des Wasserbehälters, die die Entwicklung unterschiedlicher Temperaturschichten erlaubt (oben heißes Wasser, unten kühles Wasser)
• einen tief angebrachten, großflächigen Wärmeübertrager für die Übertragung der Wärme aus dem Solarkreis.

Langzeitspeicher

Für eine längerfristige Speicherung in einem Wärmespeicher, etwa vom Sommer in den Winter, wird neben Wasser auch Kies eingesetzt. Die Wärme wird dabei mittels Luft ein- und ausgebracht. Wasser und Feststoffe sind für eine solche längerfristige Speicherung jedoch nur geeignet, wenn große Volumina bzw. Massen zur Verfügung stehen (ca. 20 Tonnen). Eine Alternative sind Latentwärmespeicher, diese nutzen die Phasenumwandlung fest/flüssig von Paraffinen zur Wärmespeicherung und benötigen ein wesentlich geringeres Volumen für die gleiche Wärmemenge. Bei ihnen sind meist eine Vielzahl von mit Paraffin gefüllten Behältern in einem Wassertank eingelegt.

Seit einiger Zeit wird auch an thermochemischen Wärmespeichern geforscht, die den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen nutzt: Durch Wärmezufuhr wechselt das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung; bei der von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil der zugeführten Wärme wieder frei gesetzt. Solche Speicher sind jedoch noch vergleichsweise teuer; zudem sind die Reaktionen bei vielen Systemen relativ träge, so dass thermochemische Speicher die Wärmespeicherung im Solartank nur ergänzen, nicht aber ersetzen können.

Bivalente Speicher

Häufig sind Solartanks bivalent ausgelegt, das heißt, sie besitzen zusätzlich zum Wärmeübertrager des Solarkreises eine Einrichtung zum Nachheizen mittels einer anderen Energiequelle, z. B. einen zweiten Wärmeübertrager im oberen Speicherbereich zum Anschluss an einen konventionellen oder Biomasse-Heizkessel. Dieses Nachheizen wird immer dann notwendig, wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert, um den Warmwasserbedarf zu decken (zum Beispiel nach mehreren kalten Tagen mit dichter Wolkendecke). Alternativ kann dazu auch ein elektronisch geregelter Durchlauferhitzer verwendet werden, dieser muss für Zulauftemperaturen von über 20 °C spezifiert sein; gängige Durchlauferhitzer sind dies meist nicht. Die Warmwassererzeugung per Strom ist aber energetisch sehr ineffizient und wenig umweltfreundlich.

Kombitanks

Neben reinen Brauchwassertanks zur Erwärmung des Trinkwassers gibt es auch so genannte Kombitanks oder Tank-im-Tank-Systeme, die gleichzeitig der Heizungsunterstützung dienen. Diese Tanks werden vom Wasser aus der Zentralheizungsanlage durchflossen, das im unteren Bereich solar aufgewärmt, im oberen Bereich bei Bedarf aus dem Heizkessel nachgeheizt wird. Im Inneren dieses Heizwasser-Pufferspeichers befindet sich ein zweiter, deutlich kleinerer Tank oder ein dickes Rohr, durch den das Trinkwasser fließt und – ähnlich einem Durchlauferhitzer – dabei vom Heizwasser erwärmt wird. Solche Speicher weisen ein wesentlich höheres Gesamt-Puffervolumen als reine Brauchwassertanks auf (mindestens doppeltes Volumen), der vorgehaltene Anteil an erwärmten Trinkwasser ist aber wesentlich geringer (etwa 80 bis 200 Liter). Solche Anlagen eignen sich daher auch für öffentliche Gebäude oder Pensionen, die einen hohen Warmwasserbedarf haben, aber nicht auf Warmwassertanks mit mehr als 400 Liter zurückgreifen wollen, die besondere Schutzmaßnahmen gegen Legionellen erfordern.

Solarflüssigkeit

Die Solarflüssigkeit transportiert die Wärme vom Erzeuger zum Verbraucher bzw. Speicher. Sie besteht aus einem Wasser- Propylenglykol-Flüssigkeitsgemisch, welches den Gefrierpunkt des Wassers absenkt und den Siedepunkt anhebt. Somit wird bei niedrigen Temperaturen die Anlage vor Frostschäden geschützt und bei hohen Kollektortemperaturen die Verdampfung der Solarflüssigkeit meist verhindert. Die heute verwendeten Mischungen sind ungiftig und chemisch relativ stabil. Bei hohen Temperaturen geht die Solarflüssigkeit in den Kollektoren in einen dampfförmigen Aggregatzustand über (Anlagenstillstand). Der Zustand und bei Bedarf der Austausch Solarflüssigkeit ist bei der Wartung zu prüfen, da die Solarflüssigkeit durch häufige Aggregatswechsel altert.

Je höher die Glykolkonzentration ist, desto tiefere Temperaturen kann die Anlage ohne Schaden überstehen. Eine Konzentration von über 50 % sollte jedoch vermieden werden, da sich die Spezifische Wärmekapazität des Gemisches vermindert. Auch wird die Pumpe nicht mehr zuverlässig gekühlt. Die Viskosität des Gemisches und damit die erforderliche Pumpenarbeit und Stromaufnahme erhöht sich. Insgesamt sinkt damit der Wirkungsgrad der Anlage. Im Extremfall kann es zu Startschwierigkeiten der Pumpe kommen. Sollte die Anlage sehr tiefen Temperaturen ausgesetzt sein, so bildet sich mit Glykol ein Wassereisgemsich, das die Leitungen nicht zerstört.

Vereinzelt gibt es auch Systeme, die direkt mit Wasser als Solarflüssigkeit arbeiten. Hier ist kein Wärmetauscher zwischen Solarkreislauf und Speicher nötig, da das Wasser direkt eingespeist werden kann. Dies erleichtert auch die Einbindung einer Solaranlage in bestehende Heizungssysteme. Im Winter ist sicherzustellen, dass die Kollektoren nicht einfrieren. Dazu wird die Außentemperatur überwacht und bei Bedarf wärmeres Wasser durch den Kollektor geleitet. Der hierzu erforderliche Energieverbrauch (Pumpe, Warmwasser) kann aufgerechnet werden mit verschiedenen Einsparungen wie z. B. dem besseren Wirkungsgrad durch den Verzicht auf einen Wärmetauscher, die höhere Wärmekapazität ohne Glykol und die geringere Viskosität der Solarflüssigkeit. „Drain-Back-Systeme“ werden nur gefüllt, wenn die Kollektoren warm sind und der Speicher aufnahmefähig ist. Ist die Pumpe aus, läuft das Wasser wieder heraus.

Rohrleitungen und Armaturen

Im allgemeinen werden Kupferrohre der Nennweiten DN 15 bis DN 18 verwendet, auch können geeignete Verbundrohre zum Einsatz kommen, die sowohl temperaturbeständig als auch chemisch beständig sind. Sie sind nach der EnEV mit einer 100-%-Dämmung zu versehen, welche dauerhaft Temperaturen von 110 °C aushält. Im Außenbereich kommen blechummantelte Mineralwollen sowie geschäumtes EPDM in Frage, damit UV-Strahlung, Witterung und Vogelfraß keinen Schaden anrichten. Im Innenbereich lassen sich Dämmstoffe aus der Heizungstechnik nicht verwenden, da sehr heiße Kollektortemperaturen diese zerstören würden. Zink darf an keiner Stelle verwendet werden, da es vom Glykolgemisch aufgelöst wird.

Als Umwälzpumpen kommen Heizungspumpen in Frage, die zum Schutz vor hohen Temperaturen in den kalten Rücklauf gesetzt werden. Da der Volumenstrom des Solarkreises viel kleiner als der des Heizungkreises ist, sind die Heizungspumpen für kleine Solaranlagen oft überdimensioniert. Spezielle Solarpumpen sind elektronisch geregelt, für kleine Volumenströme ausgelegt und deshalb stromsparend. Damit defekte Pumpen ausgewechselt werden können ohne den Kreislauf entleeren zu müssen, werden sie zwischen zwei Absperrhähne montiert. Eine Rückschlagklappe im Rücklauf verhindert Schwerkraftzirkulation, eine im Vorlauf vermeidet Rückströmung und damit Auskühlung des Speicher.

Zu den Sicherheitseinrichtungen gehören Membranausdehnungsgefäß und Sicherheitsventil. Die Größe des MAGs ergibt sich aus dem Ausdehnungswasser zuzüglich dem kompletten Flüssigkeitsdampf des Keislaufes. Die Ableitung des SVs soll sicherstellen, dass heißes Spritzwasser keine Gefahr darstellt. Ein Entlüfter mit Sammelstrecke am höchsten Anlagenpunkt sorgt dafür, dass sich ansammelnde Luft entweichen kann. Damit wird gewährleistet, dass die Wärme kontinuierlich von Nur-Flüssigkeit aufgenommen und fortgeführt werden kann.

Volumeter zum Einstellen der Flüssigkeitsmenge, Temperaturmessgerät und Manometer sowie eine Befüll- und Entleerungsvorrichtung komplettieren die Solaranlage.

Ein Schmutzfänger ist nicht vorgeschrieben; ist einer vorhanden, sollte der Siebeinsatz wegen der möglichen Ausbildung eines unnötigen Strömungswiderstandes nur kurzzeitig bei laufender Anlage zum Einsatz kommen und dann wieder entfernt werden.

Solarregler, Solarstation

Ein Solarregler besteht aus verschiedenen Regel- und Steuerkreisen. Er verarbeitet eingestellte Temperaturwerte, Temperaturmesswerte sowie gemessene Temperaturdifferenzen. In Abhängigkeit von den eingestellten und den gemessenen Werten werden Pumpen und/oder Ventile geschaltet. Die Temperaturen werden mit Fühlern (meist Heißleiter, Pt-100-Kaltleiter, oder Thermoelemente) im Vorlauf des Kollektors, im Rücklauf aus dem Wärmespeicher und meist an einer oder seltener an mehreren Stellen in ihm gemessen; liegt die Kollektortemperatur etwa 3 bis 5 °C über der Speichertemperatur, schaltet die Pumpe ein, bei Unterschreitung eines Grenzwertes schaltet sie aus. Komplexere Steueranlagen können zum Beispiel mehrere Kollektoranlagen mit unterschiedlicher Einstrahlung oder mehrere Speicher bzw. mehrere Solarwärmeübertrager verwalten. Weitere Temperaturmesswerte können im Regler zur Information aufgenommen und zur Anzeige gebracht werden, wie auch ein Betriebsstundenzähler zu Wirtschaftlichkeitsberechnungen nützlich sein kann. Manche Regler generieren aus den Messwerten Tendenz- und Plausibilitätswerte.

Für Ein- und Zweifamilienhäuser wird die Minimalausstattung, bestehend aus Pumpe, Regler, einigen Armaturen und den Sicherheitseinrichtungen, in einer kompakten Einheit angeboten, die je nach Fabrikat Solarregler, Kompaktstation oder Solarstation heißt. Sie ist etwas größer als ein Schuhkarton und von einem Wärmedämmkasten umgeben, in dem sich die Anschlüsse für Vor- und Rücklauf, zwei Temperaturfühlern, dem Anschluss für das Membranausdehnungsgefäß und die Abblaseleitung, sowie für die Netzversorgung befinden. Die Kompakteinheit ist jedoch weniger wartungs- beziehungsweise reparaturfreundlich.

Inbetriebnahme und Wartung

Nach Fertigstellen der Anlage erfolgt die Inbetriebnahme wozu sie einer Druckprobe und einem Spülvorgang unterzogen werden muss. Die Druckprobe geschieht mit dem 1,5-fachen des maximalen Betriebsdruckes, welcher sich aus der statischen Anlagenhöhe mit 0,1 bar je Meter und 0,5 bar als Abstand zum Ansprechdruck des Sicherheitsventils ergibt. Das Spülen der Anlage entfernt Schmutzreste und gewährleistet einen störungsfreien Durchfluss. Da mit Wasser gespült wird, soll dies in der sicher frostfreien Zeit geschehen, damit Restwasser nicht einfrieren kann. Die Füllung der Kollektoranlage geschieht über einen Füllschlauch und Füllpumpe, danach ist der Betriebsdruck am MAG aufzubringen und der Anlagendruchfluss einzustellen. Vollständiges entweichen der Luft ist wichtig, damit der Kreislauf aufrecht erhalten wird und Betriebsgeräusche vermieden werden. Zudem verursacht der in der Luft enthaltene Sauerstoff eine raschere Oxidation des Frostschutzmittels und kann die Pumpe beschädigen. Die Wartung des Drucks ist jährlich durchzuführen und der Anlagendruck ist wieder herzustellen. Die Kontrolle der Solarflüssigkeitskonzentration ist zweijährig auszuführen. Die Messung erfolgt mit Spindelaelometer und einer pH-Wert-Messung, die über 7 liegen muss (leicht basisch). Ist das Gemisch saurer, muss die gesamte Solarflüssigkeit ausgetauscht werden. Die Verschmutzung der Kollektoren spielt keine wesentliche Rolle und führt maximal zu einer Leistungseinbuße von 2 %. Eine spezielle Reinigung der Kollektoren ist nicht erforderlich.

Bautypen und Anlagentechnologie

Dachmontage zweier Vakuumröhrenkollektoren auf einem Einfamilienhaus in Süddeutschland

Ein Vakuumröhrenkollektor

Die Bautypen von Solaranlagen lassen sich nach verschiedenen Kriterien unterscheiden.

Im Bereich der Haustechnik lassen sich nach dem Einsatzzweck

• Anlagen zur Trinkwassererwärmung und
• Anlagen zur Unterstützung der Raumheizung

unterscheiden (siehe dazu auch unten).

Nach dem verwendeten Kollektortyp unterscheidet man

• Anlagen mit Flachkollektoren gegenüber
• Anlagen mit Vakuumröhrenkollektoren.

Ebenso ist eine Unterscheidung nach der Speichertechnik möglich; hier gibt es eine Vielzahl unterschiedlichster Entwicklungen. Diese konzentrieren sich meist auf die Optimierung der Temperaturschichtung im Speicher bzw. auf die Umsetzung von Entnahmestrategien, die eine Störung der Schichtung vermeiden. Ziel ist dabei eine gleich bleibend hohe Temperatur im oberen Speicherbereich, wo die Wärme entnommen wird, und eine im Vergleich zur Kollektortemperatur niedrige Temperatur im unteren Speicherbereich, wo die Wärme aus den Kollektoren zugeführt wird, so dass ein stetiger Betrieb der Anlage ermöglicht wird.

Nach der Anlagentechnologie als solcher lassen sich unterscheiden

• Schwerkraftanlagen (Thermosiphonanlagen)
• High-Flow-Systeme
• Low-Flow-Systeme

Schwerkraftanlagen arbeiten ganz ohne Pumpstation. Ihr Kreislauf wird allein durch die Erwärmung in den Kollektoren angetrieben: Das im Kollektor erhitzte Wasser steigt nach oben und sammelt sich im typischerweise oberhalb des Kollektors angebrachten Speicher. Beim Abkühlen sinkt es im Speicher nach unten und fließt durch das Rücklaufrohr wieder dem Kollektor zu.

Die Unterscheidung zwischen „High Flow“ und „Low Flow“ bezieht sich auf die Durchlaufmenge im Verhältnis zur Kollektorfläche an der Solarstation je Zeiteinheit. High Flow bedeutet, dass etwa 30 bis 50 Liter pro Stunde und Quadratmeter Kollektorfläche umgesetzt werden, bei Low Flow sind es zehn bis zwanzig. Low Flow kann damit sowohl einen sehr langsamen Umlauf im Solarkreis als auch den schnellen Durchlauf bei einem insgesamt sehr geringen Volumen im Solarkreis bezeichnen.

Die meisten heute eingesetzten kleineren Anlagen sind High-Flow-Systeme, die mit normalen Heizungspumpen (Kreiselpumpen) betrieben werden können. Sie sind in der Lage, hohe Wärmemengen auf niedrigem bis mittlerem Temperaturniveau aus dem Kollektor abzuführen.

Der technologische Vorteil von Low-Flow-Systemen beruht darauf, dass in ihnen höhere Temperaturdifferenzen zwischen Kollektor und Speicher entstehen und auch im Betrieb bestehen bleiben. Dadurch sinkt der Kollektorwirkungsgrad etwas, gleichzeitig können sie aber bei geringerer Sonneneinstrahlung Wärme auf höherem Temperaturniveau produzieren und, da bei mittlerer Einstrahlung nicht mehr nachgeheizt werden muss, im Jahresmittel etwas höhere Deckungsgrade erreichen. Gegenüber High-Flow-Systemen gleicher Fläche können eine preisgünstigere Verrohrung, kleinere Wärmeübertrager und schwächere Pumpen verwendet werden. Wegen dieser Vorteile werden Großanlagen üblicherweise im Low Flow betrieben. Systeme mit sehr engen Rohrquerschnitten können nur als Low-Flow-Anlagen betrieben werden, da der Strömungswiderstand sonst zu sehr zunimmt. Enge Rohrquerschnitte sind erwünscht, damit der Kollektor selber eine geringe Wärmekapazität hat und sich schnell aufheizt.

Matched-Flow-Systeme, in denen die Pumpenleistung in einem weiten Bereich geregelt wird, sind derzeit die Ausnahme. Sie müssen technisch wie eine High-Flow-Anlage teuer ausgerüstet werden, so dass ihr Vorteil gegenüber dieser nur gering ist.

Die im Mittelmeerraum verbreitet eingesetzten Thermosiphonanlagen haben häufig einen offenen Kreislauf: die Kollektoren werden direkt vom Brauchwasser durchflossen, das dann als Warmwasser aus dem Speicher abgezapft wird.

Eine Ausnahme bilden Drain-Back-Systeme, die eine vollständige Entleerung der Kollektoren bei extremen Temperaturen bzw. Anlagen-Stillstand vorsehen. Diese können mit reinem Wasser betrieben werden. Auch sie werden aber meist als geschlossene Kreisläufe betrieben, die die Wärme über Wärmeübertrager an das Brauchwasser abgeben

Typische Anlagengrößen

Die meisten heute im Einsatz befindlichen Anlagen sind Anlagen zur Erwärmung des Trinkwassers im 1-Familien- oder 2-Familien-Haus. Ziel bei der Konzeption der Solaranlage ist es, im Sommer eine Volldeckung zu erreichen, so dass die normale Heizungsanlage komplett abgeschaltet bleiben kann. Aufgrund der starken jahreszeitlichen Unterschiede müsste aber eine Anlage, die auch im Winter über 90 % des Bedarfs decken kann, so groß ausgelegt werden, dass im Sommer gewaltige Wärme-Überschüsse entstünden, die nicht genutzt werden könnten. Da sich die Anlage abschaltet, sobald im Solarspeicher eine voreingestellte Zieltemperatur erreicht ist, würden solche Anlagen im Sommer häufig stillstehen. Wenn aber keine Wärme mehr abgeführt wird, erhitzen sich die Kollektoren so, dass die enthaltene Solarflüssigkeit in Dampf übergeht. Kommt es in dieser Situation nun zu einer Abkühlung des Speichers durch hohen Verbrauch, kann dies zur paradoxen Situation führen, dass im Sommer konventionell nachgeheizt werden muss, weil die Anlage erst nach nächtlicher Abkühlung der Kollektoren wieder in Betrieb genommen werden kann.

Eine typische Anlagengröße in Deutschland und Österreich ist auf einen Vier-Personen-Haushalt konzipiert, hat einen 300-Liter-Solartank und eine Kollektorfläche zwischen 4 und 5 m². Die nächstgrößere Anlagengröße mit einem 400-Liter-Solartank und einer Kollektorfläche zwischen 6 und 8 m² kann bis zu sechs Personen mit normalem Wasserverbrauch mit einem jährlichen Deckungsgrad von etwa 70 % versorgen.

In den Niederlanden werden die meisten Anlagen um etwa ein Drittel kleiner konzipiert; dort sind auch Anlagen mit 150- oder 200-Liter-Solartank zu finden, die dann aber meist nur einen Deckungsgrad von weniger als 60 % im Jahresmittel erreichen.

In Österreich finden sich auch Anlagen mit größeren Trinkwassertanks. In Deutschland ist dies eher unüblich. Letzteres hängt auch damit zusammen, dass ab einer Speichergröße von mehr als 400 Liter die so genannte „Legionellen-Verordnung“ des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfachs besondere Maßnahmen zur regelmäßigen Sterilisierung der Trinkwasseranlage vorschreibt. Diese Richtlinie gilt zwar nicht für Einfamilienhäuser, dennoch wird aus versicherungstechnischen Gründen oft vor dem Einbau größerer Speicher zurückgeschreckt.

Anlagen, die neben der Trinkwassererwärmung (Dusch- und Badewasser) auch Raumheizungsunterstützung leisten sollen, benötigen Pufferspeicher mit wenigstens 700 Liter Inhalt; dabei handelt es sich jedoch nicht um Trinkwasser, sondern um Heizungswasser, das nur im geschlossenen Kreislauf der Heizungsanlage zirkuliert. Die entsprechende Kollektorfläche kann zwischen 9 und 12 m² angesetzt werden. Gute Leistungswerte erreichen Kombitank-Systeme mit ca. 1000 Liter Gesamtpufferkapazität (davon bis zu etwa 200 Liter Trinkwasser in einem Innentank) und einer Kollektorfläche von 12 bis 15 m². Neben einer solaren Deckung des jährlichen Trinkwasserwärmebedarfs von ca. 60–70 % können solche Anlagen im Niedrigenergiehaus bis zu einem Viertel des jährlichen Heizenergiebedarfs erbringen.

Die Unterschiede zwischen den Standorten (Jahres-Strahlung), Ausrichtung/ Neigung der Kollektorfläche (reduziert oder steigert die Erträge), Warmwasserbedarf des Haushaltes und Wärmebedarf des Gebäudes und letztlich die Qualität der Solaranlagen (Wirkungsgrad der Kollektoren, Dämmqualität des Solarspeichers, Intelligenz des Solarreglers) beeinflussen allerdings die nötige Größe deutlich. Eine Überdimensionierung bringt kaum Jahresmehrerträge. Ausnahmen sind steil und verschattungsfrei genau nach Süd ausgerichtete Kollektoren. Hiermit kann dann ein Mehr an Wintersonne eingefangen werden und eine sommerliche Überhitzung vermieden werden.

Kapazitäten weltweit und in Europa

Thermische Solarenergie 2005[1] Land/Region in Mio. m2 in GWth China 79,3 55,5 EU 16,0 11,2 Türkei 8,1 5,7 Japan 7,2 5,0 Israel 4,7 3,3 Brasilien 2,3 1,6 USA 2,3 1,6 Australien 1,7 1,2 Indien 1,5 1,1 Welt 125 88

Thermische Solarenergie (1 m2=0,7 kWth) [2] [3] Staaten Insgesamt in kWth Zuwachs 2007 in kWth Zuwachs 2006 in kWth Zuwachs 2005 in kWth Zuwachs 2004 in kWth Deutschland 6 295 800 665 000 1 050 000 665 000 525 000 Griechenland 2 499 140 198 100 168 000 154 350 150 500 Österreich 2 024 839 196 700 204 868 163 429 127 816 Italien 770 161 171 500 130 200 88 941 68 417 Spanien 674 916 183 400 122 500 74 760 63 000 Frankreich 609 420 178 500 154 000 85 050 36 400 Zypern 437 640 45 500 42 000 35 000 21 000 Schweiz 356 286 45 802 36 304 27 392 21 812 Dänemark 269 696 16 100 17 710 14 875 14 000 Niederlande 236 839 13 930 10 280 14 174 18 410 UK 213 444 37 800 37 800 19 600 17 500 Schweden 183 676 17 826 19 977 15 835 14 041 Portugal 144 165 17 500 14 000 11 200 7 000 Polen 164 428 46 900 28 980 19 390 20 230 Slowenien 84 910 8 400 4 830 3 360 1 260 Tschechien 92 211 17 500 15 421 10 885 8 575 Belgien 102 283 29 400 24 945 14 164 10 290 Slowakei 57 225 6 300 5 950 5 250 3 850 Rumänien 48 720 350 280 280 280 Bulgarien 17 570 1 750 1 540 1 400 1 260 Malta 20 552 3 850 3 150 2 800 2 951 Finnland 14 345 2 800 2 380 1 668 1 141 Luxemburg 13 230 2 100 1 750 1 330 1 190 Irland 21 553 10 500 3 500 2 450 1 400 Ungarn 9 975 5 600 700 700 1 050 Lettland 3 745 1 050 840 700 350 Litauen 2 415 490 420 350 350 Estland 1 029 245 210 175 175 EU27+CH in GWth 15,37 1,92 2,10 1,43 1,14

Wirtschaftlichkeit

Vom Energieverbrauch eines Privathaushaltes entfallen ca. 61 % auf den Gesamtheizenergiebedarf (8 % Trinkwassererwärmung, 53 % Heizenergiebedarf; hinzu kommen ca. 31 % für Kraftfahrzeuge und 8 % für Strom) .

Anlagen zur Trinkwassererwärmung

Heutige solarthermische Anlagen werden in erster Linie zur Trinkwassererwärmung genutzt, hierbei können sie im Jahresmittel 55 % bis 60 % der Heizenergie für die Trinkwassererwärmung decken, was ca. 8 % dieses gesamten Heizenergiebedarfes oder etwa 5 % des Gesamtenergiebedarfes entspricht. Die Nutzungsdauer einer solchen Anlage wird mit 20 bis 25 Jahren angegeben.

Der Energieverbrauch einer Musterfamilie für die Trinkwassererwärmung (Dusch- und Badewasser) liegt jährlich bei ca. 420 Liter Heizöl (bzw. 420 Kubikmeter Erdgas)^[4]. Davon kann eine solarthermische Anlage etwa 55 % bis 60 % einsparen, was einer jährlichen Einsparung von ca. 250 Liter Heizöl entspricht und bei einem Heizölpreis von 0,47 €/l (Stand: März 2009) zu einer Einsparung von jährlich ca. 118 € führt. Diese Werte können aber stark schwanken, abhängig vom jeweiligen Nutzungsverhalten, der verwendeten Technologie und der Anlagenauslegung.

Weiterhin kann eine Solaranlage Strom sparen, wenn das Warmwasser auch für Wasch- und Spülmaschine verwendet wird.

Die Anschaffungskosten einer solarthermischen Warmwasser-Anlage für einen Vier-Personen-Haushalt liegen abhängig von Technik und erforderlichem Aufwand zwischen 4800 € (Flachkollektor) und 8800 € (Vakuumkollektor) ^[4] inclusive Transport und Montage. Sofern die Montage nicht durch Fachkräfte, sondern durch den Käufer vorgenommen wird, liegen die Anschaffungskosten der Anlage selbst zwischen 2880 € und 6850 €.^[4]

Als Betriebskosten ergeben sich im wesentlichen die Stromkosten für die Solarpumpe und die Wartungskosten. Abbau- und eventuelle Entsorgungskosten für eine nachfolgende Modernisierung der Anlage kommen möglicherweise noch hinzu.

Anlagen zur Heizungsunterstützung

Insbesondere im Frühjahr treten hohe Sonneneinstrahlung (Mitte April ist sie etwa so hoch wie Ende August) und niedrige Außentemperaturen zusammen auf. Vermehrt werden daher solarthermische Anlagen eingesetzt, die zusätzlich zur Trinkwassererwärmung die Heizung unterstützen und in den Übergangsjahreszeiten ersetzen sollen. Sie sind deutlich größer und daher auch teurer als Anlagen nur für die Trinkwassererwärmung.

Die Kosten und Erträge schwanken hier deutlich stärker als bei reinen Trinkwasseranlagen, da Temperaturniveau der Heizungssysteme (Vorlauftemperatur 35 °C für Fussbodenheizung, 80 °C für ältere Systeme), beheizte Fläche und spezifischer Wärmebedarf (von 0 bis 300 kWh/m²) je nach Haus variieren können. Bei einem unsanierten Altbau ist eine vorangehende Wärmedämmung anzuraten.

Derzeit sind Systeme üblich, die etwa 30 % der Jahresheizenergie eines Einfamilienhauses einsparen sollen.

Förderung

Dieser Artikel oder Absatz stellt die Situation in Deutschland dar. Hilf mit, die Situation in anderen Ländern zu schildern.

Da eine Wirtschaftlichkeit bei konstanten Erdöl- und Erdgaspreisen oftmals nicht erreicht werden kann, fördert in Deutschland die BAFA den Bau von Solaranlagen. Derzeit werden 60 € (Warmwasserbereitung) bzw. 105 € (kombinierte Warmwasserbereitung mit Heizungsunterstützung) pro Brutto-Quadratmeter gezahlt (Stand: November 2007). Die Förderung beträgt für Anlagen zur Warmwasserbereitung jedoch mindestens 412,50 €^[5]. Weitere Fördermöglichkeiten bieten die Bundesländer und teilweise auch die Städte und Kommunen oder die örtlichen Energieversorger. Die Kreditanstalt für Wiederaufbau fördert thermische Solaranlagen durch die Vergabe zinsgünstiger Kredite. Nicht alle Formen der Förderung dürfen frei kombiniert werden, eine Förderung durch die BAFA schließt andere Fördermöglichkeiten aus.^[4]

Einzelnachweise

1. ↑ 2005: Record year for investments in renewable energy REN21: Renewables Global Status Report 2006 Update, 18.7.2006
2. ↑ Solar Thermal Markets in Europe, Trends and market statistics 2006 European Solar Thermal Industry Federation ESTIF, June 2007
3. ↑ Solar Thermal Markets in Europe, Trends and Market Statistics 2007 ESTIF June 2008
4. ↑ ^{a b c d} Stiftung Warentest: Eine Technik zum Erwärmen. In: test. Nr. 4, 2002
5. ↑ Förderung durch die BAFA: Übersicht über die aktuellen Förderungsmöglichkeiten

Literatur

• Norbert Schreier et al.: Solarwärme optimal nutzen. Wagner & Co Verlag, 1980–2005, ISBN 392312936X
• Bernd-Rainer Kasper, Bernhard Weyres-Borchert: Leitfaden Solarthermische Anlagen. Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V., 2004, ISBN 3-9805738-7-7
• Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. Hanser Verlag, München 2008, ISBN 978-3-446-41444-0
• Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. 5. Auflage, Hanser Verlag, München 2007, ISBN 978-3-446-40973-6

Weblinks

• www.dgs.de - Webseite der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie
• www.eurosolar.org - Webseite von Eurosolar - Europäische Vereinigung für Erneuerbare Energien e.V.
• www.solarenergie.com - Solarenergie-Portal des Energiewende-Verlags
• Marktanreizprogramm zur Förderung der Nutzung erneuerbarer Energien durch das BAFA
• Ausführliche Darstellung von Vor- und Nachteilen mit Quellenangaben
• Vergleich von älteren Solaranlagen, TU Stuttgart 1998 (PDF Datei)