Solarthermie

mw-headline" id="Geschichte">Geschichte[Bearbeiten | | | Quellcode bearbeiten]>

Die mit dunklen Fenstern markierten Bereiche würden ausreichen, um den aktuellen weltweiten Primärenergiebedarf allein durch Sonneneinstrahlung (mit einem Nutzungsgrad von 8 %) zu decken. Solarthermie (kurz ST) ist die Umsetzung von Solarenergie in Nutz-Wärme. Die erste Anwendung der Solarthermie geht auf die Zeit des Altertums zurück (800 v. Chr. - 600 n. Chr.), als konkave Spiegel zur Bündelung von Lichtbündeln diente.

Bereits im antiken Ägypten, Mesopotamien und den früheren süd-amerikanischen Zivilisationen wurde die Passivnutzung der Solarthermie durch die Gebäudearchitektur betrieben. Ausgehend von der ersten Erdölkrise wurden in den 70er Jahren sinnvolle Nutzungskonzepte für die Solarenergie erdacht. Im Jahre 1891 wurde dem Metallhersteller Clarence M. Kemp aus Baltimore das erste Solaranlagenpatent der Welt erteilt.

Der gezielten Umwandlung von Sonneneinstrahlung in elektromagnetische Strahlung in Wärmeenergie liegt im Wesentlichen das Absorptionsprinzip zugrunde. Dies kann durch Solarkollektoren erfolgen, die die Sonneneinstrahlung auffangen. Stattdessen erhitzt er eine ebene wärmespeichernde Oberfläche, die gut wärmeleitend ist und von Rohren durchströmt wird, die das Wärmeübertragungsmedium enthalten.

Der Nutzwert der jährlichen thermischen Energiezufuhr durch einen Flächenkollektor ohne Vakuumisolation beträgt ca. 350 kWh/m². Das Innenrohr enthält ein Wärmeträger, in der Regel ein Wasser-Diethylenglykol-Gemisch, das die von der Pumpe angetriebene Hitze aufheizt und abführt. Auch gibt es so genannte "offene Systeme", die das Trinkwasser selbst aufheizen. Vakuum-Röhrenkollektoren haben zwar bessere Leistungen als Flächenkollektoren, sind aber in der Regel teurer in der Beschaffung.... Auf der anderen Seite ermöglichen sie die Anordnung der Vakuum-Absorber mit einem grösseren freien Raum, was wiederum eine Kostenersparnis bedeutet und durch die Strahlungskonzentration auf den Vakuum-Absorbern die Temperaturen im Wärmeträger stärker ansteigen lässt, so dass die Mindest-Systemtemperatur und damit die Zeit, zu der die eingesetzte Leistung genutzt werden kann, rascher und die Anlage längerer und aufgrund der erhöhten Temperaturen energieintensiver genutzt werden kann.

Problematisch sind die Spiegelungen der Sonneneinstrahlung ohne Antireflexschicht. Das bedeutet, dass nur ein Teil der Sonneneinstrahlung den Absorptionskörper erreicht. Das Verhältnis zwischen der erhaltenen Wärme und der am Sammler ankommenden Strahlungsleistung ist der Nutzungsgrad. In der Privatwirtschaft wird die Solarthermie vor allem zum Heizen und Klimatisieren von Gebäuden eingesetzt. Zusammen mit einer hohen Wärmeisolierung und der Passivnutzung der Sonneneinstrahlung wird der zusätzliche Heizenergiebedarf bereits deutlich reduziert.

Auch in Mitteleuropa kann eine gut geplante Passivnutzung der Solarenergie so weit gehen, dass eine Aktivheizung nicht mehr vonnöten ist. Typische Anwendungsbeispiele für die Passivnutzung der Sonneneinstrahlung sind das Treibhaus und der Garten. Dachüberhänge über großen Süd-Fenstern mit Isolierglas können im Hochsommer eine kühlende Wirkung haben und im Sommer (aufgrund des dann geringeren Sonnenstandes) die durch das Dach eingefallene Wärmeabstrahlung zur Raumbeheizung ausnutzen.

In der sogenannten Solar-Architektur kommen diese Passivtechniken zum Einsatz. Weil die modernen Bürohäuser (z.B. das Commerzbank-Hochhaus in Frankfurt am Main und der Post-Tower in Bonn) heute oft eine nahezu vollständig verglaste Aussenfassade haben, gibt es im Hochsommer einen Überhang an Solarwärme. Hierbei können spezielle Gläser behilflich sein, die die Wärmestrahlen der hohen Mittagssonne blockieren, aber für tiefere Sonnenstrahlen durchlässig sind, wie sie im Hochsommer und auch im Hochsommer außerhalb der Mittagszeit auftreten.

Kollektorbasierte Solarthermieanlagen werden im Bereich der Haustechnik durch den Einsatz von aktiven, d.h. meist elektrischen Zirkulationspumpen im Wärmekreislauf als "aktive" Technik eingestuft. Der Kollektor kann zur Wassererwärmung, als eigenständiges und vollwertiges Heizsystem oder zur Ergänzung eines bestehenden Heizsystems eingesetzt werden. Weitere Zusatzheizungen sind nur in älteren Gebäuden erforderlich, wo entweder die Wärmedämmung nicht ausreichend ist oder die Dachfläche im Vergleich zum Rauminhalt zu klein ist, um den Heizwärmebedarf komplett durch den Kollektor zu decken.

Unter Berücksichtigung dieser Aspekte kann jedes andere Heizsystem jederzeit vollständig ersetzt werden. Das ist besonders wegen der im Vergleich zu anderen Heizformen, wie z.B. den unterschiedlichen Arten der KWK-Pelletheizung, erwünscht. Solarthermische und passiv solarthermische Bauweisen sind in diesem Falle weniger wartungsintensiv und haben aufgrund des fehlenden Brennstoffbedarfs erhebliche Vorzüge.

Die Betriebskosten für den Betreiber fallen nicht an (bis auf niedrige Strompreise von ca. 8 pro Jahr für den Antrieb der Elektroumwälzpumpe mit 7 W Strom und einer Betriebszeit von ca. 300 h/a, bei einem durchschnittlichen Eigenheim und einem Grünstrompreis von 21,5 ct/kWh). Für die Einlagerung der in unseren Breiten überwiegend im Hochsommer anfallenden Heizenergie sorgen thermisch-chemische Speicher, bei denen die Hitze saisonbedingt fast unverlustfrei gebunden und zeitverzögert wieder abgegeben wird, Pufferspeicher wie z. B. für Warmwasser oder latente Energiespeicher, beispielsweise auf Paraffinbasis, bei denen ein großer Teil der Heizenergie im Phasentransfer von Feststoff zu Flüssigkeit eingelagert wird, was unter anderem eine um den Faktor 1, 50 größere Heizwärmekapazität als einfache Wasserspeicher ausmacht.

Bei der geschickten Gestaltung von neuen Gebäuden (z.B. durch Wärmeaktivierung der vom Untergrund umschlossenen Erdmasse) kann dieser nachteilige Effekt jedoch entfallen, so dass passives Heizen oder Warmwasser aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wünschenswert sein kann. Wenn die Sonnenstrahlung auf den Sammler trifft, gibt er in der Regel 60-75% seiner Wärmeenergie an die Wärmeträgerflüssigkeit ab, abhängig von der Absorptionskapazität des Sammlers.

Die Zirkulationspumpe wird von einem an einen Temperaturfühler angeschlossenen Controller (auch Solarcontroller genannt) gestartet, sobald die Wärmeübertragungsflüssigkeit im Sammler einen gewissen Schwellwert einnimmt. Hier gibt er seine Hitze an das kühlere Zwischenspeicherwasser ab. Die modernen Waschmaschinen und Geschirrspüler haben teilweise getrennte Heißwasseranschlüsse, über die auch die solare Haustechnik dazu beiträgt, den Energieverbrauch von Hausgeräten durch die Versorgung mit bereits erwärmtem Trinkwasser zu verbessern.

Mit einem saisonalen thermischen Speicher, aus dem auch die Hitze schnell und nach Bedarf entnommen werden kann, ist der Gebrauch eines Puffertanks nicht mehr vonnöten. Das Wärmeträgermedium wird für die chemische Bindung der Heizenergie unmittelbar dem saisonalen Speicher zugeleitet, auf der Heizseite nimmt der saisonale Speicher die Funktion eines Strömungserhitzers ein. Bei Kollektorsystemen, die in erster Linie zum Heizen bestimmt sind, werden die Installationswinkel in den Wintermonaten oft auf den höchstmöglichen Ernteertrag statt auf den höchstmöglichen Jahresgesamtertrag hin ausgerichtet.

Die Ertragskurve wird bei einfacheren Anlagen ohne saisonale Speicher an die zeitlich bedingte Aufteilung des Heizwärmebedarfs zwischen den Monaten des Sommers und des Winters angepasst, so dass im Vergleich zu einem noch höheren Ertragsausfall im Hochsommer bei gleichbleibender Fläche mehr Heizwärme unmittelbar zur VerfÃ?gung steht, die jedoch aufgrund des damals sehr niedrigen Heizwärmebedarfs wahrscheinlicher akzeptiert wird.

Dementsprechend kann es für Heizungsanlagen, in denen der Heizwärmebedarf überwiegend während der Sommerzeit und Übergangsperioden (z.B. bei der Beheizung von Außenduschen) auftritt, Sinn machen, die Bestrahlung während der Übergangsperioden zu optimieren, da die Solarstrahlung während der Verbrauchsperiode während der Übergangsperiode zwischen den Sommern und Übergangsperioden am niedrigsten ist. Wird ein saisonaler Pufferspeicher in das System integriert, ist eine stationäre Installation mit einem steileren Installationswinkel unter dem Aspekt des bestmöglichen Kosten-Nutzen-Verhältnisses jedoch ungünstig, da die zeitverzögerte Wärmeentwicklung und -abgabe des Speichers die Verwendung der größten Sonnenstrahlung im Hochsommer mit einer zeitlichen Verzögerung im Laufe des Winter erlaubt und das Problemfeld des größten Wärmebedarfs im Winter nicht mehr entscheidend für die Anlagenauslegung ist.

Vielmehr wiegt die zwei- bis dreimal so hohe Sonneneinstrahlung im Hochsommer den nur leicht erhöhten Winterertrag aufgrund eines stärkeren Installationswinkels auf. Der Installationswinkel im Wintersemester > oder < 45 Grad hat sowieso eine relativ kleine Auswirkung, da der Solarertrag durch die dichten Wolken in Mitteleuropa im Wintersemester viel stärker eingeschränkt ist.

Eine flache Einbaulage hingegen kann im Hochsommer zu Wärmeüberschüssen mit dem Risiko von Anlagenstillstand führen. Während solarthermische Anlagen in Mitteleuropa in den 80er und 90er Jahren kaum kalkulierbar waren und vor allem von ökologischen Interessenten eingesetzt wurden, ist heute (2013) eine Solarstromanlage mit einem Heizölpreis von 90 ct/kWh und der daraus resultierenden Heizenergie von 10 ct/kWh in der Regel ökonomisch vernünftig zu bedienen.

Neben der Sonnenstrahlung ist die Amortisationsdauer einer Solaranlage vor allem von der Lebensdauer der Bauteile abhängig, da sich die Solaranlage nur durch die gesparte Energie amortisiert. Für die Wärmenutzung sind neben einer hydraulischen Ausgewogenheit des Heizsystems vor allem eine südliche Ausrichtung, qualitativ hochstehende Sonnenkollektoren und ein guter Schichtspeicher unverzichtbar. Niedrige Vorlauftemperatur erhöht den Solargewinn massiv.

Auf dem sich gerade erst herausbildenden Markt für Solarthermiekraftwerke haben die Unternehmen in Deutschland dank der mit BMU-Förderung entwickelten Technologie gute Aussichten. Im Rahmen des Energie- und Klimaschutzprogramms der Bundesrepublik Deutschland hat das BMU eine neue Finanzierungsrichtlinie für das ab 2008 befristete Förderprogramm verabschiedet. Die Nutzung von Solarthermieanlagen wird in der Regel von der Bundesrepublik Deutschland je nach Grösse und Anwendungsbereich mitfinanziert.

Ziel des BMU ist es, durch die Unterstützung der Niedertemperatur-Solarthermie den Solarthermieanteil an der Wärme- und Kälteerzeugung signifikant zu steigern. Bis 2020 soll die installierte solarthermische Leistung verzehnfacht werden. Dazu wurde die Förderstelle "Solarthermie2000plus" ins Leben gerufen. 2.

Es zielt auf Besitzer von großen bestehenden oder neuen Gebäuden oder Grundstücken zur Einbindung von Solarthermieanlagen in den Bebauungsplan ab ý wirtschaftliche Effizienz für Produzenten und Konsumenten, Schutz von Mensch und Natur, vor allem Reduzierung von CO2-Emissionen, Energieversorgungssicherheit. Für die erstmalige Installation von Solarkollektoren von mehr als 20 m bis 100 m³ Brutto-Kollektorfläche in Mehrfamilienhäusern mit mindestens 3 Wohnungen und in großen Nichtwohnhäusern zur gekoppelten Warmwassererzeugung und Zentralheizungsunterstützung kann ein Zuschuss von 180 Euro/m Brutto-Kollektorfläche gewährt werden.

Die Prämie von 500 EUR wird gezahlt, wenn ein bestehender Kessel ohne Brennwert-Technik gegen einen Kessel mit Brennwert-Technik (Öl und Gas) bei gleichzeitiger Montage einer Sonnenkollektoranlage zur gekoppelten Trinkwassererwärmung und Zentralheizungsunterstützung installiert wird. Wirkungsgradbonus: zuzüglich 50 Prozent auf den Basiszuschuss für den Bau einer geeigneten Sonnenkollektoranlage zur gekoppelten Warmwassererzeugung und Wärmeförderung oder einer geeigneten Biomasse-Anlage in einem besonders gut wärmegedämmten Haus.

Prämie für besonders leistungsfähige Solar-Pumpen (maximal 50 EUR pro Pumpe). Bei Solarthermiekraftwerken wird die Energie durch Spiegelanlagen auf einem Adsorber konzentriert und die dort entstehende Abwärme mit herkömmlicher Technologie (z.B. Dampfturbinen) zur Stromerzeugung verwendet. Es durchströmt ein Wärmeträger, der durch die konzentrierte Energie der Sonne auf bis zu 1000 °C erhitzt werden kann.

Die entstehende Wärme wird über ein Wärmetauscher-System zur Dampferzeugung genutzt, das wie bei den bereits bestehenden Kraftwerksanlagen eine mit einem Generatoren gekuppelte Anlage treibt und damit elektr. Strom produziert. Abweichend vom oben genannten Sonnenturm brauchen fallende Windkraftanlagen keine Solarkollektoren auf dem Erdboden, die die Solarenergie an einem gewissen Ort aufkonzentrieren.

Durch das verdampfende Brauchwasser wird der Raumluft Hitze entzogen, die sich gegenüber der Aussenluft um ca. 12 C abkühlt und mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 m/s in den Schornstein abfällt. Wie beim Solarturm KW ist am Boden des Schornsteins eine mit einem Stromerzeuger gekuppelte Anlage montiert, die durch den künstlichen Windgenerator mitgerissen wird.

Dabei werden Konkavspiegel eingesetzt, um die Sonneneinstrahlung auf einen einzigen Ort zu bündeln und damit um ein Mehrfaches zu verstärken. Bei kanalförmiger Anordnung der Außenspiegel kann die Sonneneinstrahlung etwa vierzigmal konzentrierter auf ein Absorptionsmedium mit Wärmeleitflüssigkeit gerichtet werden. Ein biaxialer, der Sonneneinstrahlung nachgeordneter parabolischer Solarspiegel bündelt die Solarenergie in einem Parabolkraftwerk unmittelbar auf einen im Fokus des Reflektors installierten Absorptionskörper.

Die Stirlingmaschine wandelt die Wärmeenergie unmittelbar in mechanisches Arbeiten um. Diese Systeme erzielen höchste Effizienz bei der Umsetzung von Sonnenstrahlung in Strom. Sie sind für die dezentrale Stromversorgung in entlegenen Gebieten geeignet und ermöglichen es, eine beliebige Anzahl dieser Solarmodule zu einem großen Sonnenkraftwerk zu verbinden. Bei Teichkraftwerken stellen die flachen Salzwasserseen eine Verbindung aus Sonnenkollektor und Wärmespeicherung dar.

Wenn die Sonneneinstrahlung in den tiefen Lagen aufgenommen wird, erwärmt sie sich auf 85 bis 90 °C. Durch das Dichtegefälle aufgrund des verschiedenen Salzgehaltes kann das erhitzte Brauchwasser nicht ansteigen, es kommt zu keiner Umluft und die Hitze wird in der darunter liegenden Schicht des Wassers abgespeichert. Im Turbinengeneratorblock kann die eingespeicherte Energie zur Stromproduktion genutzt werden und steht bei entsprechendem Design 24 Std. am Tag zur VerfÃ?gung.

Zusätzlich zum Stromendprodukt gibt es auch die Möglichkeiten, Wärmeenergie in der Sonnenchemie zu nützen. Eine wichtige Erkenntnis für die Solarwasserstoffwirtschaft ist die jüngste erfolgreiche thermischen Zersetzung von Dampf in Wasser und Stickstoff im DLR (siehe auch Wasserstofferzeugung). Zusätzlich zum Einsatz von Dachanlagen können Sonnenkollektoren auch in Freilandanlagen ähnlich wie im Solarpark installiert werden, zum Beispiel zur Nahwärme- und Fernwärmeversorgung.

Ähnlich wie bei der Heizwärmeerzeugung kann auch Solarwärme zur Kälteerzeugung genutzt werden. Auf diese Weise wird die Umwandlung von Primärenergie in sekundäre Energien (z.B. Elektroenergie ) überflüssig, was die Auslegung des Kältesystems erleichtert und gleichzeitig zu Kosteneinsparungen führt. Weil der größte Kältebedarf in der Regel mit der Zeit der stärksten Sonneneinstrahlung einhergeht, ist Solarwärme auch als Antriebsenergie für Kälteanlagen ohne Zwischenspeicher bestens geeignet.

Nacht- und saisonale Wärmespeicher erlauben auch dann eine solarthermische Abkühlung, wenn keine oder zu wenig Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Grundsätzlich kann die Solarkühlung immer und immer dort eingesetzt werden, wo die Solarthermie technologisch nutzbar ist. Grundvoraussetzung dafür ist also die konstruktive Tauglichkeit des Hauses für den Einsatz von Sonnenkollektoren, d.h. Verschattungsfreiheit, passende Dachorientierung und einfach auch genügend Raum auf dem Dachelement.

Inwieweit solares Kühlen allein genügt oder durch andere Maßnahmen zu ergänzen ist, hängt letztendlich nur von der Kollektoroberfläche ab, die im Hinblick auf den Kältebedarf montiert werden kann. Im Allgemeinen gibt es viele technische Vorgänge zur Umsetzung von Hitze in Kalt, d.h. letztendlich die Entnahme von wärmegetriebener Hitze. Solares Kühlen wird beispielsweise in den nachfolgenden Gebieten eingesetzt:

Im Bereich der Klimatechnik von Eventräumen, Anlagen, Rechenzentren und Industrieanlagen, in denen durch den eigenen Einsatz große Wärmemengen erzeugt werden, kann diese solarthermische Energie neben der internen Wärmeerzeugung oft auch zur Kälteerzeugung an anderen Orten eingesetzt werden. Beispielsweise wird bei neuen Fahrzeugen die Motorabwärme in Kombination mit einem Thermoelement zur Stromrückgewinnung verwendet.

Im stationären Einsatz könnte die selbe Hitze für den Antrieb der Klimaanlagen ausgenutzt werden. Daher sollte im jeweiligen Fall überprüft werden, ob andere Wärmeerzeuger zur Verfügung stehen, deren Heizenergie zur Verfügung steht. Weil Solarthermieanlagen in unseren Breitengraden für die Beheizung im Sommer und für die Beheizung im Sommer sinnvoll sind.

Hierfür genügt eine entsprechende grössere Auslegung des Kollektorsystems, und ein bereits bestehender saisonaler Wärmespeicher kann dann auch im Sommer für den Nachtbetrieb der Kälteanlage als Pufferspeicher genutzt werden. Daraus resultiert ein Preisvorteil gegenüber dem Einsatz von Heizen und Kühlen mit getrennten Zwischenspeichern. Die bei einer elektrischen Kälteerzeugung notwendige Umwandlung in sekundäre Energie (elektrischer Strom) wird erspart.

Auf dem Gebiet der solarthermischen Gebäude-Klimatisierung steht die primäre Wärmeenergie vor allem dann zur VerfÃ?gung, wenn der KÃ?hlbedarf am gröÃ?ten ist, da die Sonneneinstrahlung wiederum entscheidend fÃ?r den Klimaanlagen-Bedarf ist. In industriellen Prozessen eingesetzte Kühlgeräte und Kühlgeräte müssen auch der erhöhten Hitze zum Zeitpunkt höchster Außentemperaturen entgegenwirken und danach dementsprechend mehr Strom aufwenden.

Solares Kühlen erzeugt keine Elektro- und Magnetfelder und damit im Unterschied zu elektrischem Kühlen keinen Elekrosmog. Onlinebuchberatung Solarthermie und Informationen und Tips zur Solarthermie, kostenloses Onlinebuch von solaranlage-ratgeber.de. Geinitz: "Wo man mit Solarstrom noch viel Kohle verdient ", berichtet die FAZ am kommenden Freitag, 15. Juli 2013, über den derzeitigen Solarthermieboom in China.

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