Solarthermie

Mehr als das zehn-tausendfache unseres täglichen Bedarfs an Energie lässt die Sonne mittels ihrer Strahlung auf die Erde einwirken, Tag für Tag. Solarenergie besitzt das mit Abstand größte Potenzial aller erneuerbaren Energien. Dabei ist die Solarthermie die direkteste Art der Energiegewinnung und auch der Speicherung, dazu noch so einfach, das sie bereits in der Antike von verschiedenen Hochkulturen unabhängig voneinander genutzt wurde.

Die Funktion einer Solarthermie

Im Grunde ist es ein Phänomen, dass vermutlich jeder schon einmal auf die eine oder andere Weise bemerkte. Oberflächen, die der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, erwärmen sich je nach Material und Beschichtung unterschiedlich stark. Schwarze oder dunkle Flächen stärker als helle Oberflächen. Das hängt mit der Absorption der Wärmestrahlung zusammen, die bei dunklen Flächen besser funktioniert. Dunkle Flächen können schlicht mehr Energie aufnehmen. Dies wird in der Solarthermie verwendet, um den Nutzungsgrad verschiedener solarthermischer Anlagen zu erhöhen. Die dunkle Oberfläche ist aber nur ein Punkt. Der zweite wichtige Punkt in der Solarthermie ist das Medium, in dem die aufgenommene Wärmeenergie zwischengespeichert wird. Von einer starren und unbeweglichen Oberfläche lässt sich die Wärme der Sonnenstrahlen nur schwer „anzapfen“. Folglich wird etwas benötigt, das entsprechend flexibel ist und sich gut transportieren lässt. Beispielsweise Flüssigkeiten oder Gase. In der einfachsten Form funktioniert Solarthermie in der Weise, das eine dunkle Oberfläche durch Sonneneinstrahlung erwärmt wird, ein sich dahinter oder darin befindliches Medium wie Wasser wiederum über die Oberfläche erhitzt und der direkten Nutzung zugeführt beziehungsweise gespeichert wird.
Aus diesem Prinzip haben sich gerade in den letzten Jahrzehnten verschiedene Systeme der Solarthermie entwickelt, die dazu dienen, die Wärmeenergie der Sonne direkt zu nutzen, etwa zum Beheizen von Wohnungen oder zur Warmwasseraufbereitung. Übrigens dürfen Systeme der Solarthermie nicht mit denen der Photovoltaik, zur Erzeugung elektrischen Stromes, verwechselt werden.

Die Flachkollektoren

Eines dieser Systeme ist der Flächen- oder Plattenabsorber, einfacher ausgedrückt ein Flachkollektor. Dabei handelt es sich um eine große ebene Fläche, die sich aus mehreren funktionalen Bestandteilen aufbaut. Dazu gehört das Solarglas, das direkt der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist und dafür sorgt, das die kurzwellige Einstrahlung der Wärmeenergie aufgenommen und möglichst wenig davon wieder zurückgestrahlt wird. Dahinter liegt der eigentliche Plattenabsorber, in der Regel ein Kupferblech, das je nach Fertigungstechnik dunkel eingefärbt ist oder bei modernsten Anlagen eine bläulich wirkende Beschichtung auf Titanbasis besitzt. Unter dem Plattenabsorber befindet sich das sogenannte Kupferregister, das durch verschiedene Schweiß- oder Löttechniken direkt mit dem Absorber verbunden ist. In diesem Kupferregister, eigentlich eine Verrohrung ähnlich der einer Fußbodenheizung, zirkuliert das Speichermedium. Üblicherweise handelt es sich hierbei um mit Additiven versetztes Wasser. Als letzte Schicht innerhalb des Flachkollektor folgt die Wärmedämmung, die den in einer solarthermischen Anlage vorherrschenden Temperaturen entsprechen muss. Immerhin können dies je nach Sonnenintensität weit über hundert Grad sein. Darum werden zur Wärmedämmung beispielsweise Mineralwolle oder Schaumglas verwendet. Letztlich bleibt noch das Gehäuse, in das alle Elemente des Flachkollektor eingebettet sind, wobei je nach Ausführung verschiedene Materialien wie Aluminium oder auch Holz eingesetzt wird. Bezüglich ihrer Effektivität zeichnen sich Flachkollektoren durch ein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis aus und finden aufgrund dessen gerade in Gegenden mit intensiver Sonneneinstrahlung vermehrt ihren Einsatz. In südlichen Ländern besitzt die exakte Ausrichtung zur Sonne hin keine so hohe Priorität wie in mittleren bzw. nördlichen Breitengraden, zudem lassen sich Flachkollektoren mit relativ einfachen Mitteln fertigen.

Der Vakuumröhrenkollektor

Technisch wesentlich aufwendiger ist der Vakuumröhrenkollektor , der dafür aber auch eine wesentlich höhere Wärmeausbeute erzielt und sogar zur Erzeugung industrieller Prozesswärme eingesetzt wird.
Das Grundprinzip des Vakuumröhrenkollektor basiert auf dem der herkömmlichen Thermoskanne. Hierbei wird ein kleineres Glasrohr in eines mit einem größeren Durchmesser geschoben und darin mittig fixiert. Die äußere Glasröhre wird zur inneren Röhre luftdicht abgeschlossen und die darin befindliche Luft abgesaugt. Das nun bestehende Vakuum verhindert einerseits die Rückstrahlung der einfallenden Sonnenenergie und sorgt für eine verbesserte Durchleitung der kurzwelligen Strahlen im Sonnenlicht. Zudem sorgt die gewölbte Oberfläche des Röhrenkollektor für einen breiteren Einstrahlwinkel der Sonne gegenüber von Flachkollektoren.
Während ältere Röhrenkollektoren aus zwei verschiedenen Glasröhren bestanden, die mit einem Dichtungsmaterial zueinander versiegelt wurden, bestehen moderne Systeme aus miteinander verschmolzenen Glaskolben, die weniger anfällig für Spannungsrisse und damit dem Vakuumverlust sind.
Die innere Glasröhre beinhaltet das Speichermedium, wiederum meist ein Gemisch aus Wasser und Glykol, und ist bei neueren Systemen innen beschichtet sowie bei älteren Anlagen zur Hälfte von einem Spiegelblech umgeben, um die sogenannte Streustrahlung der Sonne gezielt in den Glaskolben zu lenken.
Vakuumröhrenspeicher werden sowohl als Drucklosspeicher wie auch als Druckspeicher ausgeführt. Der Unterschied liegt im Einsatz einer Pumpe, die das Medium bei Druckspeichern zirkulieren lässt, hingegen drucklose Systeme einfach mit der Ausdehnung des erwärmten Wassergemisches arbeiten. Hier muss der Pufferspeicher immer oberhalb des Kollektor angebracht sein, während bei Druckspeichern mit einer angeschlossenen Pumpe der Platz des Pufferspeichers frei gewählt werden kann. Bei beiden Systemen muss auf jeden Fall ein Sicherheitsventil vorhanden sein, um einen Überdruck zu vermeiden. Drucklosspeicher werden aufgrund ihrer einfacheren Handhabung und dem stromlosen Betrieb gerne in südlichen Ländern zur Warmwasserbereitung eingesetzt.

Der Solarspeicher / Pufferspeicher

Das in solarthermischen Anlagen genutzte Speichermedium aus Wasser und Glykol wird nicht direkt zum Gebrauch genutzt, etwa in Heizkörpern oder in der Dusche, sondern dieses durch die Kollektoren erhitzte Gemisch wird in den Solarspeicher oder Pufferspeicher geleitet und erwärmt hier das eigentliche Brauchwasser. Der Pufferspeicher ist ein gut isolierter Behälter mit unterschiedlichem Volumen, entsprechend der Größe der Solarkollektoren. Auf der einen Seite wird aus den Flachkollektoren oder den Vakuumröhrenkollektoren das Wasser-Glykol-Gemisch in einer Spirale durch den Pufferspeicher geführt, es besteht also ein geschlossener Kreislauf. Auf der anderen Seite wird dem Pufferspeicher herkömmliches Leitungswasser zugeführt, das die im inneren befindliche Spirale mit dem heißen Wasser-Glykol-Gemisch umspült und sich so ebenfalls erwärmt. Erst dieses nun erwärmte Leitungswasser dient zu Heizzwecken oder zum Duschen bzw. Baden. Je nach Ausgestaltung kann der Pufferspeicher direkt an die Heizungsanlage angeschlossen sein und so in nördlichen Gegenden zur Ergänzung dienen. Gerade in den Sommermonaten genügt das über den Solarkollektor erwärmte und im Pufferspeicher zur Verfügung stehende Brauchwasser in einem herkömmlichen Haushalt vollkommen zur Befriedigung aller Bedürfnisse wie Duschen oder Baden. In der kalten Jahreszeit kann die Solarthermie die Heißwasserproduktion unterstützen. Wer das Glück hat, in südlichen Gefilden zu leben, in denen zum Unterhalt einer Heizungsanlage keine Notwendigkeit besteht, kann mit einer solarthermischen Anlage ohne Probleme seinen gesamten Heißwasserbedarf befriedigen. Nicht wenige Betreiber von Hotels oder Pensionen beheizen über die Solarthermie sogar ihre Schwimmbäder.

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