Wissen über Solarthermie
Was ist Solarthermie?
Unter Solarthermie versteht man die Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare Wärmeenergie.
Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlung beträgt weltweit im Tagesdurchschnitt (bezogen auf 24 Stunden) ungefähr 165 W/m² (mit erheblichen Schwankungen je nach Breitengrad, Höhenlage und Witterung). Um sich dieser Energiequelle zu bedienen, hat der Mensch begonnen, sich näher mit dem Thema Solarthermie (Wärmegewinnung aus der solaren Einstrahlung) und Photovoltaik (Stromgewinnung aus der Sonneneinstrahlung) zu beschäftigen.
Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als fünftausendmal größer als der Energiebedarf der Menschheit, das Potenzial größer als das aller anderen erneuerbaren Energien zusammen.
Anwendungsgebiete
Solarthermie wird im privaten Bereich vorrangig im Rahmen der Gebäudeheizung und -klimatisierung genutzt. In Verbindung mit einer guten Wärmedämmung und der passiven Nutzung der solaren Einstrahlung vermindert sich der Bedarf an zusätzlicher Heizenergie bereits stark. Eine durchdachte passive Nutzung der Sonnenenergie kann auch in Mitteleuropa soweit gehen, dass eine aktive Heizungsanlage nicht mehr erforderlich ist. Die typischsten Beispiele für eine passive Nutzung der Sonnenstrahlung sind das Gewächshaus und der Wintergarten. Dachüberstände über großen isolierverglasten Südfenstern können im Sommer kühlend wirken, und im Winter (durch den dann niedrigeren Stand der Sonne) die durch das Fenster einfallende Wärmestrahlung zur Raumheizung nutzen. Ein ähnlicher Effekt lässt sich durch Absorberwandflächen erreichen, an denen das Sonnenlicht hinter einer transparenten Dämmmaterialschicht an einer schwarzen Absorberfläche auftrifft und die dahinterliegende Wand heizt.
Diese passiven Techniken finden in der sog. Solararchitektur Anwendung. Da moderne Bürogebäude (beispielsweise der Commerzbank Tower in Frankfurt am Main und der Post Tower in Bonn) heute oft eine fast vollverglaste Außenfassade aufweisen, ergibt sich im Sommer ein Überschuss an Sonnenwärme. Hier können Spezialgläser helfen, welche im Sommer die thermischen Strahlen der hoch stehenden Mittagssonne abblocken, aber transparent für niedrigere Strahlen sind, wie sie im Winter und auch im Sommer außerhalb der Mittagszeiten anfallen. Solche Spezialgläser können auch selektiv elektrisch angesteuert werden. Oft ist auch ein über mehrere Stockwerke reichendes Atrium mit Springbrunnen vorhanden, um eine kühlende natürliche Thermik zu erhalten.
Im Rahmen der Gebäudetechnik ergibt sich die Klassifizierung kollektorbasierter solarthermischer Systeme als "aktive" Technologie aufgrund des Einsatzes aktiver, also meistens elektrisch betriebener Umwälzpumpen innerhalb des Wärmekreislaufes. Allerdings ist auch ein passiver Einsatz denkbar, etwa bei Aufdachanlagen in frostfreien Klimazonen, die nach dem passiven Thermosiphon-Prinzip funktionieren, oder auch bei nach dem gleichen Prinzip betriebenen Kollektoren in Kleinanlagen, etwa zur Erwärmung des Wassers für Außenduschen.
Kollektoren können zur Warmwasserbereitung, als eigenständige und vollwertige Heizung, oder zur Unterstützung einer bereits vorhandenen anderweitigen Heizung verwendet werden. Eine anderweitige zusätzliche Heizung wird nur bei Altbauten benötigt, bei denen entweder die Dämmung nicht ausreicht, oder eine im Verhältnis zum Raumvolumen zu kleine Dachgröße vorliegt, als dass der Wärmebedarf vollständig durch Kollektoren gedeckt werden könnte. Ein weiterer Grund kann eine dauerhafte Beschattung des Gebäudes oder (bei einem Schrägdach) auch eine unzweckmäßige Dachausrichtung sein. Optimal ist eine Ausrichtung der Kollektoren nach Süden, wobei bei der Dachmontage regionale Unterschiede berücksichtigt werden müssen, damit die Anlage zu keiner Tageszeit im Schatten liegt.
Die Speicherung der in unseren Breitengraden überwiegend im Sommer gewonnenen Wärmeenergie über längere Zeiten wird durch thermochemische Wärmespeicher gewährleistet, bei denen die Wärme saisonal nahezu verlustfrei chemisch abgebunden und zeitversetzt wieder freigegeben wird, durch Puffer-Wärmespeicher, etwa Wasser, oder durch Latentwärmespeicher, z. B. auf Grundlage von Paraffin, bei denen ein Großteil der Wärmeenergie im Phasenübergang von fest zu flüssig gespeichert wird, und sich unter anderem aufgrund dessen eine gegenüber einfachen Wassertanks um Faktor 1,5 höhere Wärmekapazität ergibt.
Der Einsatz von Saisonspeichern auf Basis von Wasser oder passiver Wärmemasse hat den Nachteil eines erheblich größeren Platzbedarfes zum Erreichen der gleichen Wärmekapazität. Dieser Nachteil kann sich jedoch bei geschickter Auslegung von Neubauten erübrigen (etwa durch thermische Aktivierung der vom Fundament eingeschlossenen Erdmasse), so dass gerade passive Wärmemasse oder Wasser aus Kostengründen wünschenswerte Lösungen zur Wärmespeicherung sein können.
Indem Sonnenstrahlen auf den Kollektor treffen, geben sie je nach Absorptionsvermögen des Kollektors typischerweise 60-75 % ihrer Energie an die Wärmeträger-Flüssigkeit ab. Diese wird dann mit einer Umwälzpumpe in den Wärmetauscher des Speichers gepumpt. Ein an einen Temperatursensor angeschlossener Regler (auch Solarregler genannt) setzt die Umwälzpumpe in Gang, sobald die Temperatur der Wärmeträger-Flüssigkeit im Kollektor einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Die Einstellungen der Regelung wirken sich auf die Effizienz des Gesamtsystems aus, und sind abhängig vom Stromverbrauch der Umwälzpumpe sowie der Pumpleistung. Beim Einsatz eines Pufferspeichers lässt sich die Regelung so einrichten, dass die Pumpe läuft, wenn die Temperatur der Wärmeträger-Flüssigkeit über der Temperatur des unteren (tendenziell kühlsten) Pufferwassers im Speicher liegt. Dort gibt sie ihre Wärme an das kältere Pufferwasser des Speichers ab. Das Pufferwasser erwärmt sich dadurch, steigt im Speicher nach oben, und kann dann über den Wärmetauscher zum Heizen getrennter Kreisläufe für Trink- und Heizungswasser verwendet werden, wobei der Trinkwasserkreislauf zum Duschen, Waschen u. dgl. mehr dienen kann, also letztlich im Bereich der häuslichen Anwendung den kompletten Bedarf an geheiztem "Nutzwasser" abdeckt.
Moderne Wasch- und Spülmaschinen verfügen zum Teil über separate Warmwasseranschlüsse, worüber solarthermische Gebäudetechnik durch die Bereitstellung bereits geheizten Trinkwassers auch zur Effizienzverbesserung beim Stromverbrauch von Haushaltsgeräten beitragen kann.
Der Puffer-Speicher erfüllt traditionell die Funktion einer zeitversetzten Wärmeaufnahme und -abgabe. Bei Einsatz eines thermochemischen Saisonspeichers, dem auch zeitnah und bedarfsgerecht Wärme entzogen werden kann, ist der Einsatz eines Pufferspeichers nicht mehr notwendig. Der Saisonspeicher kann die Funktion des Pufferspeichers (zeitversetzte Wärmeaufnahme und -abgabe) vollständig übernehmen. Eventuelle Latenzzeiten beim Anlaufen der Wärmeentnahme können durch einen sehr klein dimensionierten internen Pufferspeicher aufgefangen werden, der in den Saisonspeicher integriert wird. Dies kann aber auch durch eine entsprechend latenzarme Auslegung des Geräts an sich von vornherein vermieden werden. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird direkt zur chemischen Abbindung der Wärmeenergie dem Saisonspeicher zugeführt, und heizungs-seitig übernimmt der Saisonspeicher die Aufgabe eines Durchlauferhitzers. Dadurch entfällt der getrennte Pufferspeicher, was die Anschaffungskosten senkt, und laufende Wärmeverluste vermeidet, die bei Pufferspeichern (trotz Isolierung) im Gegensatz zu den auch langfristig nahezu verlustfreien thermochemischen Wärmespeichern laufend anfallen.
Sonnenwärmekraftwerke
n solarthermischen Kraftwerken wird Sonnenenergie durch Spiegelsysteme auf einen Absorber gebündelt und die dort erzeugte Wärme mit Hilfe konventioneller Technik (z.B. Dampfturbinen) zur Stromproduktion genutzt. Je nach Art des fokussierenden Spiegelsystems werden Rinnenkraftwerke, Turmkraftwerke und Dish-Anlagen unterschieden.
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Solarthermie#Parabolrinnenkraftwerk
