Solarthermie

In der Solarthermie wird die thermische Energie der Sonnenstrahlung nutzbar gemacht.

Passive Solarenergienutzung durch Glasfassade und Dachfenster, aktive Solarenergienutzung durch einen Großflächenkollektor

Bei der passiven Nutzung in der Architektur erwärmt die Sonne direkt, also ohne technische Apparate, ein Gebäude z. B. durch entsprechend ausgerichtete Fensterflächen oder durch sogenannte Transparente Wärmedämmung, bei der das Sonnenlicht die äußerste Dämmschicht durchdringen kann und so die dahinter liegende Mauer erwärmt.

Von aktiver Nutzung spricht man dann, wenn entsprechend konstruierte Absorberflächen Sonnenwärme sammeln und diese mit Hilfe eines Mediums z. B. zu einem Wärmespeicher transportiert wird. Im Haushalt findet die Sonnenwärme vorwiegend zur Erwärmung von Wasser und der Raumluft bzw. den Räumen Verwendung. In der Industrie ist darüber hinaus noch die Umwandlung in chemische Energie, elektrische Energie und mechanische Energie anzutreffen. Zunehmend werden solar betriebene Absorptionskältemaschinen für die Gebäudeklimatisierung eingesetzt.

Eine IEA-Studie im Jahr 2005 ermittelte einen weltweiten Energiebeitrag der Solarthermie von 70 Gigawatt. Eine typische Anwendung ist der Sonnenkollektor. Solarthermische Anwendungen sind umso effizienter, je mehr von der Sonneneinstrahlung tatsächlich absorbiert wird und je weniger der dabei entstehenden Wärme durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wärmeübertragung verloren geht. Um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, verfügen mittlerweile die marktüblichen Absorber von Sonnenkollektoren über eine selektive Beschichtung. Diese hat eine besonders hohe Aufnahmefähigkeit (Absorptionsgrad) für den Spektralbereich des Sonnenlichts, in dem die meiste Energie eingestrahlt wird, während die Abstrahlung infraroter Wärme-Strahlung durch einen geringen Emissionsgrad minimiert wird. Einfache schwarze Farbe nimmt dagegen Strahlung so gut auf, wie sie Wärmestrahlung abgibt.

Geschichte der Solarthermie

Ein Badgir (Windfänger) in Yazd, Iran.

Die Nutzung der Sonnenwärme wird traditionell auch zur Kühlung oder Trocknung von Nahrungsvorräten und zur Temperierung von Wohnräumen eingesetzt. Dies geschieht mit Hilfe einer bedarfsgerechten Architektur. In kalten Klimazonen sind Fenster und Türen bevorzugt auf der windabgewandten Seite des Hauses, aber möglichst in Richtung zur Mittagssonne hin orientiert. Die verwendeten Baustoffe sind gegen die Kälte gut dämmend. In heißen Klimazonen benötigt man Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung. Die traditionelle Islamische Architektur arbeitet darüber hinaus mit der Thermik, die durch die Sonnenenergie entsteht. Mit Hilfe von Windfängern, Kuppelbauten und Luftkanälen in den Außenmauern der Häuser kann die Temperatur durch die Luftbewegungen im Gebäude gesenkt werden. Dies gelingt, indem beispielsweise der Luftdruckunterschied zwischen Obergeschoss und Untergeschoss zur Zirkulation der Luft führt und so eine natürliche Klimaanlage entsteht. Ähnliche Problemlösungen sind in der Natur bei Termitenhügeln zu sehen.

Das weltweit erste Patent für eine Solaranlage wurde 1891 an den Metallfabrikanten Clarence M. Kemp aus Baltimore vergeben. Hierbei handelte es sich um einen einfachen Wärmekollektor für Warmwasser.

Heutige Verfahren der Solarthermie

In der Solararchitektur spielt die passive und aktive Nutzung der Sonnenenergie die zentrale Rolle. Wichtige Energiestandards sind: Niedrigenergiehaus, Passivhaus, Nullenergiehaus und Plusenergiehaus.

Passive Nutzung

Die Grundlagen der modernen passiven Nutzung der Solarthermie sind u.a. seit dem Alten Ägypten (1800 v. Chr.) und der Antike bekannt. Sie beruhen im Wesentlichen auf der Ausrichtung des Hauses bzw. der Architektur an der Sonneneinstrahlung, sowie dem überlegten Einsatz von Wärme speichernden und von wärmedämmenden Materialien.

Zur Erwärmung eines Hauses können z. B. ein Wintergarten, besonders große Fenster Richtung Süden oder eine wärmespeichernde Solarwand dienen. In Verbindung mit einer guten Wärmedämmung vermindert sich der Bedarf an zusätzlicher Heizungswärme stark. Eine durchdachte passive Nutzung der Sonnenenergie ermöglicht es auch in Mitteleuropa, beim Bau von Passivhäusern völlig auf eine "aktive" Heizungsanlage zu verzichten.

Da moderne Bürogebäude (beispielsweise in Frankfurt/Main: Commerzbank-Tower, Post Tower) heute oft eine verglaste Außenwand aufweisen, ist das vorrangige Problem dort ein Zuviel an Sonnenwärme. Hier können Spezialgläser helfen, welche die thermischen Strahlen der hoch stehenden Mittagssonne abblocken, aber transparent für eine im Winter oder in den Abendstunden niedrig am Horizont stehende Sonne sind. Oftmals ist auch ein Atrium mit Springbrunnen in der Mitte des Gebäudes, von unten über mehrere Stockwerke reichend, vorhanden, um eine kühlende natürliche Thermik zu erhalten (siehe auch Patio).

Aktive Nutzung

Die direkte Nutzung der Solarenergie in thermischen Solaranlagen geschieht über Sonnenkollektoren. Handelsübliche Kollektoren erreichen Wirkungsgrade zwischen 60 und 70 Prozent (einzelne Hersteller geben für bestimmte Modelle auch höhere Werte an). Das heißt, sie können bis zu 60 bis 70 Prozent der auf die Kollektorfläche auftreffenden Sonnenenergie in nutzbare Wärme umwandeln. In diesen Kollektoren wird meist ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch (Verhältnis 60:40) als Wärmeträgermedium verwendet. Durch den Zusatz von 40 Prozent Propylenglykol wird ein Frostschutz bis -23 °C und darunter ein Gefrieren ohne Volumenzunahme (keine Frostsprengung) erreicht, sowie eine Siedetemperatur, die je nach Druck 150 °C und mehr betragen kann. Bei höheren Temperaturen gehen viele Kollektoren in Stillstand und liefern keine Energie mehr. Die jährlich nutzbare Wärmeenergie, die ein Solarkollektor von 6 qm im privaten Wohnungsbau liefert, liegt bei ca. 2.100 Kilowattstunden (ca. 350 kWh/qm). Größere Kollektorflächen haben tendenziell niedrigere Nutzungsgrade, da der Wärmebedarf im Sommer oft nicht mit dem Angebot mitwächst. Die größere Fläche wird jedoch in den sonnenärmeren Zeiten benötigt.

Durch die Bündelung der Sonnenenergie mit Spiegeln, wie es in den meisten Sonnenwärmekraftwerken geschieht, können am Brennpunkt Temperaturen bis zu 1300 °C erzielt werden, die industriell gut nutzbar sind. Die hohen Energiekonzentrationen werden mit einem Dampfkraftwerk oder einem Stirlingmotor in mechanische Energie und anschließend mit einem Stromgenerator in elektrische Energie umgewandelt. Manchmal ist die gewonnene Solarenergie eine zusätzliche Energiequelle in einem konventionellen Kraftwerk. Aufgrund des notwendigen hohen Direktstrahlungsanteils ist diese Anwendung eher für südeuropäische Regionen sinnvoll. Mit dem Solarkraftwerk Andasol 1 wird zurzeit ein solches Kraftwerk in Andalusien gebaut.

Neben dem Endprodukt elektrischer Strom besteht noch die Möglichkeit, die thermische Energie in der Solarchemie zu nutzen. Ein für die solare Wasserstoffwirtschaft wichtiges Forschungsergebnis ist die kürzlich am DLR gelungene thermische Spaltung von Wasserdampf in Wasserstoff (siehe auch Wasserstoffherstellung). Mit Hilfe eines Katalysators konnte die für diesen Vorgang benötigte Temperatur von einigen tausend Grad Celsius auf unter 1400 °C gesenkt werden.

In Österreich sind solarthermische Großanlagen schon weit verbreitet. Man kombiniert Sonnenkollektor, Bioheizwerk und konventionelle Ersatz- oder Spitzenenergiekraftwerke. Da die Solarthermie im Frühjahr und Herbst nur wenig Energie und im Winter fast gar keine Energie liefert, schaltet man in dieser Zeit ein Hackschnitzel-Heizwerk oder auch eine Pelletheizung zu und nutzt so die vorhandenen Installationen ganzjährig. Der Wärmespeicher ist der zentrale Sammelpunkt, wo die benötigte Energie für einen Großverbraucher – etwa ein Krankenhaus oder eine große Wohnanlage – aus den vorhandenen Energiequellen kombiniert wird. Man dimensioniert die Anlage so, dass im Sommer die Sonnenkollektoren alleine genug Energie liefern und kann so das Anfahren des Bioheizwerkes im Sommer vermeiden. Wenn es gelingen würde, Wärmespeicher zu bauen, die mindestens 80% der im Sommer gesammelten Solarenergie monatelang bis in den Winter speichern können, wäre es möglich, die Heizkosten für Wohnhäuser etwa zu halbieren (Puffer_(Heiztechnik)). .

Ein weiterer Einsatz ist die aktive solare Klimatisierung, bei der eine Absorptionskältemaschine zur Kühlung von Gebäuden mit Sonnenwärme betrieben wird.

Staatliche Fördermaßnahmen

Marktanreizprogramm zu Gunsten erneuerbarer Energien
Programme der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW)
Förderprogramme von Ländern und Kommunen
Aktuelle Informationen über Förderprogramme

Sonstiges

Intersolar Größte Fachmesse für Solartechnik in Europa

Literatur

Norbert Schreier et al: Solarwärme optimal nutzen, Wagner & Co Verlag, 1980–2005, ISBN 392312936X
Bernd-Rainer Kasper, Bernhard Weyres-Borchert: Leitfaden Solarthermische Anlagen, Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V., 2004, ISBN 3-9805738-7-7