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Solarthermie

Definition: die Gewinnung von Wärme aus der Sonneneinstrahlung

Englisch: solar heat

Kategorien: erneuerbare Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.06.2010; letzte Änderung: 03.05.2019

Der Begriff Solarthermie bezeichnet die thermische Nutzung von Sonnenenergie, d. h. die Nutzung der Sonneneinstrahlung für die Erzeugung von Wärme. Sie dürfte zukünftig eine wesentliche Rolle bei der Realisierung einer Wärmewende als Teil der Energiewende spielen. Wenn zumindest ein Teil der Wärmemenge, die beispielsweise für Heizzwecke und Warmwasser benötigt wird, durch Solarthermie gewonnen wird, ist dies einerseits ein Beitrag zum Klimaschutz und dient andererseits der Erhöhung der Kostensicherheit, d. h. der Verminderung der wirtschaftlichen Verwundbarkeit durch Preissteigerungen bei fossilen Energieträgern.

Solarthermie in Gebäuden

Besonders gebräuchlich ist die Solarthermie in Form der solaren Warmwasserbereitung mit Sonnenkollektoren. Oft wird aber auch eine etwas größere Anlage für die solare Heizungsunterstützung realisiert. Dies erlaubt die Deckung eines wesentlich höheren Anteils des jährlichen Wärmebedarfs (z. B. 20 %).

Die Realisierung einer Solarheizung, die den größten Teil des jährlichen Wärmebedarfs deckt (z. B. 80 %), ist wesentlich aufwendiger. Dieses Konzept funktioniert nur in Verbindung mit einem durch sehr gute Wärmedämmung massiv reduzierten Heizwärmebedarf. Es wird ein großer saisonaler Wärmespeicher benötigt, der z. B. in das Gebäude integriert werden kann.

thermische Solaranlage
Abbildung 1: Eine thermische Solaranlage mit Sonnenkollektoren für die solare Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. Bild: Hans Hauri.

Es gibt auch Solar-Wärmepumpen-Systeme, bei denen Solarthermie mit einer Wärmepumpe kombiniert wird, um den Primärenergie eines Wärmepumpensystems zu reduzieren oder auch überhaupt eine für die Wärmepumpe nutzbare Wärmequelle zu erhalten. In der Regel erfordert der Betrieb einer Wärmepumpe eine zusätzliche Quelle von Exergie – beispielsweise elektrische Energie, die aus Windenergie, mit Photovoltaik und Wasserkraft gewonnen wird. Wenn ein wesentlicher Teil der benötigten Wärmemengen mithilfe eines Brennstoffs gewonnen wird, kann die damit gewonnene Wärme auf einem hohen Temperaturniveau erzeugt werden, um damit eine Absorptionswärmepumpe zu betreiben. Auf diese Weise wird die Exergie des Brennstoffs besser genutzt, und zwar dazu, die Energieausbeute der Sonnenkollektoren deutlich zu erhöhen.

Große Solarthermie

Eine besonders wirtschaftliche Möglichkeit der Nutzung von Sonnenwärme stellt die sogenannte große Solarthermie dar. Hier werden große Felder von Sonnenkollektoren genutzt, deren Gesamtfläche bei vielen tausend Quadratmetern liegen kann. Dieser Maßstab erlaubt nicht nur eine kostengünstigere Gewinnung von solarer Wärme, sondern erleichtert auch wesentlich die Wärmespeicherung, die für die Erhöhung des solaren Anteils an der jährlichen Wärmeerzeugung unabdingbar ist. Die Wärmeausbeute der Kollektoren ist nämlich in der Regel in den warmen Monaten am höchsten, in denen der Wärmebedarf am geringsten ist. Die dann überschüssige Wärme wird in einen saisonalen Energiespeicher geleitet und für die spätere Nutzung aufbewahrt. Solche Speicher sind im Kleinstmaßstab für einzelne Gebäude kaum rentabel realisierbar, im großen Maßstab jedoch schon, allein schon weil dort das Verhältnis von Oberfläche und Volumen viel günstiger ist. Beispielsweise kommen einfach gebaute Erdbeckenspeicher zum Einsatz.

Die im Rahmen der großen Solarthermie gewonnenen Wärmemengen dienen der Versorgung beispielsweise ganzer Wohnviertel. Die einzelnen Gebäude sind dabei durch ein Fernwärme- oder Nahwärmenetz verbunden, welches dem Transport der Wärme dient. In vielen Fällen wurde ein solches Wärmenetz zunächst mit fossilen Energieträgern betrieben und dann zumindest teilweise auf erneuerbare Energie umgestellt. In ein Wärmenetz können auch andere Anlagen integriert werden, beispielsweise für die Kraft-Wärme-Kopplung oder für die Erzeugung negativer Regelenergie mithilfe von Elektrodenheizkesseln.

Die große Solarthermie ist keineswegs eine nur für südliche Länder geeignete Form der Nutzung erneuerbarer Energie. Sie wird insbesondere auch in nördlichen Ländern wie Schweden und Dänemark bereits in erheblichem Umfang genutzt. Ihre Wirtschaftlichkeit dürfte der völlig dezentralen Nutzung der Solarthermie in einzelnen Häusern in der Regel klar überlegen sein. Ein Nachteil liegt allerdings darin, dass ein Wärmenetz gebraucht wird, welches bei der ursprünglichen Erschließung eines Wohngebiets oft nicht vorgesehen wurde und deswegen nur relativ kostspielig nachträglich errichtet werden kann. Außerdem werden für die Sonnenkollektoren oft zusätzliche Flächen benötigt, da man nicht ohne Weiteres ohnehin vorhandene Dachflächen nutzen kann; hierfür würden wesentlich mehr Leitungen benötigt als für große Kollektorfelder.

Prozesswärme

Prozesswärme für verschiedene industrielle Prozesse kann mit Sonnenkollektoren in der Form von Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren erzeugt werden, soweit kein allzu hohes Temperaturniveau benötigt wird. Im Vergleich zur Nutzung im Haus ergeben sich mehrere wichtige Vorteile:

  • Der Wärmebedarf ist oft das ganze Jahr über ähnlich hoch, während er bei Heizungen im Sommer sehr viel geringer ist.
  • Die Anlagengröße liegt in einem Bereich, wo die spezifischen Kosten deutlich niedriger sind.
  • Auch Wärmespeicher lassen sich in der Größenordnung besser realisieren.

Es ist deswegen z. B. in Deutschland und in Dänemark möglich, solare Prozesswärme für deutlich unter 5 ct/kWh herzustellen, was auch bei heutigen Brennstoffkosten in etwa konkurrenzfähig ist. Solare Wärme kann auch in Fernwärme- und Nahwärmenetze eingespeist werden.

Für höhere Temperaturen bis zu mehreren hundert Grad Celsius kann konzentrierende Solarthermie eingesetzt werden, z. B. mit Parabolrinnenkollektoren. Hierbei ist allerdings nur die direkte Sonneneinstrahlung nutzbar, weswegen die Ausbeute bei ungünstigem Wetter schneller einbricht als mit nicht konzentrierenden Kollektoren. Außerdem ist die Nachführung (automatische Ausrichtung auf die Sonne) hier unentbehrlich.

Bisher werden die Möglichkeiten für die solare Prozesswärmeerzeugung in Deutschland noch kaum genutzt. Das längerfristige Potenzial dürfte über 10 % des gesamten Prozesswärmebedarfs sein und somit bei über 10 Terawattstunden pro Jahr liegen.

Jahresarbeitszahl bei Solarthermie

Solarthermische Anlagen brauchen eine gewisse Menge elektrischer Energie, insbesondere für den Betrieb von Umwälzpumpen und die elektronische Steuerung. Dieser Energieaufwand ist allerdings in aller Regel sehr gering im Vergleich zur Menge der gewonnenen Wärme. Die Energieeffizienz von Anlagen kann durch die Jahresarbeitszahl beziffert werden, d. h. durch das Verhältnis der in einem Jahr gewonnenen Wärmemenge zu der diesem Zeitpunkt verbrauchten elektrischen Energie. Auch kleine Anlagen können ohne weiteres Jahresarbeitszahlen in der Größenordnung von 20 bis 30 erreichen; mit konsequenter Optimierung (z. B. mit hocheffizienten Umwälzpumpen) sind selbst Werte in der Größenordnung von 100 möglich.

Solarthermische Kraftwerke

Es gibt solarthermische Kraftwerke, die solare Wärme für den Betrieb von Wärmekraftmaschinen und schließlich für die Erzeugung elektrischer Energie nutzen. Eine häufig verwendete Bauart ist die des Parabolrinnenkraftwerks (Abbildung 2). Außerdem gibt es Kraftwerke mit einem Absorber auf einem Turm, auf den viele Spiegel gerichtet werden.

Parabolrinnen-Kraftwerk
Abbildung 2: Montage des Parabolrinnen-Kraftwerks Nevada Solar One bei Boulder City. Siemens-Pressebild.

Nicht zur Solarthermie gehört die Photovoltaik, die der Erzeugung elektrischer Energie ohne den Zwischenschritt über die Wärmeerzeugung dient. Da jedoch die Kosten bei der Photovoltaik stark gesunken sind, wird die Photovoltaik inzwischen auch für die Erzeugung von Wärme (vor allem auch bei höheren Temperaturen) interessant – sowohl mit Verwendung einer Wärmepumpe als auch in einfachen elektrischen Heizelementen (z. B. Elektroheizstäben).

Der Artikel über Photovoltaik enthält am Ende einen Abschnitt über den Vergleich von Photovoltaik mit Solarthermie. Es gibt auch die Verbindung beider Konzepte im photovoltaisch-thermischen Solarkollektor (Hybridkollektor).

Literatur

[1]Solar Toolbox (http://www.solartoolbox.ch/simulation) von Solar Campus zur Simulation des solaren Deckungsgrads von Sonnenkollektoranlagen für die Warmwasserbereitung mit und ohne Heizungsunterstützung
[2]Elmar Bollin, Klaus Huber und Dirk Mangold, “Solare Wärme für große Gebäude und Wohnsiedlungen”, BINE-Fachbuch, http://www.bine.info/presse/pressemitteilungen/archiv/pressemitteilung/die-sonne-im-grossen-stil-nutzen/
[3]Ralf Radloff, Wärmewende-Info, http://www.aktivregion-shs.de/entwicklungsstrategie/waermewende-aktivregion.html

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Sonnenkollektor, Sonnenenergie, Wärmewende, solare Warmwasserbereitung, solare Heizungsunterstützung, Thermosiphonanlage, Solarheizung, Solarspeicher, Solar-Wärmepumpen-System, Prozesswärme, solarthermisches Kraftwerk
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

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Kommentare von Lesern

08.02.2019

Meine Erfahrung mit dem Sonnenkollektor aus 40 Jahren im Einfamilienhaus ist, dass er sehr wohl in der Sommerperiode den gesamten Brauchwasserbedarf einschließlich Wasch- und Spülmaschinenanschluß deckt. Wir schalten die Heizung in der Zeit von ca. Mai bis Oktober komplett ab.

Schon 1980 (Installation des Kollektors, der nach Wärmerohr-Prinzip arbeitet) hieß es, das sei viel zu teuer. Dem widerspricht eine nun fast 40-jährige Nutzungsdauer.

Es ist auch eine Frage der Auslegung, also Verhältnis von Kollektorleistung zu WW-Menge.

Antwort vom Autor:

Gratulation, Sie haben es offenbar richtig gemacht!

28.03.2019

Gibt es irgendeine vernünftige Idee, was man mit der anfallenden Wärmemenge während des Sommers machen könnte? Gerade im Sommer könnte aus Sonnenkollektoren sehr viel Wärme gewonnen werden, die Wärme wird im Haus aber nicht gebraucht. Im Sommer ist das benötigte Brauchwasser meist schon noch einstündigem Betrieb der Sonnenkollektoren erwärmt den Rest eines heißen Sommertags steht die Anlage, weil der Puffer schon bei 80-90°C voll ist.

Ich habe eine Scheune, vielleicht könnte dort ein “großer” Puffer platziert werden. Andere Idee: einen Stirlingmotor oder eine Turbine zur Stromerzeugung nutzen? Oder ganz andere Ideen?

Antwort vom Autor:

Leider ist es schwierig, Wärmeüberschüsse im Sommer zu nutzen. Es gibt zwar saisonale Speicher, mit denen sich die Wärme über längere Zeiten speichern lässt, aber diese sind nur bei großen Speichervolumina praktikabel – also für Fernwärmesysteme, bei denen ein wesentlicher Teil der Wärme solar erzeugt wird. Für einzelne kleine Gebäude funktioniert dieser Ansatz also leider nicht.

Die Idee mit dem Stirlingmotor funktioniert auch nicht, da die Temperaturen hierfür wesentlich zu niedrig sind. Da ist kein vernünftiger Wirkungsgrad für die Stromerzeugung möglich. Zudem lässt sich so ein Gerät kaum amortisieren, wenn es nur eher selten mal arbeiten kann.

Die beste Antwort ist also wohl die, dass Solarthermie am besten nicht in Kleinstanlagen, sondern im Zusammenhang mit Fernwärme oder Nahwärme nutzbar ist. Der ergeben sich oft auch recht geringe Kosten.

15.04.2019

Vielen Dank, Herr Paschotta, für Ihre Antwort zu meiner Frage vom 28.03.2019.

Ich habe ein wenig gerechnet:

Bei einer Temperatur von 80 °C im Kollektor und einer Kühlwassertemperatur von 20 °C erhält man nach der Formel η = (Tmax - Tmin) / Tmax (T in Kelvin) aus der Thermodynamik einen maximalen Carnotschen Wirkungsgrad von nur 17 %.

Das hört sich nach wenig an, aber im Sommer leistet z.B. meine 25 m² große Kollektorfläche durchaus 10 bis 12 kW, dann wären 17 % knapp 2 kW. Bei einem Sommertag von 8 h wären das 16 kWh, und für 1 kWh berechnet mein Energieversorger derzeit etwa 24 Cent, das heißt pro Tag einen Ertrag von 3,84 €.

Die Rechnung ist zugegebenermaßen sehr grob, aber 3,84 € ist pro Tag wirklich nicht viel und ein Stirlingmotor oder eine Turbine mit allem drum und dran sind nicht gerade billig, da ist eine Amortisation (wie Sie geschrieben haben) auf jeden Fall schwierig.

Antwort vom Autor:

Dazu kommt noch, dass ein Stirling-Motor bei diesen Temperaturen sicherlich weit vom Carnot-Wirkungsgrad entfernt sein wird.

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