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Solarthermie

Sonnenenergie bewusst nutzen, um umweltfreundlich zu heizen und Warmwasser aufzubereiten.

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Teil 2: Wärmepumpen

Teil 3: Wärmedämmung

Die Sonne stellt mit ihrem Energiepotenzial einen Energielieferanten dar, der unseren Bedarf um ein Vielfaches übersteigt. Sonnenenergie steht unbegrenzt zur Verfügung und kann an nahezu jedem Gebäude einen wesentlichen Beitrag zur Energiegewinnung leisten. Mit solarthermischen Anlagen lässt sich die Kraft der Sonne zur Warmwasserbereitung und zusätzlich zur Heizungsunterstützung nutzen.

Solare Energie in Wärme umwandeln und nutzen

Unter Solarthermie versteht man die Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare thermische Energie – also in Wärme. Im Unterschied zu Photovoltaik-Anlagen, die Strom erzeugen, dient die Solarthermie überwiegend der Eigennutzung über die vorhandene Haustechnik. Durch moderne und richtig geplante thermische Solaranlagen können 60 bis 70 Prozent des jährlichen Energiebedarfs für Warmwasser eingespart werden. Hochentwickelte Warmwasserspeicher mit unterschiedlichen Funktionen bieten für jeden Bedarf eine passende Lösung. So steht warmes Wasser auch dann zur Verfügung, wenn die Sonne nicht scheint. In den Sommermonaten kann eine thermische Solaranlage genug Energie erzeugen, um den Warmwasserbedarf des gesamten Haushaltes zu decken. In den übrigen Jahreszeiten unterstützt sie die Wärmeversorgung des Hauses. Eine solarthermische Anlage besteht aus mehreren Komponenten, die aufeinander abgestimmt und entsprechend dimensioniert sind. Die wichtigsten sind der Kollektor und der Speicher.

Das Kernstück der Solarthermie-Anlage: der Solarkollektor

Kernstück jeder thermischen Solaranlage ist der Kollektor. Er fängt das Sonnenlicht ein und gibt die gewonnene Energie in nutzbarer Form ab. Der Kollektor besteht im Wesentlichen aus dem Absorber, das ist ein Wärmeleitblech mit selektiver, schwarzer Beschichtung sowie einem Gehäuse, das den Absorber umschließt. Es gibt verschiedene Bauarten von Kollektoren. Sie unterscheiden sich in erster Linie durch die Technik zur Begrenzung ihrer Wärmeverluste, die sich äußerlich an den verschiedenartigen Bauformen erkennen lässt. Die wichtigsten sind:

  • Flachkollektor
  • Vakuum-Flachkollektor
  • Vakuum-Röhrenkollektor

Optimal geplant erfüllen alle drei Kollektortypen ihre Aufgabe hervorragend. Entscheidend ist eine Dimensionierung der Kollektorfläche, die auf den tatsächlichen Warmwasserbedarf abgestimmt ist, eine verschattungsfreie Ausrichtung nach Süden im Sommer sowie eine fehlerfreie Installation.

Die richtige Kollektorart auswählen

Jeder Kollektor hat eine eigene Kennlinie, die seinen Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Klima- und Betriebsbedingungen darstellt. Der Wirkungsgrad ist definiert durch die vom Kollektor abgegebene nutzbare Wärme im Verhältnis zur solaren Einstrahlung.

Vakuumröhren- und flachkollektoren

Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus zwei konzentrisch ineinander gebauten Glasröhren, zwischen denen sich ein Vakuum befindet. Dieses Vakuum lässt die Übertragung der Strahlungsenergie des Lichts zum Absorber zu, verringert aber den Wärmeverlust stark. In der inneren Röhre befindet sich ein Wärmeübertragungsmedium, meist ein Wasser-Diethylenglycol-Gemisch, das sich erwärmt und durch Pumpen angetrieben die Wärme transportiert. Diese Kollektoren arbeiten üblicherweise bis zu einer Betriebstemperatur von circa 150 Grad Celsius. Vakuumröhrenkollektoren haben einen höheren Wirkungsgrad als Flachkollektoren, sind jedoch teuer in der Anschaffung: Bei der Planung wird zunächst der Wirkungsgrad für Betriebsbedingungen, bei denen der Kollektor optimal arbeiten soll, aus der Kennlinie ermittelt. Anhand des Wirkungsgrades, der Einstrahlung sowie der Kollektorkosten kann der Preis pro Kilowatt für die unterschiedlichen Kollektoren ermittelt werden.

Dies ist für den Hausbesitzer das entscheidende Kriterium bei der Kollektorwahl: Zu welchen Investitionskosten kann die notwendige Wärmeleistung erzielt werden? Dieses Preis-Leistungs-Verhältnis sollte aus dem vorliegenden Angebot eines Installateurs bestimmt werden können, auch um einen sinnvollen Vergleich verschiedener Angebote zu ermöglichen. Die gesammelte Wärme der Solarthermie-Anlage kann zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung in allen Lebensbereichen eingesetzt werden und schont nachweislich die Umwelt.

Flachkollektoren

Bei den Flachkollektoren wird das Licht nicht gebündelt, sondern erwärmt direkt eine flache wärmeabsorbierende Fläche. Sie leitet die Wärme gut und ist mit Röhren durchzogen, in denen sich das Wärmeträgermedium befindet. Das ist meist ein Wasser-Propylenglycol-Gemisch. Flachkollektoren arbeiten in der Regel mit einer Durchschnittstemperatur von circa 80 Grad Celsius. Die Erfahrung zeigt, dass Flachkollektoren besonders geeignet sind, um hauptsächlich im Sommer Warmwasser zu bereiten.

Den Kollektor optimal ausrichten

Die Leistung einer Solarthermie-Anlage ist von mehreren Faktoren abhängig. Zum einen von den örtlichen Gegebenheiten wie Dachneigung, Ausrichtung und der Strahlungsintensität am Wohnort. Durch die Orientierung des Kollektors zur Sonne lässt sich der Ertrag optimieren. Nicht so sehr ins Gewicht fallen Abweichungen von der Südausrichtung: Akzeptabel sind bis zu 30 Grad nach Ost oder West, hier ist im Jahresmittel von Einbußen an Strahlungsenergie von maximal 10 Prozent auszugehen.

Weitaus wichtiger ist jedoch die richtige Kollektorneigung. Empfohlen wird eine Neigung des Kollektors zwischen 30 und 45 Grad. Dieser Bereich garantiert während der sonnenreichsten Zeit des Jahres den höchsten Einstrahlungsgewinn. Kleine Defizite in der Neigung oder Südabweichung können durch eine etwas größere Kollektorfläche der Solarthermie-Anlage ausgeglichen werden.

Den Solarspeicher richtig auslegen

Um das schwankende Energieangebot der Sonne auszugleichen, muss solar erwärmtes Wasser über einen bestimmten Zeitraum gespeichert werden. Üblich sind Speicher ab 400 Liter Fassungsvermögen, die Anschlüsse für mindestens zwei Wärmeüberträger/Wärmetauscher besitzen. Dadurch ist die Erwärmung über eine andere Heizquelle – zum Beispiel den Heizkessel – zu Zeiten möglich, in denen die solarthermische Anlage nicht genügend Wärme liefert.

Der Speicher ist in der Regel als Druckspeicher konzipiert und auf den normalen Druck des öffentlichen Trinkwassernetzes ausgelegt. Je schlanker und höher ein Speicher ist, desto besser lässt sich die Wärme schichten. So ist auch bei geringer Sonneneinstrahlung ein höherer Wirkungsgrad zu erzielen. Übrigens: Je schmaler der Speicher, desto leichter lässt er sich bei einem nachträglichen Einbau der Solarthermie-Anlage durch Türen zum Einbauort transportieren. Neben Kunststoffspeichern werden Edelstahl- oder emaillierte Speicher (V4A oder V2A) angeboten. Letztere sind leichter und wartungsfrei, dafür teurer und es besteht die Gefahr von Lochfraß (Korrosion) bei stark chlorhaltigem Wasser. Es gibt mittlerweile auch Speicherkonzepte, die sich für den kombinierten Einsatz von Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung eignen.

Die Solaranlage – mehr als nur ein Kollektor und Speicher

Ebenso wichtig wie der Kollektor sind die anderen Komponenten der Solarthermie-Anlage: das Kollektorfeld, der Solarkreislauf, der Solarregler und die Nachheizung. Voraussetzung für die wirtschaftliche Arbeitsweise der Solaranlage ist eine angepasste Dimensionierung von Kollektor und Speicher. Allerdings ist auch auf die Auswahl der Komponenten zu achten. Zum Beispiel sind die Dämmung der Leitungen und die Qualität der einzelnen Komponenten sehr wichtig. Nicht zuletzt ist auch die optimale Abstimmung der Anlagenkomponenten aufeinander und die korrekte Dimensionierung ein wichtiger Baustein für eine gut funktionierende und wirtschaftliche Solaranlage. „Viel hilft viel“ ist der falsche Ansatz. Im Gegensatz zu einer Photovoltaikanlage ist es nicht sinnvoll, das ganze Dach mit Solarpanelen zu belegen, sobald die Ausrichtung stimmt.

Die Dimensionierung der Solarthermie-Anlage muss stimmen

Die Dimensionierung muss in Abhängigkeit von dem zu erwartenden Verbrauch erfolgen. Solarwärme aus privaten Solaranlagen kann derzeit noch nicht wirtschaftlich über eine längere Strecke transportiert und verkauft werden. Eine zu groß dimensionierte solarthermische Anlage kann zwar viel Wärme gewinnen – durch eine falsche Speichergröße oder eine schlechte Leitungsdämmung verpuffen dann aber enorme Energiemengen, die beim Nutzer nicht ankommen. Der solare Wärmeertrag ist in solchen Fällen eher gering, die angestrebte Energiekostensenkung bleibt auf der Strecke. Eine korrekte Dimensionierung und das Vermeiden von „Leistungskillern“ ist somit eine Voraussetzung für eine ertragreiche Solarthermie-Anlage.

Es ist schwer, im Vorfeld exakte Zahlen anzugeben. Je nach Gewohnheiten und Ausstattung kann der Verbrauch sehr unterschiedlich sein. Mit folgenden Richtwerten kann man zur Vorplanung arbeiten:

  • Pro Person sollten etwa eineinhalb Quadratmeter Absorberfläche bei Flachkollektoren oder ein Quadratmeter bei Vakuum-Röhrenkollektoren eingeplant werden.
  • Der Speicher sollte das eineinhalb- bis zweifache des täglichen Warmwasserbedarfs bevorraten können – also 400 Liter und mehr.

Bei richtiger Planung sind im Sommer solare Deckungsraten über 90 Prozent, im Winter jedoch kaum mehr als 10 Prozent zu erreichen. Ziel ist eine solare Deckung von mehr als 60 Prozent im Jahresmittel. Für die Prüfung von Angeboten und Unterlagen kann die Unterstützung eines unabhängigen Beraters sinnvoll sein. Wichtig dabei: Den Versicherungsschutz für die solarthermische Anlage zu klären.

Wartung: regelmäßiger Check für gleichbleibende Effizienz

Eine Solarthermie-Anlage hat eine Funktionsdauer von bis zu 25 Jahren. Sie gilt als wartungsarm und es gibt keine gesetzlich vorgeschriebenen Wartungszyklen. Um eine gleichbleibende Effizienz zu gewährleisten und Betriebsstörungen zu vermeiden, wird empfohlen, die Anlage regelmäßig vom Fachbetrieb durchchecken zu lassen. Hier sollen vor allem der Anlagenbetriebsdruck, die Solarflüssigkeit und auch der bauliche Zustand der Kollektoren überprüft werden.

Leistungsminderer von solarthermischen Anlagen sind nicht immer gleich zu erkennen. Häufig reduziert sich Leistung erst im Laufe der Betriebsjahre. Etwa dann, wenn die Solarflüssigkeit „umgekippt“ ist und erneuert werden muss oder Verschattungen zu einer Minderung des Ertrags führen – aus kleinen Bäumen werden meist große oder neue Gebäude kommen hinzu. Weitere versteckte oder nicht sofort ersichtliche Leistungsminderungen können die Ursache für eine nicht effizient arbeitende Solarthermie-Anlage sein. So beispielsweise Verschmutzung oder Defekte der Module, unzureichendes Dämmmaterial, falsche Anlagen- oder Pufferspeicherdimensionierung.

Gütesiegel: Solar Keymark ist Voraussetzung für Förderungen

An Gütesiegeln besteht in Deutschland kein Mangel. Aussagekräftig ist auf jeden Fall das „SOLAR KEYMARK“, ein Gütezeichen des Europäischen Normenverbandes (CEN) für Kollektoren und komplette Solarthermie-Anlagen. Unabhängige Prüfstellen garantieren die Einhaltung einheitlicher europäischer Qualitätsstandards. In Deutschland wird die Prüfung für die Vergabe von SOLAR KEYMARK im Auftrag des Deutschen Instituts für Normung e. V. durchgeführt. Seit 2010 ist die SOLAR KEYMARK-Zertifizierung Voraussetzung für die Förderfähigkeit von Kollektoren und solarthermischen Anlagen.

Fördermöglichkeiten auf einen Blick

Bafa-Förderung

Der Bund fördert den Einbau solarthermischer Anlagen über eine Basisförderung, die sowohl für die Erstinstallation als auch für die Erweiterung von Anlagen in Anspruch genommen werden kann. Die Höhe der Förderung ist abhängig von der Bruttokollektorfläche. Neben der Basisförderung gibt es zusätzlich die Möglichkeit der Innovations- und Zusatzförderung.

KfW-Förderung

Die KfW bietet für Solarthermie-Anlagen Förderung im Rahmen der Programme „Energieeffizient Sanieren“ und „Energieeffizient Bauen“ an. Sie fördert über Darlehen sowie über Innovationszuschüsse. Auch eine Kombination mit einer Bafa-Förderung ist unter bestimmten Voraussetzungen möglich.