Solarthermie: Wärme aus Solaranlagen

Ohne die Energie der Sonne wäre die Erde ein toter Fels im All. Sonne lässt die Pflanzen gedeihen und stellt den Menschen auch riesige Mengen Energie frei Haus bereit. Als Solarthermie bezeichnet die Fachwelt die Spielart der Sonnenenergie-Gewinnung, bei der man Sonnenlicht direkt in nutzbare Wärme umwandelt. Photovoltaik ist demgegenüber die Technologie zur direkten Gewinnung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht.

Da der Wärmebedarf in Deutschland mehr als die Hälfte des Endenergieverbrauchs ausmacht, spielt die Wärmewende hin zu erneuerbaren Energien eine zentrale Rolle für den Klimaschutz. Dabei ist Solarthermie eine der Möglichkeiten Wärme aus erneuerbaren Energien zu gewinnen. Neben der Solarwärme ist eine weitere Option die Wärmepumpe, die mit Hilfe von elektrischem Strom Wärme aus der Luft oder dem Erdreich gewinnt. Auch Photovoltaik-Anlagen können mit Hilfe eines elektrischen Heizstabes Wärme liefern. Biomasse, wie etwa Holz, kann man klassisch in Heizkesseln verbrennen. Das gleiche gilt für synthetisch mit Strom, Wasserstoff und CO₂ aus der Luft hergestellte Brennstoffe.

Solarthermie punktet mit hoher Flächeneffizienz

Im Vergleich zu anderen Wärmetechnologien bietet die Solarthermie den Vorteil einer sehr hohen Effizienz. Sie kann Wärme aus Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von 40 bis 90 Prozent gewinnen. In Relation etwa zur Biomasse benötigen Solarthermie-Anlagen deutlich weniger Fläche für die gleiche Energieernte. So hat beispielsweise die Solarthermie-Großanlage in Senftenberg im Jahr 2018 mehr als 2,1 Gigawattstunden pro Hektar der Gesamtfläche der Solaranlage eingefahren [1]. Das ist 20 bis 30-mal mehr, als man mit Biomasse gewinnen kann, wenn man etwa Kurzumtriebsplantagenholz nutzt.

Wie funktioniert Solarthermie?

Das Funktionsprinzip der Solarthermie ist denkbar einfach. Wenn Sonnenlicht auf eine dunkle Fläche trifft, heizt sich die Fläche auf. Dieser Prozess findet gezielt in einem Solarkollektor statt, dem Wärmeerzeuger in einer Solaranlage. Die solaraktive Fläche in einem Sonnenkollektor, die sich durch das Sonnenlicht aufheizt, bezeichnen Experten als Solarabsorber oder kurz als Absorber. Dieser Absorber muss das Sonnenlicht gut absorbieren können. Gleichzeitig darf durch die Erwärmung keine Wärmestrahlung verloren gehen. Solch eine Eigenschaft bieten so genannte selektive Beschichtungen, mit denen die Hersteller den Solarabsorber bei der Fertigung zumeist im Hochvakuum bedampfen. Stand der Technik sind heute Absorberbeschichtungen mit einer Absorption von mehr als 95 Prozent bei einer thermischen Emission von 4 bis 6 Prozent.

Der Solarabsorber besteht in fast allen Kollektoren aus Metall, denn er muss die Wärme gut weiterleiten können. In der Regel handelt es sich um Aluminium. Kupfer als besserer Wärmeleiter ist heute aus Kostengründen kaum noch als Absorberfläche zu finden – allerdings meist in den Absorberrohren auf der Rückseite der Absorber.

Denn um die Wärme, die im Solarabsorber entsteht, nutzen zu können, muss sie auf ein Wärmeträgermedium übertragen werden. Als Wärmeträger kommen prinzipiell Luft oder Flüssigkeiten wie Wasser in Frage. Dabei nutzen die meisten Solaranlagen Warmwasser als Wärmeträger.

Anwendungen der Solarthermie

Solarwärme kann nicht nur in Gebäuden zum Heizen sondern auch für die Fernwärme, Prozesswärme und die Stromerzeugung zum Einsatz kommen.

• Die Warmwasser-Solaranlage: Der Klassiker der Solarthermie
• Solarheizung: Wärme frei Haus
• Solarthermie für die Fernwärme: Großanlagen für günstige Wärmepreise
• Zukunftsaufgabe: Solare Prozesswärme in Industrie und Gewerbe
• Solarthermische Kraftwerke: Solarthermie kann auch Strom

Wärmeversorgung von Gebäuden

Die meisten Solarthermie-Anlagen stellen die Solarwärme zur Wärmeversorgung von Gebäuden bereit. Die einfachste Form ist dabei die klassische Warmwasser-Solaranlage, mit der man die Solarwärme ausschließlich zur Warmwasserbereitung einsetzt. Eine spezielle Form der Warmwasser-Solaranlage stellt die solare Schwimmbadheizung dar, für die es spezielle Schwimmbadabsorber, auch Poolabsorber genannt, gibt.

Bei der Solarheizung dient die gewonnene Sonnenenergie neben der Warmwasser-Bereitung auch zur Beheizung der Räume. Häufig bezeichnen Experten diese Form der Solaranlage deshalb als Heizungsunterstützung. Denn meistens handelt es sich dann bei der Heizung des Gebäudes um eine Hybridheizung aus Solarthermie und einem weiteren Wärmeerzeuger, etwa einem Gas- oder Ölbrennwertgerät. Bei der typischen Gas-Hybridheizung liefert der Gaskessel rund zwei Drittel der Heizwärme und die Solarthermie ein Drittel. Die Solaranlage unterstützt quasi den Kessel. Technisch ist heute aber in vielen Gebäuden eine Solarheizung möglich, bei der die Solaranlage den Großteil der Wärme bereitstellt. Solche Gebäude nennt man auch Sonnenhaus oder Solar-Aktivhaus. Solche Gebäude können bis zu 100 Prozent mit Sonne heizen.

Fern- und Prozesswärme

Ein derzeit stark wachsendes Marktsegment der Solarthermie ist die solare Fernwärme. Während Hausdach-Solaranlagen zwischen 2 und 20 Kilowatt Leistung erbringen, sind solarthermische Großanlagen in der Lage bis zu 100 Megawatt in Wärmenetze einzuspeisen. Solche großen Kollektorfelder bieten besonders günstige Wärmegestehungskosten.

Solarwärme kann neben der Gebäudeheizung auch Prozesse in Gewerbe und Industrie mit Wärme beliefern. Dieser Bereich fristet zurzeit aber noch ein Nischendasein.

Kollektor-Bauart bestimmt Temperatur

Kollektoren für Niedertemperaturwärme

In der Theorie ist die Temperatur, die Solarthermie bereitstellen kann, nicht limitiert. Jedoch ergeben sich je nach Bauart des Sonnenkollektors unterschiedliche Temperaturbereiche. Denn je höher die Temperatur des Kollektors ansteigt, desto größer werden die Wärmeverluste und der Wirkungsgrad sinkt ab. Die maximale Temperatur, die ein Kollektor erreicht, nennt man Stagnations- oder Stillstandtemperatur. In diesem Zustand wird keine Wärme mehr aus dem Kollektor abgenommen und sämtliche Sonnenenergie wandelt sich in Wärmeverluste um.

So kann sich ein handelsüblicher Flachkollektor auf mehr 200 Grad Celsius aufheizen. Doch der dann sehr geringe Wirkungsgrad macht keinen vernünftigen Wärmeertrag mehr möglich. Sinnvoll lässt sich ein Flachkollektor daher bei 40 bis 80 Grad Celsius im Bereich der Niedertemperaturwärme betreiben. Auch Luftkollektoren erreichen einen ähnlichen Temperaturbereich. Spezielle Flachkollektoren, etwa mit doppelter Verglasung oder mit Vakuumisolierung, schaffen auch einen Bereich bis etwa 120 Grad Celsius. Bis in diesem Bereich stoßen auch Vakuumröhrenkollektoren vor.

Unabgedeckte Kollektoren: Unschlagbar effizient bei Umgebungstemperatur

Der schon erwähnte Schwimmbadabsorber, auch unabgedeckter Kollektor genannt, ist Spezialist für niedrige Temperaturen. Dabei handelt es sich um Bauformen, die ohne Glasabdeckung auskommen. Sie erreichen bei geringer Umgebungstemperatur Wirkungsgrade von bis zu 90 Prozent. Damit sind sie also ideal für 20 bis 30 Grad Celsius geeignet. Neben der Anwendung als Schwimmbadheizung können unabgedeckte Kollektoren außerdem als Wärmequelle von Wärmepumpen zum Einsatz kommen.

PVT-Kollektoren: Solarstrom und Solarwärme aus einer Hand

Ein weiterer Spezialfall des Sonnenkollektors ist der PVT-Kollektor. Dabei handelt es sich um einen Hybridkollektor, der gleichzeitig Solarstrom und Solarwärme bereitstellt. Dieses erreicht man durch die Kombination von Photovoltaik-Solarzellen mit einem thermischen Solarabsorber. Im Kürzel PVT steht PV dabei für Photovoltaik, das T für thermisch. PVT-Kollektoren gibt es sowohl in unabgedeckten Bauformen als auch in Modellen mit Glasabdeckung. Da die Stromerzeugung der Solarzellen mit steigenden Temperaturen sinkt, ist es sinnvoll, PVT-Kollektoren auf einem niedrigen Temperaturniveau zu betreiben und sie als Wärmequelle von Wärmepumpen oder für die Vorwärmung zu nutzen.

Konzentrierende Kollektoren: Solarthermie kann Hochtemperatur

Für Hochtemperaturwärme benötigt man hingegen konzentrierende Kollektoren. Das sind Kollektoren, die das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln bündeln und dadurch höhere Temperaturen erreichen. Solche Hochtemperatur-Solarkollektoren sind Parabolrinnen-Kollektoren, wie sie auch in solarthermischen Kraftwerken zur Stromerzeugung zum Einsatz kommen, und Fresnel-Kollektoren. Denn mit diesen Bauformen lässt sich der Temperaturbereich zwischen 100 und 400 Grad Celsius abdecken. Noch höher sind aber die Temperaturen in einem Solarturmkraftwerk, bei dem Sonnenlicht von einer großen Fläche mit beweglichen Spiegeln auf einen Punkt in einem Turm konzentriert wird. Hierbei sind sogar mehr als 1000 Grad Celsius technisch realisierbar.

Die Komponenten der Solarthermie-Anlage

Woraus besteht eine solarthermische Anlage? Folgende Komponenten sind notwendig.

• Sonnenkollektor: Hier wird Wärme gemacht
• Solarspeicher: Vorsorge für sonnenlose Zeiten
• Solarkreis: Ohne Kreislauf geht nichts
• Solare Pumpengruppe: Hier ist alles drin und dran
• Solarregelung: Damit es läuft, wie gewünscht

Ohne Speicher geht es nicht

Neben dem Solarkollektor, der die Solarwärme gewinnt, benötigt die Solaranlage weitere Komponenten. Von zentraler Bedeutung ist der Solarspeicher. Er sorgt dafür, dass die Solarwärme auch in Zeiten zur Verfügung steht, wenn die Sonne nicht scheint. Die Vielfalt an Speicher-Bauformen ist enorm. Sie reicht vom Trinkwarmwasser-Speicher der Warmwassersolaranlage bis hin zu Puffer- oder Kombispeichern mit Schichteinrichtungen für die Solarheizung. Und nicht nur Wassertanks, sondern auch Betonbauteile können in Form der Bauteilaktivierung als Solarspeicher dienen.

Solarspeicher können die Solarwärme über wenige Tage bis hin zu mehreren Monaten speichern. Große Saisonalspeicher versorgen Sonnenhäuser im Winter sogar mit Solarwärme aus dem Sommer. In Form von großen Wasserbecken kommen Saisonalspeicher auch in der solaren Fernwärme zum Einsatz. Wichtig ist generell, dass der Solarspeicher groß genug ist, um die Häufigkeit von Stagnationsphasen zu begrenzen.

Auf einen Speicher verzichten können nur wenige Solaranlagen wie solare Schwimmbadheizungen oder solare Prozesswärme in der Galvanik. Hier sind die Pools oder die Galvanikbäder bereits Speicher genug. Auch Solaranlagen mit Luftkollektoren benötigen keinen Speicher.

Solarkreis: Drei Wege zum Frostschutz

Der Solarkreis verbindet die Sonnenkollektoren mit dem Solarspeicher. In der Regel ist der Solarkreis mit Warmwasser gefüllt, das mit Frostschutz und korrosionshemmenden Substanzen versetzt wird. Sowohl das Glykol, das als Frostschutz dient, als auch die korrosionshemmenden Substanzen können im Laufe der Zeit unter den hohen Temperaturen von Stagnationsphasen leiden. Das kann man verhindern, indem man reines Wasser verwendet. Solche Solarthermie-Anlagen benötigen dann besondere Frostschutz-Mechanismen, damit im Winter der Solarkreis nicht einfrieren kann. Eine technische Lösung besteht darin, in Frostnächten eine kleine Menge Warmwasser aus dem Solarspeicher durch den Solarkreis zu pumpen. Eine andere Lösung bezeichnet man als Drain-Back oder rücklaufgeführte Solaranlage. Bei diesen Solaranlagen läuft das Warmwasser, wenn die Anlage stillsteht, aus dem Solarkreis in einen Auffangbehälter ab.

Alle weiteren wichtigen Komponenten sind bei den typischen Eigenheim-Solaranlagen in der solaren Pumpengruppe, auch Solarstation genannt, zusammengefasst. Das sind im Wesentlichen die Solarkreispumpe, ein Sicherheitsventil, das in Falle einer Fehlfunktion bei zu großem Druck während der Stagnation diesen ablässt, der Anschluss für ein Membranausdehnungsgefäß, ein Entlüfter sowie Druck- und Temperaturanzeigen. Sinnvoll ist zudem ein Durchflussmesser, mit dessen Hilfe der Solarertrag gemessen werden kann.

Solarregelung: Langsam oder schnell?

Auch der Solarregler ist häufig Bestandteil der Solarstation. Solarthermie-Anlagen steuert man mit einer Temperaturdifferenzregelung. Die Regelung startet die Solarpumpe immer dann, wenn die voreingestellte Temperaturdifferenz (Hysterese) zwischen dem Ausgang des Kollektorfeldes und der Speichertemperatur am Kollektorrücklauf überschritten ist. Diese Temperaturdifferenz beträgt in der Regel 5 bis 8 Kelvin. Zudem unterscheidet man Lowflow-, Highflow- und Matchflow-Regelungen. Bei der Lowflow-Regelung strömt der Wärmeträger sehr langsam durch die Kollektoren. Der Vorteil ist, dass bei geringer Solareinstrahlung die benötigte Temperaturdifferenz länger erreicht wird. Dafür wachsen die Wärmeverluste, weil die mittlere Kollektortemperatur in Folge des geringen Volumenstromes ansteigt. Dieses verhindert man mit der Highflow-Regelung und entsprechend großem Volumenstrom. Bei der Matchflow-Regelung verbindet man die Vorteile beider Systeme durch einen variablen Volumenstrom.

Solarthermie-Förderung: Viel Geld vom Staat

Der Bund fördert Solarwärme-Anlagen seit den 1990er Jahren. Bis Ende 2020 konnten Bürger:innen Geld für Solarthermie im Rahmen des sogenannten Marktanreizprogramms für Erneuerbare Energien erhalten. Ab dem Jahr 2021 zahlen die staatlichen Förderstellen BAFA und KfW stattdessen Zuschüsse beziehungsweise Förderkredite im Rahmen der neuen BEG-Förderung (Bundesförderung effiziente Gebäude). Solarthermie ist darin mit einer Förderquote von 30 Prozent auf alle anfallenden Investitionen enthalten. In Form einer Hybridheizung mit anderen erneuerbaren Energien und dem sogenannten Bonus für den individuellen Sanierungsfahrplan (iSFP-Bonus) kann die Förderquote auf 50 Prozent anwachsen.

Die Förderung der solaren Prozesswärme ist seit 2019 aus dem Marktanreizprogramm ausgegliedert und ist heute im Programm „Bundesförderung für Energieeffizienz in der Wirtschaft“ angesiedelt. Ein weiteres Förderprogramm speziell für die Fernwärme unter der Bezeichnung „Bundesförderung für effiziente Wärmenetze“ ist geplant, aber von der Bundesregierung noch nicht umgesetzt.

Wirtschaftlichkeit

Amortisation in weniger als 10 Jahren möglich

Eines ist gewiss: Solarwärme lohnt sich. Nicht nur für die Umwelt und den Klimaschutz sondern auch für den eigenen Geldbeutel. Und eine Solarthermieanlage ist dauerhaft. Sonnenkollektoren und Solarspeicher erreichen mühelos eine Lebensdauer von 30 Jahren und mehr, wenn sie gut gewartet werden.

Doch wie sehr sich Solarthermie lohnt, hängt von vielen Faktoren ab. So macht es einen Unterschied, ob man die Kosten für den Solarspeicher bei einer Nachrüstung der Solaranlage zuschlägt oder bei der Neuinstallation der gesamten Heizung den Pufferspeicher als Investition in die Heizung betrachtet. Für die private Hausdach-Anlage liegt die Amortisationszeit nach Berechnungen des Branchenverbandes BSW Solar schon ohne Förderung in den meisten Fällen bei 11 bis 16 Jahren, wenn man die Speicherkosten anteilig der Solaranlage zuschlägt. Bei dieser Berechnung gingen die Experten auch davon aus, dass die Waschmaschine und der Geschirrspüler an den Warmwasseranschluss angeschlossen sind. Das verbessert die Wirtschaftlichkeit, weil man damit im Sommer, wenn die meiste Solarwärme anfällt, möglichst viel davon nutzen kann. Berücksichtigt man zudem die üppige BEG-Förderung für die Solarthermie sind Amortisationszeiten, faire Preise der Anlage vorausgesetzt, unter 10 Jahren realistisch.

Große Kollektorfelder, kleine Kosten

Große Kollektorfelder für die Fernwärme sind bei den spezifischen, auf das installierte Kilowatt gerechneten Installationskosten gegenüber Kleinanlagen im Vorteil. Deren Wärmegestehungspreise können schon heute mit Wärme aus Erdgas mithalten.

Bei der solaren Prozesswärme kann die Wirtschaftlichkeit allerdings besonders stark von Anlage zu Anlage differieren. Eine Solaranlage für die Galvanik, die ohne Speicher auskommt und zudem frei auf dem Firmengelände aufgestellt werden kann, amortisiert sich zum Beispiel deutlich schneller als eine Dachanlage mit komplizierter Einbindung in die bestehende Wärmeversorgung des Unternehmens. Hinzu kommt: Industriebetriebe rechnen mit Amortisationszeiten von wenigen Jahren für ihre Investitionen. Das kann die Solarthermie in der Regel nicht bieten. Daher sind es eher kleinere und familiengeführte Unternehmen, die bisher solare Prozesswärme einsetzen. Denn diese Unternehmen planen langfristig und nehmen längere Amortisationszeiten in Kauf.

Hier finden Sie aktuelle Meldungen zum Thema Solarthermie auf dem Solarserver.

[1] Solare Wärme – Das Solarthermie-Jahrbuch 2020