Solarthermie – geschenkte Wärme aus dem Weltall

400 Exajoule pro Jahr an Energie verbraucht die Menschheit auf diesem Planeten. Wieviel das ist? In Kilowattstunden umgerechnet: 1.111 x 10¹⁴ kWh. Können Sie sich immer noch nicht vorstellen? Dann einmal durch den Stromzähler laufen lassen: kostet bei 20 Cent je Kilowattstunde: 2,22 x 10¹⁶ Euro = 22,2 Billiarden Euro. Wo kommt die Energie her?

Die Erde hat zwei Energiequellen: Atomspaltung im Erdinnern und Solarstrahlung. Während die in der Tiefe des Erdinnern ablaufenden Spaltungsprozesse nur einen mittleren Energiestrom von 0,63 W/m² liefert, ist die mittlere Einstrahlung der Sonne mit E₀ = 1,367 kW/m² gegeben.

Die der Erde von der Sonne geschickte Energiemenge beträgt etwa 10¹⁸ kWh im Jahr. Ein kurzer Vergleich mit der oben genannten Zahl für den Energieverbrauch der Menschen sagt uns, dass dies etwa die 10.000 fache Menge ist. Die Sonne schickt also so viel Energie, dass eine Stunde Sonnenlicht den Jahresenergiebedarf der Menschen mehr als decken würde.

Alle fossilen Energiequellen (Kohle, Gas, Erdöl), wie auch die nachwachsenden Rohstoffe (Holz) aber auch das dynamische Geschehen auf der Erde (Wind, Regen → Wasserkraft) sind von solarer Energie angetrieben. Etwas anderes haben wir nicht – etwas anderes brauchen wir nicht.

Die Einstrahlung variiert tageszeitlich und jahreszeitlich und ist an jedem geografischen Ort anders. Für die Nutzung der Solarstrahlung sind verschiedene Faktoren wie die Höhenlage, Klima, geografische Breite usw. zu berücksichtigen. Für Deutschland ergibt sich eine mittlere Globalstrahlung von ca. 1.000 W/m². Strahlungskarten, wie die nebenstehend abgebildete für den Monat September 2008 des Deutschen Wetterdiensts unterstützen den Planer bei der Auswahl und Dimensionierung von Solaranlagen.

Vor kurzem kam die Frage auf mich zu: „Wie kommt die Wärme aus der Solaranlage in meine Badewanne?“ Mir wurde dabei klar, dass Dinge, die für mich ganz selbstverständlich sind, dies nicht für jeden sein müssen. Darum habe ich mich daran getan, hier eine kleine Übersicht zur Verfügung zu stellen. Mein Anliegen ist, dass Sie als technisch nicht besonders vorgebildeter Leser die Ausführungen verstehen und sich nachher dafür entscheiden, auch in Ihrem Haus oder Ihrer Fabrik auf Solarenergie zu setzen.

Wie oben gezeigt strahlt ständig Sonnenlicht auf die Erde, aber nicht konstant, sondern variabel. Vor Allem der Tagesverlauf ist dabei entscheidend. Die Sonne kommt morgens aus einer anderen Richtung als mittags und abends steht sie fast am entgegengesetzten Horizont zum Morgen. Dazu kommt der jahreszeitlich unterschiedlich hohe Stand der Sonne.
Im Bild rechts ist ein Beispiel aus einem Solarsimulationsprogramm (Meteonorm) aufgeführt. Die Lage des Hauses, das mit Solarthermie versorgt werden soll ist vor einigen Bergen, die einen Horizont bilden, der im Winter (untere rote Linie) die Sonne kaum noch sichtbar werden lässt. In den anderen Jahreszeiten bildet der Horizont kaum noch eine Verschattung. Die roten Kurven zeigen den Verlauf der sonne über den Tag. Die obere Linie zur Sommer-Sonnenwende, die mittlere zu den Tag- und Nacht-Gleichen und die untere zur Winter-Sonnenwende.

Wenn man sich die Grafik genauer ansieht erkennt man, dass im Winter nur von halb elf bis fünfzehn Uhr die Sonne überhaupt das Haus erreichen kann. Im Sommer dagegen von fünf bis fast neunzehn Uhr. Potenziell stehen also im Sommer knapp 14 Stunden Sonneneinstrahlung zur Verfügung, im Winter nur gut vier. Selbst wenn die Sonne gleich stark schiene müsste also demzufolge der Ertrag im Winter um 70 Prozent kleiner sein als im Sommer.

Nun scheint die Sonne aber und erreicht den Kollektor (das heißt: Sammler, in diesem Fall der Sammler für Sonnenwärme). Es gibt sehr unterschiedliche Arten von Kollektoren. Die einfachsten sind so etwas wie schwarz angemalte Flachheizkörper und heißen Flachkollektoren. Wenn die Sonne direkt darauf scheint und die eingefangene Wärme auch gut abgenommen werden kann, dann sind die Flachheizkörper sehr effektiv. Dazu muss die Ausrichtung möglichst genau zur Sonne sein. Weil sie dort zu jeder Jahreszeit erscheint und am höchsten über den Horizont steigt, werden die Kollektoren nach Süden ausgerichtet und etwa so steil gestellt, dass im Frühjahr und Herbst die Sonne möglichst senkrecht auf den Kollektor trifft. Im Beispiel oben hieße das: etwa mit 40°. Wenn ein Steildach zur Verfügung steht werden die Kollektoren meist mit der Dachneigung montiert, was optisch günstig ist und die geringsten statischen Probleme mit sich bringt.

Die Flachkollektoren haben jedoch den Nachteil, dass ihre Ausbeute bei ungünstigen Verhältnissen rapide sinkt. Daher wurden andere Kollektortypen entwickelt, die auch bei geringerer oder diffuser Einstrahlung noch passable Erträge liefern. Dazu wurden die eigentlichen Kollektorflächen in gläserne Thermoskannen gesetzt.

Röhrenkollektoren nennt man so etwas. Das hochfrequente Sonnenlicht durchdringt problemlos die Glasröhre in deren Zwischenraum ein Vakuum erzeugt wurde und erwärmt die Bleche des Kollektors. In diesem verdampft ein Stoff und steigt als Dampf zum Wärmetauscher auf, wo der seine Wärme an den Solarkreislauf abgibt.

Die nächste Stufe sind die CPC-Kollektoren. CPC steht hierbei für compact parabolic concentrator (etwas frei: kompakter Parabol- Spiegel) Es gibt sie mit heatpipe, das ist das soeben beschriebene System der Wärmegewinnung mit Wärmetauscher.

Ein weiterer Typ sind die direkt durchströmten Röhrenkollektoren, eine Weiterentwicklung der CPC-Röhrenkollektoren (Grafik der Firma Paradigma). Hier wird kein eigener Solarkreislauf mehr gebraucht, sondern das Heizungswasser durchströmt auch den Kollektor.

Dies sind derzeit die effektivsten Kollektoren, die Sonnenlicht auch aus ungünstigen Winkeln einfangen, im Winter noch Erträge liefern und aus diffusem Licht noch Energie ziehen können. Sie sind allerdings erheblich teurer als Flachkollektoren.

Wir haben jetzt also das Licht der Sonne in Wärme in unseren Kollektoren verarbeitet. Das ist eine erhebliche Degradation (Abwertung). Wärme ist wesentlich weniger arbeitsfähig als die hochfrequente Solarstrahlung. Immerhin erreichen wir Temperaturen zwischen 60 und 120°C, die wir nun aus den Kollektoren weiter in die Richtung bringen wollen, wo wir die Wärme benötigen: In’s Haus hinein, wo wir damit heizen oder die Badewanne füllen wollen. zunächst also brauchen wir zwei Rohre oder hitzebständige Schläuche, die den Heizungskeller mit der Solaranlage auf dem Dach verbinden und eine Pumpe, die die Solarflüssigkeit durch die Kollektoren und Leitung pumpt.

Nun braucht es eine grundsätzliche Entscheidung, weil die technischen System darauf abgestimmt werden müssen. Soll nur Warmwasser erzeugt werden, das wir als Trinkwarmwasser bezeichnen, weil es aus dem uns kalt zur Verfügung gestellten Wasser der örtlichen Wasserwerke erzeugt wird, oder wollen wir auch das Haus damit heizen? Das Heizungswasser ist in einem geschlossenen System, dem Heizwasserkreislauf, eingesperrt. Es soll aus diesem Kreislauf nichts heraus und nichts hinein. Von den Solarkollektoren kommt je nach dem System ein Medium, das sich von sowohl Trinkwasser als auch von Heizungswasser unterscheidet.

In Flachkollektoren und üblichen Röhrenkollektoren kursiert ein Wasser-Frostschutz-Gemisch, genannt Solarflüssigkeit. Das ist das gleiche Gemisch, das auch in Autokühlern verwendet wird, um Einfrieren im Winter zu verhindern. Da man nicht das gesamte Heizungswasser mit Frostschutz versehen möchte (immerhin gäbe es dann bei jedem Ablassen der Heizung Probleme mit der Entsorgung, während demineralisiertes Heizungswasser einfach durch den Abfluss laufen kann), trennt man den Solarkreis vom Heizkreis. Über einen Wärmetauscher gibt die Solarflüssigkeit einen Teil ihrer Wärme an das Heizungswasser oder das Trinkwasser ab. Als Wärmetauscher fungiert z.B. ein Rohrbündel, das im Speicher möglichst weit unten angeordnet ist. Unten, weil hier die Temperatur des Speicherwassers, egal welcher Art, am kühlsten ist.

Im Bild rechts ist als Beispiel ein monovalenter Trinkwasserspeicher der Firma Viessmann gezeigt. In diesem sehr einfachen Gerät wird nur Warmwasser erzeugt und zwischengespeichert vom Moment der Erwärmung durch die Solaranlage bis zum Moment der Entnahme zum Baden, Duschen, Wäschewaschen oder anderem.

Da die solare Deckung nicht immer ausreichend ist, muss noch eine Nacherwärmung stattfinden. Dies kann in einem (elektrischen) Durchlauferhitzer geschehen oder, so sind sehr viele Heizanlagen gebaut, durch ein zweites Rohrbündel durch das der Heizkessel Heißwasser schickt. Dieser zweite Wärmetauscher ist dann im Speicher weiter oben angeordnet. Die Regelung soll nun dafür sorgen, dass nur dann zugeheizt wird, wenn die Solaranlage dies nicht liefern kann.

Wenn aber die Heizung selber solar unterstützt werden soll, dann benötigt man eine andere Form von Speicher. Z.B. einen Kombispeicher wie im Bild links zu sehen.

Das Beispiel zeigt einen Kombispeicher der Firma Wagner-Solar. Der Wärmetauscher unten führt die Solarwärme ein. Die Heizung liefert direkt in den Speicher (Vorlauf: rotes Rohr oben, Rücklauf: blaues Rohr). In dem durchscheinend gezeichneten inneren Speicher befindet sich das Trinkwarmwasser, das vom Heizungswasser erwärmt wird.

Diese Beispiele zeigen nicht das gesamte Spektrum an Systemen zur Integration solarer Wärme. Die Beispielbilder für Sppeicher wurden der Webseite Heizungsfinder entnommen, wo weitere Beispiele und Beschreibungen zu finden sind.

Etwas anders stellt sich die Situation beim direkt durchströmten Kollektor dar. Da hier Heizungswasser kursiert braucht es keine weiteren Wärmetauscher. Es kann direkt in einen Schichtenspeicher eingefahren werden. Es gibt nur wenige wirklich gute Systeme, wie das nebenstehende Beispiel der Firma Paradigma in dem nach der typischen Vorlauftemperatur angeschlossen wird (oder der nicht abgebildete Schichtenspeicher von Solvis). Da das Wasser hinter einem Leitblech eingeführt wird, kann es nicht direkt einen Strahl in das Speicherinnere geben, wo dann zwangsläufig starke Durchmischung entstünde.

Richtig dimensionierte und angeschlossene Speicher und die richtige Regelung sind die Dreh- und Angelpunkte für hohe Effizienz von solarthermischen Anlagen. Wer beim Klempner das fertig konfigurierte Solarpaket beauftragt bekommt eine Standardlösung, die meist nicht schlecht ist aber fast immer deutlich unter dem möglichen Potenzial bleibt. Nur eine auf die individuellen Bedürfnisse des Hauses und der Bewohner abgestimmte und alle Parameter berücksichtigende Anlagenplanung kann dem Optimum näher kommen. Die in der Norm DIN V 4701-10 genannten Deckungsgrade von z.B. 60 % für Warmwasser und 10 Prozent für Heizung im Einfamilienhaus, können zumeist deutlich überschritten werden, wenn Sie einen TGA-Planer wie das Ingenieurbüro Matthaei mit der Planung beauftragen.