Solarthermie: Sonnenenergie für Wärme nutzen

Die Sonne liefert Licht und Wärme. Mit ihrer Hilfe können Strom und Wärmeenergie gewonnen werden. Im Gegensatz zur Photovoltaik wandeln thermische Sonnenkollektoren die Sonnenenergie nicht in Elektrizität um, sondern nutzen direkt die Wärmeenergie. Diese Energie wird für die Erwärmung des Duschwassers, des Swimmingpools oder zur Unterstützung des Heizsystems verwendet. 

Eine Solaranlage oder auch Solarthermieanlage nutzt die Wärme der Sonnenstrahlen, um damit eine Flüssigkeit zu erhitzen. In Solarthermie-Kraftwerken wird zum Beispiel Wasser so stark erhitzt, dass es Dampf bildet. Dieser treibt Turbinen an, die elektrischen Strom erzeugen. 

Solarthermieanlagen für Wohnhäuser arbeiten hingegen anders: Sie erwärmen Wasser, welches als Brauchwasser, Wasser für einen Pool oder Heizungswasser Verwendung findet. Die “Ernte” der Solarenergie läuft wesentlich effizienter ab, als bei einer Photovoltaik-Anlage. Der Grund liegt darin, dass die Energie nicht mehr umgewandelt werden muss.

Das zeigt sich deutlich im Wirkungsgrad und dem Ertrag. Solarwärme hat einen Systemwirkungsgrad zwischen 30 % und 60 %, während dieser Ertrag bei Photovoltaik-Anlagen lediglich zwischen 14 % und 20 % liegt. Auch der mittlere Nettoertrag pro Quadratmeter und Jahr liegt bei Neuanlagen in der Solarwärme bei 450 kWh. Das gilt für die Verwendung von Flachkollektoren. Bei einer Photovoltaik-Anlage mit kristallinen Modulen liegt der mittlere Nettoertrag bei nur 180 kWh. 

Eine Photovoltaikanlage besteht hingegen aus speziellen Zellen, die Licht in elektrischen Strom umwandeln. Diese Solarzellen sind meist aus Silizium gefertigt. Mittlerweile arbeiten Wissenschaftler bereits an Solarzellen, die auf Kohlenstoffverbindungen basieren und aus organischem Material bestehen. Diese lassen sich leichter verarbeiten als Solarzellen aus Silizium und sind wesentlich günstiger. Solarmodule sind heute bereits in diversen Farben und Formen erhältlich.

Eine Solarthermieanlage besteht aus den Solarkollektoren, einem Solarspeicher, einem Solarregler und einem Wärmetauscher. 

Meist werden in Solarthermieanlagen Flachkollektoren eingesetzt. Diese dienen zur Erwärmung von Wasser mithilfe der Sonnenenergie. Die Hoval AG bietet dafür den Ultra Sol 2 V Flachkollektor an. 

In einem Solarspeicher wird Sonnenwärme gespeichert. Solarspeicher sind Behälter, die entweder Warmwasser aufbereiten oder die Heizung unterstützen. Der Speicher ist notwendig, da die Sonne nicht täglich scheint und sich die Sonne auch nicht nach dem Verbrauch richtet. Um auch in Zeiten ohne Sonne Warmwasser zu haben, gibt es einen Solarspeicher. 

Eine Solaranlage beherbergt zudem einen Solarregler. Dieser bildet das zentrale Element der Anlage. Er regelt den Flüssigkeitskreislauf innerhalb des Systems und bestimmt, wann die Anlage ihren Betrieb aufnimmt. Wenn die Temperatur in den Kollektoren höher ist als im Speicher, startet der Kreislauf. 

Ein weiteres Element innerhalb der Solaranlage ist der Wärmetauscher. Er leitet die Wärme in ein anderes Medium – meist Wasser – weiter. Wärmetauscher können ein fixer Bestandteil des Wärmespeichers sein oder werden ausserhalb des Leitungssystems installiert.  In diesen Fällen spricht man von internen oder externen Wärmetauschern. 

Zudem findet man in einer Solarthermieanlage auch eine Solarkreispumpe. Sie transportiert die erwärmte Solarflüssigkeit von den Kollektoren in den Solarspeicher. Die Solarflüssigkeit kann in manchen Fällen aus Wasser bestehen. Vielfach wird dafür jedoch eine Mischung aus Wasser und einem Frostschutzmittel verwendet. Das Frostschutzmittel sorgt dafür, dass die Flüssigkeit im Winter nicht einfriert.

Wenn Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche treffen, werden sie vom Boden oder künstlichen Flächen reflektiert oder absorbiert. Je dunkler die Flächen sind, desto mehr Sonnenwärme absorbieren sie. Helle Flächen wie Schnee reflektieren hingegen einen Grossteil der Sonnenstrahlen. Solarkollektoren bestehen deshalb aus dunklen Flächen, die möglichst viel Sonnenlicht aufnehmen. Die meisten Solarkollektoren befinden sich auf Hausdächern. Dort trifft das Sonnenlicht auf den Absorber. 

Absorber bestehen aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen gut leitenden Metall. Daran befinden sich kleine Röhren, die in Schlangenlinien die Sonnenkollektoren durchziehen. Die Wärme wird mit einer Flüssigkeit zu einem Solarspeicher weitergeleitet. Eine Solarpumpe führt im Anschluss daran die Trägerflüssigkeit wieder im Röhrensystem zurück und sorgt für einen geschlossenen Kreislauf. Der Transport der Wärme zum Speicher erfolgt mithilfe eines Wärmetauschers. 

Die Wärmeträgerflüssigkeit beinhaltet Frostschutzmittel und muss deshalb mit einem Wärmeüberträger vom Rest getrennt werden. Der Wärmetauscher besteht aus einer Trennschicht, welche vom Wasser nicht durchdrungen wird. Dadurch überträgt der Wärmetauscher die Wärme auf das Brauch- und das Heizungswasser. Manche dieser Wärmetauscher befinden sich direkt im Solarspeicher. Der Speicher sorgt dafür, dass Warmwasser auch dann vorhanden ist, wenn gerade keine Sonne scheint. 

Solarthermie wird also in erster Linie zur Wärmeproduktion genutzt. Das ist auch für Einfamilienhäuser möglich. Um eine Solarthermieanlage einzusetzen, sind genügend grosse Flächen zur Aufstellung der Kollektoren, eine sonnige Lage und wenig Verschattung die Grundvoraussetzungen. Man unterscheidet bei der Solarthermie Anlagen, die der Heizungsunterstützung dienen, und Anlagen zur Trinkwasser- oder Brauchwassererwärmung.

Solarthermieanlagen, die der Heizunterstützung dienen, benötigen ein Dach mit einer Neigung zwischen 45 und 70 Grad. Da diese Anlagen vor allem in Herbst und Frühjahr verwendet werden, wenn die Sonne tief steht, sind diese Winkel optimal. Meist sind Anlagen zur Heizunterstützung Kombianlagen, die daneben Trinkwasser erwärmen. Darum benötigt man einen Speicher. Es gibt sowohl Tank-in-Tank-Speicher als auch Pufferspeicher. 

Diese Anlagen werden hauptsächlich in den Sommermonaten genutzt, wenn die Heizanlage abgeschaltet ist. Für diese Anlagen zur Solarthermie benötigt man einen weniger steilen Dachwinkel. Die beste Ausrichtung für eine solche Anlage ist Süden, und der Neigungswinkel beträgt 30-45 Grad. Allerdings muss man dabei auf eine mögliche Verschattung durch Bäume achten. Für diese Anlagen ist jedenfalls ein Solarspeicher notwendig. 

Solarthermie und Photovoltaik werden oft als konkurrierende Technologien betrachtet. Beide haben jedoch ihre Vorteile und Nachteile und können entsprechend eingesetzt werden. Grundsätzlich gilt: Wenn in erster Linie Wärme erzeugt werden soll, sollte man sinnvollerweise die Solarthermie verwenden. Ist der Stromverbrauch hoch, empfiehlt sich die Einrichtung einer Photovoltaikanlage in Verbindung mit Wärmepumpen. In diesen Fällen ist eine Solarthermieanlage sinnvoll:

• Für die Erzeugung von Warmwasser in Einfamilienhäusern bei einer Kollektorfläche von unter 12 m². 

• Für die Aufbereitung von Warmwasser in Mehrfamilienhäusern mit Öl- oder Gasheizungen. Die Kollektorfläche macht dabei weniger als 7 % der Energiebezugsfläche aus.  

• Als Heizungsunterstützung für Holzheizungen bei Altbauten, wenn sich diese in höheren Lagen befinden. Hier sind Kollektoren an den Fassaden vorteilhaft.  

• Optimal ist eine Solarthermieanlage auch für die Aufheizung von Schwimmbädern. Dabei ist ein tiefes Temperaturniveau erforderlich und Schwimmbäder sind hauptsächlich in den Sommermonaten in Betrieb.  

• Für die Erzeugung von Niedertemperaturwärme unter 60° C und bei grossen Wärmeverbrauchern mit ganzhähriger Nutzung.  

• Für die Erzeugung von Hochtemperaturwärme über 60° C bei grossen Wärmeverbrauchern. 

Eine Solarthermieanlage besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten. Dazu gehören die Solarkollektoren sowie der Solarspeicher. Für Solarkollektoren stehen  mittlerweile verschiedene Technologien zur Verfügung. In den meisten Fällen werden jedoch Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren verwendet. 

Darüber befinden sich Absorberbleche, welche das einfallende Sonnenlicht am besten aufnehmen können. 

Das Sonnenlicht trifft auf eine Glasfläche über diesem Blech und erwärmt die Solarflüssigkeit. Diese wird dann zum Solarspeicher transportiert. Im Gegenzug fliesst kalte Flüssigkeit vom Speicher zu den Kollektoren. 

Der Vakuumröhrenkollektor ist die zweite Variante. Er besteht aus einzelnen Glasrohren, dazwischen befindet sich ein Vakuum. Diese Konstruktion hat vor allem im Winter einen höheren Wirkungsgrad. Das Vakuum bildet eine Isolierschicht, wodurch kaum Wärme entweichen kann. Allerdings sind Vakuumröhrenkollektoren teurer als herkömmliche Flachkollektoren. 

Die Solarthermie trägt auch wesentlich zum Klimaschutz bei. Diese alternative Form der Energiegewinnung wird in den meisten Schweizer Kantonen gefördert. Die Grundlage dafür bildet eine Mustervorschrift für den Energieverbrauch in den Schweizer Kantonen. Diese Vorschrift trägt das Kürzel MuKEn 2014. Diese Vorschrift ist ein Teil der Energiestrategie 2050 und verfolgt das Ziel, bis zu diesem Jahr den Energieverbrauch pro Kopf deutlich zu reduzieren. 

Die Installation einer Solarthermieanlage ist zusammen mit anderen Massnahmen zur Wärmedämmung förderungsfähig und wird auch empfohlen. Ausserdem können die Kosten von den Steuern abgezogen werden. Investoren können einen Teil der Investitionskosten auf die Mieter abwälzen. Diese wiederum profitieren dann von reduzierten Nebenkosten. Durch die Einrichtung einer Solaranlage kann der Energieverbrauch deutlich verringert werden.

Die Hoval AG ist bestrebt, mithilfe modernster Technologie die Umwelt zu entlasten und energieeffiziente Nutzungen von Anlagen zu gewährleisten. 

Es gibt auch die Möglichkeit, eine Solarthermieanlage mit einer Photovoltaikanlage für die Stromerzeugung zu koppeln. In diesem Fall spricht man von sogenannten Energiedächern. Die Hoval AG arbeitet in diesem Bereich mit dem Schweizer Unternehmen Helion zusammen, das als Marktführer bei der Photovoltaik gilt. 

Das Unternehmen Helion versteht sich als Spezialist für Lösungen im Bereich der Photovoltaik. Es kann beispielsweise eine Photovoltaik-Anlage von Helion zur Stromerzeugung und eine Luft-Wärme-Pumpe von Hoval eingesetzt werden Der dafür in der Wärmepumpe eingebaute Kompressor benötigt Strom. Dieser wird dann mit der PV-Anlage erzeugt. 

Die Kombination einer Pelletheizung mit einer Solaranlage gilt als eine der umweltfreundlichsten Varianten. Die Pelletheizung basiert auf Biomasse. Ein Einfamilienhaus kann damit vollständig mit Warmwasser versorgt werden. In Verbindung mit der Pelletheizung ist ohnehin ein Pufferspeicher notwendig. Dieser kann als Kombinationsspeicher von der thermischen Solaranlage versorgt werden. 

Im Sommer arbeitet der Pelletkessel weniger effizient. Er muss lediglich für die Aufbereitung von Warmwasser betrieben werden. Die thermische Solaranlage kann während der Sommermonate den Warmwasserbedarf decken. Zudem steht im Sommer auch am meisten Sonnenenergie zur Verfügung. 

Eine Kombination aus Erdwärme in Form einer Sole/Wasser-Wärmepumpe und Solarthermie ist ebenfalls möglich. Auch hier kann ein Kombispeicher als Verbindungselement dienen. Alternativ dazu kann die Solarthermieanlage das Erdreich oder den Speicher erwärmen, mit dem die Wärmepumpe die Wärme fördert. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Anlage entsprechend erhöht und die Erdsonde kann sich regenerieren.

Diese Regeneration der Erdsonde verhindert das Abkühlen des Erdreichs. Wenn die Solaranlage dementsprechend dimensioniert ist, kann bei Mehrfachsonden sogar die Länge der Erdsonden reduziert werden. Die Regeneration ist wichtig, weil Erdsonden immer öfter nahe beieinander gebaut werden. 

Zudem ist mittlerweile erwiesen, dass die Temperatur der Erdsonden mit der Zeit abnimmt. Für die Solaranlage entsteht ein zusätzlicher Effekt. Die Überschusswärme im Sommer kann leicht in die Sonde eingespeist werden. Damit gibt es keine Stillstände der Anlage und es erfolgt eine effiziente Nutzung der Energie.

Déjà fréquemment sollicitée, cette combinaison représente une solution judicieuse. La chaudière à gaz ou à mazout prend le relais lorsque le solaire thermique ne fournit pas suffisamment d’énergie ou de chaleur pour le système de chauffage ou la production d’eau chaude. Quoi qu’il en soit, les chauffages à combustibles fossiles ne devraient entrer en ligne de compte que lorsqu’aucune autre solution n'est envisageable. Le cas échéant, il serait nécessaire de les associer au solaire thermique. 

Le solaire thermique utilise l’énergie du soleil pour réchauffer l'eau et alimenter ainsi les chauffages en eau chaude. Sachant que le Soleil fournira de l’énergie pour les cinq prochains milliards d’années, nous pouvons affirmer que cette source est pratiquement inépuisable. Cela dit, le solaire thermique dispose d’autres atouts dans son jeu. Dont les principaux sont :

• Économie de frais de chauffage : Le solaire thermique peut considérablement réduire les frais de chauffage. Avec les installations destinées à soutenir le chauffage, ils représentent, en fonction de la grandeur de l’installation, entre 20% et 50% des frais d’énergie. Les installations de préparation de l'eau chaude permettent d’économiser jusqu’à 80% des coûts. Les économies peuvent même atteindre un pourcentage plus élevé. Cela dépend du système utilisé.  

• Durée de vie : Les systèmes solaires thermiques font aujourd’hui déjà preuve d’une grande résistance. Quant aux frais d'entretien, ils sont raisonnables, contrairement aux chauffages à gaz ou à mazout. Pas besoin de combustion. 

• Indépendance : Les installations solaires se réchauffent même lorsque le ciel est couvert.  

• À l’abri des crises : L’énergie solaire ne craint pas les crises, car elle ne dépend d'aucun lobby ni d’aucun cartel. Son utilisation est gratuite et accessible à tous.  

• Facilité de montage : Il est relativement simple d’installer un système solaire. Les conditions sont quasiment toutes réunies, quel que soit l'endroit. 

• Valorisation : Votre bien immobilier prend de la valeur, car un objet équipé d’une installation solaire améliore la classe énergétique de l’immeuble. Il est donc plus facile de vendre le bien immobilier et de le louer.  

• Économies fiscales : Les investissements consentis pour un système solaire sont déductibles des impôts. 

Seul bémol, une installation solaire exige des coûts d’investissement plus élevés qu’un système de chauffage fossile classique. Mais ces frais sont amortis par les économies réalisées au niveau des frais de combustibles. La plupart des cantons encouragent l’intégration de systèmes solaires thermiques.

Le manque d’ensoleillement peut aussi se révéler problématique. Il est toutefois possible de pallier cet inconvénient en positionnant l’installation de telle manière qu’elle capte le plus de lumière possible lorsque le soleil brille. Nous recommandons ici de faire appel à un spécialiste.  

Il existe aujourd’hui des capteurs solaires modernes et performants. Le modèle Hoval UltraSol en est un bon exemple. Ce capteur assure un haut rendement énergétique. Il dispose de la technologie brevetée WLT. Les tubes en D de l’installation sont entièrement recouverts de coques thermiques. Ce dispositif garantit une transmission homogène de la chaleur solaire. Le rendement du système est 20% supérieur à celui de capteurs solaires comparables. 

Le capteur Hoval UltraSol 2 est d’une grande souplesse d’utilisation. Il peut être fixé sur un toit incliné ou sur un toit plat. Il est également possible de poser le capteur sur un support ou dans le jardin. L’orientation des capteurs pourra donc se faire en fonction des rayons de l'astre solaire.