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Die Erde erhält von der Sonne rund 10.000 mal mehr Energie, als die Menschheit heute an Primärenergie (Kohle, Öl, Gas, Wasserkraft u. a.) verbraucht. Der Wasserstoff- d. h. Brennstoffvorrat reicht noch für weitere ca. 7 Milliarden Jahre. Solange menschliches Leben auf unserem Planeten denkbar ist, steht die Sonne also als Energiequelle zur Verfügung. Die unerschöpfliche Energie der Sonne können Sie nutzen: Eine richtig ausgelegte Solaranlage kann einen beachtlichen Anteil am Energieverbrauch decken. Damit wird auch die Umwelt ein Stück entlastet. Zum Nulltarif ist die Energie von der Sonne allerdings nicht zu haben – doch die Solartechnik ist im Vergleich zur konventionellen Energieversorgung zunehmend wettbewerbsfähiger. Aber wenn Ihre Anlage einmal in Betrieb ist, liefert sie Ihnen Energie, ohne dass Sie eine Rechnung erhalten – und damit sparen Sie gut und gerne 20 Jahre lang jede Menge Energiekosten. Gerade in privaten Haushalten kann die Solarthermie sehr gut zu einer umweltfreundlichen Energieversorgung beitragen: 75 % des Energiebedarfs der Haushalte entstehen durch die Raumheizung, weitere 13 % durch die Warmwasserbereitung. Ein Großteil dieser Energiemengen können mit entsprechenden Maßnahmen durch Solarthermie gedeckt werden.

Strom aus Sonne


Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Die einzige Gemeinsamkeit der Photovoltaik (solare Stromerzeugung) mit der Solarthermie (solare Wärmeerzeugung) besteht darin, dass beide die Sonne als Energiequelle nutzen. Photovoltaik-Anlagen erzeugen geräuschlos und ohne Schadstoffemissionen Strom aus Sonnenenergie. Während ihrer Lebensdauer von über 20 Jahren erzeugen Photovoltaik-Anlagen etwa vier bis acht Mal so viel Energie, als für ihre Herstellung benötigt wird. Als Richtgröße gilt, dass eine Photovoltaik-Anlage mit einer Leistung von einem Kilowatt einen Jahresertrag von circa 850 bis 950 Kilowattstunden liefert. Dies entspricht einer Solarmodulfläche von acht bis zehn Quadratmetern. Eine vierköpfige Familie verbraucht etwa das Fünffache an Strom im Jahr.
Wenn ein Stromnetz vorhanden ist, werden in der Regel netzgekoppelte Anlagen eingesetzt. Sie bestehen aus einem Solargenerator und einem Wechselrichter. Der Solargenerator besteht aus einzelnen Solarmodulen. Der Solargenerator wandelt die auftreffende Sonnenstrahlung mit einem Wirkungsgrad von circa 10 bis 16 Prozent je nach Zellentyp direkt in Gleichstrom um. Einzelne Module werden miteinander zu Strängen verschaltet.
Die meisten marktgängigen Module enthalten scheibenförmige Solarzellen aus Silizium, welches der Solarzelle ein perlmuttartiges Aussehen verleiht. Solarmodule werden meist mit Rahmen angeboten, für Dach– und Fassadenintegrationen auch als rahmenlose Laminate. Es gibt auch sog. Solardachziegel, die anstatt der konventionellen Dacheindeckung angebracht werden können. Photovoltaik-Module übernehmen neben der Stromerzeugung weitere Funktionen wie Witterungsschutz, Wärmeschutz, Sonnenschutz, Schallschutz, Sichtschutz, etc. Die einzelnen Solarmodule werden elektrisch miteinander verbunden. Über die Gleichstrom- Hauptleitung wird der Solargenerator mit dem Wechselrichter verbunden. Dieser ist mit dem Zählerplatz verbunden. Im Zählerschrank wird ein zusätzlicher Einspeisezähler montiert. Alternativ hierzu kann auch ein (elektronischer) Zweirichtungszähler eingebaut werden – oder man beläßt einfach den bereits vorhandenen Zähler und betreibt diesen saldierend.

Achten Sie auf eine verschattungsfreie Montage der Solarmodule. Selbst der zeitweise Schatten kleiner Gebäudevorsprünge, dünner Äste oder von Telefonleitungen beeinträchtigen den möglichen Anlagenertrag. Die Ursache dafür ist, dass in einem Solarmodul die Solarzelle mit der geringsten Bestrahlung den Stromertrag bestimmt.

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz verpflichtet die Betreiber von öffentlichen Stromnetzen, den Solarstrom zu vergüten, das heißt, er kauft Ihnen den erzeugten Strom ab. Die Grundvergütung beträgt 42,8 Cent pro ins Netz eingespeiste kWh, garantiert für einen Zeitraum von 20 Jahren. Über das sogenannte Vorschaltgesetz erhalten Sie weitere Zuschläge von 11,7 Cent/kWh bei Dachinstallation und 16,7 Cent/kWh bei Fassadeninstallation.


Wie funktioniert eine thermische Solaranlage?

Die wesentlichen Bestandteile einer thermischen Solaranlage sind der Kollektor, der Speicher und die Regelung. Der Kollektor wird typischerweise auf dem Hausdach montiert. Er sammelt die Sonnenstrahlen und wandelt sie in Wärme um. Abweichungen von seiner optimalen Südausrichtung bis 45 Grad nach Osten oder Westen fallen dabei kaum ins Gewicht. Kollektor und Speicher sind durch gut wärmegedämmte Rohrleitungen miteinander verbunden, in denen ein Wärme-trägermedium aus Wasser und Frostschutzmittel im Kreis gepumpt wird. Die Regelung sorgt dafür, dass die Pumpe in den richtigen Momenten ein bzw. wieder ausgeschaltet wird. An schönen Sommertagen können sehr hohe Temperaturen im Speicher erreicht werden. Um zu vermeiden, dass der Speicher zu heiß wird oder sogar kocht, ist im Solarregler eine obere Abschalttemperatur einstellbar, z.B. 90 Grad Celsius. Hat der Speicher diese Abschalttemperatur erreicht, schaltet die Regelung die Solarkreispumpe ab. Die Anlagen sind so konstruiert, dass sie auch bei starker Sonneneinstrahlung und abgeschalteter Solarkreispumpe problemlos im Stillstand verharren können. Im Winter ist die Sonneneinstrahlung häufig nicht ausreichend, um den Speicher bis auf die Brauchwassertemperatur zu erwärmen. Damit trotzdem immer genügend Warmwasser zur Verfügung steht, kann der obere Teil des Speichers über einen zweiten Wärmeüberträger von einer konventionellen Heizung erwärmt werden. Energieeinsparung durch eine Solaranlage.


Auslegung einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung

Für die Auslegung einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung sind der Warmwasserverbrauch, die gewünschte Warmwassertemperatur – in der Regel 45°C- und das Einstrahlungsangebot der Sonne entscheidend. Um dem Zwiespalt aus dem Wunsch nach möglichst hohen solaren Beiträgen und der Vermeidung großer Überschusswärme im Sommer zu begegnen, hat sich in Deutschland folgende Strategie durchgesetzt: Die Solaranlage wird so dimensioniert, dass in der Zeit außerhalb der Heizperiode eine möglichst vollständige Deckung des Wärmebedarfs erzielt wird. Das Ziel ist, den Heizkessel außerhalb der Heizperiode möglichst vollständig abzuschalten. In der Übergangs- und Winterzeit beschränkt sich die Solaranlage auf eine Vorwärmung des Brauchwassers. Die fehlende Energie wird dann von der konventionellen Heizung geliefert. Für Ein- und Mehrfamilienhäuser gilt bei einem durchschnittlichen täglichen Warmwasserbedarf von ca. 40 - 50 Liter pro Person folgende Daumenregel: Die Kollektorfläche pro Person sollte 1,2 - 1,3 m2; bei Flachkollektoren bzw. 0,8 – 1 m2; mit Vakuumröhrenkollektoren betragen und das Speichervolumen ca. 50 - 60 l pro m2; Kollektorfläche. Für einen vierköpfigen Haushalt ergeben sich damit 4 - 6 m2; Kollektorfläche und ein Speichervolumen von ca. 300 Litern. Eine nach diesen Vorgaben ausgelegte Solaranlage erreicht eine anteilige jährliche Energieeinsparung von ca. 60 % bei der Brauchwassererwärmung und produziert nur geringe Wärmeüberschüsse im Sommer.


Welcher Kollektortyp für welchen Einsatz?

Man unterscheidet zwei Typen von Kollektoren: den Flachkollektor und den Vakuumröhrenkollektor. Die Umwandlung erfolgt unabhängig vom Typ des Kollektors auf dem Absorber. Der Absorber wandelt Solarstrahlung in Wärme um, die dann vom Wärmeträger aufgenommen und abtransportiert wird. Der Wärmeträger strömt hierbei entweder durch in den Absorber eingearbeitete Kanäle oder durch unter dem Absorberblech angebrachten Rohre. Beim Flachkollektor liegt der Absorber in einem Gehäuse. Die Rückseite und die Seitenwände des Gehäuses sind wärmegedämmt. Um den Absorber vor Umwelteinwirkungen zu schützen und die frontseitigen Wärmeverluste zu minimieren, ist der Kollektor mit einer transparenten Abdeckung versehen. Hier kommt meist ein besonderes Solarglas zum Einsatz, das möglichst viel der auftreffenden Solarstrahlung durchlässt (hoher Transmissionsgrad).
In den einzelnen Röhren des Kollektors herrscht nahezu ein Vakuum. Durch die fehlende Luft können keine Verluste zwischen dem heißen Absorber und der kalten Glasröhre auftreten. Bei Vakuumröhrenkollektoren sind hauptsächlich zwei Typen zu unterscheiden, der Vakuumröhrenkollektor mit direkt durchströmter Röhre und der Vakuumröhrenkollektor mit Wärmerohr („heatpipe“). Beim direkt durchstömten Absorber fließt der Wärmeträger wie beim Flachkollektor durch ein im oder am Absorber angebrachtes Rohr. Die Rohre sind entweder als U-Rohr oder als Rohr-im- Rohr („Koaxialrohr“) ausgebildet. Der Wirkungsgrad eines Kollektors gibt an, welcher Anteil der auftreffenden Solarstrahlung vom Kollektor in nutzbare Wärme umgewandelt werden kann. Welcher Kollektortyp nun am sinnvollsten ist hängt in erster Linie vom benötigten Temperaturniveau ab. Zur Schwimmbaderwärmung, – hier werden Temperaturen bis maximal 35°C benötigt – bietet sich der unabgedeckte Absorber an. Er ist preiswert und besitzt aufgrund der nicht vorhandenen Glasscheibe den höchsten optischen Wirkungsgrad. Für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung finden sowohl die Flachkollektoren als auch die Vakuumröhren-kollektoren Anwendung.

Die Flachkollektoren haben hierbei gegenüber den Vakumröhrenkollektoren den Vorteil des günstigeren Preises. Dafür sind die Vakuumröhrenkollektoren meist effektiver in der Nutzung der Sonnenenergie, d. h. es genügt eine geringere Fläche, um den gleichen solaren Ertrag zu erhalten wie mit Flachkollektoren. Für welchen Kollektortyp man sich hier entscheidet, hängt neben der Betrachtung der Kosten meist vom persönlichen Ästhetikempfinden ab.


Die Anlagenkomponenten

Für den Betrieb einer Solaranlage reicht der herkömmliche Speicher der Heizungsanlage nicht mehr aus. Zum einen muss das Speichervolumen größer sein, um genug warmes Wasser für 1 – 2 Tage speichern zu können. Zum anderen ist ein weiterer Wärmeüberträger im Speicher nötig, so dass die im Kollektor gewonnene Energie in den Speicher eingebracht werden kann. Wichtig sind eine gute Wärmedämmung sowie eine Bauform, die eine gute Temperaturschichtung im Speicher unterstützt (hoch und schlank).
Merkmal dieses Speichers ist, dass er Brauchwasser als Speichermedium enthält. Um einwandfreie hygienische Bedingungen zu garantieren, kommen hier entweder Edelstahltanks oder mit Emaille oder Kunststoff beschichtete Stahltanks zum Einsatz. Die solar gewonnene Wärme wird über einen Wärmeüberträger im unteren Teil des Speichers eingebracht. Im oberen Speicherteil befindet sich ein weiterer Wärmeüberträger, über den der Bereitschaftsteil (etwa das obere Speicherdrittel) durch die Nachheizung auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann. Dies garantiert eine Versorgungssicherheit mit warmem Wasser auch bei einem nicht ausreichenden Solarenergieangebot. Mit Hilfe von Kombispeichern kann sowohl die Brauchwassererwärmung als auch die Raumheizung mit nur einem Speicher solar unterstützt werden. Der Solarregler ist das Gehirn der Solaranlage. Er bestimmt, wann die Solarkreispumpe läuft und wann nicht. Ein einfacher Regler schaltet nur abhängig von Kollektor- und Speichertemperatur die Solarkreispumpe an und aus. Komfortablere Regler bieten diverse weitere Möglichkeiten, wie Temperaturanzeigen, Überhitzungsschutzfunktionen, Fehlerdiagnose, die temperaturabhängige Einspeisung in verschiedene Speicher, Heizungsunterstützung, usw. an. Der Übergang zu Anlagen, die die komplette Wärmeversorgung für das gesamte Haus regeln, ist fließend. Teilweise sind die Regler heute in die so genannten „Solarstationen“ integriert. Diese vereinen in sich die Solarkreispumpe, Temperatur-, Druck- und Durchflussanzeigen und eventuell einen Wärmemengenzähler. Pumpengruppe mit Regelung und Ausdehnungsgefäß („Solarstation“)


Thermische Solaranlagen zur Unterstützung der Raumheizung

In den letzten Jahren gewinnt die aktive Nutzung der Solarenergie zur Heizungsunterstützung zunehmend an Bedeutung. Ein Vergleich des Wärmebedarfs eines Gebäudes mit dem Strahlungsangebotes zeigt, dass die Sonnenenergie prinzipiell für die Brauchwassererwärmung und Raumheizung genutzt werden kann. Für Solaranlagen zur kombinierten Brauchwassererwärmung und Raumheizung – sog. Kombianlagen – empfiehlt sich ein nach Süden ausgerichteter Kollektor mit einem Anstellwinkel (Winkel zwischen der Horizontale und Kollektorebene) von mindestens 40°. Um die Solaranlage effektiv zur Heizungsunterstützung einsetzen zu können ist es wichtig, dass die Heizung des Gebäudes auf einem möglichst niederen Temperaturniveau betrieben wird. Am besten eignen sich Heizungen wie z. B. Fußbodenheizungen oder Heizungen von Gebäuden, die mit einer sehr guten Wärmedämmung versehen sind. Es hat sich als sinnvoll erwiesen, pro m2; Kollektorfläche ein Speichervolumen von ca. 60 – 90 Liter einzusetzen. Mit relativ kleinen Kombianlagen mit einer Kollektorfläche von etwa 10 m2; und einem Speichervolumen vom ca. 700 Litern können neben der Warmwasserbereitung ca. 20 % der zur Wärmeversorgung des Gebäudes benötigten Energie eingespart werden. Entsprechende Kombianlagen werden in Deutschland bereits von einer Vielzahl von Herstellern angeboten.