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Thermische Solaranlage

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Beispielanlage einer Solaranlage (Solarkreises) mit Solarstation

Als thermische Solaranlage werden Solaranlagen bezeichnet, die Wärme aus der Sonneneinstrahlung nutzbar machen (Solarthermie). Die Wärme wird in der Gebäudetechnik nutzbar gemacht oder in thermischen Solarkraftwerken zur Stromerzeugung genutzt. Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom wird dagegen als Photovoltaik, die entsprechenden Anlagen als Photovoltaikanlagen bezeichnet.

Einsatzgebiete

Überwiegend werden thermische Solaranlagen in der Haustechnik genutzt. Die gewonnene Wärme wird hierbei hauptsächlich zur Trinkwasser-Erwärmung (Dusch- und Badewasser) und für Heizzwecke für die Raumheizung eingesetzt. Für die Unterstützung der Raumheizung wird eine größere Kollektorfläche benötigt als für die solare Trinkwassererwärmung.

Daneben verwenden einige Industriebetriebe Anlagen mittlerer Größe zur Produktion von Prozesswärme im Temperaturbereich bis 100 °C oder wenig darüber, etwa zur Beschleunigung biologischer und chemischer Prozesse bei der Biomasseverarbeitung oder in der chemischen Industrie.

Ebenfalls zu den thermischen Solaranlagen zählen Anlagen zur solaren Klimatisierung.

Ein großtechnischer Einsatz findet dagegen in thermischen Solarkraftwerken statt. Die meisten dieser Anlagen verwenden konzentrierende Kollektoren zur Fokussierung der Sonnenstrahlen auf einen Absorber, in dem Temperaturen von 390 °C bis über 1000 °C erreicht werden können. Diese Wärme wird anschließend entweder als industrielle Prozesswärme genutzt oder über Generatoren in Strom umgewandelt (solarthermische Stromerzeugung). Da konzentrierende Anlagen auf direkte Sonneneinstrahlung angewiesen sind, werden sie nur in sonnenreichen und trockenen Regionen (in Europa beispielsweise in Südspanien) eingesetzt.

Dieser Artikel konzentriert sich im Folgenden auf den Einsatz der Solarthermie zur Brauchwasser-Erwärmung und Heizungsunterstützung, da dies der in Mitteleuropa häufigste und verbreitetste Anwendungsbereich ist.

Bestandteile einer thermischen Solaranlage (Solarkreis)

Die thermische Solaranlage besteht aus einem Kollektor, welcher die Sonnenwärme auffängt und absorbiert, einem Solarwärmespeicher, der die nicht sofort genutzte Wärme speichert sowie dem verbindenden Solarkreislauf, über den die Wärme vom Kollektor in den Speicher transportiert wird. Dazu gehören Armaturen, die den einwandfreien Betrieb der Anlage sichern, sowie ein Regler, welcher die Solaranlage an- und ausschaltet.


Kollektoren

Der Sonnenkollektor ist der Teil der Solaranlage, der das Licht und die Wärme der Sonne aufnimmt. Für seine Leistung ist entscheidend, dass er einen großen Teil der Energie des Sonnenlichts aufnimmt (Absorption), gleichzeitig nur wenig davon wieder als Wärmestrahlung abgibt (Emission). Stattdessen soll die absorbierte Wärme möglichst verlustfrei auf die so genannte Solarflüssigkeit im Solarkreislauf übertragen werden.

Die wichtigste bautechnische Unterscheidung bei Kollektoren ist die zwischen

  • Flachkollektoren, die mit herkömmlichen Isolationsmaterialien gegen die Wärmeverluste geschützt werden. Sie sind wegbereitend für die effiziente Solarnutzung gewesen. Sie haben erfahrungsgemäß eine sehr lange Lebensdauer; einige Hersteller geben eine Funktionsgarantie über 20 Jahre.
  • Vakuumröhrenkollektoren; diese arbeiten nach dem Thermoskannenprinzip: Um die das Transportmedium enthaltene innere Absorberröhre ist eine zweite, äußere (Glas-)Röhre gesetzt und dem Zwischenraum zur optimierten Isolation die Luft entzogen (Vakuum). Sie sind vor allem bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Außenluft und Absorber leistungsfähiger als andere Bautypen. Sie werden daher auch im industriellen Bereich eingesetzt, wo Prozesswärme mit konstant über 80 °C benötigt wird.

Da Flachkollektoren deutlich preisgünstiger und damit in der Regel wirtschaftlicher sind, wird in der Haustechnik überwiegend dieser Bautyp eingesetzt. Vakuumkollektoren haben dagegen einen deutlich höheren Ertrag pro Quadratmeter Absorberfläche; sie werden häufig empfohlen, wenn nur wenig zur Aufstellung von Kollektoren geeignete Fläche vorhanden ist. Allerdings schmilzt der Unterschied bei der Umrechnung auf die Bruttofläche des gesamten Kollektors statt der reinen Absorberfläche stark zusammen, da bei Flachkollektoren der Absorber einen deutlich größeren Anteil der insgesamt zur Aufstellung benötigten Fläche einnimmt.

Tichelmann-System für Sonnenkollektoren

Wenn mehrere Sonnenkollektoren in einem System verwendet werden sollen, müssen diese gemäß Tichelmann-System angeschlossen werden, um möglichst gleichmäßige Durchströmung sicher zu stellen.

Theoretisch sollten Vakuumröhrenkollektoren vor allem im Winter größere Erträge liefern, wenn bei starken Minustemperaturen die bessere Isolierung zum Tragen kommt. In der Praxis sind die Kollektoren dann aber häufig schnee- und eisbedeckt, und gerade durch die bessere Isolierung tauen Schnee und Eis von Vakuumröhrenkollektoren langsamer ab, wodurch die effektive Nutzdauer sinkt.

Eine Mischform sind so genannte Vakuumflachkollektoren. Diese stellen einen Versuch dar, die besseren Isoliereigenschaften des Vakuums auch in Flachkollektoren zu nutzen. Bauartbedingt neigen diese aber zu Undichtigkeiten, so dass eindringende Luft an Stelle des Vakuums tritt und dieses regelmäßig mit Hilfe einer Vakuumpumpe wieder hergestellt werden muss.

Hinweis: Zur Unterscheidung von Sonnenkollektoren werden die Licht aufnehmenden und in Strom umwandelnden Elemente einer Photovoltaikanlage als Solarzellen oder Solarmodule (auch: PV-Module) bezeichnet; ein Solarmodul enthält in der Regel mehrere Solarzellen.

Solarspeicher

Um die eingefangene Wärme unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung nutzen zu können, muss sie gespeichert werden. Als Speichermedium kann dabei Wasser dienen; man spricht dann auch vom Solartank. Obwohl Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität hat, ist bei solchen Solartanks eine aufwändige Isolierung erforderlich, um Wärmeverluste zu verringern.

Für eine längerfristige Speicherung in einem Wärmespeicher, etwa vom Sommer in den Winter, wird neben Wasser auch Kies eingesetzt. Die Wärme wird dabei mittels Luft ein- und ausgebracht. Wasser und Feststoffe sind für eine solche längerfristige Speicherung jedoch nur geeignet, wenn große Volumina bzw. Massen zur Verfügung stehen (ca. 20 Tonnen). Eine Alternative sind Latenzwärmespeicher, diese nutzen die Phasenumwandlung fest/flüssig von Paraffinen zur Wärmespeicherung und benötigen ein wesentlich geringeres Volumen für die gleiche Wärmemenge. Bei ihnen sind meist eine Vielzahl von mit Paraffin gefüllten Behältern in einem Wassertank eingelegt.

Seit einiger Zeit wird auch an thermochemischen Wärmespeichern geforscht, die den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen nutzt: Durch Wärmezufuhr wechselt das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung; bei der von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil der zugeführten Wärme wieder frei gesetzt. Solche Speicher sind jedoch noch vergleichsweise teuer; zudem sind die Reaktionen bei vielen Systemen relativ träge, so dass thermochemische Speicher die Wärmespeicherung im Solartank nur ergänzen, nicht aber ersetzen können.

Von herkömmlichen Brauchwassertanks unterscheiden sich Solartanks vor allem durch:

  • sehr starke Isolierung; üblich sind 10 cm und mehr aus einem stark isolierenden Material wie z. B. PU- oder PP-Schaum, zum Teil zweischichtig, gegenüber oft nur 5 cm Mineralwolle bei herkömmlichen Warmwasser-Speichern in Zentralheizungsanlagen.
  • eine hohe und schlanke Bauform des Wasserbehälters, die die Entwicklung unterschiedlicher Temperaturschichten erlaubt (oben heißes Wasser, unten kühles Wasser)
  • einen tief angebrachten, großflächigen Wärmeübertrager für die Übertragung der Wärme aus dem Solarkreis.

Häufig sind Solartanks bivalent ausgelegt, das heißt, sie besitzen zusätzlich zum Wärmeübertrager des Solarkreises eine Einrichtung zum Nachheizen mittels einer anderen Energiequelle, z. B. einen zweiten Wärmeübertrager im oberen Speicherbereich zum Anschluss an einen konventionellen oder Biomasse-Heizkessel. Dieses Nachheizen wird immer dann notwendig, wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert, um den Warmwasserbedarf zu decken (zum Beispiel nach mehreren kalten Tagen mit dichter Wolkendecke). Alternativ kann dazu auch ein elektronisch geregelter Durchlauferhitzer verwendet werden, dieser muss für Zulauftemperaturen von über 20° C spezifiert sein; gängige Durchlauferhitzer sind dies meist nicht. Die Warmwassererzeugung per Strom ist aber energetisch sehr ineffizient und wenig umweltfreundlich.

Neben reinen Brauchwassertanks zur Erwärmung des Trinkwassers gibt es auch so genannte Kombitanks oder Tank-im-Tank-Systeme, die gleichzeitig der Heizungsunterstützung dienen. Diese Tanks werden vom Wasser aus der Zentralheizungsanlage durchflossen, das im unteren Bereich solar aufgewärmt, im oberen Bereich bei Bedarf aus dem Heizkessel nachgeheizt wird. Im Inneren dieses Heizwasser-Pufferspeichers befindet sich ein zweiter, deutlich kleinerer Tank oder ein dickes Rohr, durch den das Trinkwasser fließt und - ähnlich einem Durchlauferhitzer - dabei vom Heizwasser erwärmt wird. Solche Speicher weisen ein wesentlich höheres Gesamt-Puffervolumen als reine Brauchwassertanks auf (mindestens doppeltes Volumen), der vorgehaltene Anteil an erwärmten Trinkwasser ist aber wesentlich geringer (etwa 80 l bis 200 l). Solche Anlagen eignen sich daher auch für öffentliche Gebäude oder Pensionen, die einen hohen Warmwasserbedarf haben, aber nicht auf Warmwassertanks mit mehr als 400 l zurückgreifen wollen, die besondere Schutzmaßnahmen gegen Legionellen erfordern.

Solarflüssigkeit

Die Solarflüssigkeit transportiert die Wärme vom Erzeuger zum Verbraucher bzw. Speicher. Sie besteht aus einem Wasser- Propylenglykol-Flüssigkeitsgemisch, welches den Gefrierpunkt des Wassers absenkt und den Siedepunkt anhebt. Somit wird bei frostigen Temperaturen die Anlage vor Frost.. geschützt und die Verdampfung der Solarflüssigkeit bei hohen Kollektortemperaturen meist verhindert. Die heute verwendeten Mischungen sind ungiftig, chemisch stabil auch bei hohen Temperaturen wenn die Solarflüssigkeit im Extremfall in den Kollektoren in einen dampfförmigen Aggregatzustand übergeht ( Anlagenstillstand). Je höher die Glykolkonzentration ist, desto tiefere Temperaturen kann die Anlage ohne Schaden überstehen. Eine Konzentration von über 50% sollte jedoch vermieden werden, da sich die Spezifische Wärmekapazität des Gemisches vermindert und Wirkungsgradeinbußen hingenommen werden müssen. Auch wird die Pumpe nicht mehr zuverlässig gekühlt und es erhöht sich die Viskosität des Gemisches und damit die erforderliche Pumpenarbeit. Im Extremfall kann es zu Startschwierigkeiten der Pumpe kommen. Sollte die Anlage sehr tiefen Temperaturen ausgesetzt sein, bildet sich allenfalls ein Wassereisgemsich, das den Solarkreislauf nicht zerstört.

Rohrleitungen und Armaturen

Im allgemeinen werden Kupferrohre der Nennweiten DN 15 bis DN 18 verwendet, auch können geeignete Verbundrohre zum Einsatz kommen, die sowohl temperaturbeständig als auch chemisch beständig sind. Sie sind nach der EnEV mit einer 100% - Dämmung zu versehen, welche dauerhaft Temperaturen von 110°C aushält. Im Außenbereich kommen blechummantelte Mineralwollen sowie geschäumtes EPDM in Frage, damit UV-Strahlung, Witterung und Vogelfraß keinen Schaden anrichten. Im Innenbereich lassen sich Dämmstoffe aus der Heizungstechnik nicht verwenden, da sehr heiße Kollektortemperaturen diese zerstören würden. Zink darf an keiner Stelle verwendet werden, da es vom Glykolgemisch aufgelöst wird.

Als Umwälzpumpen kommen Heizungspumpen in Frage, die zum Schutz vor hohen Temparuten in den kalten Rücklauf gesetzt werden. Da der Volumenstrom des Solarkreises viel kleiner als der des Heizungkreises ist, sind die Heizungspumpen für kleine Solaranlagen oft überdimensioniert. Spezielle Solarpumpen sind elektronisch geregelt, für kleine Volumenströme ausgelegt und deshalb stromsparend. Damit defekte Pumpen ausgewechselt werden können ohne den Kreislauf entleeren zu müssen, werden sie zwischen zwei Absperrhähne montiert. Eine Rückschlagklappe im Rücklauf verhindert Schwerkraftzirkulation, eine im Vorlauf vermeidet Rückströmung und demit Auskühlung des Speicher.

Zu den Sicherheitseinrichtungen gehören Membranausdehnungsgefäß und Sicherheitsventil. Die Größe des MAGs ergibt sich aus dem Ausdehnungswasser zuzüglich dem kompletten Flüssigkeitsdampf des Keislaufes. Die Ableitung des SVs soll sicherstellen, dass heißes Spritzwasser keine Gefahr darstellt. Ein Entlüfter mit Sammelstrecke am höchsten Anlagenpunkt sorgt dafür, dass sich ansammelnde Luft entweichen kann. Damit wird gewährleistet, dass die Wärme kontinuierlich von Nur-Flüssigkeit aufgenommen und fortgeführt werden kann.

Volumeter zum Einstellen der Flüssigkeitsmenge, Temperaturmessgerät und Manometer sowie eine Befüll- und Entleerungsvorrichtung komplettieren die Solaranlage.

Ein Schmutzfänger ist nicht vorgeschrieben; ist einer vorhanden, darf der Siebeinsatz nur kurzzeitig bei laufender Anlage zum Einsatz kommen und muss dann wieder entfernt werden.

Solarregler und Solarstation

Der Solarregler schaltet mit einer Temperaturdifferenz-Regelung die Pumpe ein und aus. Die Temperaturen werden mit Fühlern im Vorlauf des Kollektors und im Rücklauf des Speichers gemessen; liegt die Kollektortemperatur etwa 3 bis 5°C über der Speichertemperatur, schaltet die Pumpe ein, bei Unterschreitung eines Grenzwertes schaltet sie aus. Komplexere Steueranlagen können zum Beispiel mehrere Kollektoranlagen mit unterschiedlicher Einstrahlung oder mehrere Speicher bzw. mehrere Solarwärmeübertrager verwalten.
Weitere Temperaturmesswerte können im Regler zur Information aufgenommen und zur Anzeige gebracht werden, wie auch ein Betriebsstundenzähler zu Wirschaftlichkeitsberechnungen nützlich sein kann. Manche Regler generieren aus den Messwerten Tendenz- und Plausibilitätswerte.

Für Ein- und Zweifamilienhäuser wird die Minimalausstattung bestehend aus Pumpe, Regler, einigen Armaturen und den Sicherheitseinrichtungen in einer kompakten Einheit abgeboten, die je nach Fabrikat Solarregler oder Kompaktstation heißt. Sie ist etwas größer als ein Schuhkaron und von einem Wärmedämmkasten umgeben, in dem sich die Anschlüsse für Vor- und Rücklauf, zwei Temperaturfühlern, dem Anschluss für das MAG und die Abblaseleitung, sowie für die Netzversorung befinden. Die Kompakteinheit ist jedoch weniger wartungs- bzw. reparaturfreundlich.

Inbetriebnahme und Wartung

Nach Fergistellen der Anlage erfolgt die Inbetriebnahme wozu sie einer Druckprobe und einem Spülvorgang unterzogen werden muss. Die Druckprobe geschieht mit dem 1,5-fachen des maximalen Betriebsdruckes, welcher sich aus der statischen Anlagenhöhe und 0,5 bar als Abstand zum Ansprechdruck des Sicherheitsventils ergibt. Das Spülen der Anlage entfernt Schmutzreste und gewährleistet einen störungsfreien Durchfluss. Da mit Wasser gespült wird, soll dies in der sicher frostfreien Zeit geschehen, damit Restwasser nicht einfrieren kann. Die Füllung der Kollektoranlage geschieht über einen Füllschlauch und Füllpumpe, danach ist der Betriebsdruck am MAG aufzubringen und der Anlagendruchfluss einzustellen. Vollständiges entweichen der Luft ist wichtig, damit der Kreislauf aufrecht erhalten wird und Betriebsgeräusche vermieden werden. Zudem verursacht Luft eine raschere Oxydation des Frostschutzmittels und kann die Pumpe beschädigen. Die Wartung des Drucks ist jährlich durchzuführen und der Anlagendruck ist wieder herzustelen. Die Kontrolle der Solarflüssigkeitskonzentration ist zweijährig auszuführen. Die Messung erfolgt mit Spindelaelometer und einer ph-Wert-Messung, die über 7 liegen muss. Ist das Gemisch saurer, muss die gesamte Solarflüssigkeit ausgetausch werden. Die Verschmutzung der Kollektoren spielt keine wesentliche Rolle und führt maximal zu einer Leistungseinbuße von 2%. Eine spezielle Reinigung der Kollektoren ist nicht erforderlich.

Bautypen und Anlagentechnologie

Dachmontage zweier Vakuumröhrenkollektoren auf einem Einfamilienhaus in Süddeutschland
Ein Vakuumröhrenkollektor

Die Bautypen von Solaranlagen lassen sich nach verschiedenen Kriterien unterscheiden.

Im Bereich der Haustechnik lassen sich nach dem Einsatzzweck

  • Anlagen zur Trinkwassererwärmung und
  • Anlagen zur Unterstützung der Raumheizung

unterscheiden (siehe dazu auch unten).

Nach dem verwendeten Kollektortyp unterscheidet man

Ebenso ist eine Unterscheidung nach der Speichertechnik möglich; hier gibt es eine Vielzahl unterschiedlichster Entwicklungen. Diese konzentrieren sich meist auf die Optimierung der Temperaturschichtung im Speicher bzw. auf die Umsetzung von Entnahmestrategien, die eine Störung der Schichtung vermeiden. Ziel ist dabei eine gleich bleibend hohe Temperatur im oberen Speicherbereich, wo die Wärme entnommen wird, und eine im Vergleich zur Kollektortemperatur niedrige Temperatur im unteren Speicherbereich, wo die Wärme aus den Kollektoren zugeführt wird, so dass ein stetiger Betrieb der Anlage ermöglicht wird.

Nach der Anlagentechnologie als solcher lassen sich unterscheiden

Schwerkraftanlagen arbeiten ganz ohne Pumpstation. Ihr Kreislauf wird allein durch die Erwärmung in den Kollektoren angetrieben: Das im Kollektor erhitzte Wasser steigt nach oben und sammelt sich im typischerweise oberhalb des Kollektors angebrachten Speicher. Beim Abkühlen sinkt es im Speicher nach unten und fließt durch das Rücklaufrohr wieder dem Kollektor zu.

Die Unterscheidung zwischen "High Flow" und "Low Flow" bezieht sich auf die Durchlaufmenge im Verhältnis zur Kollektorfläche an der Solarstation je Zeiteinheit. "High Flow" bedeutet, dass etwa 30 bis 50 Liter pro Stunde und Quadratmeter Kollektorfläche umgesetzt werden, bei Low Flow sind es zehn bis zwanzig. "Low Flow" kann damit sowohl einen sehr langsamen Umlauf im Solarkreis als auch den schnellen Durchlauf bei einem insgesamt sehr geringen Volumen im Solarkreis bezeichnen.

Die meisten heute eingesetzten kleineren Anlagen sind "High Flow"-Systeme, die mit normalen Heizungspumpen (Kreiselpumpen) betrieben werden können. Sie sind in der Lage, hohe Wärmemengen auf niedrigem bis mittlerem Temperaturniveau aus dem Kollektor abzuführen.

Der technologische Vorteil von "Low Flow"-Systemen beruht darauf, dass in ihnen höhere Temperaturdifferenzen zwischen Kollektor und Speicher entstehen und auch im Betrieb bestehen bleiben. Dadurch sinkt der Kollektorwirkungsgrad etwas, gleichzeitig können sie aber bei geringerer Sonneneinstrahlung Wärme auf höherem Temperaturniveau produzieren und, da bei mittlerer Einstrahlung nicht mehr nachgeheizt werden muss, im Jahresmittel etwas höhere Deckungsgrade erreichen. Gegenüber "High-Flow"-Systemen gleicher Fläche können eine preisgünstigere Verrohrung, kleinere Wärmeübertrager und schwächere Pumpen verwendet werden. Wegen dieser Vorteile werden Großanlagen üblicherweise im "Low Flow" betrieben. Systeme mit sehr engen Rohrquerschnitten können nur als "Low-Flow"-Anlagen betrieben werden, da der Strömungswiderstand sonst zu sehr zunimmt. Enge Rohrquerschnitte sind erwünscht, damit der Kollektor selber eine geringe Wärmekapazität hat und sich schnell aufheizt.

"Matched-Flow"-Systeme, in denen die Pumpenleistung in einem weiten Bereich geregelt wird, sind derzeit die Ausnahme. Sie müssen technisch wie eine "High-Flow"-Anlage teuer ausgerüstet werden, so dass ihr Vorteil gegenüber dieser nur gering ist.

Die im Mittelmeerraum verbreitet eingesetzten Thermosiphonanlagen haben häufig einen offenen Kreislauf: die Kollektoren werden direkt vom Brauchwasser durchflossen, das dann als Warmwasser aus dem Speicher abgezapft wird.

Eine Ausnahme bilden "Drain-Back"-Systeme, die eine vollständige Entleerung der Kollektoren bei extremen Temperaturen bzw. Anlagen-Stillstand vorsehen. Diese können mit reinem Wasser betrieben werden. Auch sie werden aber meist als geschlossene Kreisläufe betrieben, die die Wärme über Wärmeübertrager an das Brauchwasser abgeben

Typische Anlagengrößen

Die meisten heute im Einsatz befindlichen Anlagen sind Anlagen zur Erwärmung des Trinkwassers im 1- bis 2-Familien-Haus. Ziel bei der Konzeption der Solaranlage ist es, im Sommer eine Volldeckung zu erreichen, so dass die normale Heizungsanlage komplett abgeschaltet bleiben kann. Aufgrund der starken jahreszeitlichen Unterschiede müsste aber eine Anlage, die auch im Winter über 90% des Bedarfs decken kann, so groß ausgelegt werden, dass im Sommer gewaltige Wärme-Überschüsse entstünden, die nicht genutzt werden könnten. Da sich die Anlage abschaltet, sobald im Solarspeicher eine voreingestellte Zieltemperatur erreicht ist, würden solche Anlagen im Sommer häufig stillstehen. Wenn aber keine Wärme mehr abgeführt wird, erhitzen sich die Kollektoren so, dass die enthaltene Solarflüssigkeit in Dampf übergeht. Kommt es in dieser Situation nun zu einer Abkühlung des Speichers durch hohen Verbrauch, kann dies zur paradoxen Situation führen, dass im Sommer konventionell nachgeheizt werden muss, weil die Anlage erst nach nächtlicher Abkühlung der Kollektoren wieder in Betrieb genommen werden kann.

Eine typische Anlagengröße in Deutschland und Österreich ist auf einen 4-Personen-Haushalt konzipiert, hat einen 300-l-Solartank und eine Kollektorfläche zwischen 4 und 5 m². Die nächstgrößere Anlagengröße mit einem 400-l-Solartank und einer Kollektorfläche zwischen 6 und 8 m² kann bis zu 6 Personen mit normalem Wasserverbrauch mit einem jährlichen Deckungsgrad von etwa 70% versorgen.

In den Niederlanden werden die meisten Anlagen um etwa ein Drittel kleiner konzipiert; dort sind auch Anlagen mit 150- oder 200-l-Solartank zu finden, die dann aber meist nur einen Deckungsgrad von weniger als 60% im Jahresmittel erreichen.

In Österreich finden sich auch Anlagen mit größeren Trinkwassertanks. In Deutschland ist dies eher unüblich. Letzteres hängt auch damit zusammen, dass ab einer Speichergröße von mehr als 400 l die so genannte "Legionellen-Verordnung" des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfachs besondere Maßnahmen zur regelmäßigen Sterilisierung der Trinkwasseranlage vorschreibt. Diese Richtlinie gilt zwar nicht für Einfamilienhäuser, dennoch wird aus versicherungstechnischen Gründen oft vor dem Einbau größerer Speicher zurückgeschreckt.

Anlagen, die neben der Trinkwassererwärmung (Dusch- und Badewasser) auch Raumheizungsunterstützung leisten sollen, benötigen Pufferspeicher mit wenigstens 700 l Inhalt; dabei handelt es sich jedoch nicht um Trinkwasser, sondern um Heizungswasser, das nur im geschlossenen Kreislauf der Heizungsanlage zirkuliert. Die entsprechende Kollektorfläche kann zwischen 9 und 12 m² angesetzt werden. Gute Leistungswerte erreichen Kombitank-Systeme mit ca. 1000 l Gesamtpuffer-Kapazität (davon bis zu etwa 200 l Trinkwasser in einem Innentank) und einer Kollektorfläche von 12 bis 15 m². Neben einer solaren Deckung des jährlichen Trinkwasserwärmebedarfs von ca. 60 - 70% können solche Anlagen im Niedrigenergiehaus bis zu einem Viertel des jährlichen Heizenergiebedarfs erbringen.

Die Unterschiede zwischen den Standorten (Jahres-Strahlung), Ausrichtung/ Neigung der Kollektorfläche (reduziert oder steigert die Erträge), Warmwasserbedarf des Haushaltes und Wärmebedarf des Gebäudes und letztlich die Qualität der Solaranlagen (Wirkungsgrad der Kollektoren, Dämmqualität des Solarspeichers, Intelligenz des Solarreglers) beeinflussen allerdings die nötige Größe deutlich. Eine Überdimensionierung bringt kaum Jahres-Mehrerträge. Ausnahmen sind steil und verschattungsfrei genau nach Süd ausgerichtete Kollektoren. Hiermit kann dann ein Mehr an Wintersonne eingefangen werden und eine sommerliche Überhitzung vermieden werden.

Kapazitäten weltweit und in Europa

Thermische Solarenergie 2005[1]
Mio. m2 GWth
China 79,3 55,5
EU 16,0 11,2
Türkei 8,1 5,7
Japan 7,2 5,0
Israel 4,7 3,3
Brasilien 2,3 1,6
USA 2,3 1,6
Australien 1,7 1,2
Indien 1,5 1,1
Welt 125 88
Thermische Solarenergie * (kWth)[2]
Staaten Insgesamt
kWth 		Zuwachs
2006 		Zuwachs
2005 		Zuwachs
2004
Deutschland 5 637 800 1 050 000 665 000 525 000
Griechenland 2 301 040 168 000 154 350 150 500
Österreich 1 828 139 204 868 163 429 127 816
Italien 598 661 130 200 88 941 68 417
Spanien 491 516 122 500 74 760 63 000
Frankreich 430 920 154 000 85 050 36 400
Zypern 392 140 42 000 35 000 21 000
Schweiz 310 484 36 304 27 392 21 812
Dänemark 253 596 17 710 14 875 14 000
Niederlande 222 909 10 280 14 174 18 410
UK 175 644 37 800 19 600 17 500
Schweden 165 850 19 977 15 835 14 041
Portugal 126 665 14 000 11 200 7 000
Polen 117 264 28 980 19 390 20 230
Slowenien 76 510 4 830 3 360 1 260
Tschechien 74 711 15 421 10 885 8 575
Belgien 72 883 24 945 14 164 10 290
Slowakei 50 925 5 950 5 250 3 850
Rumänien 48 370 280 280 280
Bulgarien 17 570 1 540 1 400 1 260
Malta 16 702 3 150 2 800 2 951
Finnland 11 545 2 38 1 668 1 141
Luxemburg 11 130 1 750 1 330 1 190
Irland 11 053 3 500 2 450 1 400
Ungarn 4 375 700 700 1 050
Lettland 2 695 840 700 350
Litauen 1 925 420 350 350
Estland 784 210 175 175
EU27+CH
GWth 		13,45 2,10 1,43 1,14
* = Mit 1 m2 = 0,7 kWth

Wirtschaftlichkeit

Vom Energieverbrauch eines Privathaushaltes entfallen ca. 61 % auf den Gesamtheizenergiebedarf (8 % Trinkwassererwärmung, 53 % Heizenergiebedarf; hinzu kommen ca. 31 % für Kraftfahrzeuge und 8 % für Strom) .

Anlagen zur Trinkwassererwärmung

Heutige solarthermische Anlagen werden in erster Linie zur Trinkwassererwärmung genutzt, hierbei können sie im Jahresmittel 55 % bis 60 % der Heizenergie für die Trinkwassererwärmung decken, was ca. 8 % dieses gesamten Heizenergiebedarfes oder etwa 5 % des Gesamtenergiebedarfes entspricht. Die Nutzungsdauer einer solchen Anlage wird mit 20 - 25 Jahren angegeben.

Nutzen: Der Energieverbrauch einer Musterfamilie für die Trinkwassererwärmung (Dusch- und Badewasser) liegt jährlich bei ca. 420 Liter Heizöl (bzw. 420 Kubikmeter Erdgas)[3]. Davon kann eine solarthermische Anlage etwa 55 % bis 60% einsparen, was einer jährlichen Einsparung von ca. 250 Liter Heizöl entspricht und bei einem Heizölpreis von 0,97 €/l (Stand: Mai 2008) zu einer Einsparung von jährlich ca. 240 € führt. Diese Werte können aber stark schwanken, abhängig vom jeweiligen Nutzungsverhalten, der verwendeten Technologie und der Anlagenauslegung.

Weiterhin kann eine Solaranlage Strom sparen, wenn das Warmwasser auch für Wasch- und Spülmaschine verwendet wird.

Anfallende Kosten: Die Anschaffungskosten einer solarthermischen Warmwasser-Anlage für einen Vier-Personenhaushalt liegen abhängig von Technik und erforderlichem Aufwand zwischen 4.800 € (Flachkollektor) und 8.800 € (Vakuumkollektor) [3] inclusive Transport und Montage. Bei einem Neubau oder Renovierung der Heizung können durch die Anschaffung der Anlage die Investitionskosten für einen konventionellen Warmwasserspeicher (ca. 800 € [3]) entfallen. Sofern die Montage nicht durch Fachkräfte, sondern durch den Käufer vorgenommen wird, liegen die Anschaffungskosten der Anlage selbst zwischen 2880 € und 6850 €[3].

Als Betriebskosten ergeben sich im wesentlichen die Stromkosten für die Solarpumpe und die Wartungskosten. Abbau- und eventuelle Entsorgungskosten für eine nachfolgende Modernisierung der Anlage kommen möglicherweise noch hinzu.

Anlagen zur Heizungsunterstützung

Insbesondere im Frühjahr treten hohe Sonneneinstrahlung (Mitte April ist sie etwa so hoch wie Ende August) und niedrige Außentemperaturen zusammen auf. Vermehrt werden daher solarthermische Anlagen eingesetzt, die zusätzlich zur Trinkwassererwärmung die Heizung unterstützen und in den Übergangsjahreszeiten ersetzen sollen. Sie sind deutlich größer und daher auch teurer als Anlagen nur für die Trinkwassererwärmung.

Die Kosten und Erträge schwanken hier deutlich stärker als bei reinen Trinkwasseranlagen, da Temperaturniveau der Heizungssysteme (Vorlauftemperatur 35 °C für Fussbodenheizung, 80 °C für ältere Systeme), beheizte Fläche und spezifischer Wärmebedarf (von 0 bis 300 kWh/m2) je nach Haus variieren können. Bei einem unsanierten Altbau ist eine vorangehende Wärmedämmung anzuraten.

Derzeit sind Systeme üblich, die etwa 30 % der Jahresheizenergie eines Einfamilienhauses einsparen sollen.

Förderung

Dieser Artikel oder Absatz stellt die Situation in Deutschland dar. Bitte hilf uns dabei, die Situation in anderen Staaten zu schildern.

Da eine Wirtschaftlichkeit bei konstanten Erdöl- und Erdgaspreisen oftmals nicht erreicht werden kann, fördert in Deutschland die BAFA den Bau von Solaranlagen. Derzeit werden 60 € (Warmwasserbereitung) bzw. 105 € (kombinierte Warmwasserbereitung mit Heizungsunterstützung) pro Brutto-Quadratmeter gezahlt (Stand: November 2007). Die Förderung beträgt für Anlagen zur Warmwasserbereitung jedoch mindestens 412,50 €[4]. Weitere Fördermöglichkeiten bieten die Bundesländer und teilweise auch die Städte und Kommunen oder die örtlichen Energieversorger. Die Kreditanstalt für Wiederaufbau fördert thermische Solaranlagen durch die Vergabe zinsgünstiger Kredite. Nicht alle Formen der Förderung dürfen frei kombiniert werden, eine Förderung durch die BAFA schließt andere Fördermöglichkeiten aus.[3]

Quellen

  1. ↑ 2005: Record year for investments in renewable energy REN21: Renewables Global Status Report 2006 Update, 18.7.2006
  2. ↑ Solar Thermal Markets in Europe, Trends and market statistics 2006 European Solar Thermal Industry Federation ESTIF, June 2007
  3. ↑ a b c d e Stiftung Warentest: "Eine Technik zum Erwärmen", Artikel in der Zeitschrift "test", April 2002
  4. ↑ Förderung durch die BAFA: Übersicht über die aktuellen Förderungsmöglichkeiten

Literatur

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