Aufbau einer solarthermischen Anlage

Solarthermische Anlagen bestehen üblicherweise aus einem Sonnenkollektor, einer Regeleinheit mit Pumpe und einem gut gedämmten Warmwasserspeicher. Im Kollektor sammeln besonders beschichtete Kupferbleche die Solarenergie (lateinisch: Kollektor = Sammler). Unter den Blechen sind Kupferrohre befestigt, durch die eine Wärmeträgerflüssigkeit fließt. Die Regeleinheit mit der Pumpe sorgt dafür, dass die Wärme abtransportiert wird. Im Speicher wird die Wärme dann durch einen Wärmetauscher an das Speicherwasser abgeben. So steht das warme Wasser auch nachts oder an Regentagen zur Verfügung. Am häufigsten kommen in Deutschland Flach-, Vakuum-, oder Luftkollektoren zum Einsatz.

Kollektortypen

Der am meisten verbreitete Kollektortyp ist der Flachkollektor. Sein im Prinzip sehr einfacher Aufbau umfasst einen metallenen Absorber, welcher die eintreffende Strahlung an das in Röhrchen zirkulierende Kühlmittel (Wasser) weiterleitet, sowie ein isoliertes Gehäuse und eine hochtransparente Glas- oder Kunststoffabdeckung. Der Absorber ist mit einer schwarzen, ev. selektiven Beschichtung versehen, welche den Frequenzbereich des Sonnenlichtes besonders effizient schluckt und die Abstrahlung verkleinert.

Der zweite relativ verbreitete Kollektortyp ist der Vakuum-Röhrenkollektor. Wie der Name vermuten lässt, sind seine Absorberflächen -statt in ein Gehäuse- in evakuierte Glasröhren eingeschlossen. Diese High-Tech-Konstruktion verhilft dem Vakuum-Röhrenkollektor zu den höchsten Wirkungsgraden, da die eingefangene Strahlung durch Konvektion nicht mehr entweichen kann. Die Röhren besitzen üblicherweise an einem Ende die Anschlüsse für Vor-und Rücklauf und werden dort mit dem Modul verbunden. Andere Bauarten kommen ohne Flüssigkeitskreislauf in der Röhre aus und werden „trocken" angeschlossen. Ein Vorteil der Röhrenkollektoren besteht darin, dass sie durch einfaches Drehen der Röhren auch auf schiefen oder schlecht besonnten Ebenen montiert werden können.

Vakuum-Röhrenkollektoren werden aufgrund ihres Preises weniger für gewöhnliche Brauchwassererwärmung eingesetzt; sie finden beispielsweise in der Industrie Verwendung, wenn hohe Betriebstemperaturen (über 60°C) oder gute Wirkungsgrade bei winterlichen Bedingungen gefragt sind.

Flächenmässig bereits etwa gleich verbreitet wie der Flachkollektor ist der unverglaste Flachkollektor. Sein traditionelles Anwendungsgebiet sind Schwimmbäder im Freien, jedoch könnte dieser Kollektortyp künftig vermehrt für andere Zwecke eingesetzt werden. Der unverglaste Flachkollektor ist im Aufbau denkbar einfach: er besteht nur noch aus einem metallenen Absorber. Obwohl sein Wirkungsgrad um einen Drittel tiefer ist als jener von vergleichbaren Flachkollektoren, ist die erzeugte Energie letztlich billiger, da der Preis des Kollektors um zwei Drittel niedriger ist. Stark ins Gewicht fällt ausserdem die Ersparnis bei der Dachkonstruktion, da der Kollektor auch als Dachhaut fungiert und als solche kaum teurer als herkömmliche Metalldächer ist.

Für andere Anwendungsgebiete bietet der Markt statt Flüssigkeits- auch Luftkollektoren an. Sie werden direkt von der zu erwärmenden Luft durchströmt und kommen insbesondere bei Lüftungsanlagen oder Warmluftheizungen zum Einsatz. Ein spezielles Anwendungsgebiet für solar erwärmte Luft ist die Heutrocknung auf Bauernhöfen; oft funktioniert hier auch ein doppeltes Scheunendach als Warmluftkollektor.

Anlagen zur Brauchwassererwärmung

Am wirtschaftlichsten sind Sonnenkollektoren für die Brauchwassererwärmung. Wie aus Berechnungen von Infoenergie hervorgeht, zahlen sich diese Anlagen finanziell auf jeden Fall aus, wenn der tägliche Warmwasserverbrauch 1000 Liter überschreitet. Dies ist bereits in jedem normalen Mehrfamilienhaus, Hotel und Sportzentrum der Fall. Die Erschliessung der Sonne scheitert hier häufig nicht an finanziellen, sondern psychologischen Gründen, beispielsweise an mangelnder Erfahrung der Planer von Neubauten oder schlicht an der Gewohnheit. Für Einfamilienhäuser liegt zwar der Preis der Solarwärme etwas höher, technisch bieten sich jedoch keine Probleme.

Da es im Winter schwierig ist, das gesamte Brauchwasser solar aufzuwärmen, wird eine Anlage zur Brauchwassererwärmung heute meist auf einen Deckungsgrad von 100% im Sommer ausgelegt. Dies macht grosse saisonale Wärmespeicher überflüssig, erfordert aber im Winter eine Zusatzheizung. Bisherige Erfahrungswerte für die notwendige Kollektorfläche von Brauchwasseranlagen betragen bei Mehrfamilienhäusern 1m² pro Bewohner, bei Einfamilienhäusern 1,5 bis 2 m2 (verglaste Flachkollektoren - für unverglaste Kollektoren nimmt man etwa zweimal soviel). Übers ganze Jahr liegt so der solare Deckungsgrad bei 40-60%.

Ein großer Teil der in Deutschland im Einsatz stehenden Kollektoranlagen sind kombinierte Anlagen für Heizung und Warmwasser. Aber gerade diese kombinierten Anlagen weisen - aufgrund der anspruchsvollen Steuerung - das schlechteste Kosten/Nutzen-Verhältnis auf. Andererseits können diese Anlagen zu einer hohen Autonomie verhelfen, wenn sie mit einem saisonalen Speicher ausgerüstet sind. Am kostengünstigsten bleibt jedoch die solare Vorwärmung von Brauchwasser.

Anlagen für erweiterte Anwendungen

Die Planung und Dimensionierung von thermischen Solaranlagen ist eine anspruchsvolle Aufgabe; ein Kochrezept für die optimale Solaranlage gibt es nicht. Es gilt, einen Kompromiss zu finden zwischen geringem Preis pro kWh, hohem Ertrag, geringem Fremdenergiebedarf (=hohem solaren Deckungsgrad), sowie geringem Material- und Energieverbrauch für den Bau der Anlage, und nicht zuletzt natürlich mit den Wünschen und Möglichkeiten des Bauherren! Folgende Beispiele bilden die Eckpfeiler der Palette möglicher Anlagen:

• Autonome Solaranlage mit saisonaler Speicherung

Eine solche Anlage verfügt über keine Zusatzheizung, dafür über einen riesigen Speichertank. In Pilotprojekten wurde dieser Tank in der Mitte des Hauses eingebaut; seine Wärmeverluste unterstützen so im Winter die Heizung (Projekte: Centre Culturel in Mertzig - Luxemburg, das Wagner Solarhaus).

• Anlage mit solarer Vorwärmung

Die Anlage verfügt über zwei in Serie geschaltete Speichertanks. Der erste wird dabei solar erwärmt, der zweite auf höherem Temperaturniveau mit Gas, Öl oder elektrisch. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Kollektoren auf tiefem Temperaturniveau arbeiten; ihr Wirkungsgrad steigt. Der Wirkungsgrad der Zusatzheizung ist vom Temperaturniveau nämlich praktisch unabhängig.

• Anlage in Kombination mit der Heizung

Die Solaranlage wird mit einer Öl-, Gas- oder Holzheizung kombiniert. Diese Kombination will gut überlegt sein, damit sie mit vernünftigem Wirkungsgrad arbeitet. Bei modernen Heizanlagen mit Bodenheizung besteht das Problem der unterschiedlichen Temperaturniveaus (eine Bodenheizung arbeitet nur mit etwa 30°C). Teilweise fehlt es noch an Erfahrung mit all den möglichen Kombinationen, da sich viele Installateure aus Kostengründen in den letzten Jahren auf die solare Vorwärmung des Brauchwassers konzentrierten. Doch dieser Trend, aufgrund des erwähnten problematischen Kosten/Nutzen-Verhältnisses kombinierter Anlagen, ist vielleicht noch nicht der Weisheit letzter Schluss.

• Anlage in Kombination mit Wärmepumpe

In einer solchen Anlage funktionieren die Sonnenkollektoren im Sommer allein, und im Winter werden sie durch die Wärmepumpe unterstützt. Verschiedene Varianten sind möglich; die Dimensionierung eines solchen Systems ist anspruchsvoll, da die verschiedenen Temperaturniveaus gegenseitig die Wirkungsgrade beeinflussen.
Das grundsätzliche Problem der solaren Heizung ist die schlechte zeitliche Abstimmung von Angebot und Nachfrage: im Winter, wenn die Kollektoren den kleinsten Teil ihrer Energie liefern, ist der Wärmeverbrauch am höchsten. Solare Heizsysteme sind daher auf grosse Wärmespeicher angewiesen.

Wirtschaftlichkeit

Wirtschaftlich arbeitende Solaranlagen sind in der Regel selten anzutreffen. Zur Verdeutlichung hier ein kleines Zahlenbeispiel für ein Einfamilienhaus:

• spezifische Kosten einer Solaranlage 950 €/m²
• Anzahl der Personen im Haushalt 4 Personen
• Warmwasserverbrauch pro Person und Jahr 650 kWh/P/a
• Angestrebte Deckung durch Solarenergie 50% Deckung
• Anteil des Energiebedarfs für Warmwasser durch Solaranlage 1.300 kWh/a
• Spezifischer Energieertrag einer gut geplanten Solaranlage pro Jahr 400 kWh/m²/a
• Erforderliche Kollektorfläche 3,25 m²
• Größe des Pufferspeichers 195 Liter
• Reduzierter Wirkungsgrad des Heizkessel im Sommer zur WW-Bereitung 75%
• Energiekosten für einen Liter Heizöl 0,5 €/Liter
• Energieinhalt von Heizöl 10 kWh/Liter
• Investitionskosten der Solaranlage 3.088 €
• Kosten für Betrieb und Wartung 0,5 % vom Invest /a
• Förderung vom Staat (seit 01.02.03 in Deutschland) 125 €/m²
• Eigeninvestition (Annahme ohne Finanzierung) 2.681 €
• Energieeinsparung an Heizöl 1.733 kWh/a
• idem in Liter 173 Liter pro Jahr
• Eingesparte Energiekosten 86,7 €/a
• Mehrkosten für Betrieb und Wartung 15,4 €/a
• Eingesparte Jahreskosten 71,2 €/a
• Kapitalrücklauf (Einsparung auf Investition bezogen) 37,6 Jahre

Die Lebenserwartung einer Solaranlage beträgt im Schnitt zwischen 15 und 20 Jahren. Die Refinanzierung der Investition durch Energieeinsparung liegt auf ca. doppeltem Niveau - wie die obige einfache Berechnung zeigt. Berücksichtigt man jedoch Energiepreissteigerungen und Inflation in einer dynamischen Wirtschaftlichkeitsberechnung kann das realitätsnähere Erbebnis besser ausfallen - aber in den wenigsten Fällen wirklich wirtschaftlich (Schwimmbadanlagen ausgenommen).

! Vorsicht also vor Wirtschaftlichkeitsschönrechnungen