Was versteht man unter Solarthermie und wie funktioniert sie
Das direkte Umwandeln von Sonnenenergie in nutzbare thermische Energie wird unter dem Oberbegriff Solarthermie zusammengefasst. Dazu gehören Sonnenkollektoren, welche die Wärme der Sonne nutzen um Häuser zu heizen beziehungsweise um Wasser aufzuheizen. Großtechnisch gehören auch Sonnenwärmekraftwerke und Schmelzöfen, die über Spiegel Metalle schmelzen dazu. Photovoltaik, welche das Licht nutzt, um über chemisch-physikalische Reaktionen Strom zu erzeugen gehört nicht zur Solarthermie.
Physikalischer Hintergrund der Technik
Die Sonne ist ein großes Fusionskraftwerk, das Energie durch das Verschmelzen von Wasserstoff zu Helium freisetzt. Die Energie strahlt der Fixstern in Form von energetischen Strahlen ab. Ein Teil der Strahlung ist im sichtbaren Bereich, große Teile, auch die Infrarotstrahlen (Wärme) sind für Menschen nicht sichtbar. Im Tagesdurchschnitt treffen auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche 165 Watt.
Sonnenwärmekraftwerke und Schmelzöfen befinden sich weitgehend noch im Versuchstadium. In diesen Anlagen bündeln die Techniker meist Sonnenstrahlen über Spielgel um Dampf- oder Luftströmungen zu erzeugen, die Turbinen antreiben, welche elektrischen Strom herstellen.
Solarkollektoren sind dagegen heute schon ausgereift. Vereinfacht ausgedrückt erhitzt sich im Inneren der Kollektoren Wasser oder ein anderes Medium durch die Wärmstrahlung der Sonne, die auf die Außenflächen trifft. Dieses heiße Medium erwärmt über einen Wärmetauscher Wasser, welches in Heizungsanlagen für Wärme sorgt oder Trinkwasser für die Warmwasserversorgung erhitzt.
Verschiedene Arten der Kollektoren
Die Anlagen unterscheiden sich in erster Linie durch den Absorber, der die Wärme der Sonne absorbiert, also einfängt. Weitverbreitet sind Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren mit und ohne Reflektoren. Andere Systeme kommen wegen der sehr hohen Temperaturen, die im Betrieb entstehen im privaten Bereich nicht zum Einsatz.
Flachkollektoren sind dunkle Flächen, die viel Wärmeenergie absorbieren und diese gut leiten. Darunter befinden sich Röhren, in denen sich meist ein Wasser-Propylenglycol-Gemisch befindet. Diese gefriert erst wenn es kälter als -23 Grad Celsius wird und vergrößert dabei nicht sein Volumen. Reines Wasser würde die Röhren bei Frost sprengen. Das Medium siedet unter dem in den Kollektoren herrschenden Druck bei 150 Grad Celsius. Das System arbeiten in der Regel mit circa 80 Grad. Damit die eingefangene Wärme nicht entweicht, sind die Röhren in eine Dämmschicht eingebettet.
Vakuumröhrenkollektoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip, aber jede Röhre, in der sich das Medium befindet, ist mit einer zweiten Röhre umgeben. Zwischen diesen beiden Rohren befindet sich Vakuum. Dieses wirkt als Isolator.
Die Röhren lassen sich mit Reflektoren kombinieren, die das Licht gezielt auf die Rohre lenken. Dies erhöht die Effizienz zusätzlich.
Erwärmen von Heiz- und Brauchwasser
Eine Umwälzpumpe bewegt das Medium in den Röhren. Die heiße Flüssigkeit fließt zu einem Wärmetauscher. Dort winden sich Rohre in denen Wasser fließt um die heißen Röhren. Bei anderen Systemen verlaufen die Rohre, in denen sich das Medium befindet, in Wendeln durch einen Wassertank. Das Wasser wird wie durch einen großen Tauchsieder erhitzt. Das Medium kühlt sich in beiden Fällen ab, während sich das Wasser erwärmt. Anschließend fließt das Medium wieder zurück zum Kollektor.
Das Nutzen von Dachflächen, um Wärme zu gewinnen, ist heute Standard bei modernen Heizungsanlagen. In vielen Bundesländern besteht die Vorschrift, dass beim Tausch der Heizungsanlage mindestens 15 % der Wärme durch erneuerbare Energien entstehen. Solarthermie ist ein Weg diese Vorschrift zu erfüllen.