Solar / Photovoltaik
 
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Solartechnik
Allgemein
Mit Solartechnik wird die technische Nutzung der Sonnenenergie (oder auch Solarenergie) bezeichnet. Aus der Sonnenstrahlung kann Wärme oder elektrische Energie gewonnen werden.
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Dezentrale Solarenergienutzung
  • Photovoltaik: Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie (Solarstrom) mit Solarzellen
  • Solarkollektoren: Erwärmung von Wasser oder anderen Wärmeträgern (Solaranlagen)
  • Solarofen: Kochen mit Sonnenlicht
  • Solar-Stirling: Umwandlung der solarthermischen Energie in mechanische Energie unter Benutzung des Stirlingmotors. Solar-Stirling-Anlagen, die einen Generator betreiben um elektrischen Strom zu produzieren, erreichen mit bis zu 30 % einen besseren Wirkungsgrad als Photovoltaikanlagen.
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Photovoltaik
Unter Photovoltaik oder Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie. Sie ist seit 1958 zunächst in der Energieversorgung von Weltraumsatelliten mittels Solarzellen im Einsatz. Mittlerweile wird sie zur Stromerzeugung auf der ganzen Welt eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, an Schallschutzwänden oder auf Freiflächen. Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos – das griechische Wort für Licht – und Volta – nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrotechnik – zusammen. Die Photovoltaik gilt als Teilbereich der umfassenderen Solartechnik, die auch andere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschließt.
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Geschichte der Photovoltaik
Der photoelektrische Effekt wurde bereits im Jahre 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. 1905 gelang es Albert Einstein den Photoeffekt richtig zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekam. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Photovoltaikzellen. Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und auch die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem 100.000-Dächer-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet. Das 100.000-Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben. Im Jahr 2005 erreichte die gesamte Nennleistung der in Deutschland installierten Photovoltaik-Anlagen 1 Gigawatt. Bei Arnstein in der Nähe von Würzburg steht auf dem Gelände des ehemaligen Weinbauversuchsguts Erlasee die damals größte Photovoltaikanlage der Welt – das sogenannte Solarfeld Erlasee – mit einer Nennleistung von mehr als 13 Megawatt.
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Technische Beschreibung
Die als Licht und Wärme auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie beträgt jährlich 1,5 · 1018 kWh; dies entspricht in etwa dem 15.000-fachen des gesamten Primärenergieverbrauchs der Menschheit im Jahre 2006 (1,0 · 1014 kWh/Jahr). Der Lichtenergieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 1018 kWh. Diese Strahlungsenergie kann prinzipiell aufgefangen und in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt. Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Photovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Ein bekanntes Beispiel für akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind Parkscheinautomaten. Die photovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Photovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die photovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Ohne die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im großen Maßstab werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Das Stromeinspeisungsgesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz haben zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1.000 MW installierter elektrischer Nennleistung von Photovoltaikanlagen überschritten, das entspricht einem großen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten zehn Jahren.
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Organische Photovoltaik
Photovoltaik auf Basis von Solarzellen aus organischen Kunststoffen wird als Organische Photovoltaik bezeichnet. Der Wirkungsgrad und die Haltbarkeit der augenblicklich verfügbaren Materialien liegen noch deutlich hinter denen vergleichbarer Zellen auf Siliziumbasis. Jedoch lassen sich aus organischen Materialien bei angestrebt deutlich geringeren Produktionskosten Solarzellen herstellen, die transparent, biegsam und dünn wie Kunststoff-Folien sind und daher wesentlich vielfältiger und breiter einsetzbar wären. So könnten beispielsweise Fenster vollständig mit organischen Solarzellen beschichtet werden. Aus diesem Grund hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Juni 2007 gemeinsam mit Industriepartnern eine Förderinitiative begonnen, um diese Technologie gezielt voranzutreiben und zu dem bestehenden technologischen Vorsprung amerikanischer Startup-Firmen aufzuschließen. Als Technologien kommen momentan hauptsächlich entweder die Grätzel-Zelle oder kunststoffbasierte Zellen zum Einsatz. Während bei der Grätzel-Zelle ein Gemisch aus Farbstoffmolekülen zur Lichtsammlung und Titandioxid-Nanopartikeln als Halbleiter zur Stromerzeugung verwendet wird, erfolgt die Lichtsammlung bei kunststoffbasierten Zellen etwa mit Fullerenen in Zusammenwirken mit elektrisch leitfähigen Polymeren.
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Leistung
Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird häufig in Wp (Wattpeak) beziehungsweise kWp angegeben. „peak“ (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1.000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad. Die zu erwartende mittlere Produktion an elektrischer Energie einer jeweils neu errichteten netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage in Deutschland steigt seit Jahren mit Verbesserung der Technik kontinuierlich an und liegt derzeit bei sinnvoller Auslegung der Anlage bei Werten um 900-1000 kWh pro kWp und Jahr
(also kWh / (Jahr * kWp)). Dieses entspricht einer Leistungausbeute von 102 bis 114 W/kWp oder einer Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit der Solarzelle von 10,2 bis 11,4 Prozent. Für eine Nennleistung von 1 kW werden Solarzellen mit einer Fläche von etwa 8-10 m² benötigt. Daraus ergibt sich ein tatsächlicher Energieertrag von etwa 90-120kWh pro Quadratmeter und Jahr (entspricht einer mittleren Leistungsabgabe von 10,3 bis 13,7 W/(m² a)). Im Vergleich dazu erzielt eine thermische Solaranlage einen jährlichen Energieertrag von 300 bis 400 kWh pro Quadratmeter (entspricht einer mittleren Leistungsabgabe von 34,2 bis 45,7 W/(m² a)). Durch eine Solarthermieanlage kann also etwa die 3,3-fache Menge an Energie zur Verfügung gestellt werden, und dies zu deutlich günstigeren Kosten. Für einen Haushalt bietet sich daher an, zusätzlich zum Einsatz von Photovoltaik auch eine Solaranlage mit entsprechendem Deckungsgrad zur Warmwasserbereitung und eventuell auch zur Heizungsunterstützung zu betreiben.
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Wirkungsgrad
Die mit Solarzellen in der Photovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 6 Prozent (Dünnschichtmodule) und 17,7 Prozent (monokristalline Module). Der US-amerikanische Hersteller SunPower hat für das Jahr 2007 monokristalline Module mit einem Wirkungsgrad von 20 Prozent angekündigt. Der Systemwirkungsgrad im Jahresverlauf ergibt sich dann aus der Multiplikation mit der Performance Ratio (PR). In diese fließen die Verluste des Wechselrichters ebenso mit ein wie Abschattungen und Verluste durch hohe Temperaturen. Die PR liegt im Bereich von 0,7 bis 0,85. Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Photovoltaik aufgrund des bisher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv. So erzeugt eine Windkraftanlage mit 5 MW Leistung etwa genauso viel Energie wie eine 500 m × 500 m (25 ha) große Solarstromanlage. Trotzdem ist auch heute schon die Leistungsdichte der Photovoltaik höher, da Windkraftanlagen dieser Größe in mehr als 500 Meter Abstand voneinander aufgestellt werden müssen. Allerdings kann die Fläche unter und um Windkraftanlagen zusätzlich zur Energiegewinnung durch Biomasse genutzt werden. Von Kritikern der Solarstromtechnologie wird der im Vergleich mit einer konventionellen Umwandlung fossiler Energieträger vergleichsweise geringe Wirkungsgrad als Argument gegen die generelle Tauglichkeit der Photovoltaik angeführt. Bei der Betrachtung des Energie-Wirkungsgrades eines Systems sind aufzuwendende Kosten für die Primärenergie sowie die Übertragungs- und Umwandlungsverluste zu berücksichtigen. Anders als bei klassischer Energieerzeugung steht hier die Sonneneinstrahlung als Primärenergieträger kostenlos zur Verfügung und ein geringer Wirkungsgrad hat außer im Flächenverbrauch keine Auswirkung auf die Umweltbelastung. Gerade die preiswerteren, polykristallinen Module mit vergleichsweise geringem Wirkungsgrad können z. B. auf Industrie-Flachdächern ohne Landschaftsverbrauch vergleichsweise einfach mit integrierten Dachabdeckungssystemen verlegt werden, so dass, anders als bei aufgeständerten Anlagen mit hochwertigen monokristallinen Systemen, kein Landschaftsverbrauch entsteht. Auch ist der Energieaufwand zur Herstellung hochwertiger Photovoltaikmodule höher als bei Dünnschichttechnologien mit geringerem Wirkungsgrad. Da der elektrische Strom aus Photovoltaik als schwacher Gleichstrom entsteht, die meisten Energieverbraucher jedoch auf Wechselstrom (z. B. im Haushalt 230 V, 50 Hz) angewiesen sind, entstehen gegenwärtig zusätzliche Verluste (meist 3 bis 7 %) bei Umwandlung und Übertragung in einem Energieversorgungssystem, das fast ausschließlich für zentrale Großkraftwerke aufgebaut wurde.
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Potential
Das erreichbare Potential ist sehr hoch: Trotz der scheinbar ungünstigen Bedingungen in Deutschland genügten theoretisch etwa 2 Prozent der Gesamtfläche des Landes, um mit heute verfügbarer Technik in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten, die Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt. Der Einwand, die Fläche in Mitteleuropa würde für einen wesentlichen Anteil von Photovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist somit nicht haltbar. Die nötige Fläche könnte ohne Neuversiegelung über die Nutzung bisher bebauter Flächen (vor allem Dächer) erreicht werden. Die Photovoltaik kann daher langfristig auch in Deutschland einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourcenschonung liefern. Die Zahl von 2 Prozent ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kWp pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kWp, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Größenordnung für das Jahr 2004 und 2005) und der Gesamtfläche Deutschlands von ca. 350.000 km². Solarstrahlungspotential in Europa. Solarstrahlungspotential in Europa. Zunächst erscheint ein solcher Ausbau unter den gegenwärtigen wirtschaftlichen Bedingungen utopisch. Während Strom aus konventionellen Energiequellen im Jahresmittel ca. 6 Cent pro Kilowattstunde kostet, wird Solarstrom gemäß dem Erneuerbare-Energien-Gesetz mit – je nach Art und Größe der Anlage - 38 bis 51 Cent pro Kilowattstunde (2007) vergütet. Angesichts weltweit steigender Energiepreise und der jahresweisen Absenkung der Einspeisevergütung für Solarstrom wird es langfristig zu einer Angleichung bei Kosten der Stromerzeugung kommen. Im Jahr 2005 wurden gemäß einer Erhebung der Fachzeitschrift Photon 0,26 Prozent der deutschen Stromerzeugung aus Solarenergie gewonnen, allerdings bei starkem Wachstum. Für das Jahr 2010 gehen verschiedene Prognosen von 0,45 bis 1,0 Prozent aus (Quelle: Verband der Netzbetreiber/Bundesverband Erneuerbare Energien). Im Jahre 2020 werden gemäß einer Studie des Bundesumweltministeriums 1,5 Prozent des deutschen Stromverbrauchs aus Photovoltaikanlagen gewonnen werden. Auch bei theoretisch hohen Potentialen spielt Solarstrom aktuell und in den nächsten Jahren für die deutsche Stromerzeugung nur eine relativ kleine Rolle. Allerdings ist durch das zum Wind oftmals gegenläufige Angebotsverhalten der Sonnenenergie der Stromanteil aus Photovoltaik für einen funktionierenden regenerativen Energiemix sinnvoll. Denn während im Sommer die Erträge aus Wind- und Wasserkraft vergleichsweise niedrig sind, arbeitet die Photovoltaik aufgrund der Sonnenscheindauer mit Gewinn. Bei den obigen Angaben zum Flächenbedarf ist eine eventuell notwendige Zwischenspeicherung der Energie noch nicht berücksichtigt. Geht man davon aus, dass 25 Prozent der Energie sofort verbraucht und 75 Prozent gespeichert werden, wären zusätzliche Investitionen erforderlich, da die heutigen Energieversorgungsnetze noch nicht auf einen so hohen Beitrag der erneuerbaren Energien eingestellt sind (siehe auch Windkraft). Ein Anteil der Photovoltaik von bis zu 25 Prozent am Gesamtstrombedarf erscheint aus heutiger Sicht energiepolitisch und volkswirtschaftlich sinnvoll und erstrebenswert. So könnte überschüssiger Strom, voraussichtlich ab 2010, auch durch im Fahrzeug integrierte Akkumulatoren und Wechselrichter gespeichert und verbraucht werden, unter Verzicht auf konventionelle Antriebstechnik und dem dadurch bedingten Verlust von großen Teilen des Wirkungsgrads. Überschüsse aus erneuerbaren Energien können z.B. mittels HGU (Hydrogen gas generating unit) und Brennstoffzelle, mobil wie stationär, bedarfsgerecht in Wärme und Strom gewandelt werden. Diese Überlegungen können langfristig dazu führen, dass Solarstrom immer mehr Bedeutung gewinnt. Sehr viel besser als in Deutschland ist das weltweite Potential der Photovoltaik. Aufgrund der hohen Solarstrahlungswerte lassen sich in Chile (2.400 kWh/Jahr), Kalifornien (2.150 kWh/Jahr), Australien (2.300 kWh/Jahr) oder Indien (2.200 kWh/Jahr) deutlich günstigere Stromgestehungskosten erzielen. Hinzu kommt, dass in vielen Entwicklungsländern kein Stromnetz existiert und somit die Photovoltaik eine preisgünstigere Möglichkeit bietet, elektrischen Strom zu erzeugen, als dies mit Dieselgeneratoren möglich ist. Eine aus europäischer Sicht interessante Option wäre die Erzeugung von Solarstrom in Nordafrika und dessen Transport via Hochspannungsgleichstromübertragung nach Europa. Allerdings sind bei solchen Modellen die notwendigen Investitionen zum Aufbau der gesamten technischen Infrastruktur und die Übertragungsverluste angesichts der Entfernung zu berücksichtigen.
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Integration in das Stromnetz
Schwankung des Angebots
Das schwankende Angebot der Photovoltaik wirkt aus Sicht des Stromnetzes nicht anders als schwankender Verbrauch; die im Niederspannungsbereich eingespeiste Photovoltaikleistung stellt sich dabei wie eine Verbrauchsminderung dar. Diese ist, wie die durch den Stromverbraucher verursachte Schwankungen der Last, vorhersehbar. Aufgrund dieser Planbarkeit kann Photovoltaikleistung wie die Windenergie in den Kraftwerksfahrplan des Tageslastgangs einbezogen und ohne zusätzlichen Aufwand wie Verbrauchsschwankungen im Mittellastbereich gesteuert werden. Bei einem Ausbau in großem Maßstab muss die Photovoltaik mit anderen, gut regelbaren Kraftwerken oder Speichertechnologien kombiniert werden. Hierfür in Frage kommen insbesondere Gaskraftwerke (GuD), Wasserkraftwerke, Pumpspeicherwerke, verteilte Anlagen auf Basis der Kraft-Wärme-Kopplung sowie zukünftig auch Druckluftspeicherkraftwerke, Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicherung, Speicherung in Akkumulatoren in geparkten Elektrofahrzeugen (Vehicle to Grid) sowie Speicherung in Form von Wasserstoff, in supraleitenden magnetischen Energiespeichern oder in Schwungrädern. Sehr gut geeignet sind auch rein logistische Konzepte wie das Demand Side Management und das Virtuelle Kraftwerk.
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Konformität zum Verbrauch
Da Strom aus Photovoltaik naturgemäß tagsüber, zu Zeiten hohen Verbrauchs zur Verfügung steht, trägt sie bei sonnigen Bedingungen zur Deckung der Spitzen- und Mittellast bei und ergänzt damit Grundlastkraftwerke. Dieser Effekt kommt besonders bei einer weiteren Zunahme von Klimaanlagen zum Tragen.
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Übertragung
Bei einer dezentralen Stromversorgung aus vielen großflächig verteilten Photovoltaikanlagen werden Leitungsverluste aufgrund der geringen Entfernungen zwischen Stromquelle und Endverbraucher verringert. Der erzeugte Strom verlässt den Niederspannungsbereich praktisch nicht, sondern wird dort sofort lokal verbraucht. Zwar speist der Betreiber einer häuslichen Photovoltaikanlage den Strom in das Netz ein, da er aber selbst der nächste Verbraucher ist, wird physikalisch der Strom hauptsächlich von ihm selbst genutzt und nur der überschüssige Anteil zum Nachbarn übertragen. Ein Ausbau der Hochspannungsnetze ist nicht notwendig, sie werden entlastet, dadurch wird gerade im Sommer die Belastung dieser Leitungen durch Erwärmung gemindert.
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Speicherung
Strom einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage wird sofort verbraucht. Eine Zwischenspeicherung ist nicht notwendig, solange die momentane Gesamtleistung aus Photovoltaik nicht häufig über der momentanen Last im Stromnetz liegt. Die Speicherung ist langfristig trotzdem wünschenswert, um Energie vom Sommer in den Winter verschieben zu können, bei den aktuell möglichen Zubauraten aber auf Jahre hinaus nicht zwingend. Der Ausgleich kann auch durch den regenerativen Energiemix mit Windkraft (gegenläufiges Angebotsverhalten), Biogas- und Biomassekraftwerken erfolgen. Zukünftig ist auch die Umwandlung von überschüssigem Strom in Wasserstoff via HGU (Hydrogen gas generating unit) denkbar. Dieser könnte zum Betrieb von Kraftfahrzeugen und als Element in einer Wasserstoffwirtschaft verwendet werden. Die Umwandlung in Wasserstoff könnte auch eingesetzt werden, um Energie aus sonnenreichen Ländern in sonnenärmere Länder zu transportieren, hier steht aber auch die direkte Übertragung der elektrischen Energie als Alternative zur Verfügung (s. TREC). Eine andere Möglichkeit ist, die ans Stromnetz angeschlossenen Elektroautos als Energiepuffer zu verwenden. Vorteil wäre der hohe Wirkungsgrad, der z.B. zunächst geplanten Lithium-Ionen-Akkus, bzw. der weiterentwickelten Lithium-Polymer- und Lithium-Titanat-Akkumulatoren und die gewaltige Speicherkapazität (ca. 100-200 kWh/Fahrzeug) bei vielen Millionen Elektrofahrzeugen. Der Einsatz von Photovoltaikanlagen als Insellösung erfordert zwingend die Speicherung, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Während in Kleinstanlagen, wie etwa öffentlichen Telefonen oder Parkscheinautomaten, die Speicherung in Akkumulatoren zweckmäßig ist, setzt man bei größeren Anlagen (beispielsweise bei Berghütten) auf andere Speicher und Windenergie oder Brennstoffzellen als ergänzende Energiequelle.
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Versorgungssicherheit
Trotz des schwankenden Angebots steht die geplante Leistung aus Photovoltaik deutlich sicherer zur Verfügung als die eines einzigen Großkraftwerks. Ein unvermuteter Ausfall eines solchen großen Stromerzeugers hat im Stromnetz eine stärkere Störwirkung als der Ausfall einer einzelnen Photovoltaikanlage. Durch die breite Streuung und die hohe Anzahl der Photovoltaikanlagen (derzeit ca. eine Million) ergibt sich eine, im Vergleich zu einer einzelnen Großanlage, extreme Betriebssicherheit. Um einen ungeplanten Ausfall großer Stromerzeuger abzusichern, muss permanent Reserveleistung bereitgehalten werden, dies ist für den Anteil Photovoltaikleistung nicht notwendig und spart somit Kosten. Aber auch ein geplanter Stillstand eines Großkraftwerks (z. B. für eine Revision) muss durch ein anderes Kraftwerk abgesichert sein, was bei der Photovoltaik ebenfalls nicht erforderlich ist.
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Kosten
Investitionen
Ein kWp schlüsselfertig installierte Leistung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage kostet derzeit (Inbetriebnahme 2007) bei großen Freiflächenanlagen ca. 3250 €/kWp Netto, bei 4 kWp Dachanlagen je nach Montageaufwand zwischen 3900 €/kWp bis 6000 €/kWp Netto. Solch eine Anlage liefert in Süddeutschland nach dem aktuellen Stand der Technik einen Jahresertrag von ca. 850 bis 1.200 kWh, in Abhängigkeit von Zellentyp, Ausrichtung, Dachneigung, Sonneneinstrahlung und Temperatur: Das Wetter bietet nicht jedes Jahr die gleichen Einstrahlungswerte, in Simulationsrechnungen geht man von den gemittelten Werten der letzten zehn Jahre für den jeweiligen Standort aus. Für alle bei Photovoltaikanlagen entstehenden Kosten (Module, Wechselrichter, Installation, Wartung, Versicherung) sind generell nur die Nettopreise (ohne Mehrwertsteuer) zu betrachten, da der Betreiber einer solchen Anlage vom Finanzamt als Unternehmer betrachtet wird. Auch die im EEG genannten Einspeisevergütungen sind Nettovergütungen. Der Stromnetzbetreiber zahlt also zusätzlich die Mehrwertsteuer (in Deutschland 2007: 19 %) aus und machte diese in der eigenen Steuererklärung steuermindernd als Vorsteuer geltend. Der Solaranlageneigentümer führt die erhaltene Mehrwertsteuer an das Finanzamt ab.
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Solarkollektor
Solarkollektor
Ein Sonnenkollektor oder auch Solarkollektor ist eine Vorrichtung zur Sammlung der im Sonnenlicht enthaltene Energie. Ein thermischer Solarkollektor heizt mit der „eingefangenen“ Sonnenenergie ein Übertragungsmedium (Heizwasser) auf, wobei nahezu das gesamte Strahlungsspektrum des Sonnenlichtes in thermischen Solaranlagen mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird. Zur Gewinnung von elektrischer Energie dienen Solarmodule in Photovoltaikanlagen.
Quelle: Wikipedia, Auszug aus dem Artikel: Sonnenkollektor. Eine Liste der Autoren finden Sie hier. Lizenz siehe Seitenende.
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Prinzip des thermischen Sonnenkollektors
Thermische Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade - typischerweise zwischen 60 und 75 %. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante). Funktional zentraler Bestandteil des Kollektors ist der Solarabsorber, der Lichtenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an einen ihn durchfließenden Wärmeträger weitergibt. Mit Hilfe der Flüssigkeit dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt (z.B. über Wärmeübertrager) und anschließend gespeichert oder direkt als Prozesswärme verwendet. Um die unvermeidlichen Wärmeverluste zu reduzieren, ist eine gute Wärmedämmung (fälschlicherweise oft als Isolierung bezeichnet) des Absorbers gegenüber der Umgebung notwendig.
Nach der Dämmtechnik unterscheidet man
  • Flachkollektoren, die herkömmliches Dämmmaterial verwenden;
  • Vakuumröhrenkollektoren, die die Dämmung durch ein Vakuum erreichen, aber teurer in der Anschaffung sind; und
  • Vakuum-Flachkollektoren, d. h. flache Bauform, gutes Brutto/Netto-Flächenverhältnis und Vakuum-Dämmung.
  • Einfachabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich gedämmt.
  • Die einfachste Bauart ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genutzt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von über 60° erreichen. Aus hygienischen und gesundheitlichen Gründen sollte man diese Technik nicht für Trinkwasser anwenden.
    • Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage, und wurde bis Anfang der Neunziger Jahre meist nur zur Warmwasserbereitung genutzt, zunehmend findet auch eine Verwendung der Energie in der Raumheizung statt. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwärmespeicher kann die Raumheizung sogar vollständig mittels Solarkollektoren erfolgen. Eine einfache Besonderheit ist der Thermosiphonkollektor, der für Solaranlagen konzipiert ist, die ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip arbeiten: im Kollektor wird Wasser erwärmt und steigt nach oben, beim Abkühlen sinkt es wieder nach unten („Naturumlauf“). Umgekehrt wie bei der dasselbe Prinzip nutzenden Schwerkraftheizung muss sich der Speicher daher oberhalb des Sonnenkollektors befinden. Der Thermosiphonkollektor hat häufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar. Solche Anlagen sind vor allem in südlichen Ländern (Griechenland, Türkei, Israel) auf vielen Dächern zu finden. Aufgrund geringer Wärmedämmung verlieren diese Speicher nachts und an kühlen Tagen sehr schnell ihre Wärme. Die Thermosiphonanlage ist nicht zu verwechseln mit dem Thermosiphonspeicher, bei dem das Thermosiphon-Prinzip genutzt wird, um einen Warmwasserspeicher mit optimaler Temperaturschichtung solar zu beladen.
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Aufbauschema
Nebenstehendes Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flachkollektors mit den wichtigsten Bauteilen. Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Solarabsorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert. Die dabei freiwerdende Wärme soll nicht verloren gehen, weshalb der Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Die konvektive Wärmeabgabe nach vorn wird durch eine oder zwei Glasscheiben verringert. Bei Vakuumkollektoren ist sie ganz unterbunden. Wärme, die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers von diesem durch Emission wieder abgestrahlt wird, kann größtenteils ebenfalls durch die Glasscheibe zurückgehalten werden, da Glas für die höhere Wellenlänge nicht transparent ist (wellenlängenselektive Transparenz). Sie ist somit im Kollektor gefangen - das Strahlungsgleichgewicht führt zu einer höheren Temperatur als ohne Scheibe. Dies ist der Effekt, der oft mit Wärmefalle oder Treibhauseffekt (besser: Glashauseffekt) beschrieben wird. Bei modernen thermischen Solarkollektoren wird spezielles Solarglas verwendet. Der Absorber kann insbesondere bei Vakuumkollektoren eine wellenlängenselektive Absorption aufweisen, sodass einerseits eine hohe Absorption für Sonnenlicht besteht und andererseits im Nahen Infrarot ein geringer Emissionsgrad vorliegt und dafür sorgt, dass weniger Wärmestrahlung emittiert wird. Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf die in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren fließende Wärmeträgerflüssigkeit. Sie transportiert die Wärmeleistung zu einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher. Es gibt Solaranlagen mit offenem Flüssigkeitskreislauf, bei denen der Absorber direkt vom zu erwärmenden Wasser durchströmt wird (vor allem bei Thermosiphonanlagen). In Regionen mit größerer Frostgefahr werden jedoch in der Regel getrennte Flüssigkeitskreisläufe verwendet. Dem in sich geschlossenen Solarkreislauf, auch als Primärkreislauf bezeichnet, wird dabei ein Stoff beigemengt, der den Gefrierpunkt herabsetzt – oft ein Propylenglykol. Die Wärme wird dann über einen Wärmeübertrager auf das Wasser übertragen. In Vakkuumröhrenkollektoren wird die Isolierung durch einen evakuierten Raum innerhalb des Glases verbessert; wie in einer Thermoskanne kann Wärmeenergie nur durch Strahlung, nicht aber durch Konvektion oder Leitung wieder an die kältere Umgebung abgegeben werden. Um den Druckkräften standzuhalten, werden runde Glasröhren verwendet. Daneben gibt es noch einen halbkugelförmiger Solarkollektor, der anders als Flachkollektoren die Sonne während ihres gesamten Umlaufs gut nutzen kann. Diplomingenieur Jannis Stefanakis ein auf Kreta geborener und in Mainz lebender Erfinder hat diese Kollektorform in Zusammenarbeit mit Dr. Thomas Stegmaier vom Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) im schwäbischen Denkendorf, das an Dämmstoffen aus Textil arbeitet, entwickelt. Diese Bauform hat sich aber noch nicht am Markt etabliert.
Quelle: Wikipedia, Auszug aus dem Artikel: Sonnenkollektor. Eine Liste der Autoren finden Sie hier. Lizenz siehe Seitenende.
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Absorbertechnik
In der Solartechnik ist ein Solarabsorber, kurz auch einfach Absorber, ein Bestandteil eines thermischen Sonnenkollektors. Er dient zur Aufnahme (Absorption) der Energie verschiedener Strahlung der Sonne (siehe auch: elektromagnetische Welle). Die in Sonnenkollektoren enthaltenen Solarabsorber bestehen im Regelfall aus einem oder mehreren Absorberblechen aus Aluminium oder Kupfer. Unterstützt durch eine selektive Beschichtung erwärmt sich dieser Absorber im Sonnenlicht; diese Wärme wird durch einen den Absorber in Röhren durchströmende Solarflüssigkeit aufgenommen und so zu einer Nutzeinrichtung bzw. einem Wärmespeicher transportiert. Der Rest des Solarkollektors dient zur Wärmeisolierung des Absorbers (mittels Vakuum oder mittels geeigneter Isoliermaterialien), um Wärmeverluste zu vermeiden und eine höhere Arbeitstemperatur zu ermöglichen. Im Handel wird der Begriff Solarabsorber dagegen vorrangig für Einrichtungen verwendet, die zur preisgünstigen solaren Schwimmbadbeheizung verwendet werden und daher auch als Schwimmbadabsorber bezeichnet werden.
Quelle: Wikipedia, Auszug aus dem Artikel: Sonnenkollektor. Eine Liste der Autoren finden Sie hier. Lizenz siehe Seitenende.
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Schwimmbadabsorber / Absorbermatten
Bei Schwimmbadabsorbern handelt es sich meist um Matten aus hitze- und UV-beständigem schwarzem Kunststoff, die zum Beispiel auf den Dächern von Umkleidekabinen ausgelegt werden. In diese Matten sind Schläuche eingebettet, durch die meist das Schwimmbadwasser direkt hindurchgepumpt wird (dadurch wird ein Wärmeübertrager überflüssig). Im Vergleich zu Flach- und Vakuumröhrenkollektoren erreichen solche Absorbermatten nur niedrige Temperaturen, erfüllen aber dennoch ihren Zweck.
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Flächen- oder Plattenabsorber
Der Absorber hat die Form einer Platte (zum Beispiel im Flachkollektor), um bei möglichst kleinem Volumen der Sonne eine möglichst große Oberfläche zuwenden zu können. Dabei wird das Trägermedium in gängigen Systemen durch Kupferrohre geführt, auf welche die Kollektorplatte zur optimalen Wärmeübertragung angelötet ist. Eine andere Bauform sind miteinander verlötete profilierte Kupferplatten, deren Profilzwischenraum durch das Trägermedium direkt durchströmt wird. Diese sogenannten Streifenabsorber werden aber immer seltener eingesetzt - vorwiegend in Selbstbaukollektoren oder wenn es um spezielle geometrische Flächen geht.
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Röhrenabsorber
Als Röhrenabsorber werden solche Bauweisen bezeichnet, bei denen das von der Wärmeträgerflüssigkeit durchflossene Rohr selbst als Absorber dient bzw. nur durch verhältnismäßig schmale zusätzliche seitliche Absorberflächen ergänzt wird. Solche Röhrenabsorber finden sich beispielsweise in bestimmten Bauformen von Vakuumröhrenkollektoren, bei denen die einzelnen Röhren nur ein einzelnes Rohr als Absorber enthalten, ggf. durch ein schmales angelötetes Kollektorblech ergänzt. Auch Schwimmbadabsorber (siehe oben) werden gelegentlich als Röhrenabsorber bezeichnet, wenn sie aus dicht nebeneinander laufenden Schläuchen bestehen.
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Luftabsorber
Möglich ist auch die Verwendung von Luft als Wärmeträger. Man spricht dann von einem Luftkollektor. Die erhitzte Luft wird dann direkt in einen Wohnraum gepumpt und dient damit der Belüftung als auch Heizung.
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Beschichtung
Um eine möglichst hohe Absorption der Sonnenenergie zu erreichen, ist die der Sonne zugewandte Oberfläche des Absorbers entweder schwarz eingefärbt oder mit einer speziellen Beschichtung versehen, die selektiv wirkt, das heißt die von außen kommende kürzerwellige Sonnenenergie möglichst gut aufnimmt (Absorption) und die längerwellige Wärmeenergie des Absorbers nur schlecht abgibt (Emission). Moderne Beschichtungen (z.B. eta plus, Tinox, sunselect und andere) haben meist eine bläulich-schimmernde Farbe. Sie erreichen mit 91 bis 96 Prozent Absorption ähnlich hohe Werte wie die früher überwiegend verwendete (schwarz schimmernde) Schwarzchrom-Beschichtung, jedoch zugleich deutlich niedrigere Emissionswerte, verlieren also weniger Wärme durch Abstrahlung. Dadurch erreichen sie insgesamt deutlich höhere Leistungswerte als nur schwarz lackierte Absorber, aber auch mess- und spürbar höhere Werte als schwarzchrom-beschichtete Absorber. Der Absorber soll direkte und diffuse Sonnenstrahlung möglichst gut auffangen und in Wärme umwandeln (Absorption). Zugleich soll er möglichst wenig Wärme wieder in Form von Strahlung abgeben (Emission). Technisch ausgedrückt: Er soll sich gegenüber den jeweiligen charakteristischen Wellenlängen selektiv verhalten. Zudem muss er selber langfristig Hitze- und UV-beständig sein. In heißen Ländern werden häufig Absorber eingesetzt, die lediglich mit so genanntem Solarlack „beschichtet“ sind. Dieser Solarlack ist sehr hitzebeständig und in der Regel schwarz, um so bestmögliche Absorptionswerte für Sonnenstrahlung zu erreichen. Zugleich sind aber auch die Emissionswerte im mittleren Infrarot sehr hoch – ein Teil der eingefangenen Wärme wird daher wieder abgestrahlt. Um die Energieverluste zu minimieren, wird daher eine sog. hoch-selektive Beschichtung der Kollektoren eingesetzt. Damit werden Absorptionswerte von ca. 94 % für das Sonnenlicht (0,4...0,8 µm Wellenlänge) und Emissionswerte von weniger als 6 % für die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers re-emittierte Strahlung (Infrarot mit Wellenlängen um 7,5 µm) erreicht. Erreicht wird dies mit einer Plasmakante. Eine der ersten Beschichtungen mit selektiver Absorption, die serienmäßig hergestellt werden konnte, war die so genannte Schwarzchrom-Beschichtung. Sie wurde in einem galvanischen Verfahren auf das aus Kupfer oder Aluminium bestehende Absorberblech aufgebracht. Sehr vereinfacht gesagt besteht sie aus mikroskopischen Chromhärchen, die das Sonnenlicht zwischen sich einfangen, jedoch aufgrund ihrer geringen Größe bei größeren Wellenlängen wenig emittieren. Bis etwa 1997 war die Schwarzchrom-Beschichtung marktbeherrschend. Mittlerweile erlauben aber neuere Beschichtungen nicht nur höhere Wirkungsgrade, sondern gelten - vor allem wegen des Verzichts auf galvanische Prozesse - auch unter Produktions- und Recycling-Aspekten als umweltfreundlicher. Eine inzwischen nicht mehr auf dem Markt verfügbare Alternative zu Schwarzchrom war eine - ebenfalls galvanisch aufgebrachte - Nickelbeschichtung („Schwarznickel“). Am verbreitetsten ist heute eine aufgesputterte Schicht auf Titanbasis mit blauer Farbe, die gegenüber Schwarzchrom zwar leicht schlechtere Absorptionswerte aufweist, aber dafür deutlich niedrigere Emissionswerte und damit insgesamt einen besseren Wirkungsgrad erreicht. Die ersten serienreifen Beschichtungen dieser Art wurden in Form von Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen in Deutschland entwickelt und von der Fa. TiNOX auf den Markt gebracht. Theoretisch sind bei dieser Beschichtung je nach Schichtaufbau auch andere Farben möglich; diese erreichen aber bisher keine vergleichbaren Leistungswerte. Eine weitere Entwicklung der späten 90-er Jahre ist die sunselect-Beschichtung des Glas- und Beschichtungsherstellers Interpane, eine Keramik-Metall-Struktur (vermutlich ebenfalls auf Titan-Basis), die wie die Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen im Vakuum-Sputter-Verfahren aufgebracht wird und ebenfalls schwarzbläulich schimmert. Beide Beschichtungen lassen sich bisher nur auf Absorberblechen aus Kupfer aufbringen; entsprechende Techniken für Aluminiumabsorber sind erst seit kurzem auf dem Markt. Auch diese Aluminiumabsorber verwenden jedoch zur Wärmeabführung mittels der „Solarflüssigkeit“ (siehe dazu Thermische Solaranlage) eine Verrohrung aus Kupfer, die per Laser-Schweißverfahren mit dem Absorber verbunden wird. Neben der Beschichtung unterscheiden sich Absorber verschiedener Hersteller auch in ihrem prinzipiellen Aufbau. Häufig sind Vollflächenabsorber, die aus einem einzigen Absorberblech bestehen, anzutreffen. Die Verrohrung ist bei diesen serpentinen- bzw. mäanderartig oder in Harfenform auf der Rückseite aufgelötet oder -geschweißt. Daneben gibt es Streifenabsorber, die aus einzelnen Finnen bestehen, etwa 10-15 cm schmalen Streifen, auf deren Rückseite jeweils ein dünnes Rohr aufgeschweißt ist. Die Finnen werden dann an beiden Enden in ein Sammelrohr eingelötet, so dass eine Art „Harfe“ entsteht. Eine dritte Bauform sind die Kissenabsorber. Wie Vollflächenabsorber bestehen sie aus einem einzigen durchgehenden Absorberblech, auf das aber rückseitig statt einer Rohrleitung ein pressgeformtes zweites Blech aufgebracht ist. Die Wärmeträgerflüssigkeit strömt zwischen diesen beiden Blechen. Grundsätzlich weisen Vollflächenabsorber die besten Leistungswerte auf. Da anfangs die Hersteller der neuen hochselektiven Beschichtung nur Kupferbleche verarbeiten konnten, die eine bestimmte Breite nicht überschritten, werden vor allem in älteren Kollektormodellen noch überwiegend Absorberfinnen eingesetzt. Inzwischen sind Absorberbleche in Breiten bis 1200 mm erhältlich, was eine große Flexibilität in der Absorbergeometrie ermöglicht. Im Unterschied dazu erlauben Absorberfinnen ausschließlich die Verrohrung in Harfenform, andererseits lassen Finnen auf einfacherem Wege Anpassungen an die Dachform zu (maßgeschneiderte Kollektoren).
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Erfinder
Das Prinzip der Solarthermie wird seit langem angewandt: Brenn- und Hohlspiegel gab es schon in der Antike. Die Verwendung von Sonnenenergie geht auf den griechischen Mathematiker und Erfinder Archimedes von Syrakus (285-212 v. Chr.) zurück, der angeblich mit Hilfe von Brennspiegeln die römische Flotte in Brand setzte. Im 18. Jahrhundert erfand der Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure die Vorläufer der heutigen Solar-Kollektoren. Er baute im 18. Jahrhundert einen einfachen Holzkasten mit schwarzem Boden und Glasabdeckung. Mit diesem ersten Sonnenkollektor erreichte er eine Temperatur von 87°C. Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte der Franzose Augustin Mouchot die Solarkollektoren de Saussures weiter und kombinierte sie mit Brennspiegeln. 1878 stellte er auf der Pariser Weltausstellung eine Solar-Dampfmaschine vor. Er schlug vor, mit Hilfe dieser Dampfmaschinen die Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln.
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Einsatzbereiche: Haushalt bis Industrie
Die bekannteste und häufigste Anwendung der aus Sonnenenergie gewonnenen Hitze ist die Warmwasserbereitung im Haushalt. Bei geeigneter Auslegung von Kollektorfläche und Speichervolumen reicht sie in Mitteleuropa während des gesamten Sommerhalbjahres zum Waschen und Baden. Theoretisch kann die Solarwärme auch das ganze Jahr über den Bedarf eines Haushalts decken, allerdings wird dann die Anlage sehr viel größer und liefert im Sommer sehr viel mehr Wärme, als genutzt werden kann. Der Wirkungsgrad solch einer Anlage wird dadurch erheblich verschlechtert, und die hohen Investitionskosten für diese Überdimensionierung werden nicht durch das eingesparte Gas, Öl oder Strom kompensiert - soll heißen: eine solche Anlage wäre unrentabel. Wirtschaftlich ausgelegte Anlagen können allerdings im Winterhalbjahr die zusätzliche konventionelle Wärmequelle immerhin noch zu einem hohen Prozentanteil ersetzen. Der Anteil einer solchen Anlage an der Warmwasserbereitstellung liegt über das Jahr gesehen i. d. R. zwischen 30% und 100%. Die ersten großflächigen Anwendungen waren seit der Energiekrise der 1970er-Jahre die Beheizung von öffentlichen und zunehmend auch privaten Schwimmbädern. Ein weiterer Aufschwung in der Verbreitung der Warmwasserkollektoren in Deutschland wurde nicht zuletzt durch verschiedene Förderprogramme des Bundes und der Länder erreicht. Auch Industriebetriebe nutzen die Sonnenenergie seit langem als Beitrag zur Prozessenergie im Niedrigtemperaturbereich. So ist u. a. das Anwärmen von Biomassekulturen - etwa zur Erzeugung von Biogas - längst zur Marktreife gediehen. Werden höhere Verfahrenstemperaturen benötigt, ist mit der herkömmlichen Technik allerdings nur eine Vorwärmung der Wärmeträger möglich. Aktuell entwickelte konzentrierende Solaranlagen (Parabolrinnentechnik) öffnen hier der Solartechnik im nächsten Jahrzehnt ein weiteres, großes Marktpotential. Bindet man die Solarwärme nicht nur im Warmwasser- sondern auch im Raumheizungsbedarf ein, so sind größere Kollektoranlagen sinnvoll. Bei Standardheizungen kann sie im Jahresschnitt bis zu einigen Zehnerprozenten zur Heizenergie beitragen und daher die Heizkosten merklich senken. Setzt man - etwas anspruchsvoller - in der Haustechnik auch einen Saisonwärmespeicher ein, ist es sogar möglich, im Sommerhalbjahr so viel Wärme zu speichern, dass ein Niedrigenergiehaus während normaler Winter komplett ohne fossile Zusatzheizung auskommt. Derartige Saisonwärmespeicher bestehen im einfachsten Fall aus einer ausreichend großen Menge Wasser oder Kies (ca. 20 Tonnen), die in der Mitte des Hauses oder darunter untergebracht sind. Eine Amortisation der Solaranlage für den Warmwasserbereich ist bei günstiger Auslegung, vernünftigem Nutzerverhalten und unter Einbeziehung der möglichen Fördergelder, aber objektiver Berücksichtigung der aktuellen und absehbaren Wärmeentstehungskosten (Gas/Öl) schon ab 8 Jahren möglich. Die von den Herstellern ausgelegte Mindestlebensdauer eines Sonnenkollektors ist mit 20 Jahren deutlich länger. Längere Amortisationszeiträume über 16 Jahre sind i. d. R. die Folge unsachgemäßer Planung und mangelhafter Nutzung der Anlage. Um auch an bewölkten und regnerischen Tagen genügend Warmwasser sicherzustellen, ist in der Thermischen Solaranlage ein spezieller Warmwasserspeicher mit Wärmetauscherfunktion eingebaut, der für einzelne Haushalte - je nach Personenanzahl (Familiengröße) und Nutzungsverhalten - von etwa 300 bis 1500 Liter Wasserfüllung reicht. Bei größeren Wohneinheiten, Krankenhäusern, Hotels, etc., die wegen der Größe und der deutlich kontinuierlicheren Nutzung, relativ günstige Amortisationszeiträume haben können, kommen oft angepasste Industriespeicher zum Einsatz. In üblichen Speichern heizt der Solarkreislauf nur die untere Hälfte des Boilers auf, der dann aber wegen der Konvektion vollständig bis auf die maximal zulässige Temperatur (bis 95 °C) erwärmt wird. Um einen höheren Wärmebedarf oder bei bedecktem Himmel mangelnde Wärme aus dem Kollektor zu kompensieren, ist im Warmwasserspeicher entweder eine zusätzliche stromgespeiste Wärmequelle (Heizstab) integriert, oder der Speicher ist über einen weiteren eingebauten Wärmetauscher mit dem Heizkessel des Hauses verbunden. Von den thermischen Sonnenkollektoren zu unterscheiden sind die Solarzellen bzw. Solarmodule, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln (Photovoltaik).
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Ökonomische Betrachtungsweise
  • Solarkollektoren können nur dann Strahlungsenergie in Wärme umwandeln, wenn die Strahlung auf die Absorberfläche trifft.
  • Um Wasser in einem Wärmespeicher von 40°C auf 60°C aufzuheizen, muss das Wasser durch den Kollektor auf mindestens 65°C aufgeheizt werden. Wird der Solarkollektor nur zum Vorwärmen des Wärmespeichers benutzt, ist das Temperaturniveau tiefer: Die Verluste sind dadurch geringer und der Wirkungsgrad steigt.
  • Wärmedämmung verzögert lediglich den Wärmeausgleich zwischen zwei Medien.
  • Der Zweck und die Auslegung der Anlage sind für den Ausnutzungsgrad, den Wirkungsgrad und damit für die Wirtschaftlichkeit entscheidend.
Diese Punkte haben enormes Gewicht in der ökonomischen Betrachtungsweise von Solarkollektoren. Dort steht in erster Linie die Frage im Vordergrund: "Wie rechtfertige ich zum jetzigen Zeitpunkt die getätigte Investition". So werden Ökonomen versuchen, die Solaranlage voll auszunutzen und möglichst wenig Leerlaufzeiten entstehen zu lassen. Für die Wassererwärmung beispielsweise muss vorher der täglich zu erwartende Warmwasserbedarf bekannt sein. Hierbei ist es günstig, die Anlage auf ungefähr 70% des Energiebedarfes auszulegen. Dies liegt an dem jahreszeitlich unterschiedlichen Energieangebot. Legt man die Anlage im Winter auf 100% Energieausbeute aus, so erzeugt man im Sommer ein Überangebot, welches nicht genutzt werden kann; man lässt einen Teil der Kollektorfläche Sonnenenergie ungenutzt umwandeln und hat somit in Kollektorfläche investiert, die nur im Winter erwirtschaftet. Vergrößert man den Speicher, um die gesamte umgewandelte Sonnenenergie zu speichern, so riskiert man höhere Wärmeverluste, da man die Wärme in normalen gedämmten Wärmespeichern nur zeitlich begrenzt speichern kann. Sowohl in der ökonomischen als auch in der ökologischen Betrachtungsweise ist es also fast immer sinnvoll, ein Hybridsystem mit dem Sonnenkollektor als ergänzende Energiequelle zu installieren. Hier wäre aus ökologischen Geschichtspunkten ein Kessel zur Verbrennung nachwachsender Brennstoffe als zweite Energiequelle sinnvoll, da keine fossilen Brennstoffe verbrannt werden. Möglich ist ein Holzkessel oder ein Holzpelletkessel. Alternativ können Saisonspeicher eingesetzt werden, welche groß genug sind, um den Überschuss im Sommer bis in den Winter speichern zu können.
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Übersetzung:
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