Thermische Solaranlagen

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 Fotovoltaikanlagen bezeichnet.

Einsatzgebiete

Überwiegend werden thermische Solaranlagen in der Haustechnik genutzt. Die gewonnene Wärme wird hierbei hauptsächlich zur Brauchwasser-Erwärmung und für Heizzwecke eingesetzt.

Ein großtechnischer Einsatz findet dagegen in thermischen Solarkraftwerken statt. Die meisten dieser Anlagen verwenden konzentrierende Kollektoren zur Fokusierung der Sonnenstrahlen auf einen Absorber, in dem Temperaturen von 390° bis über 1000° Celsius erreicht werden können. Diese Wärme wird anschließend entweder als industrielle Prozesswärme genutzt oder über Generatoren in Strom umgewandelt (solarthermische Stromerzeugung).

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 Chemie-Industrie.

Ebenfalls zu den thermischen Solaranlagen zählen Anlagen zur solaren Kühlung.

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

Bestandteile einer thermischen Solaranlage

Als wichtigster Bestandteil einer Solaranlage wird meist der Kollektor angesehen, der die Sonnenwärme aufnimmt und absorbiert; er ist damit ein konstitutierendes Element: ohne Kollektor kann es keine thermische Solaranlage geben.

Für die Leistung der Solaranlage aber ebenso wichtig sind:

der Solarwärmespeicher, der Wärme aufnimmt und speichert, die nicht sofort verbraucht werden kann;
der Solarkreislauf, über den die Wärme vom Kollektor in den Speicher verbracht wird;
die zum Solarkreislauf gehörende Pumpstation (Solarstation, entfällt bei Schwerkraftanlagen) und
der Solarregler, der die Solaranlage steuert.

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 des Sonnenlichts in Wärme 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.

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: Ein in einer Glasröhre "gefangenes" Vakuum sorgt für optimale Isolierung. 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° Celsius 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 Vakuum auch in Flachkollektoren zu nutzen. Bauartbedingt neigen diese aber zu Undichtigkeiten, so dass das Vakuum durch eindringende Luft verdrängt wird und regelmäßig mit Hilfe einer Vakuumpumpe wieder hergestellt werden muss.

Hinweis: Zur Unterscheidung von Sonnenkollektoren werden die Licht aufnehmenden und in Strom umwandelnden Elemente einer Fotovoltaikanlage als Solarzellen oder Solarmodule (auch: PV-Module) bezeichnet; ein Solarmodul enthält in der Regel mehrere Solarzellen.

Solarspeicher

Um die eingefangene Wärme unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung nutzen zu können, muss sie gespeichert werden. Als Speichermedium dient dabei meist Wasser; man spricht dann auch vom Solartank. Obwohl Wasser ein hervorragendes Wärmeträgermedium darstellt, ist aber bei solchen Solartanks eine aufwändige Isolierung erforderlich, um Wärmeverluste zu verringern.

Damit eignet sich Wasser nur eingeschränkt für die längerfristige Wärmespeicherung, etwa vom Sommer in den Winter. Seit einiger Zeit wird daher an der thermochemischen Wärmespeicherung 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.

Von herkömmlichen Brauchwassertanks unterscheiden sich Solartanks vor allem durch:

sehr starke Isolierung; üblich sind 10 cm und mehr aus einem stark isolierenden Material wie z.B. PU- oder PP-Schaum, zum Teil zweischichtig, gegenüber oft nur 5 cm Mineralwolle bei herkömmlichen Warmwasser-Speichern 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 Wärmetauscher für die Übertragung der Wärme aus dem Solarkreis.

Häufig sind Solartanks bivalent ausgelegt, das heißt, sie besitzen zusätzlich zum Wärmetauscher des Solarkreises eine Einrichtung zum Nachheizen mittels einer anderen Energiequelle, z.B. einen zweiten Wärmetauscher 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. Die Warmwassererzeugung per Strom ist aber energetisch sehr ineffizient und wenig umweltfreundlich.

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 bzw. 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 l). Solche Anlagen eignen sich daher auch für öffentliche Gebäude oder Pensionen, die einen hohen Warmwasserbedarf haben, aber aus Hygienegründen nicht auf Warmwassertanks mit mehr als 400 l zurückgreifen wollen.

Solarkreis, Solarflüssigkeit, Solarstation und Solarregler

Als Solarkreis bezeichnet man die Verrohrung, in der durch die umlaufende Solarflüssigkeit die Wärme vom Kollektor zum Wärmespeicher transportiert wird.

Bei den im nördlichen Europa eingesetzten Anlagen handelt sich in der Regel um geschlossene Kreisläufe: die Solarflüssigkeit verlässt den Kreislauf an keiner Stelle. Die im Mittelmeerraum verbreitet eingesetzten Thermosiphon-Anlagen dagegen haben häufig einen offenen Kreislauf: die Kollektoren werden direkt vom Brauchwasser durchfloßen, das dann als Warmwasser aus dem Speicher abgezapft wird.

Die so genannte Solarflüssigkeit dient als Wärmeträgermedium; durch ihren Durchfluß durch den Solarkreis wird die Wärme vom Erzeuger zum Verbraucher bzw. Speicher transportiert. Sie besteht überwiegend aus Wasser, da dieses nahezu optimale Eigenschaften für diesen Zweck hat. Da aber in nördlichen Breiten im Winter die Gefahr besteht, dass der Solarkreis einfriert und durch die dabei auftretende Ausdehnung des Eises in den Rohren der Kollektor beschädigt wird, wird das Wasser mit speziellen Frostschutzmitteln, meist auf Glykol-Basis angereichert. Diese Frostschutzmittel müssen auch im Sommer noch chemisch stabil bleiben, wenn die Solarflüssigkeit im Extremfall in den Kollektoren in einen dampfförmigen Aggregatzustand übergeht (="Anlagenstillstand"). Je höher die Glykol-Konzentration in der Solarflüssigkeit, desto tiefere Temperaturen kann die Anlage ohne Schaden überstehen, desto schlechter aber auch die Wärmeträger-Eigenschaften der Solarflüssigkeit.

Eine Ausnahme bilden so genannte "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 Wärmetauscher an das Brauchwaser abgeben.

Solarstation und Solarregler dienen der Steuerung und Wartung des Solarkreises. Mit Ausnahme von schwerkraftgesteuerten Thermosiphon-Anlagen enthält die Solarstation jeweils eine Pumpe und diverse Sicherheitseinrichtungen, bei geschlossenen Systemen unter anderem ein so genanntes Membran-Ausdehngefäß (MAG), wie es auch in großen Heizungsanlagen zum Einsatz kommt. Dieses Gefäß nimmt den Druck auf, der bei einer Verdampfung der Solarflüssigkeit in den Kollektoren entsteht; es wird so konzipiert, dass es den gesamten Inhalt des Solarkreises aufnehmen kann. Bei Drain-Back-Systemen kommt stattdessen ein Auffanggefäß zum Einsatz.

Der Solarregler steuert im einfachsten Fall über eine Temperaturdifferenz-Regelung die Solarstation: Sobald die Temperatur im Kollektor um eine festgelegte Temperaturdifferenz über der Temperatur am Solarwärmetauscher (im unteren Bereich des Solarspeichers) liegt, wird die Solarpumpe gestartet und die Wärme in den Speicher transportiert; sobald die Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher den Grenzwert unterschreitet, wird die Anlage gestoppt. Komplexere Steueranlagen können zum Beispiel mehrere Kollektoranlagen mit unterschiedlicher Einstrahlung oder mehrere Speicher bzw. mehrere Solarwärmetauscher verwalten.

Bautypen und Anlagentechnologie

Die Bautypen von Solaranlagen lassen sich nach verschiedenen Kriterien unterscheiden.

Im Bereich der Haustechnik lassen sich nach dem Einsatzzweck

Anlagen zur reinen Warmwasser-Erzeugung 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 gleichbleibend 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 (Thermosiphon-Anlagen)
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 an der Solarstation je Zeiteinheit. "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 Anlagen sind "High Flow"-Systeme, die mit normalen Heizungspumpen (Kreiselpumpen) betrieben werden können. "Low Flow"-Systeme benötigen dagegen in der Regel spezielle Pumpen, da sie entweder

Großanlagen mit sehr großen Kollektorflächen sind, bei denen besonders starke Pumpen benötigt werden und dennoch nur ein langsamer Umlauf erreicht wird, oder
mit einem sehr geringen Volumen im Solarkreis arbeiten, das heißt eine Verrohrung mit einem sehr niedrigen Querschnitt einsetzen, was zu einem höheren Strömungswiderstand führt. Für solche Anlagen werden in der Regel sog. Verdrängerpumpen eingesetzt.

Der technologische Vorteil ausgereifter "Low Flow"-Systeme beruht darauf, dass in ihnen höhere Temperaturdifferenzen zwischen Kollektor und Speicher entstehen und auch im Betrieb bestehen bleiben. Dadurch können sie schon bei geringerer Sonneneinstrahlung Wärme produzieren und im Jahresmittel höhere Deckungsgrade erreichen. Bei entsprechender Konstruktion und Verwendung hochwertiger Materialien können zugleich Stillstandszeiten reduziert werden, da Verdrängerpumpen den Solarkreis auch dann schon in Betrieb nehmen können, wenn die Kollektoren noch so stark erhitzt sind, dass sich das "Fluid" bzw. die Solarflüssigkeit noch in dampfförmigem Zustand befindet.

Typische Anlagengrößen

Die meisten heute im Einsatz befindlichen Anlagen sind Anlagen zur Warmwassererzeugung im 1- bis 2-Familien-Haus. Ein wichtiger Faktor bei der Auslegung der Anlage ist der gewünschte jährliche Deckungsgrad. Dieser beschreibt den Anteil des jährlichen Warmwasserbedarfs, der durch Solarthermie gedeckt werden soll. 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 4-Personen-Haushalt konzipiert, hat einen 300-l-Solartank und eine Kollektorfläche zwischen 4 und 5 m². Die nächstgrößere Anlagengröße mit einem 400-l-Solartank und einer Kollektorfläche zwischen 6 und 8 m² kann bis zu 6 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-l-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 500 l 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 Brauchwassererwärmung auch Raumheizungsunterstützung leisten sollen, benötigen Pufferspeicher mit wenigstens 700 l 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 l Gesamtpuffer-Kapazität (davon bis zu etwa 200 l Trinkwasser in einem Innentank) und einer Kollektorfläche von 12 bis 15 m². Neben einer solaren Deckung des jährlichen Trinkwasserbedarfs von ca. 70% können solche Anlagen im Niedrigenergiehaus bis zu einem Viertel des jährlichen Heizenergiebedarfs erbringen.

Siehe auch: Sonnenkollektor