Solarthermie – Heizung und Warmwasser durch Sonnenenergie

Sonnenenergie liefert ein riesiges Potential zur Energiegewinnung und stellt die Energie der Zukunft dar, schließlich ist Sonnenenergie unbegrenzt vorhanden - im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen. Die Solarthermie bietet attraktive Möglichkeiten zur Warmwasserbereitung und zur Beheizung.

Bereits 1891 wurde erstmals ein Patent für eine Solaranlage zur Bereitung von Warmwasser von einem amerikanischen Metallfabrikanten namens Clarence M. Kemp angemeldet. Doch Modelle zu einem solchen Vorhaben wurden erst ab den 1970er Jahren im Zuge der ersten Ölkrise realistisch. Der Entwicklungsstand der Solarthermie von heute ist natürlich nicht mehr mit dem der Anfangsjahre vergleichbar. Heute ist es tatsächlich möglich, mit der gewonnenen Energie aus der Sonne Wärme, die im Haushalt z.B. für das Duschen oder Heizen gebraucht wird, zu erzeugen. Eine thermische Solaranlage kann wesentlich zur Trinkwassererwärmung in Haushalten beitragen – so ist ein Anteil von rund 60% möglich.

Was bedeutet eigentlich Solarthermie und wie funktioniert sie?

Funktionsweise SolarthermieFunktionsweise der Solarthermie im Überblick. Foto: Agentur für Erneuerbare Energien.

Solarthermie bedeutet schlichtweg die Nutzung von Sonnenenergie zur Warmwasserbereitung sowie zur Raumheizung. Das Prinzip der Wärmegewinnung über die Solarenergie ist relativ simpel: Über Kollektoren auf dem Dach wird die Sonnenenergie aufgefangen. In dem Kollektor wird der Wärmeträger, eine spezielle Flüssigkeit, erwärmt. Die erhitzte Flüssigkeit wird durch eine Wärmepumpe in den Wärmetauscher befördert. Der Wärmetauscher sorgt dafür, die Wärme aus der Flüssigkeit auf das in einem Speicher befindliche Trinkwasser oder Heizungswasser zu übertragen. Für beide Wasserarten gibt es jeweils einen spezifischen, getrennten Kreislauf. Der Wärmespeicher speichert die erzeugte Wärme längerfristig. Sollte die Sonnenwärme allein zur Beheizung nicht ausreichen, wird in einem oberen Teil des Speichers das Wasser durch einen weiteren Wärmetauscher erwärmt und auf die gewünschte Temperatur gebracht. Der zweite Wärmetauscher ist an einen Heizkessel angeschlossen. Sollte das Wasser im Speicher zu heiß werden, beugt ein Überdruckventil  Risiken vor. Der Dampfdruck liegt bei der maximalen Temperatur bei ca. 3,5 bar.

Funktionsweise im Detail am Beispiel der Warmwasserbereitung

Der Kollektor ist Ausgangspunkt und Herzstück der thermischen Solaranlage. Am weitesten verbreitet ist ein Flachkollektor. Dieser besteht aus einem Absorber, der die Aufnahme der Sonneneinstrahlung und der Umwandlung derselben in Wärme dient. Damit so wenig thermische Verluste wie möglich entstehen, ist der Absorber in einem wärmegedämmten Behälter mit transparenter Abdeckung aufbewahrt.

Der Absorber enthält eine Wärmeträgerflüssigkeit, die zwischen dem Kollektor und dem Warmwasserspeicher zirkulieren kann. Die Flüssigkeit besteht zumeist aus Wasser und Ethylenglykol oder Propylenglykol, welche auch in Frostschutzmitteln vorkommen. Die Flüssigkeit ist beständig von -30 °C bis 105 °C. Außerdem hält sie Absorbertemperaturen von bis zu 150°C stand.

Über einen sogenannten Solarregler werden die thermischen Anlagen in Betrieb genommen. Erst wenn die Temperatur am Kollektor diejenige im Warmwasserspeicher übersteigt, wird die Solarkreis-Umwälzpumpe durch den Solarregler eingeschaltet. Nun erst transportiert die Trägerflüssigkeit die aufgefangene Wärme in den Speicher.

Wenn zu wenig erwärmtes Wasser zur Verfügung steht oder zu wenig Energie für die Erwärmung des Wassers eingegangen ist, dann sorgt eine konventionelle Heizung über einen Ladekreis für die optimale Versorgung.

Der Solarkreislauf im Warmwasserspeicher bildet übrigens ein in sich geschlossenes System. Ein eigenständiges System bildet der Warmwasserspeicher dagegen mittels des Kaltwasserzuflusses und des Warmwasserabflusses, die mit der allgemeinen Hauswasserversorgung verbunden sind.

Erfahren Sie hier mehr zu den verschiedenen Systemen der Solarthermie sowie zu Anlage- und Speicherarten.

Solarenergie zur Heizungsunterstützung

Info:

Besonders in der Übergangszeit, also im Frühling und Herbst, macht sich die Heizölersparnis deutlich bemerkbar.

Besonders positiv: Solarthermische Anlagen können mit so gut wie jeder Heizungsanlage kombiniert werden. Am besten eignet sich jedoch die Fußboden- oder Wandheizung zur Kombination und zur optimalen Ausnutzung.

Auch für die Unterstützung der Beheizung von Wohnräumen lohnt sich die Installation einer thermischen Solaranlage. Je nach dem Grad der Gebäudedämmung können durch eine Anlage so 20-80% der Heizkosten eingespart werden. Dabei funktioniert die Gewinnung der Wärme wie oben beschrieben.

Grund für die besonders gute Eignung der Fußbodenheizung für die solarthermische Heizungsunterstützung ist, dass das durch die Solarenergie erhitze Wasser über den Wärmetauscher direkt in die Fußbodenheizung geleitet werden kann. Aber das gewonnene Wasser kann auch in einen Pufferspeicher weitergeleitet werden, aus dem dann bei Bedarf Wärme entnommen werden kann. Der Pufferspeicher ist ein Behälter, der "stehendes" Wasser als Wärmespeicher für die Heizung beinhaltet. Die durch einen Heizkessel oder eben die Solaranlage erzeugte Wärme wird über den Wärmetauscher in den Pufferspeicher eingebracht und kann über weitere Wärmetauscher wieder entnommen werden.  Im Pufferspeicher ergibt sich eine Temperaturschichtung: wärmste Wasser befindet sich oben, das kälteste Wasser unten. Oft werden auch Solarspeicher mit integrierten Boilern genutzt. Empfehlenswert sind auch sogenannte Schichtladesysteme. Bei Schichtladesystemen wird das von der Solaranlage erwärmte Wasser in einer optimalen Höhe eingebracht, sodass die Temperaturschichtung ungestört und unverändert bleibt, egal ob Wasser hinzu- oder abgeführt wird. Es wird jeweils aus dem genau passenden Temperaturniveau abgeschöpft. Dies garantiert, dass die höheren Wassertemperaturen im Speicher erhalten bleiben, wenn der Heizwärmebedarf geringer ist.