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.
So wird bei einer zentralen Warmwasserbereitung bei Neubauten des Öfteren eine zusätzliche thermische Solaranlage eingesetzt. Dadurch kann der End- und Primärenergiebedarf eines Gebäudes entscheidend verringert und gleichzeitig ein weitere großer Schritt in Richtung Klimaanpassung gegangen werden.
Wichtig: Handelt es sich um nicht bewohnte Gebäude, wie z. B. Bürogebäude, Schulen oder öffentliche Einrichtungen, muss entschieden 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.
→ In diesem Fall können Betreiber, die dennoch am Heizen mit PV interessiert sind, auf die Verwendung eines Heizstabs, um Heizwasser im Pufferspeicher vorzuheizen.
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Aufbau thermischer Solaranlagen
Die thermische Solaranlage besteht aus mehreren Kollektoren, die die Sonnenwärme absorbieren, und einem sog. Solarkreislauf. Dadurch 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.
Absorber
Der Sonnenkollektor ist das wichtigste Glied in thermischen Solaranlagen. Er absorbiert die Energie des Sonnenlichts und erwärmt sich in diesem Prozess selbst. 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).
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 durch die thermische Solaranlage oder speichert sie ab. Meistens wird hierfür eine Wasser-Propylenglycol-Lösung benutzt, weil deren thermische Eigenschaften bestens für diesen Verwendungszweck geeignet sind (niedriger Gefrierpunkt, aber wesentlich höherer Siedepunkt als Wasser).
Alternativ greifen manche thermische Solaranlagen 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 der thermischen Solaranlage in bereits bestehende Warmwasser-Heizungssysteme unkompliziert möglich.
Der große Nachteil bei thermischen Solaranlagen ist hierbei aber, dass akribisch darauf geachtet werden muss, dass die entsprechenden Kollektoren in den kälteren Monaten nicht einfrieren und dadurch irreparabel beschädigt werden. Dem Ganzen kann vorgebeugt werden, indem durch eine separate Warmwasserpumpe zusätzliches Wasser in die Kollektoren geleitet wird und sie somit vor Erfrierungen schützt.
Die Solarflüssigkeit, die als Wärmeträger fungiert, bewegt sich nicht von alleine innerhalb der Rohre des Solarkreislaufs der thermischen Solaranlage. 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).
Solarregler
Ein durch Sonnenenergie gespeister Zusammenschluss aus unterschiedlichen Regel- und Steuerkreisen wird als Solarregler bezeichnet. Durch folgende Messungen überwacht er einzelne Teilbereiche der thermischen Solaranlage:
• 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 thermische Solaranlage 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.
Solarthermie-Speicher bei thermischen Solaranlagen
Wie bei Photovoltaikanlagen gilt auch bei der thermischen Solaranlage, dass die unabhängig von der punktuellen Sonneneinstrahlung gewonnene Energie und Wärme längerfristig nutzbar sein müssen. Das lässt sich nur anhand verschiedener Speichermedien bewerkstelligen.
Bei thermischen Solaranlagen gehören zu den am häufigsten verwendeten Speichern:
Exkurs: Was ist der Unterschied zwischen thermischer Solaranlage und PV-Anlage?
Bei Photovoltaikanlagen wird Sonnenlicht mithilfe von Solarzellen direkt in elektrische Energie oder, wie eingangs erwähnt, mit Hilfe eines Heizstabs in Wärme umgewandelt (Heizen mit PV).
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.
Von Prozesswärme bei thermischen Solaranlagen 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 Solarthermie
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.
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Aber: Diese Art der thermischen Solaranlagen sind auf Direkteinstrahlung des Sonnenlichts angewiesen und sind demnach nur in bestimmte geographische Regionen energieeffizient und rentabel.
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 thermischen Solaranlagen 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.
Inbetriebnahme und Wartung einer thermischen Solaranlage
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 thermischen Solaranlage 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?
Thermische Solaranlagen 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 thermische Solaranlagen 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.
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