Thermische Solaranlage: Sonnenwärme, Heizung und Warmwasser

Dass anhand von Solaranlagen Sonnenergie genutzt werden kann, ist jedermann ein Begriff. Jedoch kann durch sog. thermische Solaranlagen auch direkt Wärmeenergie gewonnen und für diverse Zwecke verwendet werden.

Bei einer zentralen Warmwasserbereitung wird bei Neubauten gelegentlich eine zusätzliche thermische Solaranlage eingesetzt. Dadurch kann der End- und Primärenergiebedarf eines Gebäudes entscheidend verringert werden. Im Rückkehrschluss: immer wenn keine thermische Solaranlage geplant wird, ist eine dezentrale Warmwasserbereitung zu bevorzugen.

Wichtig: Handelt es sich um nicht bewohnte Gebäude, wie z.B. Bürogebäude, Schulen oder öffentliche Einrichtungen, muss abgewägt werden, inwiefern eine thermische Solaranlage überhaupt wirtschaftlich wäre. Denn: entspricht der Nutzenergiebedarf für das Trinkwarmwasser weniger als 0,2 kWh je Nutzer und Tag, lohnt sich eine zentrale Warmwasserbereitung meist nicht.

Aufbau thermischer Solaranlagen

Die Thermo-Solaranlage besteht aus mehreren Kollektoren, die die Sonnenwärme absorbieren, und einem Solarkreislauf. Durch eine derartig regenerative Anlage kann die Sonnenenergie direkt zur Erwärmung des Wasserkreislaufs im Gebäude eingesetzt werden. Der an das System angeschlossene Speicher sammelt gleichzeitig diejenige Wärme, die nicht direkt genutzt werden kann – somit ist auch an dunkleren Tagen für Wärme gesorgt. 

Der Mechanismus über den die Wärmegewinnung mit dem Speichermedium und dem Verbrauchsmedium verbunden ist, wird als Solarkreislauf bezeichnet. Dieser setzt sich aus Rohren, Armaturen und Antriebsaggregaten zusammen, die einen sicheren und verlustarmen Wärmetransport garantieren sollen.

Absorber

Der Sonnenkollektor ist das erste Glied in thermischen Solaranlagen. Er absorbiert die Energie des Sonnenlichts und erwärmt sich in diesem Prozess. Damit die aufgenommene Wärmeenergie nicht an angrenzende Bauteile oder die Umgebungsluft abgegeben wird, ist er durch Wärmedämmung oder eine Vakuum-Installation isoliert (Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren, Luftgefüllte Kollektoren).

Genaugenommen sind es demnach die in den Kollektoren enthaltenen Leitungen, die als Absorber bezeichnet werden können.

Solarflüssigkeit

In einem zweiten Schritt wird die absorbierte Wärme auf die sog. Solarflüssigkeit übertragen, mit welcher der Solarkreislauf befüllt ist.

Diese Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die Wärme je nach Verwendungszweck weiter oder speichert sie ab. Meistens wird hierfür eine Wasser-Propylenglycol-Lösung benutzt, weil deren thermische Eigenschaften bestens für diesen Verwendungszweck geeignet sind (niedrigerer Gefrierpunkt, aber wesentlich höherer Siedepunkt als Wasser).

Die Ausnahme: Reinwasser

Alternativ greifen manche Systeme auf Trinkwasser oder gefiltertes Regenwasser als Solarflüssigkeit zurück. Vorteil ist dabei, dass ein solcher Solarkreislauf nicht zwingend einen Wärmetauscher benötigt, um den Speicher zu befüllen. Gleichzeitig ist eine Integration in bereits bestehende Warmwasser-Heizungssysteme unkompliziert möglich.

Der große Nachteil ist aber, dass akribisch darauf geachtet werden muss, dass die entsprechenden Kollektoren in den kälteren Monaten nicht einfrieren und dadurch irreparabel beschädigt werden. Dem Ganzen wird versucht vorzubeugen, indem durch eine separate Warmwasserpumpe zusätzliches Wasser in die Kollektoren geleitet werden kann und sie somit vor Erfrierungen schützt.

Solarthermie-Speicher

Wie bei Photovoltaikanlagen gilt auch bei Solarthermie, dass die unabhängig von der punktuellen Sonneneinstrahlung gewonnene Energie und Wärme längerfristig nutzbar sein sollten. Das lässt sich nur anhand verschiedener Speichermedien bewerkstelligen. 

Bei Solarthermie-Anlagen gehören zu den am häufigsten verwendeten Speichern:

•Langzeitspeicher/ Saisonalspeicher (Latentwärmespeicher, thermochemischer Wärmespeicher)

•Bivalente Speicher

•Kombispeicher

•Solarpufferspeicher

Exkurs: Was ist der Unterschied zur PV-Anlage?

Bei Photovoltaikanlagen wird Sonnenlicht mithilfe von Solarzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt. Bei Solarthermieanlagen ist ebendas nur in einem zweiten Schritt möglich. Da aber bei entsprechender Umwandlung von Wärme zu Strom stets Energie verloren geht, ist es ratsam, eine effizientere Lösung und mögliche Kombination beider Solaranlagen in Betracht zu ziehen.

Verwendungsbereiche von Solarthermie-Anlagen

Regenerative Haustechnik

Wie bereits erwähnt wird die durch thermische Solaranlagen gewonnene Wärme primär zur Trinkwasser-Erwärmung, d.h. für Spül-, Dusch- und Badewasser, sowie in der Raumheizung eingesetzt.

Prozessanlagen

Von Prozesswärme hingegen wird ausschließlich im industriellen Kontext gesprochen. Dabei werden Temperaturen von bis zu 100 Grad Celsius zur Beschleunigung biologischer und chemischer Prozesse eingesetzt. Ein beliebtes Beispiel hierfür ist die so zu erreichende Beschleunigung der Biomasseverarbeitung. 

Auch in der chemischen Industrie wir Sonnenwärme für die Erwärmung der Luft und als sog. Katalysatorwärme eingesetzt.

Kommerzielle Solarkraftwerke

Der Unterschied bei einem derartig großflächigen Einsatz thermischer Solaranlagen gegenüber der Verwendung sowohl in der Haustechnik als auch in Prozessanlagen sind die verwendeten Kollektoren.

Bei Solarkraftwerken werden sog. konzentrierende Kollektoren zur Bündelung des Sonnenlichts auf eine Absorptionsfläche verwendet. Dadurch können Temperaturen zwischen 400 bis 1000 Grad erreicht werden. Anschließend wird diese Wärme über Generatoren zu Strom umgewandelt.

Aber: Diese Art der thermischen Solaranlagen sind auf Direkteinstrahlung des Sonnenlichts angewiesen und sind demnach nur in bestimmte geographische Regionen energieeffizient und rentabel.

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Solarkreislauf

Die Solarflüssigkeit, die als Wärmeträger fungiert, bewegt sich nicht von alleine innerhalb der Rohre des Solarkreislaufs. Gleichzeitig muss gewährleistet sein, dass weiterhin konstant Wärme aufgenommen werden kann. Damit beides funktioniert müssen sog. Umwälzpumpen eingesetzt werden, die oft bereits Teil konventioneller Heizsysteme sind.

Geeignet für die Verwendung innerhalb eines Solarkreislaufs sind fast alle kleineren Modelle von Heizungspumpen, die entweder keine eigne Elektronik besitzen oder mit Regelspannung aus der Solarenergie gespeist werden können (PVM-Regelung).

(Solarthermie-Anlagen sammeln die Sonnenwärme über die Kollektoren und geben sie direkt an die Solarflüssigkeit weiter. Über Schläuche und Röhren ist die Anlage meist direkt mit den haustechnischen Systemem verbunden. 
© Manuela Schacht – adobe.stock.com)

Druckausgleich

In geschlossenen Systemen, in welchen Pumpen eingesetzt werden, stehen die Rohre meistens unter starkem Druck. Kommen zusätzlich die Faktoren Temperatur, Flüssigkeit und Dampf ins Spiel, ist es wichtig entsprechende Sicherheitsvorkehrungen zu treffen.

Bei Solarthermie-Anlagen wir dies durch ein sog. Membranausdehnungsgefäß (MAG) und Sicherheitsventile bewerkstelligt. Zusätzlich haben grundsätzliche alle Anlagen einen blockierbaren Entlüfter, der am höchsten Systempunkt angesammelte Luft entlassen und somit für einen Druckausgleich sorgen kann.

Solarregler

Ein durch Sonnenenergie gespeister Zusammenschluss aus unterschiedlichen Regel- und Steuerkreisen wird als Solarregler bezeichnet. Durch folgende Messungen überwacht er:

• Temperaturwerte

• Druck

• Volumen

• Spannung

Das Hauptaugenmerk liegt jedoch auf der Temperatur: im Absorber, den Leitungen oder Speicher –eine Überhitzung kann nicht nur desaströse Folgen für die Anlage selbst, sondern für das Gebäude und Personen bedeuten.

Die meisten der für die Haustechnik eingesetzten Anlagen sind sog. High-Flow-Systeme, die mit herkömmlichen Heizungspumpen betrieben werden. Die „hohe Fluktuation“ bezieht sich auf die Durchlaufmenge der Solarflüssigkeit im Verhältnis zur Kollektorfläche über einen bestimmten Zeitraum hinweg.

Inbetriebnahme und Wartung

Nach Installation der thermischen Solaranlage erfolgt vor der Inbetriebnahme eine Dichtheitsprobe und ein Spülvorgang. Bei Hochdruckanlagen muss das System zusätzlich einer Druckprobe des 1,5-fachen des maximalen Betriebsdrucks standhalten.

Nach Befüllung der Anlage mit Solarflüssigkeit sollte darauf geachtet werden, dass alle Luft aus dem Solarkreislauf entwichen ist, um eine effiziente Wärmegewinnung zu garantieren.

Eine jährliche Wartung der Anlage hinsichtlich Funktionalität, Sicherheit und Effizienz ist zu empfehlen. Alle zwei Jahr sollte die Solarflüssigkeit innerhalb des Solarkreislaufs überprüft und ggf. ausgewechselt werden.

Eine Reinigung der Kollektoren ist grundsätzlich erst nach mehreren Jahren notwendig, da – anders als bei Photovoltaikanlagen – die Leistungskraft selbst bei stärkeren Verschmutzungen nur um maximal 5-10 Prozent nachlässt.

Thermische Solaranlage – Förderung 2022

Im Rahmen der Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft (BAFA, KfW, VDI) kann neben der energie- und ressourcenbezogenen Anlagenoptimierung auch gezielt der Ausbau von Prozesswärme-Systemen im Kontext von Thermo-Solaranlagen beantragt werden.

Speziell für energieeffiziente Gebäude gibt es die Bundesförderung, die u.a. Einzelmaßnahmen, Nichtwohngebäude und energieeffizientes Bauen und Sanieren beinhaltet.

In den letzten Jahren nahm auch die Förderung auf Landesebene immer mehr zu. Das hatte nicht zuletzt den Grund, dass es keine bundesweite Förderung mehr speziell für Photovoltaik-Anlagen und Solarstromspeicher gab. 

Welches Förderangebot für das eigene Unternehmen am besten passt, lässt sich durch ein Gespräch mit staatlichen oder privaten Energieberatern klären.

Wieviel kostet eine thermische Solaranlage?

Solarthermie-Anlagen können, wie bereits erwähnt, unterschiedlich eingesetzt werden. Nach ihrem Zweck, der Art und Weise unterscheiden sich die Anlagen auch im Preis.

Generell muss bei einer Anlage, die nur für die Warmwasserbereitung und Raumheizung verwendet werden soll, mit etwa 5.000 Euro gerechnet werden.

Handelt es sich um eine Prozesswärme-Anlage, bzw. ein industrielles oder kommerzielles Solarsystem, sind die Preise um ein Vielfaches höher.

Fazit: Was kann eine thermische Solaranlage?

Photovoltaikanlagen oder Solarthermie-Anlagen verwandeln bzw. nutzen Sonnenenergie. Bei thermischen Solaranlagen hingegen findet primär keine Stromgewinnung statt. Anstelle dessen wird anhand von Kollektoren Wärme absorbiert und über den Solarkreislauf in die Haustechnik oder ein Speichermedium eingespeist.

Am häufigsten wird ein derartiges System zur Trinkwassererwärmung und Raumheizung benutzt. Aber für Unternehmen ist vor allem die Prozesswärmegewinnung lukrativ, da dafür unterschiedliche Fördermittel zur Verfügung stehen. Gleichzeitig kann das betriebseigene Energiemanagement durch eine Kombination aus PV-Anlagen und thermischen Solaranlagen optimiert und dadurch kostengünstiger ablaufen.

Quellen: „Planung und Ausführung nach GEG“, „Planung und Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen“, BMWK

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