Wie funktioniert Solarthermie?

von Dr. rer. nat. Jens-Peter Meyer

Mehr als zwei Millionen Deutsche nutzen bereits heute Solarwärme vom eigenen Dach und sparen damit Jahr für Jahr rund zwei Millionen Tonnen Kohlendioxid ein. Solarthermie gilt zu Recht als eine sehr umweltfreundliche Art der Wärmeerzeugung. Warum das so ist und was die Funktion der Solarthermie ausmacht, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Inhaltsverzeichnis

Die Funktionsweise der Solarthermie kurz erklärt

Als Solarthermieanlagen bezeichnen Experten Solaranlagen, die Sonnenlicht in Wärme umwandeln. Im Unterschied dazu gewinnen Photovoltaikanlagen per Definition elektrischen Strom aus dem Sonnenlicht. Solarthermieanlagen haben zwei Funktionen:

Bereitstellung von Warmwasser für Küche und Bad
Versorgung der Raumheizung mit Wärme

Das Prinzip der Solarthermie ist altbekannt: Berühren Sie einen dunklen Gegenstand, der länger in der Sonne lag und Sie spüren, wie heiß dieser ist. Nichts anderes macht ein Sonnenkollektor, ebenfalls bekannt als Solarkollektor, auf dem Dach. Mit dieser Funktion ist der Sonnenkollektor einer der zentralen Bausteine innerhalb der Solarthermieanlage.

Solarthermie Funktion: Anteile von Solarthermie-Kollektoren in Deutschland Grafik — Rund 90% der Solarthermie-Kollektoren in Deutschland sind Flachkollektoren; nur knapp 10% sind Vakuumröhrenkollektoren.

Die wichtigsten Komponenten der Solarthermieanlage

Solarthermie kombiniert mit einem konventionellen Wärmeerzeuger

Die klassische Kombination setzt sich aus der Solarthermie und einem Öl- oder Gasbrennwertkessel zusammen. Die Solaranlage sorgt dafür, dass der Kessel im Sommer nicht anspringt. Das spart Brennstoff ein und verhindert ein häufiges An- und Ausschalten des Kessels. Andernfalls wäre ein solches Takten des Kessels äußerst ineffizient.

Wenn die Solarthermieanlage nicht nur Warmwasser, sondern auch Heizenergie liefert, sparen die Hausbewohner weiteren Brennstoff ein. Auch die Kombination aus Solarthermie und Pelletheizung funktioniert gut.

Kurz und knapp: Die Vor- und Nachteile einer Solarthermieanlage

Bauen & Sanieren

Wie funktioniert Solarthermie?

von Dr. rer. nat. Jens-Peter Meyer

Inhaltsverzeichnis

Die Funktionsweise der Solarthermie kurz erklärt

Bereitstellung von Warmwasser für Küche und Bad
Versorgung der Raumheizung mit Wärme

Die wichtigsten Komponenten der Solarthermieanlage

Flachkollektoren

Die meisten Sonnenkollektoren, die in Deutschland Wärme produzieren, sind Flachkollektoren. Sie bestehen aus einem robusten Metallgehäuse. Im Inneren des Kollektors befindet sich fast immer eine Platte aus Aluminium, die sich durch die Sonnenstrahlen erhitzt.

Diese Platte – auch Absorber genannt – schimmert entgegen mancher Vermutung bläulich und nicht schwarz. Die blaue Farbe entsteht durch eine hauchdünne Beschichtung, die zwei Funktionen hat:

- Zum einen sammelt sie das Sonnenlicht mit einer Effizienz von rund 95% ein.

- Zum anderen sorgt sie dafür, dass so gut wie keine Wärme in Form von Infrarotstrahlung verloren geht.

Die Hinterseite eines Flachkollektors enthält eine Dämmung. Die Vorderseite ist mit einem speziellen Solarglas abgedeckt, das möglichst viel Sonnenlicht durchlässt. Beides dient dazu, die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten.

Vakuumröhrenkollektoren

Rund jede zehnte Solarthermieanlage in Deutschland ist mit Vakuumröhrenkollektoren ausgestattet. Diese Kollektoren gibt es in unterschiedlichen Bauformen. Einige enthalten wie Flachkollektoren Aluminiumplatten; bei anderen befindet sich die blaue Beschichtung direkt auf dem Glas der Röhre.

Der Vorteil der Vakuumröhren liegt in der guten Isolierung des Vakuums. Die Wärmeverluste sind darum besonders bei höheren Temperaturen geringer als bei Flachkollektoren. Nachteile sind die höheren Kosten und die etwas geringere Stabilität, zum Beispiel bei Hagelschlag.

Solarkreis

Für die Funktion der Solarthermie spielt auch der Solarkreis eine wesentliche Rolle. Damit die Wärme, die im Inneren des Solarkollektors entsteht, zum Wasserhahn oder zum Heizkörper im Haus gelangen kann, braucht jede Solaranlage einen solchen Solarkreis. Er besteht normalerweise aus Kupferrohren, die von der heißen Aluminiumplatte zum Solarspeicher im Keller führen.

Für den Wärmetransport ist eine Solarflüssigkeit zuständig. Diese enthält einen umweltfreundlichen Frostschutz und Zusätze, die die Rohrleitungen vor Korrosion schützen. Reines Wasser wäre zwar besser, jedoch muss der Solarkreis im Winter vor Frost geschützt sein.

Bei Vakuumröhren ist es dank der guten Isolierung möglich, auf den Frostschutz zu verzichten und Heizungswasser zu benutzen. An kalten Tagen pumpt die Solarkreispumpe dann etwas warmes Wasser aus dem Speicher durch den Solarkreis, um die Leitungen nicht einfrieren zu lassen.

Solarspeicher

Weil die Sonne nicht jeden Tag scheint, braucht eine funktionierende Solarthermieanlage einen Solarspeicher. Er speichert die Sonnenwärme so lange, bis die Hausbewohner sie nutzen wollen. Bei Warmwasser-Solaranlagen befindet sich Trinkwasser im Solarspeicher. Solarthermieanlagen mit Heizungsunterstützung enthalten einen mit Heizungswasser gefüllten Pufferspeicher.

Um warmes Trinkwasser aus dem Pufferspeicher zapfen zu können, muss die Wärmeenergie vom Heizungswasser zunächst auf das Trinkwasser übertragen werden. Dazu dient entweder ein Rohrwärmetauscher im Pufferspeicher oder eine sogenannte Frischwasserstation mit Plattenwärmetauscher, die außen am Speicher angebracht ist.

Solarregelung

Für die reibungslose Funktion einer Solarthermieanlage sorgt die Temperaturdifferenzregelung. Dabei vergleicht der Solarregler ständig die im Sonnenkollektor vorherrschende Temperatur mit der im Solarspeicher. Ist die Temperatur im Kollektor höher als im Speicher, startet die Regelung die Solarpumpe. Wenn nicht, stoppt sie diese.

Eine Besonderheit gibt es bei Vakuumröhren: Hier ist es nicht möglich, direkt in der Röhre die Temperatur zu messen. Darum muss der Solarregler in regelmäßigen Abständen die Solarpumpe für wenige Sekunden starten. Die warme Solarflüssigkeit fließt folglich zum Temperatursensor und der Regler erkennt, ob er starten kann.

Sonnenhäuser funktionieren gänzlich mit Solarthermie

Heutzutage können Hausbesitzer ihr Eigenheim komplett mit der umweltfreundlichen Sonnenwärme heizen. Sogenannte „Sonnenhäuser“ sind der Beweis, dass die Technik dafür zur Verfügung steht. Dafür benötigen diese Häuser eine große Anzahl an Sonnenkollektoren, die eine entsprechend hohe Wärmeleistung von 40 bis 50 Kilowatt durch die Sonne erreichen.

Außerdem braucht das Sonnenhaus einen sehr großen Wärmespeicher mit etlichen Kubikmetern Inhalt, damit die großen Solarerträge der Anlage im Sommer möglichst lange für die kalte Jahreszeit ausreichen. Die Dachfläche mit den Kollektoren sollte recht steil mit etwa 60 Grad in Richtung Himmel ragen – so lässt sich die Strahlung der tiefstehenden Wintersonne besonders effizient in Wärme umwandeln.

Bei einem Neubau kann der Architekt die zuvor genannten Punkte einplanen. In einem Altbau ist eine Umsetzung dessen allerdings nicht so einfach. Daher kombiniert der Heizungsfachmann die Solarthermieanlage meistens mit einer weiteren Wärmequelle: Sie springt dann ein, wenn die Sonneneinstrahlung nicht ausreicht.

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Solarthermie kombiniert mit einem konventionellen Wärmeerzeuger

Systemabstimmung wichtig für die korrekte Funktion der Solarthermie

Auch wenn die Solaranlage und der Kessel weitgehend unabhängig voneinander Wärme bereitstellen, müssen sie dennoch ein stimmiges Gesamtsystem bilden.

Solarspeicher wichtig für das gesamte System

Der Solarspeicher ist hierbei die entscheidende Schnittstelle und sollte über eine gute Schichtung verfügen.
Das heißt, dass er oben am wärmsten ist, um ausreichend Wärme für Dusche und Bad bereitzuhalten.
In der Mitte genügen moderate Temperaturen für die Heizung.
Ganz unten sollte sich der kühlste Bereich befinden. Der Hintergrund: Immer dann, wenn die Sonne scheint, muss im Speicher noch ausreichend Platz für die Sonnenwärme vorhanden sein.

Nichts wäre morgens im Sommer ungünstiger als ein Speicher, den der Kessel schon vollständig durchgeheizt hat. Wenn die Sonne aufgeht, ist folglich kein Platz mehr für die umweltfreundliche Sonnenwärme. Moderne Regelungen arbeiten daher heute mit Wetterprognosen – sie steuern damit den Kessel entsprechend so, dass er für die Wärme im Speicher so wenig Platz wie nötig wegnimmt und der Komfort dadurch nicht leidet.

Solarthermie im Zusammenspiel mit der Wärmepumpe

In immer mehr Häusern in Deutschland heizen heute Wärmepumpen. Diese Art der Heizung entnimmt die Wärme aus der Luft oder dem Erdreich und pumpt sie in das Haus. Da keine Verbrennung stattfindet, entsteht kein Kohlendioxid. Auch Feinstaub oder Stickoxide und andere Reizgase produziert die Wärmepumpe nicht. Sie gilt daher als besonders umweltfreundlich.

Für das Anzapfen der Umweltwärme braucht die Wärmepumpe aber elektrischen Strom. Daher kann sie immer nur so umweltfreundlich sein wie die Stromherstellung. Für die Kombination der Solarthermie mit der Wärmepumpe ist interessant zu wissen: Eine Solarthermieanlage spart reichlich Strom ein.

Ein einfacher Vergleich:

Eine gute Wärmepumpe benötigt ein Teil Strom, um daraus vier bis fünf Teile Wärme zu machen. Das ist schon ziemlich effizient.
Bei der Solaranlage reicht bereits ein Teil Strom, den die Solarkreispumpe verbraucht, um mehr als einhundert Teile Wärme zu erzeugen.

Während die Solarthermie und ein konventioneller Heizkessel mehr oder weniger unabhängig voneinander die Wärme erzeugen, ergeben sich im abgestimmten Zusammenspiel der Solarthermie mit der Wärmepumpe weitere Effizienzpotenziale: So kann ein sogenannter Luftkollektor die Umgebungsluft vorwärmen, bevor die Luft-Wärmepumpe die Wärme aus der Luft in das Haus pumpt. Das verbessert die Leistungszahl der Wärmepumpe.

Luftkollektoren übertragen die Sonnenwärme anders als normale Sonnenkollektoren nicht auf Wasser, sondern auf Luft. Bei Erdwärmepumpen kann die Solaranlage im Sommer Überschüsse in den Erdkollektor oder die Erdsonde einspeisen. Auch das hat zur Folge, dass sich die Leistungszahl der Wärmepumpe erhöht. Eine Kombination beider Systeme kann es aber auch ermöglichen, den Erdkollektor oder die Erdsonde kleiner auszulegen und dadurch Kosten einzusparen.

Die Funktion der Solarthermie optimal nutzen

Sie können eine Solarthermieanlage also mit allen anderen Wärmeerzeugern kombinieren. Dafür sollten Sie über ein mehr oder weniger nach Süden ausgerichtetes Dach verfügen, das frei von Schattenquellen der Sonne ausgesetzt ist. Alternativ können Sie aber auch die Kollektoren an die Fassade oder frei aufgestellt im Garten montieren lassen.

Für eine wirtschaftliche Anlage gibt es zudem eine weitere wichtige Voraussetzung: Ihr Bedarf an Warmwasser sollte nicht zu gering sein. Bekanntermaßen scheint die Sonne am intensivsten im Sommer, wenn die Heizung nicht läuft. Nutzt der Haushalt die Sonnenwärme dann nicht optimal, geht viel Energie verloren und die Kosten je genutzter Kilowattstunde steigen. Darum sollten Sie auch Ihren Geschirrspüler und Ihre Waschmaschine an die Warmwasserversorgung anschließen. Dadurch sparen Sie Strom und nutzen die Sonnenwärme bestmöglich.

Kosten für eine Solarthermieanlage

Eine kleine Solarthermieanlage nur für warmes Wasser kostet etwa 5.000 bis 6.000 Euro.
Wer mehr einsparen will, investiert in eine Anlage mit Heizungsunterstützung.
Typische Angebote der Hersteller belaufen sich auf 10.000 bis 15.000 Euro und resultieren in einer Energieeinsparung zwischen 20 und 30%, wobei noch mehr durchaus möglich ist.
Für eine Solarheizung, die mehr als 50% der Wärme für den Haushalt produziert, können Sie mit rund 20.000 Euro Investition rechnen.

Nutzung einer Solarthermieanlage funktioniert langfristig

Die Investition in eine Solarthermieanlage ist langfristig gesehen eine gute Entscheidung. Zum einen besteht die Anlage aus langlebigen und umweltfreundlichen Materialien – Sonnenkollektoren halten meist mehr als 30 Jahre. Zum anderen sind die Wartungs- und Instandhaltungskosten überschaubar. Nur die Solarkreispumpe muss der Fachmann im Laufe der Zeit vielleicht erneuern. Zudem sollte er die Solarflüssigkeit im Zuge der Heizungswartung einmal im Jahr überprüfen.

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Solarthermieanlagen sind außerdem unschlagbar effizient: Bis zu 80% des Sonnenlichts können sie in Wärme umwandeln. Hinzu kommt, dass eine Förderung von Solarthermieanlagen möglich ist. Informieren Sie sich über die aktuellen Möglichkeiten mit unserem Artikel zu den Fördermitteln für die Heizung.

Trotz der hohen Investition für eine Anlage entsteht dadurch ein Wärmepreis, der sich durchaus sehen lassen kann: Experten gehen von weniger als 10 Cent pro Kilowattstunde aus. Das ist beispielsweise günstiger als der Preis einer Kilowattstunde Strom von einer Photovoltaikanlage. Zwar können Gasbrennwertkessel heute Wärme noch etwas günstiger produzieren, doch lässt sich die Entwicklung des Gaspreises für die Zukunft kaum vorhersagen. Die Kosten der Solarwärme wiederum stehen schon heute für die kommenden 30 Jahre fest.

Kurz und knapp: Die Vor- und Nachteile einer Solarthermieanlage

Pro

Solarenergie ist unbegrenzt
Keine Kohlendioxid-Emissionen
Hohe Effizienz
Langlebige, umweltfreundliche, recycelbare Komponenten
Geringer Wartungsaufwand
Kombination mit allen Wärmeerzeugern möglich
Langfristig planbare Wärmekosten
staatliche Förderung möglich

Contra

Hohe Investitionskosten
Wärmeproduktion nur bei Sonnenschein
Freie Dachfläche und Platz für Speicher notwendig

Dr. rer. nat. Jens-Peter Meyer

Dr. Jens-Peter Meyer schreibt freiberuflich seit dem Jahr 2000 über Heizungsthemen. Sein journalistischer Schwerpunkt liegt auf erneuerbaren Energien in der Wärmetechnik – speziell in Solarwärmesysteme, Wärmepumpen und Holzheizungen.

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