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Solaranlagen können elektrische Energie mithilfe von Photovoltaik und Warmwasser mithilfe von Solarthermie erzeugen. Hybride Anlagen koppeln diese beiden Technologien, was große Vorteile mit sich bringt: In den mit Solarzellen bestückten Kollektoren, die elektrischen Strom liefern, wird gleichzeitig Wasser erwärmt, was Platz spart. Gleichzeitig kühlt der Wasserkreislauf die Solarzellen, was deren Effizienz deutlich erhöht. Ein dritter Anwendungsbereich sind Sonnenwärmekraftwerke (siehe nächster Abschnitt).
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- Mertens, Konrad (Autor)
Anwendung der Solarthermie
Die Solarthermie nutzt Sonnenenergie für die Warmwasseraufbereitung und (noch) in einem geringen Umfang für die Stromerzeugung im Sonnenwärmekraftwerk. Dieses unterscheidet sich von der Stromerzeugung durch Photovoltaik: Sonnenwärmekraftwerke wandeln nicht Licht photoelektrisch in Strom um, sondern betreiben Dampfturbinen mit Sonnenwärme. Während dies eine junge Technologie ist, kennt man das Verfahren der Warmwassererzeugung mit Sonnenkollektoren schon seit der Antike. Sonnenenergie steht im Überfluss zur Verfügung: Im Jahr 2022 schätzt man, dass sie den gegenwärtigen Energiebedarf der Menschheit um den Faktor 10.000 übersteigt. Weltweit sind aktuell Solarthermiekollektoren mit einer Gesamtleistung von ~550 GW installiert.
Davon entfallen über 70 % auf China. Die gegenwärtig vorhandenen Sonnenwärmekraftwerke produzieren ~6,4 GW Strom. Solarthermische Anlagen für die Warmwasseraufbereitung können auch die Heizung eines Hauses betreiben (in der Regel über eine Fußbodenheizung) und bei guter Wärmedämmung als Heizquelle genügen. Allerdings gibt es mit Stand 2022 in unserem Breiten bislang nur wenige Häuser, die für ihre Heizung komplett auf eine solarthermische Anlage setzen. Auf jeden Fall reduziert sie aber stark den Bedarf an sonstigen Heizungslösungen (Öl, Gas, Pellets, Kohle, Strom) und genügt meistens vollständig für die Warmwasseraufbereitung. Damit solarthermische Kollektoren ihre ganze Effizienz ausspielen, sollten sie ebenso wie PV-Module richtig ausgerichtet sein. Ideal sind die Richtungen Südwest, Süd und Südost.
Wenn eine solarthermische Anlage komplett die Fußbodenheizung mit warmem Wasser versorgt, benötigt sie eine Umwälzpumpe. Deren Stromkosten sind aber nicht sehr hoch. Ein Vorteil dieser Anlagen ist ihre geringe Wartungsanfälligkeit. Sie halten auch deutlich länger als Öl-, Gas- oder Pelletheizungen. Nicht zuletzt benötigen solarthermische Anlagen keine Rohstoffe und erzeugen keine schädlichen Emissionen.
Speicherung von Wärme aus Solarthermie
Die aus der Sonne aufgenommene Wärmeenergie sollte auch gespeichert werden. Benötigt wird sie schließlich in der kalten Jahreszeit und nachts, während die Sonne ihre Energie im Sommer und tagsüber liefert. In der Tat lässt sich solarthermisch erzeugte Wärme speichern. Drei gängige Verfahren sind:
- Pufferwärmespeicher auf Wasserbasis
- Latentwärmespeicher auf Paraffinbasis
- thermochemischer Wärmespeicher
Der Pufferwärmespeicher erhitzt mit dem tagsüber gewonnenen Heißwasser aus dem Sonnenkollektor eine größere Menge Wasser. Die Wärmeenergie hält sich bei guter Dämmung des Puffers länger, das aufgewärmte Wasser kann später wieder abgegegen werden. Eigenheime oder Büro- und Gewerbegebäude mit solarthermischen Anlagen verfügen immer über einen kleineren Pufferspeicher, doch es lassen sich auch groß dimensionierte Speicher dieser Art bauen. Allerdings ist ein gewisser Energieverlust auf lange Sicht unvermeidlich, weil der Speicher nicht absolut gegen Wärmeverlust gedämmt werden kann. Ein Latentwärmespeicher speichert die Energie beim Phasenübergang des Paraffins vom festen zum flüssigen Zustand.
Wenn das Paraffin unter Druck wieder verfestigt wird, gibt es die Wärme wieder ab. Gegenüber dem Pufferwärmespeicher auf Wasserbasis steigt die Wärmekapazität um den Faktor 1,5 bei naturgemäß höheren Kosten. Ein thermochemischer Wärmespeicher speichert die Wärmeenergie durch eine endotherme Reaktion und gibt sie durch eine exotherme Reaktion wieder ab. Dies kann beispielsweise mit einem Silicagelgranulat geschehen, das stark porös und hygroskopisch ist. Seine innere Oberfläche ist mit 600 m²/g sehr groß. Dieses Gel zieht Wasserdampf an, lagert ihn durch Adsorption an seiner großen inneren Oberfläche ab, setzt dabei Wärme frei und verbraucht beim umgekehrten Vorgang der Desorption Wärmeenergie.
Im Sommer erfolgt mit solarthermisch erzeugte Wärme zunächst die Desorption und somit die Wärmespeicherung, im Winter durch eine geringe Belüftung des Gels der umgekehrte Vorgang der Adsorption, wodurch das Gel die gespeicherte Wärme wieder abgibt. Die Speicherdichte von thermochemischen Wärmespeichern übersteigt die von Wassertanks um den Faktor 5, auch ergeben sich kaum Verluste. Diese Lösung ist allerdings die mit Abstand teuerste. Sie hat aber den Vorteil, dass die Wärme sogar über Monate gespeichert werden kann und daher eine leistungsfähige solarthermische Anlage im Sommer die nötige Heizenergie für den Winter produzieren kann.
Effizienz von solarthermischen Anlagen
Solarthermische Anlagen sind sehr effizient. Die Sonnenstrahlen geben an den Kollektor bis zu 75 % ihrer Energie ab. Dies ist zunächst die rein energetische Effizienz. Die realistische technische Effizienz ergibt sich durch das Design der Anlage. Im Kollektor erwärmen die Sonnenstrahlen eine Flüssigkeit, die als Wärmeträger dient und im Wärmetauscher das Wasser erhitzt. Hierfür ist eine Pumpe erforderlich, deren Regelung über einen Sensor erfolgt, der die erreichte Temperatur misst und die Pumpe erst ab einer bestimmten Erwärmung der Wärmetauscherflüssigkeit in Gang setzt.
Je genauer und durchdachter dieser Regelung erfolgt, desto effizienter arbeitet die solarthermische Anlage. Auch die Ausrichtung der Kollektoren und die genauen Dimensionen (unter anderem Relation zwischen Wassermenge im Pufferspeicher und Menge der Wärmetauscherflüssigkeit) bestimmen die Effizienz, die oft um 50 – 60 % liegt. So viel von der ankommenden Sonnenenergie wird tatsächlich zu nutzbarer Wärme umgewandelt.
Grundprinzip und Effizienz der Photovoltaik
Die Photovoltaik (auch: Fotovoltaik) wandelt mithilfe von speziellen Zellen (überwiegend auf Siliziumbasis) Sonnenlicht in Gleichstrom um. Eine PV-Anlage benötigt zusätzlich einen Wechselrichter, um aus diesem Gleichstrom für den Haushalt oder die Industrie nutzbaren Wechselstrom zu erzeugen bzw. diesen ins öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Schon seit 1958 nutzt die Raumfahrt PV-Strom, später wurden kleine photoelektrische Zellen unter anderem in Taschenrechner eingebaut, heute funktioniert ein größerer Teil der weltweiten Stromerzeugung auf diesem Weg. PV-Module lassen sich idealerweise auf Dachflächen und natürlich auch auf Freiflächen montieren. Die weltweite Stromerzeugung aus PV-Anlagen könnte im Jahr 2030 die Leistung von 10.000 GW übersteigen.
Seit 2020 geht man davon aus, dass die früher sehr teure Photovoltaik inzwischen bei leistungsfähigen PV-Modulen und einem guten Standort bzw. einer optimalen Ausrichtung der Module die günstigste Form der Stromerzeugung ist. So gibt es im Wüstenstaat Abu Dhabi schon PV-Kraftwerke, die den Strom für ~1,35 ct/kWh liefern können. Zum Vergleich: Der Durchschnittspreis für Strom aus dem öffentlichen Netz liegt in Deutschland Ende 2022 bei ~40 ct/kWh. Die PV-Module sollten für ihre höchste Effizienz wie die Kollektoren für die Solarthermie zwischen Südwest über Süd bis Südost ausgerichtet sein und benötigen eine bestimmte Neigung zur Sonne, die auch vom Breitengrad abhängt. In Deutschland beträgt diese Neigung 30 – 40°.
Leistungsfähigkeit von PV-Anlagen
Grundsätzlich kann hierzulande ein Eigenheim in günstiger Lage und mit einer guten Ausrichtung von ausreichend vielen PV-Zellen seinen Strombedarf allein mit Photovoltaik decken. Inzwischen gibt es auch leistungsfähige Solarspeicher, die den tagsüber und an sonnigen Tagen produzierten Strom für die nächtliche oder auch winterliche Entnahme speichern können. Natürlich ist es ein Problem, dass die Sonne niemals regelmäßig scheint. PV-Anlagen benötigen daher eine sehr gute Regelung. Sie sollten überschüssigen Strom sofort speichern oder ins öffentliche Netz einspeisen, wofür der Anlagenbesitzer eine Vergütung erhält. Die Ertragsunterschiede zwischen einzelnen sonnigen Sommertagen und bewölkten Wintertagen sind enorm, der Faktor liegt bei ~10:1. Aus diesem Grund wird der Ertrag einer Photovoltaikanlage für das gesamte Jahr berechnet.
Übliche Anlagen auf Eigenheimdächern erzeugen ~6 – 12 kWp (Kilowattpeak) Solarstrom, was etwa 200 W/m² Dachfläche entspricht und zu einem mittleren Jahresertrag von 6.000 – 12.000 kWh führen kann. Zum Vergleich: Ein durchschnittlicher 4-Personen-Haushalt verbraucht in Deutschland 4.250 kWh pro Jahr. Das belegt, dass sich ein Eigenheim bei ausreichenden Kapazitäten (PV-Module und -Speicher) auf jeden Fall allein mit Photovoltaik stromtechnisch versorgen kann. Selbst das Elektroauto lässt sich noch mit dem Strom aufladen.
Einspeisevergütung für Solarstrom
Da die meisten Besitzer einer PV-Anlage mehr Strom produzieren, als sie selbst verbrauchen können, erhalten sie bei dessen Einspeisung ins öffentliche Stromnetz eine Einspeisevergütung. Diese sinkt von Monat zu Monat für neu errichtete Anlagen. Dies war im EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) schon immer vorgesehen. Die Einspeisevergütung soll nur eine Anschubfinanzierung für die neue Technologie sein. Die Berechnung der Vergütungssätze ist im Detail komplex, weil sie auch vom Zubau neuer PV-Anlagen abhängt. Nur als Beispiel hier die Sätze für eine PV-Anlage bis 10 kWp Leistung (übliche Anlage auf dem Eigenheim) zwischen Januar und Juli 2022:
- Januar 2022: 6,83 ct/kWh
- Februar 2022: 6,73 ct/kWh
- März 2022: 6,63 ct/kWh
- April 2022: 6,53ct/kWh
- Mai 2022: 6,43 ct/kWh
- Juni 2022: 6,34 ct/kWh
- Juli 2022: 6,23 ct/kWh
Die Amortisation einer Solaranlage
Übliche Photovoltaikanlagen auf einem Einfamilienhaus amortisieren sich mit Stand 2022 nach rund 10 Jahren (9 bis 11 Jahre). Wer zusätzlich einen Stromspeicher anschafft, muss mit einem durchschnittlichen Amortisationszeitraum von 11 Jahren (10 bis 12 Jahre) rechnen. Wer für die Anlage einen Kredit aufnimmt, muss je nach Höhe des Eigenkapitals und Finanzierungskosten mit einer um ein bis drei Jahre verlängerten Amortisationszeit rechnen. Diese Zahlen stammen von einem Fachportal, das sie im Oktober 2022 veröffentlicht hat. Dabei ist zu beachten, dass aktuell die Zinsen und auch die Energiekosten für den Energiebezug aus dem öffentlichen Netz stark steigen. Daraus ergeben sich zwei gegenläufige Entwicklungen für die Amortisation:
- Steigende Zinsen bedeuten eine längere Amortisationszeit für die kreditfinanzierte PV-Anlage.
- Steigende Stromkosten bei öffentlichem Bezug bedeuten eine sinkende Amortisationszeit, denn der selbst produzierte Solarstrom lohnt sich viel eher, wenn der Strompreis erwartbar weiter steigt.
Inwieweit sich diese beiden Entwicklungen gegenseitig aufheben, ist derzeit nur sehr schwer abzuschätzen. Doch eine Solaranlage (PV und Solarthermie) lohnt sich immer allein schon wegen der energetischen Autarkie und wegen der umweltfreundlich produzierten Energie immer.
Letzte Aktualisierung am 19.03.2023
