Thermische Solaranlagen

Systemschaubild eines Solarkreislaufs mit „Solarstation“

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

Einsatzgebiete

Überwiegend werden thermische Solaranlagen in der Haustechnik genutzt. Die gewonnene Wärme wird hierbei meistens zur 'Trinkwasser'-Erwärmung (Spül-, Dusch- und Badewasser) und für die Erwärmung der Wohnräume eingesetzt.

Im industriellen Bereich werden Anlagen mit meist mehr als 20 m² Kollektorfläche 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 oder zur Aufheizung/Vorwärmung von Luft betrieben.

Ebenfalls zu den thermischen Solaranlagen zählen Anlagen zur solaren Klimatisierung. Aufgrund der hohen Temperaturen sind sie vergleichbar mit den Prozessanlagen.

Ein großtechnischer Einsatz findet dagegen in thermischen Solarkraftwerken wie etwa in Andasol statt. Die meisten dieser Anlagen verwenden konzentrierende Kollektoren zur Fokussierung der Sonnenstrahlen auf einen Absorber-Punkt oder eine Absorberlinie, in dem bzw. der 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 Trinkwasser-Erwärmung und Heizungsunterstützung, da dies der in Mitteleuropa (noch) häufigste und am meisten verbreitete Anwendungsbereich ist.

Bestandteile einer thermischen Solaranlage

Die thermische Solaranlage besteht aus einem Kollektor, welcher die Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt, einem Solarwärmespeicher, der die nicht sofort genutzte Wärme speichert sowie dem verbindenden Solarkreislauf, über den die Wärme vom Kollektor in den Speicher transportiert wird. Dieser besteht aus Rohren, Armaturen und Antriebsaggregaten, die den einwandfreien Betrieb der Anlage sichern, sowie einem Regler, welcher den Wärmetransport an- und ausschaltet (außer bei Schwerkraft-Anlagen).

Kollektoren

→ Hauptartikel: Sonnenkollektor

Der Sonnenkollektor ist der Teil der Solaranlage, der einen großen Teil der Energie des Sonnenlichts aufnimmt (Absorption), gleichzeitig aber – trotz eigener Erwärmung – nur wenig davon wieder als Wärmestrahlung abgibt (Emission). Er überträgt die absorbierte Wärme möglichst verlustfrei auf die so genannte Solarflüssigkeit im Solarkreislauf.

Die wichtigste bautechnische Unterscheidung bei Kollektoren ist die zwischen

• ‚mit Luft gefüllten‘ Kollektoren, die mit herkömmlichen Dämmmaterialien gegen die Wärmeverluste geschützt werden (Dämmung). Sie sind wegbereitend für die effiziente Solarnutzung gewesen. Sie haben erfahrungsgemäß eine sehr lange Lebensdauer; es soll Hersteller geben, die eine Funktionsgarantie über 20 Jahre geben.
• Vakuumröhrenkollektoren; diese arbeiten nach dem Thermoskannenprinzip: Um die das Transportmedium enthaltene innere Absorberröhre ist eine zweite, äußere (Glas-)Röhre gesetzt. Zur besseren Dämmung wird dem Zwischenraum 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 luftgefüllte (Platten-)Kollektoren deutlich preisgünstiger und damit in der Regel wirtschaftlicher sind, wird in der Haustechnik überwiegend dieser Bautyp eingesetzt. Vakuumkollektoren haben dagegen einen höheren Ertrag pro Quadratmeter Absorberfläche. Allerdings schmilzt der Unterschied bei der Umrechnung auf die Gesamtfläche des Kollektors statt der reinen Absorberfläche stark zusammen, da bei luftgefüllten Kollektoren 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 niedrigen Außentemperaturen die bessere Dämmung zum Tragen kommt. In der Praxis sind die Kollektoren dann aber häufig schnee- und eisbedeckt. Infolge der besseren Dämmung tauen Schnee und Eis auf Vakuumröhrenkollektoren langsamer ab, wodurch ihre effektive Nutzungsdauer geringer ist.

Eine Mischform sind so genannte Vakuumflachkollektoren. Diese stellen einen Versuch dar, die besseren Dämmeigenschaften des Vakuums auch in 'normalen' Flachkollektoren zu nutzen. Bauartbedingt neigen diese aber zu Undichtigkeiten, so dass eindringende Luft die Wärmeisolation verringert und regelmäßig mit Hilfe einer Vakuumpumpe abgesaugt werden muss.

Tichelmann-System für Sonnenkollektoren

Bei registerförmigen Absorberrohren oder wenn mehrere Solarabsorber/-kollektoren in einem gemeinsamen Hydrauliksystem parallel betrieben werden (beispielsweise mit einer gemeinsamen Umwälzpumpe), müssen sie nach Tichelmann miteinander verrohrt werden, damit eine einigermaßen gleichmäßige Durchströmung aller Absorber-/Kollektorsegmente sichergestellt ist.

Solarspeicher

Druckloser 300l-Solarspeicher

Um die eingefangene Wärme unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung nutzen zu können, muss sie gespeichert werden. Wichtige Qualitätsgrößen sind die Speicherkapazität und die Wärmeverluste.

Thermische Speicherkapazität

Die Speicherkapazität ist proportional zum Speichervolumen, zur Wärmekapazität des Speichermediums und zur nutzbaren Temperaturdifferenz.

Als Speichermedium dient überwiegend Wasser. Wasser hat im Vergleich mit anderen Stoffen eine hohe spezifische Wärmekapazität von 4187 J/(kg·K). Ein 500-Liter-Warmwasserspeicher enthält bei einer Temperaturdifferenz von etwa 45 K beispielsweise eine nutzbare Energiemenge von ca. 26 kWh zwischen Zulauf aus dem Kaltwasser-Leitungsnetz und Speicher.

Soll ein Wasserspeicher für den Heizungsbetrieb genutzt werden, empfiehlt sich eine höchstmögliche Speichertemperatur sowie eine Niedertemperaturheizung und die Anwendung eines Heizungsmischers, um eine möglichst große Temperaturdifferenz zu erzielen. Ein 800-Liter-Speicher mit 80 °C Speichertemperatur und 30 °C Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung könnte dann beispielsweise 51 kWh vorhalten.

Wärmeverlust

Ein heute üblicher 300-l-Speicher hat (je nach Fabrikat und Hersteller) z. B. einen Wärmeverlust von ca. 1,9 kWh/Tag, ein 600-l-Speicher bei gleichem Dämmstandard ca. 2,4 kWh/Tag. Bei verdoppeltem Speichervolumen steigt der Wärmeverlust also nur um ca. 30 % an. Ein Grund dafür ist, dass die Oberfläche eines Speichers unterproportional mit dem Volumen ansteigt.

Aufbau

Von herkömmlichen Trinkwasserspeichern unterscheiden sich Solarspeicher vor allem durch:

• verstärkte Dämmung; üblich sind 10 cm und mehr (bis zu ca. 50 cm), teilweise aus Materialien wie PU- oder PP-Schaum mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit (λ < 0,04 W/mK), 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

→ Hauptartikel: Wärmespeicher

Für eine längerfristige Speicherung in einem Saisonwärmespeicher, 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, z. B. 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.

Thermochemische Wärmespeicher nutzen den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen: Durch Wärmezufuhr wechselt das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung; bei der von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil der zugeführten Wärme wieder freigesetzt. Thermochemische Wärmespeicher ermöglichen im Unterschied zu Puffer- und Latentwärmespeichern die nahezu verlustfreie Speicherung größerer Wärmemengen über längere Zeiträume. Daher eignen sie sich z. B. als Saisonspeicher für solarthermische Anwendungen in Regionen mit hohen jahreszeitlichen Temperaturunterschieden. Für die erfolgreiche Demonstration des Einsatzes eines thermochemischen Sorptionswärmespeichers im Rahmen eines solarthermisch beheizten Passivhauses gewann das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme bereits im Jahr 1999 den Innovationspreis der Länder Berlin-Brandenburg.

Bivalente Speicher

Häufig sind Solarspeicher 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 spezifiziert sein; gängige Durchlauferhitzer sind dies meist nicht. Die Warmwassererwärmung per Strom ist aber energetisch sehr ineffizient und wenig umweltfreundlich.

Kombispeicher

Neben reinen Trinkwasserspeichern gibt es auch so genannte Kombispeicher oder Tank-im-Tank-Systeme, die gleichzeitig der Heizungsunterstützung dienen. Diese Behälter 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-Speichers befindet sich ein zweiter, deutlich kleinerer Behälter oder ein dickes gewendeltes Rohr, durch den oder das das Trinkwasser fließt und – ähnlich einem Durchlauferhitzer – dabei vom Heizwasser erwärmt wird. Solche Speicher weisen ein wesentlich höheres Gesamtvolumen auf als reine Trinkwasserspeicher (mindestens doppeltes Volumen); der vorgehaltene Anteil an erwärmtem 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.

Solar-Pufferspeicher

Solar-Pufferspeicher beinhalten Heizungswasser – kein Trinkwasser. Ein Solar-Pufferspeicher verfügt i.d.R. über einen Wärmeübertrager im unteren Bereich des Speichers. Die Solaranlage erwärmt das Heizungswasser. Erzielt die Solaranlage nicht ausreichend hohe Pufferspeicher-Temperaturen, kann eine sonstige konventionelle Wärmequelle (z.B. Holzkessel, Elektro-Einschraubheizstab, Öl- oder Gasheizung) das Pufferwasser ohne die notwendige Verwendung eines Wärmetauschers direkt nachheizen. Trinkwasser kann mit Hilfe einer Frischwasserstation erzeugt werden. Die Frischwasserstation verwendet dazu die Wärme aus dem Pufferspeicher. Die Frischwasserstation erwärmt und regelt die gewünschte Temperatur für das gezapfte Warmwasser. Dazu dient ein entsprechend dem Warmwasserbedarf dimensionierter Plattenwärmetauscher in Verbindung mit einer Steuerungseinheit für die Durchflussregelung. Ein Legionellenbefall des Trinkwassers wird bei der Trinkwassererwärmung durch Pufferspeicher in Verbindung mit einer Frischwasserstation praktisch ausgeschlossen.

Solarflüssigkeit

Solarflüssigkeit

Die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert – bei flüssigkeitsgefüllten Anlagen – die Wärme vom Erzeuger zum Verbraucher bzw. Speicher. Sie besteht aus einem Wasser- Propylenglycol-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 den Übergang der Solarflüssigkeit in einen dampfförmigen Aggregatzustand hinauszögert. Geht bei hohen Temperaturen die Solarflüssigkeit in den Kollektoren in Dampf über, führt dies zum Anlagenstillstand; der dadurch entstehende Dampfdruck wird üblicherweise über Sicherheitsgefäße (Ausdehnungsgefäße) aufgefangen. Der Zustand und – bei Bedarf – der Austausch der Solarflüssigkeit ist bei der Wartung zu prüfen, da die Solarflüssigkeit durch häufige Aggregatswechsel altert. Die heute verwendeten Mischungen sind ungiftig und chemisch relativ stabil.

Je höher die Glycolkonzentration 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 erhöhen 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 bei ausreichendem Glycolanteil ein Wassereisgemisch, das die Leitungen aber nicht zerstört.

Stark verbreitet in Südeuropa, aber vereinzelt auch in den deutschsprachigen Ländern, gibt es 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 Energiebedarf (Pumpe, Warmwasser) kann aufgerechnet werden mit verschiedenen Einsparungen wie z. B. dem besseren Wirkungsgrad durch den Verzicht auf einen Wärmetauscher, die höhere Wärmekapazität ohne Glycol und die geringere Viskosität der Solarflüssigkeit (weniger Pumpenarbeit).

Ähnlich arbeiten auch „Drain-Back-Systeme“, bei denen der Solarkreislauf automatisch nur dann mit Wasser gefüllt wird, wenn die Kollektoren ausreichend warm sind und der Speicher aufnahmefähig ist. Sobald die automatische Regelung die Pumpe abstellt, läuft das Wasser in ein integriertes Auffanggefäß.

Rohrleitungen, Armaturen und Antrieb

Im Umfeld von Einfamilienhäusern werden im Allgemeinen Kupferrohre der Nennweiten DN 15 bis DN 25 verwendet, auch können geeignete Verbundrohre zum Einsatz kommen, die sowohl temperaturbeständig als auch chemisch beständig sind. Sie werden – obwohl nicht erwähnt – meist nach der Energieeinsparverordnung nur mit einer 100-%-Wärmedämmung versehen, welche in der Lage ist, dauerhaft Temperaturen von mindestens 110 °C zu widerstehen. Im Außenbereich kommen blechummantelte Mineralwollschalen sowie geschäumtes EPDM in Frage, mögliche Schäden durch UV-Strahlungseinwirkung, Witterungseinflüsse sowie Vogelfraß zu mindern. Im Innenbereich lassen sich Dämmstoffe aus der Heizungstechnik nicht verwenden, da die sehr heißen Kollektor-/Solarflüssigkeitstemperaturen diese zerstören würden. Zink darf an keiner Stelle verwendet werden, da es von Glycolgemischen aufgelöst wird.

Zu den Sicherheitseinrichtungen gehören Membranausdehnungsgefäß (MAG) und Sicherheitsventil. Die Größe des MAGs ergibt sich aus dem Ausdehnungswasservolumen zuzüglich dem kompletten Flüssigkeitsdampf des Kreislaufes. Die Ableitung des SVs soll sicherstellen, dass heißes Spritzwasser keine Gefahr darstellt. Ein blockierbarer Entlüfter mit Sammelstrecke am höchsten Anlagenpunkt sorgt dafür, dass angesammelte Luft entlüftet werden kann. Damit wird gewährleistet, dass die Wärme kontinuierlich von Nur-Flüssigkeit aufgenommen und transportiert werden kann und der Kreislauf nicht unterbrochen ist.

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 Strömungswiderstands nur kurzzeitig bei laufender Anlage – über einen schaltbaren Bypass – zum Einsatz kommen.

Als Umwälzpumpen werden meist Heizungspumpen verwendet, die zum Schutz vor den hohen Temperaturen in den kalten Rücklauf gesetzt werden. Da der Volumenstrom des Solarkreises viel kleiner als der eines Heizungskreises 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, sollten sie zwischen zwei Absperrschiebern montiert werden. Ein Rückflussverhinderer im Rücklauf verhindert die mögliche Schwerkraftzirkulation, einer im Vorlauf vermeidet Rückströmung und damit Auskühlung des Speichers.

Um Wärmeverluste in den Anschlussrohren durch rohrinterne Zirkulation zu verringern, sollten die Rohre in Form einer Thermosiphon-Konvektionsbremse angeordnet sein – sofern die Speicheranschlüsse nicht schon in dieser Form konstruiert sind.

Solarregler, Solarstation

Solarstation mit Pumpe, Sicherheitsgruppe, Regler, Thermometern und Luftabscheider

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 Temperaturfühler, die Anschlüsse für das Membranausdehnungsgefäß und die Abblaseleitung sowie für die Netzversorgung befinden. Diese Kompakteinheiten sind jedoch wenig 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 – je nach Absorberhersteller – mit vorgefertigten Mischungen oder zumindest behandeltem Wasser über einen Füllschlauch und eine Füllpumpe, danach ist der Betriebsdruck am MAG aufzubringen und der Anlagendurchfluss 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 Spindelaräometer und einer pH-Wert-Messung, die über 7 liegen muss (leicht basisch). Ist das Gemisch saurer, muss evtl. die gesamte Solarflüssigkeit ausgetauscht werden. Die Verschmutzung der Kollektorenabdeckung spielt meist keine wesentliche Rolle und führt maximal zu einer Leistungseinbuße von 2 bis 10 %. Eine spezielle Reinigung der Kollektoren ist nicht erforderlich.

Bautypen und Anlagentechnologie

Dachmontage zweier Vakuumröhrenkollektoren auf einem Einfamilienhaus in Süddeutschland

Ein Vakuumröhrenkollektor

Flachkollektoranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung

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 luftgefüllten Kollektoren
• 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 ist spezifisch leichter, steigt auf 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 je Zeiteinheit. High Flow bedeutet, dass etwa 30 bis 50 Liter pro Stunde und Quadratmeter Kollektorfläche umgesetzt werden, bei Low Flow sind es 10 bis 20. 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 (Umwälzpumpen) 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. Innerhalb des Absorbers sind enge Rohrquerschnitte 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 Trinkwasser 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 nimmt man infolge gesundheitlicher Bedenken oft vom Einbau größerer Speicher Abstand.

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. Sommerliche Überhitzung und die Gefahr von Anlagenstillständen können aber auch reduziert werden, indem überschüssige Wärme mittels HKP anderweitig verbraucht wird. Dazu bedarf es einer speziellen Regelung, die auf hohe Rücklauftemperaturen im Solarkreislauf reagiert.

Kapazitäten weltweit und in Europa

Die thermische Solarenergie wird am stärksten in China und Europa genutzt. Im Jahr 2007 lag der weltweite Kapazitätszuwachs bei 126 GW, davon 67 % in China und 12 % in Europa. In China nutzt man die Energie meistens zur Warmwasser-Erzeugung, in Europa oft auch für die teilsolare Raumheizung. Die weltweite installierte Kapazität nahm zwischen Jahren 2007–2008 um 15 % (19 GW, von 126 GW) auf 145 GW zu. Die europäische Kapazität nahm zwischen Jahren 2007–2008 um 21 % (3,3 GW, von 15,7 GW) auf 19 GW zu.

Zuwachs an thermischer Solarenergie 2005–2008 (GW)
#	Land/Region	2005	2006	2007	2008	2009
1	China Volksrepublik Volksrepublik China	55,5	67,9	84,0	105,0
2	Europaische Union Europäische Union	11,2	13,5	15,5	18,3
3	Turkei Türkei	5,7	6,6	7,1	7,5
4	Japan Japan	5,0	4,7	4,9	4,1
5	Israel Israel	3,3	3,8	3,5	2,6
6	Brasilien Brasilien	1,6	2,2	2,5	2,4
7	Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten	1,6	1,8	1,7	2,0
8	Australien Australien	1,2	1,3	1,2	1,4
9	Indien Indien	1,1	1,2	1,5	1,8
	Welt (GW)	88	105	126	149

Zuwachs an thermischer Solarenergie (MW)*
#	Staaten	2006	2007	2008	Insgesamt 2008
1	Deutschland Deutschland	1 050	665	1 470	7 766
2	Griechenland Griechenland	168	198	209	2 708
3	Osterreich Österreich	205	197	243	2 268
4	Frankreich Frankreich	154	179	272	1 137
5	Italien Italien	130	172	295	1 124
6	Spanien Spanien	123	183	304	988
7	Zypern Republik Zypern	42	46	48	485
8	Schweiz Schweiz	36	46	60	416
9	Danemark Dänemark	18	16	23	293
10	Vereinigtes Konigreich Vereinigtes Königreich	38	38	57	270
11	Niederlande Niederlande	10	14	18	254
12	Polen Polen	29	47	91	254
13	Portugal Portugal	14	18	60	223
14	Schweden Schweden	20	18	19	202
15	Belgien Belgien	25	30	64	188
16	Tschechien Tschechien	15	18	25	116
17	Slowenien Slowenien	5	8	11	96
18	Slowakei Slowakei	6	6	9	67
19	Rumänien Rumänien	0	0	6	66
20	Irland Irland	4	11	31	52
21	Malta Malta	3	4	4	25
22	Bulgarien Bulgarien	2	2	3	22
23	Finnland Finnland	2	3	3	18
24	Ungarn Ungarn	1	6	8	18
25	Luxemburg Luxemburg	2	2	3	16
26	Lettland Lettland	1	1	1	5
27	Litauen Litauen	0	0	1	3
28	Estland Estland	0	0	0	1
28	EU28 (MW)	2 100	1 920	3 330	19 083
* 1000 m² = 0,7 MW, luftgefüllten Kollektoren und Vakuumröhrenkollektoren (Glazed Collectors), 2004-2008 (kW)

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). 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 0,68 €/l (Stand: Mai 2010) zu einer Einsparung von jährlich ca. 170 € führt.

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) inklusive 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 €.

Als Betriebskosten ergeben sich im Wesentlichen die Stromkosten für die Solarpumpe und die je nach Anlagenerrichter stark variierenden Wartungskosten. Abbau- und eventuelle Entsorgungskosten infolge einer Modernisierung der Anlage kommen möglicherweise noch hinzu. Je nach Objekt können der Solaranlage oft Einsparungen durch Entfall von Kehrungen durch den Schornsteinfeger im Sommer, Verlängerung von Serviceintervallen am Heizkessel aufgrund der entfallenden Kurzzeitbelastungen im Sommer sowie Verlängerung der Kessel- und Schornsteinlebensdauer gutgeschrieben werden.

Anlagen zur Heizungsunterstützung (Solaranlagen mit Rücklaufanhebung)

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 wärmetechnisch unterstützen. 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 Temperaturniveaus der Heizungssysteme (Vorlauftemperatur 35 °C für Fußbodenheizung, 75 °C für ältere Systeme), beheizte Fläche und spezifischer Wärmebedarf (von 0 bis 300 kWh/a,m²) je nach Haus variieren können. Bei einem unsanierten Altbau ist eine vorangehende Wärmedämmung, Herstellung der Winddichtheit sowie eventuell Erneuerung von Fenstern und Türen anzuraten.

Derzeit sind in Europa Systeme üblich, die etwa 15 % bis 45 % der Jahresheizenergie eines Einfamilienhauses einsparen. Typische dazupassende Speichergrößen liegen bei thermischen Heizwasserspeichern etwa bei 1000 lit pro 100 m² beheizter Wohnnutzfläche.

Förderung

Da eine Wirtschaftlichkeit bei konstanten Erdöl- und Erdgaspreisen oftmals nicht erreicht werden kann, förderte in Deutschland die BAFA grundsätzlich den Bau von Solaranlagen. Im Rahmen der Haushaltsverabschiedung wurde die Förderung durch die CDU/CSU/FDP-Koalition zunächst eingestellt. Seit dem 12. Juli 2010 werden Solarthermische Anlagen zur Heizungsunterstützung mit verringerten Fördersätzen bezuschusst. Solaranlagen für Warmwasser werden nur noch in Verbindung mit einer kompletten Heizungssanierung gefördert. Die Förderung von Anlagen im Neubau ist ganz gestrichen worden, da dies in Deutschland im Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz geregelt wurde. Der aktuelle Förderrahmen einer Solarthermischen Anlage durch die BAFA wird auf der Internetseite bafa.de veröffentlicht. 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.

In Österreich liegt die Zuständigkeit der Förderung für die Errichtung von Solaranlagen für Einfamilienhäuser in der Kompetenz der Bundesländer. Dadurch schwanken die nicht rückzahlbaren Förderhöhen für Solaranlagen für Warmwassererzeugung von 0,- € (Niederösterreich) bis 1.700,- € (Oberösterreich, Burgenland), die Förderung für heizungsunterstützende Anlagen von 0,- € (Niederösterreich) bis 3.325,- € (Vorarlberg). Ferner fördern auch einige Gemeinden die Errichtung von Solaranlagen.

Historische Vorläufer

Die Idee, Sonnenstrahlen „einzufangen“, um ihre Wärme gezielt zu nutzen, ist alt. Jahrhundertelang beschäftigten sich Erfinder mit dem Einfangen von Sonnenenergie und hierbei insbesondere mit der Verwendung vom Brenngläsern.

Der Schweizer Naturforscher Horace Bénédict de Saussure baute im 18. Jh. einen „einfachen Sonnenkollektor“, der aus einem Holzkasten mit schwarzem Boden bestand und mit Glas abgedeckt war. Sein Sonnenkollektor absorbierte die Sonnenwärme, und Saussure gab an, in seinem Kasten Temperaturen von annähernd 90 °C zu erreichen.

1936 berichtete die Zeitschrift Die Woche von einem in Kalifornien entwickelten Bratofen, der mit durch eine Linse gebündelten Sonnenstrahlen arbeitete. Die Redaktion gab der Sonnenenergie keine großen Zukunftschancen, räumt aber ein, dass unter optimaler Sonneneinstrahlung „eine Linsenstrahlungsfläche von einem Quadratmeter eine Kraftleistung von 1 1/2 PS ergeben dürfte [und] Sonnenmaschinen rentabler als befeuerte Dampfmaschinen sind“.

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., 2008, ISBN 978-3-00-025562-5
• Nikolaj V. Chartčenko: Thermische Solaranlagen. VWF, Berlin 2004, ISBN 3-89700-372-4.
• Bo Hanus: Thermische Solaranlagen - planen und installieren. Franzis, Poing 2009, ISBN 978-3-7723-4088-8.

Weblinks

 Commons: Thermische Solaranlage – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• www.dgs.de – Webseite der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie
• www.solarwaerme.at – Webseite des österreichischen Solarverbands
• 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
• Thermische Solaranlagen – Basisinfo von BINE Informationsdienst