Würden wir unsere Nutzenergie ausschließlich aus der Sonneneinstrahlung gewinnen, so hätten wir den Energiebedarf der ganzen Menschheit mehr als gedeckt. Die Energieausbeute der Sonne ist größer als die aller anderen erneuerbaren Energiequellen zusammen.
Die Nutzung der Solarenergie geht zurück auf die Menschen der Antike. Schon damals erkannte man, dass man durch spezielle Spiegel und der Fokussierung des Lichts die Wärme sinnvoll einsetzen kann. So war die Solarthermie geboren.
Was ist Solarthermie?
Der Begriff Solarthermie umfasst alle Maßnahmen zur Wärmegewinnung aus der Sonneneinstrahlung. Photovoltaik hingegen ist die Stromgewinnung aus der Strahlungsenergie der Sonne.
Die Ursache der für uns so wichtigen Solarenergie, ist die Kernfusion der Sonne. Dabei verschmelzen zwei Atomkerne zu einem neuen Kern, wodurch Energie in Form von Strahlung freigesetzt wird. Spürbar ist diese vor allem in der Form von Infrarot- bzw. Wärmestrahlen. Die Strahlungsleistung wird von der Sonne zwar etwa gleichmäßig in alle Richtungen abgegeben, unterliegt aber erheblichen Schwankungen. So ist die bei uns auftreffende Energie nicht nur von der Sonnenaktivität und dem Weltraumwetter abhängig, sondern auch vom Ort (Breitengrad und Höhenlage) und den Wetterverhältnissen auf der Erde. Hinzu kommt, dass die Strahlungsleistung deutlich durch die Erdatmosphäre gedämpft wird.
Dadurch, dass immer nur die halbe Fläche der Erdkugel bestrahlt wird, kann die Solarthermie auch immer nur dann genutzt werden, wenn die Sonne scheint. In der Nacht muss auf effiziente Speichertechniken zurückgegriffen werden.
Bei der Solarthermie wird Solarenergie mit Hilfe von Solarkollektoren bzw. Sonnenkollektoren in thermische Energie umgewandelt. Physikalisch geschieht dies über das Prinzip der Absorption.
Solarkollektor – Sonnenkollektor
Thermische Solarkollektoren bzw. thermische Sonnenkollektoren wandeln die Solarenergie in nutzbare Wärme um. Wichtige Bestandteile sind der Solarabsorber sowie ein Wärmeträger. Zur Sonne hin positioniert, nimmt der Absorber die Wärmeenergie auf und gibt sie an den umfließenden Wärmeträger ab. Dieser besteht aus einem flüssigen Heizmedium (Wasser-Propylenglycol-Gemisch oder Wasser-Diethylenglycol-Gemisch – Wasser + Frostschutzmittel) und transportiert die Wärme vom Solarkollektor hin zu einem Wärmetauscher in der Heizung. Dort wird die gewonnene Energie an das Brauchwasser oder auch Heizwasser abgegeben, direkt verbraucht oder gespeichert.
Um den Wirkungsgrad von Solarkollektoren zu maximieren und Wärmeverluste zu reduzieren, muss der Absorber gut gedämmt sein. Dementsprechend unterscheidet man zwischen verschiedenen Kollektoren:
- Flachkollektoren – Dämmung mit herkömmlichem Dämmmaterial wie z.B. Mineralwolle oder Schaumglas
- Vakuumflachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren – Dämmung durch Vakuum
- Einfachabsorber (z.B. Niedertemperaturkollektoren zur Schwimmbaderwärmung) – besitzen in der Regel keine Dämmung
- Dunkle Behälter mit Wasser gefüllt (z.B. Solarduschen oder gewöhnliche Gartenschläuche) – fehlende Dämmung
Sonnenkollektoren mit einer Vakuumdämmung besitzen einen höheren Wirkungsgrad, sind aber wesentlich teurer in der Anschaffung als herkömmliche Flachkollektoren. Durch das Vakuum wird die Wärmeaufnahme ermöglicht, aber ein Wärmeverlust deutlich verringert.
In Solaranlagen werden Kollektoren eingesetzt, die mit einem Brennspiegel vergleichbar sind. Hier wird das Licht der Sonne nicht nur absorbiert, sonder auch konzentriert auf einen Wärmeträger reflektiert. Die Energieausbeute wird dadurch wesentlich erhöht, wodurch deutlich höhere Temperaturen erzielt werden können. Bei Solarwärmekraftwerken wird die Wärmeenergie dazu genutzt, um Wasser zu verdampfen und damit Turbinen anzutreiben. Um solch hohe Temperaturen zu erreichen, werden die Spiegel/ Kollektoren oft der Richtung der Sonne nachgeführt.