Sonnenenergie ist eine erneuerbare Energie, die durch Kernfusion im Inneren der Sonne entsteht. Sonnenlicht ist überall auf der Welt verfügbar, es ist kostenlos und emissionsfrei. Pro Quadratmeter und Jahr trifft in Deutschland eine Energie von etwa 1.000 Kilowattstunden (kWh) in Form von elektromagnetischer Strahlung auf die Erde. Sonnenenergie lässt sich zudem vielfältig direkt für eine nachhaltige Strom- und Wärmeproduktion nutzen. Neben Wind und Wasser ist sie einer der Tragpfeiler der angestrebten Energiewende weg von den fossilen Energien.
Der Wandel von Sonnenlicht mittels moderner Technologien in elektrische Energie ist darum einer der größten Energie-Trends unserer Zeit. Solarzellen in PV-Anlagen, Solarthermien-Anlagen, solarthermische Kraftwerke und Sonnenkollektoren nutzen die Sonnenstrahlung ohne Umwege und wandeln die Strahlungsenergie in Strom oder Wärme um (siehe Abb. 3).
Abb. 3: Unterschied zwischen Solarthermie und Fotovoltaik
- Bei der Solarthermie wird das Sonnenlicht in Wärme umgewandelt, wenn es auf eine Oberfläche trifft. Je mehr Strahlung die Fläche absorbieren kann, desto größer ist der Effekt. Solarkollektoren sammeln die Sonnenwärme ein und leiten sie über einen Wärmekreislauf in einen Wärmespeicher.
- Bei einer PV-Anlage hingegen wird die Kraft der Sonne in elektrischen Strom umgewandelt. Dieser Prozess findet in einzelnen Solarmodulen statt, die aus vielen einzelnen Solarzellen bestehen. Das Sonnenlicht regt Elektronen in den Solarzellen an, sich zu bewegen. Dabei entsteht elektrischer Strom.
Der Anteil der Solarthermie wuchs zwischen 2000 und 2022 von 2 auf 5 % der gesamten erneuerbaren Wärme. Insgesamt steuerte die Solarthermie im Jahr 2022 nach Angaben des UBA mit 9,7 Milliarden kWh aufgrund besserer Sonneneinstrahlung etwa 14 % mehr Energie bei als 2021 (8,6 Milliarden kWh).
2.1 Thermische Solaranlagen
Solarthermie-Anlagen – auch als "Sonnenkollektoranlage" oder "Solarheizung" bezeichnet – wandeln das eingefangene Sonnenlicht in Wärme für die Bereitung von warmem Wasser, zum Heizen von Räumen oder Schwimmbecken um. Solarthermie kann aber auch zur Erzeugung von Kälte und von Prozesswärme verwendet werden.
Die Solarthermie-Anlage besteht aus mehreren Komponenten, die unterschiedliche Aufgaben erledigen. Typisch sind die folgenden Komponenten einer Solarthermie-Anlage:
- Solarthermie-Kollektoren,
- Solarregler,
- Wärmetauscher,
- Wärmemengenzähler,
- Solarspeicher,
- Pufferspeicher,
- Solarpumpe,
- Ausdehnungsgefäß.
Kollektoren
Um die Sonnenstrahlung solarthermisch zu nutzen, werden sogenannte Kollektoren aufgestellt. In diesen wärmeisolierten Röhrensystemen befindet sich eine Trägerflüssigkeit, die durch die Strahlungswärme der Sonne erhitzt wird. Als Trägermedium können ein öliges Gemisch aus Propylenglycol und Wasser (Frostschutzmittel) oder reines Wasser dienen.
Es gibt verschiedene Solarthermie-Kollektoren. Die Unterschiede ergeben sich aus der Bauart der Kollektoren, die wiederum von deren Einsatzzweck abhängt. Die häufigsten Arten sind der Flachkollektor und der Vakuumröhrenkollektor. Daneben werden aber auch von Luftkollektoren und Schwimmbadabsorber eingesetzt. Während Luftkollektoren und Schwimmbadabsorber zur Erwärmung von Badewasser eingesetzt werden, dienen Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren der Trinkwassererwärmung und der Unterstützung der Heizungsanlage. Weitere Kollektorenvarianten sind Hybridkollektoren (PV/T-Kollektoren) und Speicherkollektoren. Die einen verbinden Photovoltaik und Solarthermie in einem Bauteil, stellen also Strom und Wärme bereit, die anderen sind direkt mit einem eigenen Speicher ausgestattet. Beide sind nicht sehr breit auf dem deutschen Markt vertreten. Daneben wird derzeit auch in den Forschungslabors von Wissenschaft und Industrie an Betonkollektoren, Glaskollektoren und anderen Entwicklungen gearbeitet.
Flachkollektor
Am häufigsten in Deutschland eingesetzt wird der Flachkollektor. Nach Angaben des Bundesverbands Solarwirtschaft gehören ungefähr 90 % aller installierten Kollektoren zu dieser Bauart. Er hat einen guten Wirkungsgrad, der aber bei höheren Temperaturen stark abnimmt. Das ist allerdings für die Warmwasserbereitung und die Heizungsunterstützung im häuslichen Bereich wenig relevant. Und er ist mit einem Preis von 300 bis 400 EUR brutto pro Quadratmeter Kollektorfläche deutlich preiswerter als der Vakuumröhrenkollektor. Kernstück des Kollektors ist der Absorber. Seine Fläche ist je nach Ausführung aus Aluminium- oder Kupferblech gefertigt und wandelt an ihrer mit speziellem Glas abgedeckten Oberfläche die Sonnenstrahlung in Wärme um. Der Absorber ist oft mit einer PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) versehen, die die Wärmeausbeute bei gleichzeitiger Senkung der Abstrahlverluste erhöhen soll.
Vakuumröhrenkollektor
Beim Vakuumröhrenkollektor verteilt sich die Absorberfläche auf mehrere einzelne Röhrchen. In diesen befindet sich ein Vakuum. Dadurch geht deutlich weniger Wärme verloren. Die Röhren werden entweder direkt von der Solarflüssigkeit durchströmt oder es wird...