Solaranlagen
Angesichts steigender Strompreise, des Klimawandels und der zunehmenden Uweltverschmutzung rückt die Stromerzeugung aus sauberen, ökologisch nachhaltigen Energiequellen wie beispielsweise der Sonne immer mehr in den Fokus der Gesellschaft. Die Nutzung von Sonnenenergie als erneuerbare Energie hat viele Vorteile: Sie ist klimaneutral, kostenlos und unbegrenzt verfügbar. Jedes Jahr stehen allein in Deutschland pro Quadratmeter im Mittel rund 1.000 Kilowattstunden Sonnenenergie zur Verfügung. Diese Energie kann auf verschiedene Arten genutzt werden. Formen der Nutzung sind neben Solarthermie und Photovoltaik beispielsweise auch Sonnenwärmekraftwerke, Aufwindkraftkraftwerke, Solarballons und Solarkocher. Die Solarthermie und Photovoltaik gehören zu den bekanntesten und verbreitetsten Nutzungsformen. Der Hauptunterschied der beiden Systeme besteht darin, wie die eingehende Energie umgewandelt wird: Mit Solarthermieanlagen wird Wärme erzeugt, mit Photovoltaikanlagen Strom. Einen tieferen Einblick in beide Lösungen erhalten Sie hier.
Was beinhaltet der Oberbegriff "Solaranlagen"
Umgangssprachlich wird das Wort „Solaranlage“ häufig synonym für „Photovoltaikanlage“ verwendet. Tatsächlich handelt es sich dabei jedoch um einen Oberbegriff, der sowohl Photovoltaikanlagen als auch Solarthermieanlagen einschließt. Beide Anlagenformen unterscheiden sich in der Art und Weise, wie die einstrahlende Sonnenenergie umgewandelt wird.
Wärme aus Sonnenenergie
Im Gegensatz zu PV-Anlagen wird in der Solarthermie die Sonnenenergie in Wärme umgewandelt. Bewohner südlicher Länder wenden dieses Prinzip schon lange zur Warmwassererzeugung an, indem mit Wasser gefüllte Behälter der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden. Heute kann die über die Sonne erzeugte Wärme in einer Solarthermieanlage zur Heizung, Kühlung, Wasserdesinfektion oder -entsalzung oder für Ähnliches genutzt werden. Eine Solarthermieanlage besteht im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten:
· Sonnenkollektor
· Pufferspeicher
· geschlossener Röhrenkreislauf
· Regel- und Steuerungstechnik mit Umwälzpumpe
Funktionsweise Solarthermie
Im Detail funktioniert eine Solarthermieanlage wie folgt: Solarkollektoren (lateinisch: sol „Sonne“ und colligere „sammeln) absorbieren die Sonnenwärme. Die einfachste und aus der Praxis jedem bekannte Form eines Sonnenkollektors ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter, in dem sich das Wasser bei Sonneneinstrahlung binnen wenige Stunden fast bis zur Siedetemperatur erwärmen kann. In südlichen Ländern wird diese Methode bereits seit Jahrhunderten angewandt. Selbst in mitteleuropäischen Regionen kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von über 60 °C erreichen. Diese simple Technik ist aus hygienischen Gründen allerdings nicht für Trinkwasser geeignet.
Dieses Grundprinzip findet sich auch im Aufbau eines Solarkollektors wieder. Im Herzstück des Kollektors, dem Solarabsorber, wird die Strahlungsenergie der Sonne in Wärme umgewandelt und an eine den Absorber durchfließende Trägerflüssigkeit (auch Solarflüssigkeit genannt) übertragen. Mit Hilfe der sogenannten Solarflüssigkeit wird die Wärme über entsprechende Rohrleitungen aus dem Kollektor abgeführt und in den Pufferspeicher transportiert. Dort wird die Wärme durch einen Wärmeüberträger oder Wärmetauscher an einen zweiten Wärmekreislauf abgegeben, um dann das Trinkwasser zu erwärmen oder die Heizung zu unterstützen. Das erwärmte Wasser kann dann zum Heizen oder als Brauchwasser genutzt werden. Ist die Solarflüssigkeit abgekühlt, wird sie über das Rohrleitungssystem wieder zu den Sonnenkollektoren gepumpt und der Vorgang wiederholt sich.
Sollen sowohl das Wasser als auch die Heizung eines Gebäudes mit Sonnenwärme versorgt werden, benötigt man einen Kombispeicher. Er speichert Warmwasser sowohl für Heizungsunterstützung als auch für Trinkwassererwärmung in einem größeren Behälter. Das bedeutet, dass er gleichzeitig als Pufferspeicher für die Heizungsanlage und als Warmwasserspeicher für die Erhitzung von Trink- und Brauchwasser dient. Das warme Wasser, das durch Solarthermie erzeugt wird, kann dadurch für beide Zwecke zum späteren Verbrauch zwischengespeichert werden und dient der Überbrückung von Sonnenscheinpausen ohne zusätzliche Heizung. Der Kombispeicher ist darüber hinaus platzsparend und hat im Vergleich zu einem einfachen Pufferspeicher den Vorteil, dass beim Speichern weniger Wärmeverluste entstehen.
Reduktion von Energieverlusten
Die Zielsetzung bei der Energiegewinnung mit einer Solaranlage ist es in jedem Fall, möglichst viel Strahlungsenergie der Sonne zu nutzen. Für eine gute Absorption des Sonnenlichts müssen zwei Effekte berücksichtigt werden:
- Bei Auftreffen der Sonnenstrahlen auf den Sonnenkollektor wird bereits ein Teil des Sonnenlichts reflektiert, bevor überhaupt Wärme erzeugt werden kann. Um einen hohen Grad der Absorption zu erzielen und die Abstrahlung direkt an der Oberfläche zu minimieren, sollte die der Sonne zugewandte Seite des Solarkollektors möglichst schwarz sein. Noch bessere Ergebnisse können erreicht werden, wenn für die Beschichtung selektive Absorber verwendet werden, die die Sonnenenergie im sichtbaren Spektralbereich gut aufnehmen und die längerwellige Wärmeabstrahlung verhindern oder zumindest minimieren.
- Darüber hinaus ist, um unvermeidliche Wärmeverluste möglichst gering zu halten, eine gute Wärmedämmung des Absorbers wichtig.
Je nach eingesetzter Dämmtechnik und Bauweise werden Sonnenkollektoren in Flach-, Vakuum/Röhrenkollektoren sowie Vakuumflachkollektoren unterschieden.
Arten von Kollektoren
Flachkollektoren kommen in der Praxis am häufigsten zum Einsatz. Sie lassen sich auf Gebäudedächern als Indach- oder Aufdach-Lösung sowie an der Fassade installieren, können aber auch frei aufgestellt werden. Wie der Name schon sagt, zeichnen sie sich durch eine flache und ebene Absorptionsfläche aus, die der Sonne zugewandt ist. Sie wird in dem kastenförmig aufgebauten Kollektor meist von einer Glasscheibe geschützt, die häufig auch entspiegelt ist, um Reflexionen zu minimieren. Sie soll verhindern, das thermische Energie gleich wieder durch Abstrahlung verloren geht und verringert die Wärmeströmung, indem die Absorberfläche nicht in unmittelbaren Kontakt zur Außenluft steht. Auf der Rückfläche des Absorbers sind die Wasserröhren befestigt, die die Wärme leiten. Eine Wärmedämmung mit Materialien wie Polyurethan-Schaum, Mineralwolle oder Schaumglas an der Unterseite und den Seitenflächen des Flachkollektors sollen den Verlust thermischer Energie begrenzen.
Bei Röhren- oder Vakuumröhrenkollektoren wird das Wärmemedium mit Hilfe eines Vakuums isoliert. Der Kollektor der Solaranlage besteht aus mehreren nebeneinander angeordneten Glasröhren, die in einen Rahmen angeordnet werden. Ähnlich wie bei einer Thermoskanne verhindert das Vakuum den Wärmeverlust und die Glasröhren bleiben außen kalt.
Der Wirkungsgrad von Vakuumröhrenkollektoren liegt etwa 20 bis 30 Prozent eines Flachkollektors. Ebenso ist das erreichbare Temperaturniveau mit bis zu 150 °C deutlich höher als bei herkömmlichen Flachkollektoren. Da die Bauart von Vakuumkollektoren jedoch recht anspruchsvoll ist, sind sie in der Anschaffung sehr teuer. Sie kommen aus diesem Grund vor allem zum Einsatz, wenn nur kleine Dachflächen zur Verfügung stehen oder die Solarthermieanlage zur Heizung oder Klimatisierung eines Raumes genutzt werden soll.
Vakuumflachkollektoren sind eher ein Nischenprodukt. Sie funktionieren ähnlich wie herkömmliche Flachkollektoren. Im Inneren der Solaranlage ist allerdings keine Luft, es herrscht ein Vakuum bzw. es wird ein sehr temperaturempfindliches Medium wie Kryptongas oder Methanol als Wärmeüberträger eingesetzt. Diese Technik ermöglicht eine Steigerung des Wirkungsgrads um 15 Prozent, jedoch setzt die Installation eine hohe Fachkenntnis voraus. Kostenintensiv wird die Anschaffung überdies durch die Vakuumpumpe, die erforderliche Dichtigkeit und die Techniken für den atmosphärischen Druckausgleich.
Strom aus Sonnenenergie
Im Gegensatz zur Solarthermie wird bei der Photovoltaik die Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt. Diese Art der Solaranlagen ist im Vergleich zur Solarthermie noch recht jung und hat erst mit der gezielten Herstellung von Halbleitern an praktischer Bedeutung gewonnen. Die Solarzellen sind die eigentlichen „Kraftwerke“ eines Solarmoduls, in denen die Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne in elektrischen Strom stattfindet. Voraussetzung dafür sind Verbindungen mit Halbleiter-Eigenschaften, aus denen die Solarzellen aufgebaut sind. In der Regel besteht sie aus drei Schichten Silizium: Die obere Schicht ist sogenanntes „n-dotiertes“ Silizium, das bedeutet, dass es negativ geladen ist. Die unterste Schicht ist „p-dotiert“, also positiv geladen. In der mittleren sogenannten Grenzschicht entstehen Elektronen, die sich bewegen, wenn Licht auf diesen lichtempfindlichen Teil der Solarzelle trifft. Durch diesen sogenannten photoelektrischen Effekt wird in den Solarzellen ein Gleichstrom erzeugt. Da im Haushalt jedoch Wechselstrom genutzt wird, muss der erzeugte Strom im Wechselrichter zunächst entsprechend umgewandelt werden. Da eine einzelne Solarzelle nur wenig Strom erzeugt, werden mehrere Zellen in einem Solarmodul zusammengeschaltet. Durch die Zusammenschaltung von Modulen lassen sich nutzbare Stromerträge erzielen.
Funktionsweise einer Photovoltaikanlage
Eine Photovoltaik-Anlage setzt sich im Wesentlichen aus den folgenden Basiskomponenten zusammen, die für das Funktionieren der Anlage unverzichtbar sind:
- Solarmodule
- Unterkonstruktion, Halterung
- Verkabelung
- Wechselrichter
Darüber hinaus gehören auch Komponenten zur Regelung, Messung und Überwachung zu einer PV-Anlage.
- Stromzähler
- Anlagenüberwachung/Monitoring (z. B. SOLARWATT Manager)
Sinnvoll ist außerdem die Anschaffung von Speichersystemen (z.B. SOLARWATT Battery flex) sowie die Integration von Elektromobiliät und Wärmelösungen.
Das Herz einer PV-Anlage bilden die Solarmodule, in denen die Sonnenergie in Strom umgewandelt wird. Sie müssen entsprechend der Sonneneinstrahlung ausgerichtet werden. Dies geschieht mithilfe der Unterkonstruktion, auch Aufständerung genannt. Im ersten Schritt dient sie der Aufbringung der Module auf Dächern, dem Boden oder an Hauswänden. Darüber hinaus spielt das Montagesystem bei der Ausrichtung der Module eine wichtige Rolle.
Um in Deutschland und Mitteleuropa maximale Erträge bei der Stromgewinnung zu erzielen, sollten die Module im Idealfall nach Süden ausgerichtet sein. In manchen Fällen kann sich aufgrund baulicher Gegebenheiten oder der umliegenden Bebauung – z.B. durch Verschattungen – auch eine Ausrichtung der Solaranlage nach Osten oder Westen als gute Alternative zur solaren Stromerzeugung erweisen. Die Effizienz von Solarmodulen wurde in den vergangenen Jahren deutlich verbessert, so dass sich eine PV-Anlage auch dann rechnet, wenn die PV-Anlage aus zwei Teilanlagen besteht und eine Hälfte der Solarmodule nach Osten, die andere Hälfte nach Westen ausgerichtet ist. Schlussendlich erzielen Solaranlagen mit einer Ost-West-Ausrichtung immer etwa 80 bis 90 Prozent der Maximalleistung, die bei einer Ausrichtung nach Süden erreicht werden würde.
In den Solarzellen der PV-Module wird die Sonnenenergie mithilfe des photoelektrischen Effekts in Strom umgewandelt, genauer gesagt in Gleichstrom. Da jedoch sowohl im öffentlichen als auch im Hausnetz Wechselstrom verwendet wird, muss der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Das geschieht im Wechselrichter, der dadurch integraler Bestandteil einer Solaranlage ist. Damit der erzeugte Strom dorthin gelangt, bedarf es einer Verkabelung, die Module und Wechselrichter verbindet.
Der Anschluss an das öffentliche Stromnetz ist in jedem Fall notwendig und aus diesem Grund ist auch ein Hausanschluss und Stromzähler Voraussetzung für die Installation einer PV-Anlagen. In Zeiten, in denen zu wenig Strom erzeugt wird, beziehen Haushalte den zusätzlich notwendigen Strom aus dem öffentlichen Netz. Erzeugt die Photovoltaikanlage mehr Strom, als nötig ist, wird der überschüssige Strom in das öffentliche Netz eingespeist und die Anlagenbesitzer bekommen dafür 20 Jahre lang die staatlich garantierte Vergütung, die sogenannte Einspeisevergütung.
Angesichts steigender Stromkosten ist es für den Hausbesitzer am lukrativsten, weniger vom selbst erzeugten Solarstrom einzuspeisen und diesen stattdessen selbst zu verbrauchen. Dadurch kann weniger Strom aus dem Netz bezogen werden, was die Stromkosten senkt. Der Eigenverbrauch lässt sich beispielsweise dadurch steigern, dass man nicht nur elektrische Haushaltsgeräte betreibt, sondern mit dem Solarstrom das Haus anteilig beheizt oder Trinkwasser erwärmt. Darüber hinaus empfiehlt sich im Sinne der Sektorenkopplung optional die Anschaffung eines Stromspeichers und einer Wallbox sowie die Integration einer Wärmepumpe. Der Speicher erlaubt, die elektrische Energie auch dann zu nutzen, wenn die Sonne gerade nicht scheint. Die Wallbox ermöglicht die Koppelung mit Elektromobilität.
Vergleich Solarthermie und Photovoltaik
Sowohl Solarthermie als auch Photovoltaik helfen dabei, den CO2-Ausstoß zu minimieren und beide Solaranlagen tragen aus diesem Grund zum Klimaschutz bei. Während die Solarthermie vorderhand zur Warmwasserversorgung dient oder die Heizungsanlage unterstützt, lässt sich mithilfe der PV-Anlage Solarstrom gewinnen. Dieser wiederrum kann für den Betrieb von Elektrogeräten genutzt werden. Naturgemäß wird bei einer Solarthermieanlage im Sommer meist mehr Wärme erzeugt, als genutzt werden kann. Zudem kann im Gegensatz zu Photovoltaikanlagen die Wärme nicht über längere Zeit gespeichert oder in öffentliche Wärmenetze eingespeist werden. Überschüssiger Solarstrom hingegen kann in das öffentliche Netz eingespeist werden, in das Elektroauto, Wärmepumpen oder hauseigene Speicher fließen.
Welcher Form der Solaranlage man den Vorzug gibt, hängt von verschiedenen Aspekten ab. Eine Frage ist sicher die Rentabilität. Nach wie vielen Jahren amortisiert sich eine Solarthermie oder eine PV-Anlage? Bei einer PV-Anlage geht man mittlerweile von einer Lebensdauer von 25 Jahren und mehr aus. Nach etwa der Hälfte der Zeit lässt sich ein Gewinn erzeugen. Ähnlich sieht es bei Solarthermieanlagen aus. Interessierte sollten sich in jedem Fall auch über staatlichen Förderungen zum Zeitpunkt der Anschaffung informieren.
Dass beide Systeme sich hinsichtlich ihrer Rentabilität auf Augenhöhe befinden, belegt auch solarserver.de und deckt dabei gängige Vorurteile gegen Solarthermie auf. In jedem Fall muss die Kosten-Nutzen-Rechnung für jeden Fall individuell durchgeführt werden. Ist genügend Dachfläche vorhanden, können beide Solaranlagen auch kombiniert eingesetzt werden.
Beide Formen der Solaranlage stellen in jedem Fall einen sinnvollen Beitrag zum Umweltschutz dar. Mit der Pflicht zur Nutzung von Solarenergie soll zukünftig der Ausbau der Solaranlagen beschleunigt werden. Deutschland hat mit dem neuen Bundes-Klimaschutzgesetz beschlossen, die Emission an Treibhausgasen bis 2030 um 65 % zu reduzieren. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, ist ein beschleunigter Ausbau der erneuerbaren Energien in allen Sektoren notwendig.
