Sonnenkollektor: Unterschied zwischen den Versionen

Mit Solarkollektoren wird die Strahlung der Sonne in Wärme umgesetzt, um etwa Wasser für den täglichen Bedarf zu erwärmen oder Gebäude zu heizen. Das Prinzip kann man verstehen, wenn man im Sommer einen mit Wasser gefüllten Gartenschlauch in die Sonne legt: Schon nach kurzer Zeit ist das Wasser heiß.

Technisch ausgefeilter sind '''Flachkollektoren'''. Um die Wärmeverluste des [[Kollektor]]s durch Konvektion und Leitung zu vermindern, ist bei diesem [[Kollektor]]typ der Absorber, der aus Metall besteht, gut isoliert. Auf der Seite, wo die Sonne auf den Absorber auftrifft, ist er mit einer Glasscheibe abgedeckt, auf der Rückseite ist eine dicke [[Wärmedämmstoff|Dämmschicht]] aufgebracht. Verluste durch Abstrahlung der schon eingefangenen Wärme lassen sich durch Aufbringung von schwarzem Solarlack oder noch wirksameren selektiven Schichten vermindern.  

Bei gleicher Sonnenstrahlung kann ein solcher Flachkollektor durch diese Maßnahmen höhere Temperaturen erreichen als die zuerst beschriebenen schwarzen Kunststoffmatten. Auch wenn es draußen schon kälter ist, können sie noch Wärme liefern. Daher sind Flachkollektoren heute die bevorzugte Wahl, wenn man mit der Sonne Brauchwasser erwärmen möchte. Gegenwärtig auf dem Markt erhältliche [[Kollektor]]en weisen eine Fläche zwischen 2 und 5 m² auf. Mehrere Module werden kombiniert, bis die erforderliche Wärmeleistung erreicht wird. Ein System für ein Einfamilienhaus nimmt gewöhnlich eine Dachfläche von 6 m² ein und kann damit typischerweise 60 % des jährlichen Brauchwasserbedarfs bereitstellen. Dabei deckt eine solche

Anlage im Sommer den Bedarf vollständig ab, in den anderen Jahreszeiten muss der konventionelle Kessel das vom [[Kollektor]] vorgewärmte Wasser noch nachheizen.

Wärmeverluste durch Leitung und [[Konvektion]] sind bei '''Vakuumröhrenkollektoren''' fast gänzlich unterbunden. Die Absorber liegen in gläsernen Röhren, in denen ein Vakuum herrscht. Diese Isolation ähnelt der von Thermoskannen. [[Kollektor]]en solcher Bauart haben die höchsten Wirkungsgrade unter den [[Kollektor]]technologien. Sie können auch noch bei niedrigen Außentemperaturen im Winter Wärme liefern, wenn bei Flachkollektoren die solaren Gewinne durch die Wärmeverluste wieder verloren gehen, und eignen sich daher besonders für die Heizung von Gebäuden und die Bereitstellung von Prozesswärme.  

Um einen hohen '''Wirkungsgrad''' des [[Kollektor]]s, egal welcher Bauart, zu erreichen, sollte das erforderliche Temperaturniveau der genutzten Wärme möglichst niedrig sein. Sollen mit der Sonne auch Räume beheizt werden, bieten sich daher Fußboden- oder Wandflächenheizungen an. Es ist deshalb auch wichtig, das zu beheizende Gebäude sehr gut zu dämmen, um so den Heizbedarf möglichst gering zu halten. Mit einer Anlage von 11 m² (Vakuumröhrenkollektor) bzw. 14 m² (Flachkollektor) lassen sich bei einem gut gedämmten Haus etwa 20 bis 30 % des gesamten Wärmebedarfs solar abdecken. Insbesondere in den Übergangszeiten im Frühling und Herbst leisten die [[Kollektor]]en gute Dienste. Typische Anlagen zur Brauchwassererwärmung erzeugen jährlich 330 kWh pro m², Anlagen zur Heizungsunterstützung etwas weniger.  

Die '''Ausrichtung''' des [[Kollektor]]s nach Süden und seine Neigung spielen dabei eine weit geringere Rolle als gemeinhin angenommen. Modellrechnungen zeigen, dass Abweichungen von plus / minus 60° von der genauen Südausrichtung eine Einbuße der Sonnenernte von nur 10 % zur Folge haben. Weicht die Neigung um 20° von der in unseren Breiten optimalen Neigung von 50° ab, so geht der Energieertrag um etwa 5 % zurück.  

Für eine Solarkollektoranlage ist ein '''Speicher''' unerlässlich. Er nimmt die vom [[Kollektor]] bereitgestellte Wärme auf, falls kein aktueller Wärmebedarf gegeben ist und gibt die Wärme dann wieder ab, wenn Wärme benötigt wird. Solarkollektoranlagen zur Brauchwassererwärmung benötigen im Einfamilienhaus typischerweise einen Speicher von 350 l Inhalt. Soll der Sonnenkollektor auch zur Raumheizung eingesetzt werden, werden größere Speicher benötigt. Normalerweise geht man von 70 l Speichervolumen je Quadratmeter [[Kollektor]]fläche aus. Zu beachten ist, dass diese Speicher nur für wenige

Für diese Zwecke sind erheblich größere Speicher und auch Kollektorflächen nötig. Hierzu gibt es in Europa eine Vielzahl von Demonstrationsprojekten. Die derzeit größte deutsche Anlage in Neckarsulm wird im Endausbau 1.200 Wohnungen auch im Winter mit solarer Wärme aus 15.000 m² [[Kollektor]]en und einem 150.000 m³ großen Speicher versorgen. Die [[Kollektor]]en befinden sich teils auf den Dächern der Schule, der Sporthalle und einigen Wohngebäuden, teils wurden sie über Parkplätzen oder entlang eines Lärmschutzwalls installiert. Für die in derartigen Projekten eingesetzten saisonalen Speicher müssen kostengünstige Lösungen gefunden werden, da sie im Unterschied zu den normalen Speichern in den Heizungskellern nur einmal im Jahr be- und entladen werden. Neben dem Neckarsulmer Ansatz, den vorhandenen Lehmboden mittels Erdsonden als billiges Speichermedium zu verwenden, gibt es noch weitere vielversprechende Entwicklungslinien. Hierzu gehört die Wärmeeinspeisung in unterirdische, wasserführende Schichten (Aquifere), die Nutzung von Schüttungen aus grobkörnigem Kies und Wasser oder die Konstruktion von wenigstens teilweise ins Erdreich versenkten, wassergefüllten Betonbehältern. Jedes dieser Speicherkonzepte hat seine Vor- und Nachteile. Eine erfolgreiche Entwicklung kostengünstiger Langzeitspeicher wird der Solarenergie Anwendungsfelder erschließen, die weit über die heute noch vorherrschende sommerliche Brauchwassererwärmung hinausgehen.

Tests belegen, dass die Solarkollektoranlagen mittlerweile einen hohen Reifegrad erreicht haben, der einen zuverlässigen Betrieb über 20 Jahre ermöglicht. Trotzdem gab es in jüngster Zeit noch weitere technische Verbesserungen. Durch den Einsatz neuer selektiver Schichten auf der Absorberoberfläche konnten die Abstrahlung verringert und damit der Wirkungsgrad erhöht werden. Zudem sind diese selektiven Schichten umweltfreundlicher als die bisher eingesetzten galvanischen Beschichtungen und zeigen sich auch unempfindlicher gegenüber mechanischen Einflüssen oder hohen Temperaturen.

Bei Flachkollektoren konnten die Reflexionsverluste an der Abdeckungsverglasung durch eine besondere Oberflächenbehandlungen reduziert werden. Niedrigere Durchflussraten durch den [[Kollektor]] erlauben den Einsatz von Zu- und Ableitungen mit geringerem Durchmesser. Dadurch können dünnere Rohrisolierungen eingesetzt, der Materialaufwand erheblich reduziert und Pumpstrom eingespart werden.

Um die Kosten weiter zu mindern, geht der Trend zu immer größeren Einzelmodulen. Außerdem wird die Montagetechnik auf dem [[Dach]] vereinfacht. Dies geht soweit, dass die [[Kollektor]]en die konventionelle [[Dachhaut]], z.B. Dachpfannen und -[[sparren]], komplett ersetzen, so dass die Kosten für Teile des Dachstuhls eingespart werden können.

'''Regelung und Pumpen''' werden in vormontierten, integrierten Baugruppen geliefert. Es werden lötfreie Rohrverbindungen angeboten, so dass die Montage vor Ort erheblich vereinfacht ist und von begabten Laien selbst ausgeführt werden kann.

Durch technische Fortentwicklung und Marktausweitung konnten die Preise für das Gesamtsystem in den letzten 15 Jahren deutlich gesenkt werden. Derzeit kann man mit spezifischen Investitionskosten für eine komplette Anlage inklusive Speicher, Verrohrung und Montage von 850 Euro/m² [[Kollektor]]fläche rechnen.

2001 wurden rund 900.000 m² verglaste [[Kollektor]]fläche in Deutschland verkauft. Insgesamt sind weit über 4 Mio. m² [[Kollektor]]en auf deutschen Dächern installiert. Hierdurch werden über 2.000 GWh an fossilen Brennstoffen ersetzt, was einer Menge von 200 Mio. l Heizöl entspricht.

Dank des [[Marktanreizprogramm]]s der Bundesregierung, der Kampagne “Solar – na klar!” und vieler engagierter Bürger hat sich in den letzten beiden Jahren der Absatz von [[Kollektor]]en in Deutschland mehr als verdoppelt.

Trotzdem ist unser Land noch nicht Spitzenreiter bei der Nutzung der Solarenergie. Im Nachbarland Österreich ist je Kopf der Bevölkerung die fünffache Menge an Solarkollektoren installiert. Dort sind die [[Kollektor]]en außerdem bereits zu einem lukrativen Exportschlager geworden. Andere EU-Länder wie Frankreich, Italien oder England hinken dagegen der Entwicklung noch weit hinterher.

Langfristig kann solare Wärme erheblich zu einer nachhaltigen Energieversorgung in Deutschland beitragen. Auf den Dächern von Gebäuden ist Platz für 800 km² [[Kollektor]]en. Weitere Installationsflächen gibt es an Südfassaden, über Parkplätzen oder an Straßenböschungen. Insgesamt können bis zu 1.300 km² [[Kollektor]]en installiert werden, wobei schon berücksichtigt ist, dass ein Teil der Dachflächen für die Nutzung von Solarzellen zur Stromerzeugung ([[Photovoltaik]]) reserviert bleiben muss.

Mit dieser [[Kollektor]]fläche könnte rechnerisch etwa die Hälfte des heutigen Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser gedeckt werden. Heute liegt der Beitrag solarer Wärme aber noch bei 2 ‰.

Um solare Wärme zu einem Standbein der Energieversorgung zu machen, genügt es nicht, jedes [[Dach]] mit [[Kollektor]]en zu belegen und einen Solarspeicher in jeden Keller zu stellen. Es ist vielmehr notwendig, eine große Anzahl von Gebäuden über ein Nahwärmenetz miteinander zu verbinden und an einen großen gemeinsamen Speicher anzuschließen. Nur so kann zu vertretbaren Kosten Sommersonnenwärme bis in den Winter gespeichert werden.