mini|rechts|Weltweit verfügbare Sonnenenergie. Die Farben in der Karte zeigen die lokale Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche gemittelt über die Jahre 1991–1993 (24 Stunden am Tag, unter Berücksichtigung der von Wettersatelliten ermittelten Wolkenabdeckung). Zur Deckung des derzeitigen Weltbedarfs an Primärenergie allein durch Sonnenstrahlung wären die durch dunkle Scheiben gekennzeichneten Flächen ausreichend (bei einem Wirkungsgrad von 8 %).

Unter Solarthermie (abgekürzt ST) versteht man die Umwandlung der Sonnenenergie z. B. durch thermische Solaranlagen in nutzbare thermische Energie. Sie zählt zu den erneuerbaren Energien.

Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlungsleistung beträgt weltweit im Tagesdurchschnitt (bezogen auf 24 Stunden) ungefähr 165 W/m² (mit erheblichen Schwankungen je nach geographischer Breite, Höhenlage und Witterung). Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als zehntausendmal größer als der Energiebedarf der Menschheit,, Clean Power from Deserts (PDF-Dokument; 3,0 MB) das Potenzial der Solarenergie ist größer als das aller anderen erneuerbaren Energien zusammen.

Ende 2020 waren weltweit insgesamt 500 GW Solarthermiekollektoren für die Warmwassergewinnung installiert, davon 364 GW oder 72,8 % in China. Stand Ende 2016 waren nach vorläufigen Angaben weltweit ca. 456 GW an thermischer Leistung installiert, die über ein jährliches Regelarbeitsvermögen von ca. 375 TWh thermischer Energie verfügen, mit ca. 325 GW der größte Teil davon in China.Global Status Report 2017. Website von REN21. Abgerufen am 26. Juli 2017. Solarthermie ist eine Kerntechnologie der sehr erfolgreichen dänischen Wärmewende. Im Juni 2019 waren dort 1,1 GW an thermischer Leistung installiert.

Zudem waren Stand Ende 2021 Sonnenwärmekraftwerke zur Stromerzeugung mit einer elektrischen Gesamtleistung von knapp 6,4 GW in Betrieb.

Geschichte Die passive Nutzung der Solarthermie wurde bereits im Alten Ägypten, in Mesopotamien und in den frühen südamerikanischen Hochkulturen durch die Architektur ihrer Bauwerke praktiziert.

In kalten Klimazonen werden seit alters Fenster und Türen bevorzugt auf der windabgewandten Seite des Hauses, aber möglichst in Richtung zur Mittagssonne hin orientiert. In heißen Zonen wurden dagegen Türen so positioniert, dass sie sich zur Mittagszeit auf der sonnenabgewandten Seite befanden. Dokumentiert sind die architektonischen Betrachtungen des römischen Baumeisters Vitruv. Er schrieb: „Im Norden, scheint es, müssen die Gebäude mit einem flach gewölbten Plafond versehen möglichst geschlossen und nicht offen, sondern nach den warmen Himmelsgegenden hin gerichtet angelegt werden.“Vitruv, De architectura libri decem. Zehn Bücher über Architektur. Übersetzt und mit Anmerkungen versehen von Curt Fensterbusch, 2. durchgesehene Auflage, Verlag Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1976.

Erste Anwendungen der solarthermischen Nutzung gehen bis in die Antike (800 v. Chr. – 600 n. Chr.) zurück, als Brenn- bzw. Hohlspiegel für die Fokussierung von Lichtstrahlen verwendet wurden. Entsprechend wurde und wird die olympische Fackel seit der Antike über Brennspiegel entzündet.

Im 18. Jahrhundert erfand der Naturforscher Horace Bénédict de Saussure die Vorläufer der heutigen Sonnenkollektoren.René Sigrist: Le capteur solaire de Horace-Bénédict de Saussure. Genèse d’une science empirique. Passé-Présent/Jullien, Genève 1993 (französisch) PDF online bei Academia. Abgerufen am 24. Oktober 2021. 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. Mitte der 1970er Jahre wurden – ausgelöst durch die erste Ölkrise – erste brauchbare Konzepte für eine zeitgemäße Solarenergienutzung entwickelt.

Theoretische Grundlagen Die Sonne erzeugt durch die in ihrem Inneren ablaufende Kernfusion eine Leistung von ca. 3,8 · 1026 Watt und gibt sie in Form von Strahlung ab (entspricht etwa 4,26 Megatonnen Masse pro Sekunde, die in Energie umgewandelt werden). Von der kugelförmigen Sonnenoberfläche wird diese Strahlungsleistung etwa gleichmäßig in alle Richtungen abgegeben. Genau genommen schwankt die Strahlungsleistung der Sonne sowohl örtlich als auch zeitlich, siehe zum Beispiel unter Sonnenaktivität und Weltraumwetter für nähere Informationen. Die Erde kreist (eigentlich auf einer elliptischen Bahn) in einem mittleren Abstand von etwa 150 Millionen Kilometern um die Sonne, dieser Abstand wird auch als Astronomische Einheit bezeichnet. Im Hinblick auf die Strahlungsleistung bewegt sich die Erde auf einer Kugelfläche um die Sonne mit einem Radius von einer Astronomischen Einheit. Die Strahlungsleistung verteilt auf diese Kugelfläche beträgt im Mittel

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was als Solarkonstante bezeichnet wird. Der Wert schwankt, insofern ist es irreführend, von einer Konstanten zu sprechen, der Begriff hat sich aber eingebürgert. Auf sehr langen Zeitskalen (Millionen bis Milliarden Jahre) nimmt die Strahlungsleistung von Hauptreihensternen wie der Sonne langsam zu, bedeutsam für menschliche Zeitskalen sind jedoch kürzerfristige Variationen, welche in beide Richtungen ausschlagen können, so nach unten während des Maunder-Minimums. Die Solarkonstante erlaubt daher nur einfache Berechnungen und Abschätzungen ist aber für die meisten Zwecke eine hinreichend präzise Näherung. Während im erdnahen Weltraum eine senkrecht zur Sonne ausgerichtete Fläche tatsächlich den von der Solarkonstanten gegebenen Wert empfängt, sorgt die Erdatmosphäre für eine deutliche Dämpfung. Durch Reflexion und Absorption an Wolken, Aerosolen und Gasen wird dieser Wert durch die Atmosphäre beträchtlich reduziert. Je nach Breitengrad muss die Strahlung einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen (die Extinktion ist proportional zur Weglänge und Dichte des Mediums Luft, also proportional zur Masse der Luft, welche die Solarstrahlung auf dem Weg zur Erdoberfläche durchquert). Daraus ergibt sich je nach Standort auf der Erde eine unterschiedliche Strahlungsleistung. Von einem klaren Mittagshimmel im Sommer (höherer Sonnenstand = kürzerer Weg durch die Atmosphäre) strahlt die Sonne in Deutschland nur noch mit maximal 1.000 W/m2, im Winter sogar nur mit 600 W/m2. Es gibt Wetterstationen mit Solarmeter, die auch die täglichen Schwankungen zu beobachten erlauben. So steigt die auf der Erdoberfläche empfangene Sonnenstrahlung von Sonnenaufgang bis Mittag etwa in einer Sinusfunktion an, um dann auf gleiche Weise wieder abzufallen. In der Nacht beträgt die Sonnenstrahlung natürlich 0 W/m2, über ein gesamtes Jahr gemittelt ergeben sich in Deutschland etwa

Über die Zeit integriert ergibt sich aus der empfangenen Sonnenstrahlung die nutzbare Sonnenenergie. Die eingestrahlte Energie pro Jahr beträgt in Deutschland etwa

.

Dies entspricht etwa der Hälfte des theoretisch erreichbaren Wertes, was im Wesentlichen auf Bewölkung zurückzuführen ist. Das Statistische Bundesamt rechnet bei solarthermischen Kollektoren, die zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden, im Jahr mit einem mittleren Ertrag von

bzw. .

Dieser Wert liegt nochmals wesentlich niedriger, da er weitere Faktoren berücksichtigt, welche den Ertrag in der Praxis ebenfalls beeinflussen.

Die gezielte Wandlung der in Form elektromagnetischer Wellen einfallenden Sonnenstrahlung in thermische Energie erfolgt grundsätzlich durch das Prinzip der Absorption. Das kann durch Sonnenkollektoren geschehen, die die Sonnenstrahlung direkt absorbieren. Mit Konzentratoren, die auf dem Prinzip der Reflexion basieren (Hohlspiegel oder eine Vielzahl der Sonne nachgeführter Einzelspiegel), lässt sich das Sonnenlicht fokussieren, wodurch eine erhöhte Lichtintensität auf dem Absorber und damit eine höhere Temperatur im Wärmeträgermedium erzielt werden kann.

Bei diffuser Einstrahlung durch Wolken oder Dunst ist eine thermische Nutzung der Globalstrahlung mit Konzentratoren grundsätzlich nicht möglich. Flachkollektoren können die diffuse Globalstrahlung zwar nutzen, die allerdings typischerweise eine geringere Leistung hat als das direkte Sonnenlicht. Diffuse Strahlung: Auswirkungen auf den Ertrag

Weltweite Nutzung Die thermische Solarenergie wird am stärksten in China und Europa genutzt. Pro Kopf wird sie auch stark in Israel genutzt, da Israel jedoch eine kleine Bevölkerung hat, fällt dies in weltweiten Statistiken weniger ins Gewicht. Israel war jedoch im 20. Jahrhundert einer der modernen Pioniere dieser Technologie, vor allem in der Warmwasserbereitung.https://www.greenbiz.com/article/1980s-solar-water-heaters-took-israel-stalled-us-its-simple-fixhttps://www.israel21c.org/israels-solar-star-jacob-karni/ Im Jahr 2007 lag der weltweite Kapazitätszuwachs bei 126 GW, davon 67 % in China und 12 % in Europa. In China nutzt man die Energie meistens zur Warmwassererzeugung, in Europa oft auch für die teilsolare Raumheizung. Die weltweite installierte Kapazität nahm zwischen Jahren 2007–2008 um 15 % (19 GW, von 126 GW) auf 145 GW zu. REN 21 Pariisi 13. Mai 2009. Die europäische Kapazität nahm zwischen Jahren 2007–2008 um 21 % (3,3 GW, von 15,7 GW) auf 19 GW zu.Solar thermal market grows strongly in Europe (PDF; 966 kB) Trends and Market Statistics 2008, ESTIF 5/2009 Die europäische Gesamtkapazität stieg auch in den bewegten Jahren 2008–2011 mit teilweise starken Zuwachseinbrüchen auf 26,3 GW.Solar Thermal Markets in Europe – Trends and Market Statistics 2011 (PDF; 7,4 MB) englischsprachige Seite mit Tabellen und Charts

+ Bestand an thermischer Solarenergie Ende 2005–2008 (in GW) ren21.net, REN 21 Pariisi September 2010. # Land/Region 2005 2006 2007 2008 1 55,5 67,9 84,0 105,0 2 11,2 13,5 15,5 18,3 3 5,7 6,6 7,1 7,5 4 5,0 4,7 4,9 4,1 5 3,3 3,8 3,5 2,6 6 1,6 2,2 2,5 2,4 7 1,6 1,8 1,7 2,0 8 1,2 1,3 1,2 1,4 9 1,1 1,2 1,5 1,8 Welt 88 105 126 149

+ Zuwachs an thermischer Solarenergie EU27 + Schweiz (in MW)* # Staaten 2006 2007 2008 Bestand 2008 1 1.050 665 1.470 7.766 2 168 198 209 2.708 3 205 197 243 2.268 4 154 179 272 1.137 5 130 172 295 1.124 6 123 183 304 988 7 42 46 48 485 8 36 46 60 416 9 18 16 23 293 10 38 38 57 270 11 10 14 18 254 12 29 47 91 254 13 14 18 60 223 14 20 18 19 202 15 25 30 64 188 16 15 18 25 116 17 5 8 11 96 18 6 6 9 67 19 0 0 6 66 20 4 11 31 52 21 3 4 4 25 22 2 2 3 22 23 2 3 3 18 24 1 6 8 18 25 2 2 3 16 26 1 1 1 5 27 0 0 1 3 28 0 0 0 1 EU27 + Schweiz 2.100 1.920 3.330 19.083 * 1000 m² = 0,7 MW, luftgefüllten Kollektoren und Vakuumröhrenkollektoren (Glazed Collectors), 2004–2008 (kW)

Seit Ende 2011 steht die weltweit größte Solaranlage mit 36.000 Quadratmeter Sonnenkollektoren in Riad. Sie soll den für 26.000 Studentinnen plus Lehrkörper gedachten Campus der in Bau befindlichen Princess Nora bint Abdul Rahman University mit Warmwasser versorgen.Weltgrößte Solaranlage kommt aus Kärnten, kaernten.orf.at, 10. April 2012.

Sonnenkollektoren Arten von Sonnenkollektoren

Man unterscheidet folgende Bauformen:

Solarthermische Kollektoren ohne die Konzentration der Strahlung zur Anhebung der Temperatur