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Sonnenkollektor mit integriertem Wassertank (Thermosiphon-System)

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 verbreitetste Anwendungsbereich ist.

Bestandteile einer thermischen Solaranlage

Als wichtigster Bestandteil einer Solaranlage wird meist der Sonnenkollektor 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.

Solarkreis, Solarflüssigkeit, Solarstation und Solarregler

Als Solarkreis bezeichnet man das Leitungssystem, 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 Thermosiphonanlagen 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 Wärmeübertrager an das Brauchwasser abgeben.

Solarstation und Solarregler dienen der Steuerung und Wartung des Solarkreises. Mit Ausnahme von schwerkraftgesteuerten Thermosiphonanlagen 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 Solarwärmeübertrager (im unteren Bereich des Solarspeichers) liegt, wird die Pumpe 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 Solarwärmeübertrager verwalten.


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

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 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.

Systemaufbau

Üblicherweise wird die im Kollektor aufgenommene Wärme in einen Wärmespeicher transportiert, um dort das Brauchwasser zu erwärmen. Es gibt neue Überlegungen, die Solarwärme direkt dem Brauchwasser zuzuführen und nur noch Überschusswärme in den Solarspeicher zu geben. [1]

Typische Anlagengrößen

Die meisten heute im Einsatz befindlichen Anlagen sind Anlagen zur Erwärmung des Trinkwassers im 1- bis 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 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 mehr als 400 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 Trinkwassererwärmung (Dusch- und Badewasser) 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 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 Jahres-Mehrerträge. 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.

Weltkapazitäten

Thermische Solarenergie 2005[2]
Mio. m2 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

Verbrauch in Europa

Quellen

  1. ↑ Volker Buddensiek: Paradigmenwechsel in der Solarthermie: Der Solarnutzen soll den Kollektorkreisertrag als zentrale Größe ablösen
  2. ↑ 2005: Record year for investments in renewable energy REN21: Renewables Global Status Report 2006 Update, 18.7.2006

Weblinks

Kategorie:Solarenergie Kategorie:Wärmeerzeuger Kategorie:Heiztechnik Kategorie:Umwelttechnik

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