SOLAR- na klar!

Im Zuge der eingeleiteten Energiewende bekommt die Nutzung regenerativer Energiequellen eine immer größere Bedeutung.

Zentrales Element ist in diesem Zusammenhang unsere Sonne. Durch sie wird das Leben auf der Erde erst ermöglicht, wobei wir die bereitgestellte Energie der Sonnenstrahlen auch zur Deckung des Wärmebedarfs im Haushalt nutzen können.

Im Vergleich zu konventionellen Energieträgern ist die Sonnenenergie dabei in unbegrenzten Mengen erhältlich und die Umwandlung in nutzbare Wärme erfolgt klimaneutral. Hinsichtlich der Einsatzfelder besteht zudem eine hohe Flexibilität. Solarthermieanlagen sind entweder auf die ausschließliche Warmwasserbereitung ausgelegt oder können zusätzlich zur Unterstützung der Heizung dienen.

In diesem Beitrag erfahren Sie alle wichtigen Informationen rund um das Thema. Von den integrierten Komponenten und der grundlegenden Funktionsweise über die Art der Kollektoren bis zur Einschätzung der Effizienz durch wichtige Richtwerte.

Wir geben den Überblick:

 

Komponenten & Funktionsweise

  • Solarkollektoren

In einem ersten Schritt nehmen auf dem Dach montierte Solarkollektoren die Sonnenenergie auf und übertragen diese auf ein Wärmeträgermedium, die sogenannte Solarflüssigkeit. Warmwasser-Solaranlagen erfordern dabei eine Kollektorfläche von 3-7 Quadratmetern, während eine heizungsunterstützende Anlage 7-15 Quadratmeter in Anspruch nimmt.

  • Solarflüssigkeit

Hierbei handelt es sich um ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, das die Wärme von den Kollektoren aufnimmt und über einen Wärmetauscher an den Solarspeicher abgibt. Solarkollektoren und Wärmespeicher sind dabei über ein Rohrsystem miteinander verbunden.

  • Pufferspeicher/Solarspeicher

Der Ertrag einer Solarthermieanlage hängt entscheidend von der jeweiligen Jahreszeit und der einhergehenden Sonneneinstrahlung ab. Dementsprechend übernimmt der Pufferspeicher (auch Solarspeicher genannt) eine wichtige Rolle, indem er übermäßige Produktionsmengen an ertragsreichen Tagen speichert, um in den kälteren Jahreszeiten darauf zurückzugreifen.

  • Solarregler

Der Solarregler ist die Steuerungseinheit der Solarthermieanlage. Er passt die Leistung der Solarpumpe dem entsprechenden Wärmebedarf an, sodass der Pufferspeicher immer mit ausreichend Wärme versorgt wird.

  • Hauptheizsystem

Das Hauptheizsystem springt dann ein, wenn der Wärmebedarf durch die Solarthermieanlage nicht mehr ausreichend gedeckt werden kann. Es wird an dem Pufferspeicher befestigt und kann in unterschiedlichen Varianten in Erscheinung treten. Möglich ist sowohl der Rückgriff auf konventionelle Öl- oder Gasbetriebene Heizungsanlagen als auch die umweltfreundlich Alternative in Form von Pellets oder Wärmepumpe.

 

Ausrichtungen von Solarthermie

Wie bereits erwähnt stehen Solarthermieanlagen für zwei verschiedene Einsatzgebiete zur Verfügung:

  1. Anlagen, die ausschließlich auf die Warmwasserbereitung ausgerichtet sind.
  2. Anlagen zur kombinierten Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung

Die Funktionsweise der Anlagen ist dabei grundsätzlich gleich, jedoch gibt es hinsichtlich des Aufbaus und der Planung entscheidende Unterschiede. Die wichtigsten Einzelheiten der entsprechenden Anlage im Überblick:

Zu 1:

  • Betrieb hauptsächlich durch Flächenkollektoren (Preis: ca. 250€ pro Quadratmeter)
  • Kollektorfläche: bis zu 1,5 Quadratmeter pro Person (abhängig von Wahl des Kollektors)
  • Etwa 60 Prozent des jährlichen Warmwasserbedarfs werden gedeckt
  • Speichervolumen: 60-80 Liter pro Person
  • Anschaffungskosten: 3000-6000 Euro
  • Mindestförderung durch BAFA: 500 Euro

Zu 2:

  • Betrieb insbesondere durch Vakuumröhrenkollektoren (Preis: ca. 750€ pro Quadratmeter)
  • Kollektorfläche: ca. 2-3 Quadratmeter pro Person (abhängig von Wahl des Kollektors)
  • Anschaffungskosten: 5.000-12.000 Euro
  • Mindestförderung durch BAFA: 2.000 Euro

Hinsichtlich der Kosten handelt es sich hier nur um Richtwerte zur Orientierung. Der Preis hängt schließlich von zahlreichen Faktoren, wie der Anzahl der Personen im Haushalt, dem Gesamtwärmebedarf, der Kollektorfläche oder dem Systemtyp ab.

Zusätzlich zur Mindestförderung stellt das BAFA auch gewisse Kombinationszuschüsse aus. Sollten Sie beispielsweise Ihre Solarthermieanlage zusätzlich mit einem Biomassekessel oder einer Wärmepumpe ergänzen, erhalten Sie einen weiteren Zuschuss von 500 Euro.

 

Kollektoren

Die Solarkollektoren übernehmen durch die Aufnahme der Sonneneinstrahlung eine zentrale Rolle bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie. In diesem Zusammenhang lassen sich zwei übergeordnete Kollektortypen unterscheiden:

  • Flachkollektoren

Flachkollektoren sind in Deutschland aufgrund des optimalen Preis-Leistungs-Verhältnisses am weitesten verbreitet. Niedrige Anschaffungskosten resultieren dabei aus der einfachen Bauweise. Hauptbestandteil ist dabei der Absorber. Dahinter kommen Kollektorröhre zum Einsatz. Es wird also nicht jedes Rohr einzeln von einem Absorber umhüllt, wie es bei den Vakuumröhrenkollektoren der Fall ist.

Durch die einfache Bauweise resultieren jedoch auch geringere Temperaturen, wodurch im Vergleich zu Röhrenkollektoren eine schlechtere Leistung erzielt wird.

Bevorzugtes Einsatzgebiet sind Anlagen zur ausschließlichen Warmwasserbereitung. Insbesondere bei südlicher Ausrichtung der Dachfläche reicht die Leistung von Flachkollektoren dabei vollkommen aus.

  • Vakuumröhrenkollektoren

Im Vergleich zu Flachkollektoren besitzen Vakuumröhrenkollektoren einen speziellen Aufbau. Dabei wird der Absorber unmittelbar an den einzelnen Röhren angebracht. Dass die Röhre umschließende Vakuum sorgt hierbei für eine optimierte thermische Isolierung, wodurch eine bessere Leistung in Form von höheren Temperaturen erreicht wird.

Außerdem werden die Wärmeverluste durch starke Winde oder zunehmende Temperaturdifferenzen zwischen Absorber und Umgebungsluft minimiert.

Empfehlenswert sind diese Kollektoren aufgrund ihres hohen Preises jedoch nur, wenn Sie auf einen besonders hohen Energieertrag angewiesen sind oder Ihnen nur eine kleine Dachfläche zur Verfügung steht. Hauptsächlich finden Röhrenkollektoren somit bei Solarthermieanlagen zur zusätzlichen Heizungsunterstützung Anwendung.

 

Effizienz

Die Effizienz von Solarthermieanlagen lässt sich nicht pauschalisieren. Bei der Beurteilung spielt einerseits die Jahreszeit und die damit zusammenhängende Intensität der Sonneneinstrahlung eine Rolle. Andererseits ist die Leistung der Anlage aber auch von baulichen Gegebenheiten, wie beispielsweise der Dimensionierung des Solarspeichers oder der Art der Solarkollektoren abhängig.

Grundsätzlich sollten dabei zur Einschätzung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Anlage zwei Werte in Verbindung gesetzt werden:

  • Deckungsgrad

Der solare Deckungsgrad gibt an, welcher Anteil des jährlichen Gesamtenergiebedarfs durch die Sonnenenergie abgedeckt wird.  Er bezieht sich also ausschließlich auf die Deckung des Wärmebedarfs im Haushalt. Angegeben wird der Wert in Prozent, wobei es sich dabei aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren keineswegs um eine konstante Größe handelt. Zu den Einflussfaktoren gehören beispielsweise die Größe und Qualität der Kollektoren, die Intensität der Sonneneinstrahlung oder der individuelle Energieverbrauch im Haushalt.

So wird im Sommer der Energiebedarf für warmes Wasser nahezu komplett durch solare Energiequellen gedeckt. Im Winter hingegen muss die zentrale Heizungsanlage einen großen Teil der Warmwasserbereitung übernehmen.

Folgende Werte können dabei als Orientierung dienen.

  1. Anlagen zur Warmwasserbereitung: ca. 50%
  2. Anlagen zur zusätzlichen Heizungsunterstützung: ca. 30-35%
  • Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad stellt ein Verhältnis zwischen eingesetzter und tatsächlich nutzbarer Energie her. Es wird somit angegeben, wie viel der aufgenommenen Sonnenenergie tatsächlich für Heizzwecke in Form von Warmwasserbereitung oder Heizungsunterstützung zur Verfügung steht.

Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen dem Systemwirkungsgrad, der die gesamte Anlage einschließlich aller Einzelteile umfasst, und dem Wirkungsgrad für einzelne Komponenten der Anlage.

Der Systemwirkungsgrad einer Solarthermieanlage erreicht heutzutage Werte zwischen 50 und 60 Prozent. Allgemein kann man sich merken, dass etwa die Hälfte der eingestrahlten Sonnenergie in Wärme umgewandelt wird.

Ein maximaler Wirkungsgrad wird erreicht, wenn die Temperatur des Absorbers mit der Umgebungsluft übereinstimmt. Der sogenannte „optische Wirkungsgrad“ erreicht dabei Werte bis zu 85 Prozent.

Bei der Berechnung des Wirkungsgrades müssen auch die Wärmeverluste berücksichtigt werden.

Diese basieren primär auf der Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebungsluft. Es gilt: Je wärmer der Absorber im Vergleich zur Umgebungsluft ist, desto geringer fällt der solare Wärmegewinnungsbeitrag aus.

Zusätzlich wirken sich starke Winde negativ auf den Wirkungsgrad aus, da dadurch Wärme von der Oberfläche des Kollektors abtransportiert wird.

Zur Orientierung dienen folgende Richtwerte:

Flachkollektoren: 50-60%

Vakuumröhrenkollektoren: 70-80%

Fazit

Solarthermieanlagen sind insbesondere im Hinblick auf die umweltschonende und ressourcensparende Betriebsweise empfehlenswert.

Die kostenfrei und mengenmäßig unbegrenzt zugängliche Energie der Sonnenstrahlen wird dabei durch ein kluges Funktionsprinzip in nutzbare Heizwärme für den Energiebedarf im Haushalt umgewandelt.

Die vielfältigen Ausrichtungen bieten dabei für jeden die individuell passende Lösung. Unabhängig davon, ob die Anlage ausschließlich zur Warmwasserbereitung oder zusätzlich zur Unterstützung der Heizung dienen soll.

Hinsichtlich der Wahl des entsprechenden Kollektors sollten Sie sich immer das Kosten-Nutzen-Verhältnis vor Augen führen. In den meisten Fällen reichen preiswerte Flachkollektoren vollkommen aus, wobei Sie bei erhöhtem Energieverbrauch oder ungünstigen Bedingungen des Dachs auch auf die optimierte Leistung von Vakuumröhrenkollektoren setzen können.