mini|Vorne: Sonnenkollektoren auf dem Dach der Universität Speyer; dahinter Photovoltaikanlage; ganz im Hintergrund Aufdachanlagen auf den GEWO-Häusern von Speyer-West mini|Thermosolaranlage in Mörfelden-Walldorf mini|Fassadenintegrierte Thermosolaranlage der Brauerei Neumarkter Lammsbräu In thermischen Solaranlagen, Solarthermieanlagen bzw. Thermosolaranlagen erfolgt eine Konversion von solarer Einstrahlung in Wärme. Diese wird dann in der Prozesstechnik oder der Gebäudetechnik nutzbar gemacht oder in thermischen Solarkraftwerken zur Stromerzeugung genutzt.

Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom (elektrische Energie) – z. B. mittels Solarzellen – wird dagegen als Photovoltaik, die entsprechenden Anlagen als Photovoltaikanlagen bezeichnet.

Einsatzgebiete mini|Systemschaubild eines Solarkreislaufs mit Solarstation mini|Tichelmann-System für Sonnenkollektoren Überwiegend werden thermische Solaranlagen in der Haustechnik genutzt. Die gewonnene Wärme wird hierbei meistens zur Trinkwasser-Erwärmung (Spül-, Dusch- und Badewasser) und für die unterstützende Beheizung der Wohnräume eingesetzt.

Im industriellen Bereich werden Anlagen mit meist mehr als 20 m² Kollektorfläche 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 oder zur Aufheizung/Vorwärmung von Luft betrieben.

Ebenfalls zu den thermischen Solaranlagen zählen Anlagen zur solaren Klimatisierung. Aufgrund der hohen Temperaturen sind sie vergleichbar mit den Prozessanlagen.

Ein großtechnischer Einsatz findet dagegen in thermischen Solarkraftwerken wie etwa in Andasol statt. Die meisten dieser Anlagen verwenden konzentrierende Kollektoren zur Fokussierung der Sonnenstrahlen auf einen Absorber-Punkt oder eine Absorberlinie, in dem bzw. der 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 Trinkwasser-Erwärmung und Heizungsunterstützung, da dies der in Mitteleuropa (noch) häufigste und am meisten verbreitete Anwendungsbereich ist.

Bestandteile Die thermische Solaranlage besteht aus einem Kollektor, welcher die Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt, einem Solarwärmespeicher, der die nicht sofort genutzte Wärme speichert, sowie dem verbindenden Solarkreislauf, über den die Wärme vom Kollektor in den Speicher transportiert wird. Dieser besteht aus Rohren, Armaturen und Antriebsaggregaten, die den einwandfreien Betrieb der Anlage sichern, sowie einem Regler, welcher den Wärmetransport an- und ausschaltet (außer bei Schwerkraft-Anlagen).

Kollektoren und Absorber

Der Sonnenkollektor ist der Teil der Solaranlage, der einen möglichst großen Teil der Energie des Sonnenlichts absorbiert. Dabei erwärmt sich der Kollektor selbst und wird durch Wärmedämmung oder Vakuum davor geschützt, die aufgenommene Wärmeenergie gleich wieder als Wärmestrahlung zu emittieren. Die absorbierte Wärme soll möglichst verlustfrei auf die Solarflüssigkeit im Solarkreislauf übertragen werden.

Als Absorber bezeichnet man sowohl die in den Kollektoren enthaltenen Leitungen, die dem Transport des Wärmeträgerfluids dienen, als auch eigenständige Bauteile, welche die Solarenergie unmittelbar aufnehmen, ohne wie bei einem Kollektor zusätzlich von Glas oder einem Gehäuse umschlossen zu werden. Die verschiedenen Absorbertypen sind in den Artikeln Sonnenkollektor sowie Solarabsorber beschrieben.

Die wichtigsten Bauformen sind Flachkollektoren, die mit herkömmlichen Dämmmaterialien gegen Wärmeverluste geschützt werden (Wärmedämmung). Sie sind wegbereitend für die effiziente Solarnutzung gewesen. Sie haben eine lange Lebensdauer; einige Hersteller sollen eine Funktionsgarantie über 20 Jahre geben. Vakuumröhrenkollektoren, die ebenso aufgebaut sind wie eine Thermoskanne: Die das Transportmedium enthaltende innere Absorberröhre wird von einer zweiten, äußeren Glasröhre umschlossen. Um den Energieverlust der aufgeheizten Flüssigkeit zu reduzieren, wird dem Zwischenraum die Luft entzogen (Vakuum). Aufgrund der geringeren Energieverluste arbeiten Vakuumkollektoren trotz des höheren Preises insbesondere bei hohen Temperaturdifferenzen von über 40 °C zwischen Außenluft und Absorber rentabler als andere Bautypen. Sie werden daher eingesetzt, wenn die Solaranlage die Heizungsanlage unterstützen soll und es somit insbesondere auf den Energiegewinn im Winter ankommt, sowie auch im industriellen Bereich, wo Prozesswärme mit Temperaturen von über 80 °C benötigt wird.Einige Vergleiche mit Diagrammen – englischer Text Bei geringer Temperaturspreizung ist der Flachkollektor im Vorteil. Infolge der besseren Dämmung tauen Vakuumröhrenkollektoren etwas langsamer ab. In Regionen mit viel Schnee kann dies nachteilig sein.

In Europa sind überwiegend Flachkollektoren verbreitet. Vakuumkollektoren haben einen höheren Ertrag pro Quadratmeter Absorberfläche. Allerdings verringert sich der Unterschied wenn der Ertrag auf die Gesamtfläche des Kollektors bezogen wird, da den eigentlichen Absorberröhrchen bei Röhrenkollektoren konstruktionsbedingt ein geringerer Anteil der Gesamtfläche zur Verfügung steht. Bei ausschließlicher Verwendung zur Erwärmung von Brauchwasser im privaten Einfamilienhaus bringt ein Vakuum-Röhrenkollektor nur marginale Ertragsvorteile.Ertragsvergleich Röhren- vs. Flachkollektor bei heizungsunterstützender thermischer Solaranlage ()Ertragsvergleich Röhren- vs. Flachkollektor bei Trinkwasser Solaranlage ()

Zur Vorhersage des Wärmeertrags werden die Leistungsdaten der Kollektoren herangezogen, die in den Keymark-Zertifikaten ausgewiesen sind.

Eine Mischform sind so genannte Vakuumflachkollektoren. Bei diesen wird der gesamte Luftraum des kastenförmigen Flachkollektors vakuumiert. Bauartbedingt neigen diese zu Undichtigkeiten, so dass eindringende Luft regelmäßig mit Hilfe einer Vakuumpumpe abgesaugt werden muss.

Bei registerförmigen Absorberrohren oder wenn mehrere Solarabsorber bzw. -kollektoren in einem gemeinsamen Hydrauliksystem parallel betrieben werden (beispielsweise mit einer gemeinsamen Umwälzpumpe), müssen sie nach Tichelmann miteinander verrohrt werden, damit eine einigermaßen gleichmäßige Durchströmung aller Kollektoren sichergestellt ist.

Solarspeicher mini|Druckloser 300-l-Solarspeicher Um die eingefangene Wärme unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung nutzen zu können, muss sie gespeichert werden. Wichtige Qualitätsgrößen sind die Speicherkapazität und die Wärmeverluste.

Thermische Speicherkapazität Die Speicherkapazität ist proportional zum Speichervolumen, zur Wärmekapazität des Speichermediums und zur nutzbaren Temperaturdifferenz.

Als Speichermedium dient überwiegend Wasser. Wasser hat im Vergleich mit anderen Stoffen eine hohe spezifische Wärmekapazität von 4,187 kJ/(kg·K). Ein vollständig durchwärmter 500-Liter-Warmwasserspeicher enthält bei einer Temperaturdifferenz von etwa 45 K beispielsweise eine nutzbare Energiemenge von

zwischen Zulauf aus dem Kaltwasser-Leitungsnetz und Speicher. Real ist die Energiemenge kleiner, da in einem Speicher immer eine Temperaturschichtung existiert.

Soll ein Wasserspeicher für den Heizungsbetrieb genutzt werden, empfiehlt sich eine höchstmögliche Speichertemperatur sowie eine Niedertemperaturheizung und die Anwendung eines Heizungsmischers, um eine möglichst große Temperaturdifferenz zu erzielen.

Ein vollständig durchwärmter 800-Liter-Speicher mit 80 °C Speichertemperatur und 30 °C Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung könnte dann beispielsweise

vorhalten.

Wärmeverlust Ein heute üblicher 300-l-Speicher hat (je nach Fabrikat und Hersteller) z. B. einen Wärmeverlust von ca. 1,9 kWh/Tag, ein 600-l-Speicher bei gleichem Dämmstandard ca. 2,4 kWh/Tag. Bei verdoppeltem Speichervolumen steigt der Wärmeverlust also nur um ca. 30 % an. Ein Grund dafür ist, dass die Oberfläche eines Speichers unterproportional mit dem Volumen ansteigt.

Aufbau Von herkömmlichen Trinkwasserspeichern unterscheiden sich Solarspeicher vor allem durch: verstärkte Dämmung; üblich sind 10 cm und mehr (bis zu ca. 50 cm), teilweise aus Materialien wie PU- oder PP-Schaum mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit (λ < 0,04 W/(m K)), zum Teil zweischichtig, gegenüber oft nur 5 cm Mineralwolle bei herkömmlichen Warmwasserspeichern 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.

Langzeitspeicher mini|hochkant|Zentraler Solartank-Speicher in einem Sonnenhaus-Komplex bestehend aus 5 Gebäuden mit 16 Wohneinheiten. Der solare Deckungsgrad des Komplexes wird mit 65 % angegeben.Warmes Wasser aus dem Sonnentank. In: Main-Netz. 5. Juli 2013. Abgerufen am 10. Mai 2014.

Für eine längerfristige Speicherung in einem Saisonwärmespeicher, 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.

Eine Alternative sind Latentwärmespeicher, diese nutzen die Phasenumwandlung fest/flüssig, z. B. 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.

Thermochemische Wärmespeicher nutzen den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen: Durch Wärmezufuhr wechselt das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung; bei der von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil der zugeführten Wärme wieder freigesetzt. Thermochemische Wärmespeicher ermöglichen im Unterschied zu Puffer- und Latentwärmespeichern die nahezu verlustfreie Speicherung größerer Wärmemengen über längere Zeiträume. Daher eignen sie sich z. B. als Saisonspeicher für solarthermische Anwendungen in Regionen mit hohen jahreszeitlichen Temperaturunterschieden.

Bivalente Speicher Häufig sind Solarspeicher 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 (Heizöl bzw. Erdgas), Wärmepumpe oder Biomasse-Heizkessel (Pellet, Hackschnitzel oder Scheitholz). 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 elektrischer Heizstab verwendet werden; die Wassererwärmung mit Strom ist aber energetisch sehr ineffizient und wenig umweltfreundlich.

Kombispeicher