Solarthermie: Funktionsweise, Voraussetzungen & Kosten

Sonnenenergie ist gefragt wie nie: Die Wartezeiten für neue PV-Anlagen betragen zurzeit mehrere Monate. Sonnenenergie kann aber auch als Solarthermie direkt für die Erwärmung von Trink- und Heizwasser verwendet werden. Wir erklären euch die unterschiedlichen Bauarten von Sonnenkollektoren und die wichtigsten Fragen zur Planung eurer Solarthermie-Anlage. 

Irgendwo auf der Welt scheint immer die Sonne. Die Sonnenkraft ist so immense, dass der komplette Weltenergiebedarf mit nur 0,0223% Sonnenenergie, die auf die Kontinente fällt, gedeckt werden könnte. Da die Strahlungsleistung je nach Abstand zum Äquator und nach Wetter schwankt, liegt der Ertrag in Deutschland bei 1.000-1.200 kWh/im Jahr. Eine PV-Anlage hat einen Wirkungsgrad von 15-22% und kann davon 150-200 kWh/(qma) in Strom umwandeln. Solarthermie-Anlagen haben einen bis zu 3-fach besseren Wirkungsgrad und können je nach Anlagentyp bis zu 600 kWh/ma für die Warmwasseraufbereitung aufbringen (Schulz et al., 2022). 

• Welche Bauarten von Sonnenkollektoren gibt es?
• Wie soll eine Solarthermie-Anlage ausgelegt werden?
• Was muss bei der Planung einer Solaranlage für den Heizungsbetrieb beachtet werden?
• Wie viel kostet eine Solarthermie-Anlage?
• Was muss bei dem Betrieb einer Solaranlage beachtet werden?

Welche Bauarten von Sonnenkollektoren gibt es?

Unterschieden werden können vier Typen von Sonnenkollektoren:

• Solar-Luftabsorber: Das können einfach schwarze Schläuche oder schwarze Bleche mit Kanälen sein, die in der Sonne liegen. Die schaffen es, das Wasser auf ca. 30°C zu erhitzen, was ausreichend für ein Schwimmbecken an heißen Tagen, oder wenn Frostschutzmittel als Solarflüssigkeit angewendet wird, als Wärmequelle für die Luftpumpe dient.
• Flachkollektoren: Das sind schwarze oder selektiv (z.B. schwarzes Chrom) beschichtete Kupfer- oder Aluminiumbleche in einer gedämmten Kiste mit einer Glasscheibe darüber. Durch die Kollektoren fließt eine Solarflüssigkeit (Frostschutzmittel oder Wasser), die die Wärme an den Warmwasserspeicher abgibt. Damit können 350-550 kWh/(a) Wärmeleistung erzeugt werden. Durch den flachen Aufbau können Flachkollektoren in den Dachaufbau integriert werden. Ein Vorteil von Flachkollektoren ist das schnelle Abtauen von Schnee und Eis im Winter und dadurch geringere Ertragseinbußen. 
• Vakuum-Röhrenkollektoren: Das sind eine Vielzahl an parallel liegenden evakuierten Glasröhren, in denen Absorberstreifen eingespannt sind, durch die die Solarflüssigkeit fließt und die Wärme an den Warmwasserspeicher abgibt. Damit können 400-600 kWh/(ma) Wärmeleistung erzeugt werden. Vakuum-Röhrenkollektoren sind teurer als Flachkollektoren, haben aber geringe Wärmeverluste und können so ein höheres Temperaturniveau bereitstellen. Ein Nachteil ist, dass Röhrenkollektoren schneller verschmutzen und alle 5-10 Jahre gereinigt werden müssen. 
• Heat-Pipe-Prinzip: Einzelne Röhren, jede als geschlossener Kreislauf, sind mit Flüssiggas gefüllt, welches bei Sonneneinstrahlung verdampft und als Gas sich an der Spitze der Röhre sammelt. Die Wärme wird über ein Kupfer-Wärmetauscher an die Solarflüssigkeit abgegeben. 

Bei allen 4 Kollektortypen hat der Neigungswinkel einen wichtigen Einfluss auf den Energieertrag. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, dass man die Anlagen mit großen Neigungswinkeln installiert, damit die Einstrahlung im Sommer geringer, aber dafür im Winter höher ist. Außerdem rutscht bei steileren Winkeln der Schnee besser ab. 

Wie soll eine Solarthermie-Anlage ausgelegt werden?

Für die Auslegung muss als erstes geklärt werden, für welchen Zweck die Anlage dienen soll. Z.B. wird für die Erwärmung eines Schwimmbades durch Solarthermie kein Wasserspeicher benötigt, da das Wasser im Becken als Speicher fungiert. Für das Haus muss unterschieden werden zwischen der Auslegung für die alleinige Unterstützung der Trinkwassererwärmung oder für die Unterstützung der Trink- und Heizwassererwärmung. Für eine Heizungsunterstützung muss die Kollektorflächen und das Speichervolumen mehr als doppelt so groß ausgelegt werden wie für die reine Trinkwassererwärmung. 

Trinkwassererwärmung

Soll nur das Trinkwasser erwärmt werden, können folgende Richtwerte für die Auslegung herangezogen werden: 

• Röhrenkollektoren: 1,0qm pro Person
• Flachkollektoren: 1,5m pro Person
• Speichervolumen: 80 bis 100 L pro Person oder 50 bis 100 Speichervolumen je  Kollektorfläche

Diese Werte ergeben eine Deckung von ca. 50-65% im Jahresmittel oder 60-80% im Sommer. Solche Anlagen sollten nicht auf 100% Deckung ausgelegt werden, da diese sonst überdimensioniert sind und zu teuer werden. Einschränkend sollte erwähnt werden, dass nur die Warmhaltung von Trinkwasser durch eine Solaranlage hygienisch problematisch sein kann. Besser ist es in diesem Fall, das Heizungswasser als Wärmespeicher zu nutzen und das Trinkwasser mit einem Frischwassermodul zu erhitzen. 

Trink- und Heizwassererwärmung

Das Problem bei der Heizwassererwärmung ist das gegensätzliche Solarangebot zur Energienachfrage. Im Sommer, wenn die Solaranlage am meisten Wärme produziert, wird am wenigsten benötigt. Daher sollten diese Anlagen nicht auf die Wintermonate ausgelegt werden, um eine Überdimensionierung und unnötige Kosten zu vermeiden. 

Folgende Richtwerte können für die Auslegung einer Solaranlage für ein Einfamilienhaus herangezogen werden: 

• Röhrenkollektoren: 10-50qm
• Flachkollektoren: 12-20qm
• Speichervolumen: 700-1500 Liter

Bei der Auslegung des Speichervolumens sollte beachtet werden, dass je größer der Pufferspeicher ist, desto größer werden auch die Wärmeverluste und je größer die Kollektorfläche ausgelegt wird, desto größer ist der produzierte Überschuss im Sommer.

Diese Speichergrößen können für wenige Tage im Winter das Warmwasser vorhalten. Für längere Zeiträume gibt es sogenannte Jahreszeiten- oder Langzeitspeicher. Diese Speicher habe eine Größe von 10-100und können bis zu mehreren Wochen Wärme speichern. Voraussetzung dafür sind ein gut gedämmtes Haus und ein gute Speicherdämmung. Die Kollektorfläche beträgt in diesen Fällen 30-100m. Dadurch kann theoretisch eine Deckungsrate von 100% erreicht werden. Aus Kostengründen ist eine Deckungsrate von 60-70% erstrebenswerter. Je öfter ein Speicher Be- und Entladen wird, umso günstiger ist die bereitgestellte Wärme. In diesen sogenannten Sonnenhäuser wird in den meisten Fällen die fehlende Wärme mit einem Holzofen mit Heißwasseranschluss ausgeglichen. 

Bei Jahreszeiten- oder Langzeitspeichern ist auch trotz einer guten Dämmung des Speichers eine Überhitzung des Hauses in den Sommermonaten möglich. Dies kann durch eine gute Nachtlüftung, eine Entladung des Speichers während der Nacht oder eine Abkoppelung des Speichers vom Haus durch einen wiederverschließbaren Luftspalt verhindert werden.

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Was muss bei der Planung einer Solaranlage für den Heizungsbetrieb beachtet werden?

Bei der Planung einer Solaranlage muss unterschieden werden zwischen einem Neubau und einem Altbau. Bei einem Altbau sollte zuerst in eine gute Dämmung investiert werden. Als zweiter Schritt sollte eine Heizungsanlage auf Basis von erneuerbaren Energien installiert werden, von der die Solaranlage ein Teil sein kann. Die Erfahrungswerte der letzten Jahre haben gezeigt, dass es ökonomisch günstig ist bei einem schlecht gedämmten Haus eine Deckungsrate von 10% anzustreben. Bei einem sehr gut gedämmten Haus kann die Solaranlage bis ca. 40% Deckungsrate ausgelegt werden. Sollen höhere Deckungsraten erreicht werden, sollte die Auslegung mit einem Solarsimulationsprogramm überprüft werden, um unnötige Mehrkosten zu vermeiden.

Eine Solaranlage kann mit fast allen Wärmeerzeugern kombiniert werden und so einen Beitrag zur Autarkie eines Hauses beitragen. Das ist vor allem im Winter interessant, da eine Solaranlage im Gegensatz zu einer PV-Anlage oder einer Wärmepumpe das Stromnetz im Winter entlastet.

Blockheizkraftwerke sind nicht geeignet für eine Kombination, da durch eine Solaranlage die Laufzeit zu stark vermindert wird. Ebenso ist eine Luft-Wärmepumpe keine gute Kombination, da diese im Sommer die höchsten Wirkungsgrade haben. 

Eine sehr gute Kombination ist eine Erd-Wärmepumpe, da sich das Erdreich im Sommer besser regenerieren kann, wenn die Solaranlage einen Teil der Wärmeerzeugung übernimmt. Ebenso, kann das überschüssige Warmwasser im Sommer in den Brunnen geleitet werden, um das Erdreich zusätzlich zu regenerieren und eine bessere Effizienz im Winter zu erreichen. 

Für Neubauten schreibt das Gebäudeenergiegesetz (GEG) vor, dass mindestens 15% der Wärme solar gedeckt werden müssen, entweder durch eine PV-Anlage oder durch eine Solaranlage. Einige Bundesländer fordern, dass auch bei Sanierungen im Altbau. Dieser Wert gilt ohne Nachweis als erfüllt, wenn pro Quadratmeter Wohnfläche 0,04 Kollektorfläche für eine Solaranlage installiert werden. 

Unabhängig von der Größe der Anlage, sollten folgende Punkte bei der Planung unbedingt beachtet werden:

• Einbau eines Wärmezählers: Da dieser ca. 300€ kostet, wird darauf oft verzichtet, aber ohne einen Wärmezähler kann der Ertrag der Anlage nicht überprüft werden und Fehler bzw. Störungen können schlechter bis gar nicht aufgedeckt werden. 
• Dämmung: Viele angebotene Speicher sind nicht ausreichend gedämmt. Die Rohrleitungen und der Speicher sollten ohne Lücken und ausreichend dick gedämmt werden. Es sollte auch auf eine Dämmung von unten und korrekt ausgeführte Übergänge geachtet werden. Außerdem sollte das Dämmmaterial für die hohen Temperaturen im Sommer geeignet sein. 

Wie viel kostet eine Solarthermie-Anlage?

Die Anlagenkosten sind stark abhängig von dem Installationsaufwand, wodurch größerer Anlagen in Bezug auf die Kosten pro kWh günstiger sind. Folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Preise, wenn der Warmwasserspeicher schon vorhanden ist:

(Quelle: Schulz et al., 2022)

Es ist möglich, eine Förderung ür Solaranlagen zu erhalten. Eine Anlaufstelle dafür ist die KfW. Zusätzlich zu den Investitionskosten kommen die Betriebskosten. Das sind ca. 20-60€ Stromverbrauch im Jahr (abhängig von dem Energiebedarf der Pumpe und ohne PV-Anlage) und eine regelmäßige Wartung. Durch die steigenden Preise für Gas amortisieren sich die Kosten immer schneller, da bei einer Solaranlage keine Kosten für den Energieträger entstehen. 

Was muss bei dem Betrieb einer Solaranlage beachtet werden?

Solaranlagen werden häufig falsch geplant und fehlerhaft ausgeführt. Auf folgende Punkte sollte geachtet werden, damit die Anlage effizient arbeiten kann:

• Temperatursensor: Dieser muss korrekt im Kollektor sitzen und nicht im (ggf. nicht gedämmten) Rohr, da ansonsten die falsche Temperatur an die Regelung weitergegeben wird und so die Anlage vor allen an kalten sonnigen Tagen unter der eigentlichen Leistung betrieben wird.
• Temperaturen: Wenn die Solaranlage korrekt läuft, dann sollte der Solar-Verlauf 10-15°C wärmer als der Rücklauf und dieser sollte wiederrum max. 10-15°C wärmer als der Speicher sein. 
• Ausdehnungsgefäßes (MAG) und/oder Überdruckventil: Im Hochsommer können die Temperaturen in Flachkollektoren über 200°C und in Röhrenkollektoren über 250°C steigen. Das kann dazu führen, dass die Solarflüssigkeit verdampft und sich ausdehnt. Solaranlagen haben dafür Sicherheitsmechanismen in Form eines Ausdehnungsgefäßes (MAG) und/oder eines Überdruckventils, welche korrekt dimensioniert werden müssen, da ansonsten es sonst zum Auskochen der Solarflüssigkeit kommen kann. Das kann zu Schäden an der Anlage führen. 
• Farbe der Solarflüssigkeit: Es sollte darauf geachtet werden, dass sie Solarflüssigkeit immer klar und durchsichtig sein. Wenn sie bräunlich oder klumpig ist dann liegt ein Fehler oder Schaden in der Anlage vor.
• Wärmeüberschuss: Im Hochsommer sollte der Wärmeüberschuss genutzt werden, um die Lebensdauer der Solarflüssigkeit und der Kollektoren zu verlängern. Das kann z.B. durch die Nutzung des warmen Wassers in einem Schwimmbecken oder als Kellertrocknung in einem Altbau geschehen. Im Sommer kann auch der Deckel des Speichers entfernt werden, um den Speicher auskühlen zu lassen. 
• Rückschlagventil: Das Rückschlagventil verhindert, dass das Wasser, was sich ggf. oben auf dem Dach abkühlt, wieder in den Speicher absinkt. Bei einem Defekt oder einer Verschmutzung können beträchtliche Wärmemengen durch die Schwerkraft aus dem Speicher verloren gehen. ‍
• Sommerbetrieb: Zur Überprüfung der Solaranlage sollte das Heizgerät im Sommer abgeschaltet werden.