Photovoltaik und Solarthermie

Was ist der Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie?

Unter dem Oberbegriff Solaranlagen finden sich zwei unterschiedliche Techniken: Solarthermie und Photovoltaik. Doch was ist eigentlich der Unterschied?

Bei beiden ist die Bedeutung grundlegend aus dem Namen ersichtlich. Das 'Volt' in Photovoltaik zeigt an, dass hier elektrische Spannung, also Energie aus Sonnenlicht gewonnen wird, also Strom. Thermische Energie, also Wärme, wird mithilfe der Solarthermie erzeugt. Die Bedeutung beider Techniken ist in den vergangenen Jahren - vor allem im Hinblick auf Klimadiskussionen und Umweltschutz - stark gestiegen. Da in einem normalen Haushalt die meiste Energie zur Wärmegewinnung benötigt wird, ist das Einsparpotenzial bei der Solarthermieanlage deutlich höher als bei einer Photovoltaikanlage. Daher soll es hier in erster Linie um Solarthermie in Verbindung bzw. als Ergänzung zu anderen Heizmethoden gehen.

Solarthermie als Ergänzung zur Brennwerttechnik

Brennwertkessel stellen heutzutage eine der effizientesten Heizmethoden dar. Die Wärmeausbeute aus einem Brennstoff ist durch Nutzung des Brennwerts statt nur des Heizwertes deutlich höher und führt zu Wirkungsgraden von mehr als 100 Prozent. Das ist bereits ein guter Anfang, aber es sind auch noch Steigerungen möglich. Denn auch Brennwertkessel erzeugen Emissionen, die sich durch den Einsatz einer thermischen Solaranlage weiter reduzieren lassen. Die Sonnenkollektoren werden sowohl zur Unterstützung der Heizung als auch zur Bereitstellung vonWarmwasser mit der thermischen Solaranlage eingesetzt. Auf diese Weise lassen sich, je nach Umwelteinflüssen, bis zu 35 Prozent der Heizkosten senken.

Vor allem in den Sommermonaten ist eine Heizung mit thermischer Solaranlage dazu imstande, den kompletten Wärmebedarf eines Hauses abzudecken. Erst in den Wintermonaten und der Übergangszeit kommt die Brennwertheizung unterstützend hinzu. Der im Keller aufgestellte Pufferspeicher wird sowohl von der Gastherme als auch vom Sonnenkollektor mit Wärme versorgt. Es sind also keine zwei Speicher notwendig.

Was beeinflusst die Energieausbeute?

Damit sich Sonnenkollektoren auch nutzen lassen, bedarf es ausreichender Sonnenenergie. Die Sonnenscheindauer spielt also eine wesentliche Rolle bei der Berechnung der Wirtschaftlichkeit einer thermischen Solaranlage. Als Ausgangspunkt dient zunächst die sogenannte Globalstrahlung. Dabei handelt es sich um einen in Kilowattstunden pro Quadratmeter und pro Jahr gemessenen Wert, mit dem sich die Strahlungsintensität für einen Ort feststellen lässt. Diese Werte stehen für ganz Deutschland und die angrenzenden Länder zur Verfügung.

In Deutschland gibt es hinsichtlich der Globalstrahlung ein deutliches Süd-Nord-Gefälle. Die Globalstrahlung in den südlichen Bundesländern wie Bayern und Baden-Württemberg ist also höher als beispielsweise in Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern. Während im Süden Deutschlands Durchschnittswerte von bis zu 1.190 kWh/m² erzielt werden, sind es im Norden nur noch 1.000 kWh/m² pro Jahr.

Die Globalstrahlung lässt sich noch in direkte und diffuse Strahlung unterteilen. Die direkte Strahlung darf als ungestörte Strahlung verstanden werden, bei der sich dem Sonnenlicht keinerlei Hindernisse wie Wolken oder Nebel in den Weg stellen. Sind die Bedingungen nicht optimal, wie es beispielsweise im Herbst und im Winter oft der Fall ist, dann steht der thermischen Solaranlage nur die diffuse Strahlung zur Verfügung. Dabei handelt es sich um Grunde genommen um das Licht, das sich seinen Weg durch Wolken und Nebel bahnen kann, um dann, teilweise auch von diesen reflektiert, auf den Sonnenkollektor trifft. Die Ausbeute an Energie ist dabei natürlich deutlich geringer als bei direkter Sonneneinstrahlung.

Daneben ist auch der Winkel entscheidend, mit dem sie Sonnenstrahlen auf die Solarthermieanlage treffen. Optimal ist ein Anstrahlwinkel von 90 Grad. Auf flachen Dächern oder an Stellen, die nicht direkt nach Süden ausgerichtet sind, kann hier mit entsprechenden Unterkonstruktionen nachgeholfen werden. Gerade in Gegenden mit einer eher schwachen Globalstrahlung ist die Ausrichtung des Daches besonders wichtig, um eine wirtschaftliche Energieausbeute zu erzielen.

Unterstützung bei Heizung und Warmwasser mit thermischer Solaranlage

Die Investition in Solarthermieanlagen kann sich schon innerhalb weniger Jahre bezahlt machen, sofern die Voraussetzungen dafür gegeben sind. Das gilt vor allem dann, wenn sie sowohl zur Trinkwassererwärmung als auch zur Heizungsunterstützung eingesetzt wird. Das resultiert vor allem aus den Einsparungen beim Brennstoff wie beispielsweise Gas oder Öl. In Zahlen ausgedrückt: Allein beim Einsatz zur Warmwasserbereitung können bis zu 60 Prozent an Energie, in manchen Fällen sogar noch mehr, durch die Verwendung einer Solarthermieanlage eingespart werden. Das macht sich natürlich auch dementsprechend auf der jährlichen Heizkostenabrechnung bemerkbar. Werden sowohl Heiz- als auch Trinkwasser erwärmt, kann eine jährliche Einsparung von 35 Prozent der Energiekosten erzielt werden.

Vor allem in den Sommermonaten ist die Verwendung einer Solarthermieanlage besonders ergiebig. Der prozentuale Anteil der thermischen Energie, die durch die Solarkollektoren gewonnen wird, lässt sich mit der solaren Deckungsrate zum Ausdruck bringen. In den Monaten von Mai bis September liegt diese bei über 80 Prozent. Das bedeutet, dass die Solarthermieanlage mehr als 80 Prozent des Wärmebedarfs abzudecken imstande ist. Auch in den Monaten März und Oktober liegt dieser Wert noch bei um die 60 Prozent, im April sogar bei 75 Prozent. Da in diesen Monaten je nach Witterung noch oder schon geheizt wird, machen sich die Einsparungen bei den Heizkosten besonders bemerkbar. In den Wintermonaten sinkt der Anteil dann auf Werte zwischen 24 und 41 Prozent.

Zusätzlich besteht noch die Möglichkeit, die in den Sommermonaten auf dem Dach gewonnene Wärme auch zur Kühlung einzusetzen. Über eine Absorptionskälteanlage lassen sich Wärmeüberschüsse umwandeln und zur Kühlung von Räumen einsetzen. Auf diese Weise lassen sich Stromkosten einsparen, die sonst für den Betrieb einer Klimaanlage aufgewendet werden müssten.

Woraus besteht eine thermische Solaranlage?

Als auffälligste Bestandteile einer Solarthermieanlage treten die Sonnenkollektoren auf dem Dach des Hauses in Erscheinung. Der Kollektor wandelt die Strahlungsenergie der Sonne direkt in thermische Energie um. Die Wärme wird auf ein Wärmeträgermedium übertragen, bei dem es sich meist um eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel handelt. Diese Mischung zirkuliert nun zwischen dem Kollektor auf dem Dach und dem Warmwasserspeicher im Keller des Hauses, an den die Wärme über einen Wärmetauscher abgegeben wird.

Gleich daneben befindet sich die Steuerungseinheit der Anlage, die sich einschaltet, sobald die Temperatur am Kollektor die des Speichers überschreitet. Durch die so aktivierte Pumpe wird die Zirkulation des Mediums in Gang gesetzt, über welches das im Tank gespeicherte Wasser bis zur Solltemperatur aufgeheizt wird. Reicht die so herbeitransportierte Wärme im Speicher einmal nicht aus, springt automatisch der Brennwertkessel an.

Bivalente Wasserspeicher

Eine besonders praktische Lösung für eine Heizung mit einer thermischen Solaranlage bietet ein sogenannter bivalenter Wasserspeicher. Sobald die Sonneneinstrahlung dafür ausreicht, heizt das Solarmedium über einen Wärmetauscher das Wasser im Speicher auf. Sinkt infolge einer Wasserentnahme die Temperatur im Speicher, schaltet sich bei Bedarf, also wenn die Sonne nicht ausreichend scheint, noch der Heizkessel ein, um über einen zweiten Kreislauf eine zusätzliche Erwärmung herbeizuführen. Ähnlich funktioniert es auch bei der Heizungsunterstützung. Denn auch hier schaltet sich der zweite Heizkreislauf automatisch hinzu, wenn die vorgewählte Raumtemperatur nicht erreicht werden kann.

Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren

Die Flachkollektoren sind, wie der Name schon sagt, deutlich flacher in der Ausführung. Sie arbeiten im Schnitt mit einer Temperatur von 80° Celsius. Die einfallenden Sonnenstrahlen erwärmen direkt eine wärmeabsorbierende und sehr gut leitende Fläche. Diese ist mit Röhren durchzogen, durch die wiederum das Wärmeträgermedium fließt, das zwischen dem Kollektor und dem Warmwasserspeicher zirkuliert.

Beim Vakuumröhrenkollektor kommen zwei konzentrisch ineinander gebaute Glasröhren zum Einsatz. Die Bezeichnung leitet sich aus dem Vakuum ab, welches im Zwischenraum der beiden Röhren herrscht. Durch dieses Vakuum wird der Wärmeverlust, der der bei der Übertragung des Strahlungsenergie zum Absorber entsteht, stark gemindert. Das Übertragungsmedium befindet sich im Innern der Röhre.

Im Vergleich beider Kollektorarten lässt sich beim Vakuumröhrenkollektor ein höherer Wirkungsgrad festhalten. Dafür sind diese im Vergleich mit Flachkollektoren aber auch deutlich teurer in der Anschaffung.