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Sonnenergie ist eine nachhaltige und vielseitige Energiequelle. Neben der Photovoltaik, welche die Strahlung in elektrischen Strom umwandelt, lässt sich die Sonnenenergie bei der Solarthermie mit Kollektoren als Wärme nutzbar machen.
Ein Solarkollektor besteht aus einem Absorberblech zur Aufnahme der Sonnenbestrahlung und einem Absorberrohr, in dem eine Flüssigkeit zirkuliert, in der Regel Wasser mit Frostschutzmittel. Eine Umwälzpumpe leitet die erwärmte Flüssigkeit in einen Wärmetauscher. Dort wird die Wärme auf das Trink- oder Heizungswasser übertragen. Ein Tank dient als Speichermedium des warmen Wassers. Bei einem Einfamilienhaus umfasst ist ein solcher Tank etwa zwischen 300 und 1000 Litern. Falls auch Heizungsunterstützung benötigt wird, ist ein grösserer Speicher nötig.
Typen von Solarkollektoren
Flachkollektoren bestehen aus Kupferröhren in einem Gehäuse aus Aluminium oder Blech und einer Glasabdeckung (es gibt jedoch auch unverglaste). In den Röhren zirkuliert die Wärmeträgerflüssigkeit. Flachkollektoren eignen sich insbesondere zur Warmwasseraufbereitung. 1,5 m2 Kollektorfläche pro Person im Haushalt reichen in unseren Breitengraden, um etwa 70% des Warmwasserbedarfs mit Solarenergie zu decken. Der Vorteil von Flachkollektoren: Sie sind verhältnismässig kostengünstig, ihr Nachteil: der Wirkungsgrad ist tief.
Bei Röhrenkollektoren besteht die Absorberfläche aus mehreren einzelnen Glasröhren. Darin befinden sich weitere Glasöhren, in denen die Wärmeflüssigkeit zirkuliert. Im Hohlraum zwischen den beiden Röhren herrscht Vakuum. Dadurch ist der Wärmeverlust nur sehr gering und der Wirkungsgrad bis zu 30 % höher als bei Flachkollektoren. So können höhere Temperaturen erzielt werden. 3 bis 4 m2 reichen pro Person für Warmwasseraufbereitung und Heizungsunterstützung. Um den Wirkungsgrad zusätzlich zu steigern, können CPC-Spiegel (compound parabolic concentrator) verwendet werden. Diese parabolischen Hohlspiegel sind u-förmig um die Glasröhren angebracht. Sie sammeln das Licht, das an den Röhren vorbei gestrahlt wird, bündeln es und lenken es auf die Röhren zurück, so dass dies von beiden Seiten angestrahlt werden.
Platzierung
Traditioneller Weise werden Kollektoren auf Dächern platziert. Es gibt die Variante, die in das Dach integriert sind und die aufgesetzte Variante, die auch nachträglich montiert werden kann. Bei Flachdächern oder wenn das Dach zu klein oder ungünstig ausgerichtet ist oder nicht über die nötige Tragfähigkeit verfügt, gibt es auch Alternativen: Bei einer Freiaufstellung werden die Kollektoren mit Hilfe eines Ständers aufgestellt. Dies bietet den Vorteil, dass der Neigungswinkel variabel ist, wodurch der Wirkungsgrad je nach Sonnenstand optimiert werden kann. Eine weitere Möglichkeit ist, die Kollektoren an der Fassade anzubringen. Dies hat den Vorteil, dass auch die Strahlen der tiefer stehenden Sonne aufgefangen werden. Bei Wänden, die gegen Südosten oder Südwesten ausgerichtet sind, sind die Erträge am höchsten. Fassadenkollektoren sind besonders für Hochhäuser interessant, da bei diesen die Fassadenfläche im Vergleich zur Dachfläche viel grösser ist. Aber auch bei Ein- oder Mehrfamilienhäusern erfreuen sie sich steigender Beliebtheit.
Welcher Kollektor eignet sich wofür?
Massgebende Faktoren bei der Wahl eines Kollektors sind:
- Grösse des Dachs: Ist es gross genug, um den gewünschten Ertrag zu liefern?
- Ausrichtung und Neigungswinkel: Ideal ist ein gegen Süden ausgerichtetes Dach mit 25 bis 35 Grad Neigungswinkel. Aber auch eine Ausrichtung gegen Süd-Osten oder Süd-Westen erzielt gute Ergebnisse.
Mit verglasten Flachkollektoren können Wassertemperaturen von 30 bis 60 Grad Celsius erreicht werden. Sie sind geeignet für die Warmwasseraufbereitung und zum Teil auch zur Heizungsunterstützung und können für Dächer und Fassaden verwendet werden. Ihre Lebensdauer beträgt ca. 20 Jahren.
Unverglaste Flachkollektoren eignen sich für Warmwasser von 10 bis 40 Grad Celsius und somit z. B. für Schwimmbadheizung und die Vorwärmung von Warmwasser. Ihre Lebensdauer liegt bei ca. 30 Jahren.
Pro Quadratmeter liefern Flachkollektoren im Schweizer Mittelland jährlich zwischen 350 und 550 kWh Energie.
Röhrenkollektoren liefern Heisswasser bis 100 Grad Celsius und können darum zur Wassererwärmung und Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Dank ihrem hohen Wirkungsgrad eignen sie sich gut für Flächen, deren Ausrichtung nicht optimal ist, wie etwa Fassaden. Ihre Lebensdauer beträgt ca. 20 Jahre und sie liefern im Schweizer Mittelland einen jährlichen Ertrag von bis zu ca. 750 KWh.
Einige Zahlen
In der Schweiz waren 2016 ca. 150 000 Solarthermieanlagen installiert. Sie produzierten im Laufe des Jahres 680 Gigawattstunden Energie. Damit wurden 200 000 Tonnen CO2-Äquivalente sowie geschätzte 55 Millionen Franken eingespart. (Zahlen: Swissolar)
Im Bild (Quelle: Swissolar):
Funktionsweise Solarthermie
- Sonnenkollektor: sammelt Sonnenlicht zur Umwandlung in Wärme
- Zirkulationsleitung
- Speicher: sammelt die Wärme, damit immer genügend zur Verfügung steht
- Pumpe
- Zusatzheizung
- Zapfstelle für Warmwasser