Solarthermie

Solarthermie ist die Nutzung von solarer Strahlungsenergie zur Wassererwärmung. Das erwärmete Wasser dient in den meisten Fällen der Unterstützung der Warmewasserbereitung, seltener der Heizungsunterstützung.

 

Zur Auslegung und um die Frage beantworten zu können, wie eine Solaranlage überhaupt eingesetzt werden kann, muss zunächst die sogenannte Kollektorkennlinie erläutert werden. Dabei handelt es sich um den Zusammenhang zwischen erreichbarer Wärmeleistung und erreichbarer Temperatur.

Der Begriff fällt für vile Menschen, die sich erstmals mit dem Thema auseinandersetzen einfach vom Himmel.

Zum Verständnis muss man sich bewusst machen, dass die Erwärmung von Wasser bei einem konstanten Wärmeeintrag mehr Zeit benötigt, wenn die zu erwärmende Menge größer ist.

Anschaulich ist auch hier wieder der Kochtopf. Die durch die Herdplatte eingetragene Wärme ist konstant, daher wird für einen vollen Kochtopf die doppelte Zeit des halbvollen Kochtopfes benötigt, um die gleiche Temperaturerhöhung zu erreichen.

 

/// Bild: Kollektorkennlinie ///

 

Das Gleiche passiert in Solarkollektoren. Wenn die benötigte Temperaturdifferenz erhöht werden soll, wird das Wasser langsamer durch den Kollektor geleitet. Der Volumenstrom hat dabei einen größeren (negativen) Einfluss auf die eingetragene Wärmeleistung, als die Temperturerhöung (positiver Einfluss).

Daher nimmt für größere Temperaturdifferenzen die Leistung des Kollektors ab.

 

Dem gegenüber steht die verfügbare Dachfläche, sowie deren Ausrichtung und die gegebenen Klimabedingungen. Zudem spielt in vielen Fällen auch noch das ästethische Empfinden der Kunden eine Rolle. Die pro Fläche eingestrahlte Wärme ist im Tagesverlauf eines Sommer- und eines Wintertages für verschiedene Standorte und Himmelsrichtungen im folgenden Bild dargestellt.

 

/// Bild: Tagesverlauf Sommer/Winter Norden Osten Westen Süden Potsdam + Münster ///

 

Um die Grenzen des Temperaturbereiches zu erweitern, in dem Solarkollektoren eingesetzt werden können, kommt häufig eine sogenannte Solarflüssigkeit zum einsatz. Dabei handelt es sich um Gemische, die durch Frostschutzmittel auch bei kalten Temperaturen nicht erstarren und die auch bei Temperaturen oberhalb von 100°C nicht verdampfen.

 

 

Aufbau und Arten

 

Solarthermie kann zur Warmwasserbereitung und zur Heizungsunterstützung genutzt werden. Im folgenden Bild sind übliche Schaltungen erläutert:

 

/// Bild: WW Solarthermie, Heizungsunterstützung, kombiniert ///

 

Für die Kollektoren existieren 2 übliche Bauarten (Stand 2016):

 

1. Flachkollektoren

 

Flachkollektoren bestehen aus einem Gehäuse und einem Absorber, durch den eine Flüssigkeit als Wärmeträger fließt.

 

/// Bild: Aufbau Flachkollektor ///

 

Das Gehäuse ist nach dem Prinzip des Treibhauseffektes aufgebaut und heizt sich solange auf, bis die Wärmeverluste über die Hüllfläche im Gleichgewicht mit der eingestrahlten Strahlungsenergie stehen. Dabei sollte die Scheibe an der Einstrahlseite möglichst durchlässig sein, also nur wenig Licht reflektieren und der Rest des Gebäudes eine hochwertige Wärmedämmung aufweisen. Auf diese Weise steigt die Lufttemperatur im Gehäuse. Das Gehäuse sollte außerdem möglichst dicht sein, um Verluste durch entweichende warme Luft zu vermeiden.

Der Absorber nimmt dann Wärme durch zwei Übertragungsmechanismen auf:

 

1. Durch die Sonneneinstrahlung, wobei dafür technisch ein möglicht hoher Absorptionsgrad realisiert werden muss, was beispieleweise bei dunklen und metallischen Oberflächen der Fall ist (vgl. dunkles Auto bei Sonneneinstrahlung).

2. Durch Konvektion der aufgeheizten Luft. Durch die Temperaturunterschiede bewgt sich die Luft im Gehäuse und streift über den Absorber. Es findet dabei eine Wärmeübertragung zwischen Luft und Absorberplatte statt, solange, bis ein Temparaturausgleich stattgefunden hat.

 

Die Tempaeraturen des Absorbers können dabei Temperaturen von unter 0°C (nachts im Winter) und von über 100°C erreichen. Daher kommt eine Solarflüssigkeit zum Einsatz, die in dem Temperaturbereich flüssig bleibt und die Wärme anschließend in einem zulässigen Bereich an das Heiß- oder Warmwasser überträgt.

Neben den hohen Temperaturschwankungen sind insbesonderte die Dichtungen des Gehäuses UV - Starhlung ausgesetzt und altern daher. Beim Auftreten von Undichtigkeiten sinkt der Wirkungsgrad von Solarpanelen mit der Zeit.

 

Die Absorberplatten können dabei sehr unterschiedlich aufgebaut sein.

 

/// Bild Absorberplatte ///

 

2. Vakuum - Röhrenkollektoren

 

Auch Vakkum - Röhrenkollektoren bestehen aus einem Gehäuse und einem Absorber. Allerdings ist ein Teil des Gehäuses, nämlich röhrenförmige Elemente, die um mehrere Absorberkörper gebaut werden, evakuiert. Durch das Vakuum, das die Absorber Elemente umgibt, ist der Wärmeschutz verbessert und die durch Strahlungseniergie aufgenommene Wärme gibt der Absorber nur noch duch Wärmestrahlung wieder ab. Man spricht vom thermischen Strahlungsgleichgewicht und kann sich den Aufbau wie eine Thermoskanne vorstellen.

Im Vergleich zum Flachkollektor können so deutlich höhere Temperaturen im Absorber und damit in der Solarflüssigkeit auftreten, weswegen diese entsprechend gewählt werden muss. Dabei kann die Solarflüssigkeit im Absorber durchaus verdampfen, wenn dieser so ausgelegt sit, dass dadurch kein Schaden entstehet.

 

Gegenüber dem Flachkollektor ist der Vakuum - Röhrenkollektor teurer, weist aber einen besseren Wirkungsgrad auf.

 

 

Effizienz und Nachhaltigkeit

 

Als Wirkungsgrad im Bereich der Solarkollektoren ist das Verhältnis aus Nutzwärme und der einfallenden Strahlungswärme zu einem bestimmten Zeitpunkt verknüft werden können. Der Wirkungsgrad bestimmt die Güte der Anlage.

 

/// Bild 1: Abnahme Wirkungsgrade ///

 

Der Nutzungsgrad ist hingegen der im Jahresmittel nutzbare Anteil der eingestahlten Sonnenenergie. Der Nutzungsgrad ist ein Maß für die Güte der Anlage im Zusammenspiel mit Einbausituation, Nutzung und Betrieb.

 

Der Deckungsgrad ist das Verhältnis aus benötigter Nutzwärme für den gewünschten Nutzen und der durch die Anlage bereit gestellten Wärme. Beispielsweise ist für eine Anlage zur Warmwasserbereitung ein Deckungsgrad 40...60 % üblich.

 

Während der Wirkungsgrad und damit die Anlagengüte über die Lebenszeit abnimmt, ist das Verhältnis aus Nutzungsgrad zu Wirkungsgrad durch die Einbausituation vor Ort festgelegt. Der Deckungsgrad hingegen wird auch durch den Verbrauch bestimmt und kann sich je nach Verhalten der Bewohner ändern.

 

 

Wirtschaftliche Bilanz

 

Für ein Wohnhaus wird die für die Warmwasserbereitung 25 kWh/m²a angonommen. Ein 200 m² großes Haus kann mit einem Deckungsgrad von 50 % beim Warmwasser also gegenüber einer reinen Brennwerttechnik folgende Einsparungen an Primärenergie im Jahr erzielen:

 

QE,eingespart = 25 kWh/m²a x 200 m² x 50 % = 2500 kWh

 

Bei einem Gaspreis von 7 ct/kWh (Stand 2016) entspricht das einer Ersparnis von etwa 175 € im Jahr. Bei den Investitionskosten rechnet man pro Bewohner mit ungefähr 1,25 - 1,5 m² (weniger für Röhrenkollektoren) Kollektorfläche und etwa 80 l Speichervolumen. Für das Beispiel werden hier Kosten von 4000 € angenommen, wobei davon 500€ von der Bafa gefördert werden. Die Anlage würde sich also je nach Alterung 15 - 20 Jahren ammortisieren und wäre damit im Bereich des wirtschaftlich vertretbaren.

Es sollte hier allerdings auch berücksichtigt werden, dass die Heizungsanlage kleiner ausgelegt werden kann, beziehungsweise in einigen Fällen der Nutzungsgard steigt und die Alterung des Heizkessel positiv beeinflusst wird. Für derartige Gesichtspunkte sollte ein Energieberater hinzugezogen werden.

 

Ökogische Bilanz

 

Die Primärenergiebilanz wird durch Solarkollektoren positiv beeinflusst. Für ein Wohnhaus wird die für die Warmwasserbereitung 25 kWh/m²a angonommen. Ein 200 m² großes Haus kann mit einem Deckungsgrad von 50 % beim Warmwasser also gegenüber einer reinen Brennwerttechnik folgende Einsparungen an Primärenergie im Jahr erzielen:

 

Qp,eingespart = 12,5 kWh/m²a x 200 m² x 50 % x fp,Gas = 2750 kWh

 

Das entspricht ca. 275 m³ Erdgas. Allerdings muss über die Lebensdauer die Abnahme des Wirkungsgrades berücksichtigt werden. Dabie geht man üblicherweise davon aus, dass der Wirkungsgrad der Anlage über die gesamte Lebensdauer nicht mehr als 20% abnimmt. Viele Kollektoren erreichen nach dieser Definition Lebensdauern von über 20 Jahren.

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© Christoph Mevenkamp