Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

  • Lektion 5

    • Solarthermie - die Nutzung der Sonne zur Erzeugung von Wärme

      Sowohl die Nutzung von Windkraft als auch von Photovoltaik sind Technologien zur Erzeugung von Strom. Ein großer Teil der verbrauchten Endenergie wird aber als Wärme benötigt. Natürlich kann diese auch aus Strom umgewandelt werden, z.B. als Wärmepumpe oder Elektroheizung. Aber die direkte Nutzung von Sonnenlicht zur Gewinnung von Wärme ist auch eine wichtige Möglichkeit zur Gewinnung von Energie.
      In Deutschland wird die Nutzung der Sonnenwärme zur Erzeugung von Wärme mittels Solarthermie genutzt. International, in Ländern mit größeren Sonnenlichtintensitäten, gab und gibt es außerdem sogenannte Sonnenwärmekraftwerke oder solarthermische Kraftwerke. Diese konzentrieren mit Hilfe von Reflektorflächen Licht auf eine kleinere Fläche und erzeugen dort Wasserdampf, der dann mit einer Turbine in Strom umgewandelt wird. Manche gewinnen auch nur Warmwasser. Diese Technologie wird in Deutschland als nicht zukunftsfähig angesehen, weil die Lichtintensitäten hier nicht ausreichend sind. Daher wird auf diese Thematik nicht weiter eingegangen.

      Solarthermie
      Bei der Solarthermie erfolgt die Umwandlung der Lichtenergie in Wärme mithilfe sogenannter Kollektoren, von denen es verschiedene Varianten gibt.

      Eine Variante ist der sogenannte Flachkollektor, der ähnlich wie ein PV-Modul eine Glasplatte trägt, durch die das Sonnenlicht durchgelassen wird. Darunter befindet sich der Absorber, ein dünnes Blech, das so gestaltet ist, dass es möglichst viel Lichtstrahlen absorbiert und dadurch warm wird. Der Absorber leitet die aufgenommene Wärme gut und überträgt sie auf Leitungen bzw. Rohre aus Kupfer, die direkt mit dem Absorber verbunden sind. In den Rohren ist ein Flüssigkeitsgemisch als Wärmeträger enthalten, das hauptsächlich aus Wasser und Frostschutzmittel besteht. Mit Hilfe einer Umwälzpumpe wird die erwärmte Flüssigkeit zu einem Solarspeicher gepumpt, wo sie die aufgenommene Wärme an das dort enthaltene Wasser abgibt und wieder zurück zum Kollektor fließt. 
      Für die Wärmeausbeute der Solarthermie sind verschiedene Faktoren wichtig. Damit die Wärme von Absorber und Rohren bzw. Wärmeträger nicht unspezifisch entweicht, muss ein Kollektor gedämmt sein. Andernfalls drohen hohe Verluste, weil die Wärme an die Umgebung verloren geht.
    • Wirkungsgrad
      Je nach Umgebungstemperatur liegt der Wirkungsgrad der Solarthermie deutlich über dem Wirkungsgrad der Photovoltaik. Tatsächlich ist der Wirkungsgrad der Solarthermie stark abhängig von der Umgebungstemperatur.
      Als Maßzahlen für die Abschätzung des Wirkungsgrades der Solarthermie werden die Außentemperatur (Ta) und die Kollektormitteltemperatur (Tm) benötigt. Die Kollektormitteltemperatur ist der Mittelwert der Temperatur des Wärmeträgers bei Ein- und Austritt aus dem Kollektor. Je größer die Differenz zwischen Ta und Tm, desto geringer der Wirkungsgrad. Für einen Beispielkollektor der bei einer Strahlungsintensität von 1.000 W/m2 und einer Differenz von Ta und Tm 0K eine Leistung von 765 W/m2, also einen Wirkungsgrad von 76,5% aufweist, zeigt bei einer Differenz von 30K nur noch einen Wirkungsgrad von 65% und bei einer Temperaturdifferenz von 70K nur noch 47% an(vgl. Schabbach & Leibbrandt (2021)).


      Status-quo und Potentiale der Solarthermie
      Solarthermie ist eine Technologie, die sich gut im Kontext von Heizungsanlagen von Einfamilienhäusern einbinden lässt. Es ist möglich mit Sonnenkollektoren auf dem Dach ca. 60% des Bedarfes an Warmwasser zu decken. Neben der Nutzung für private Wohnhäuser birgt auch die Nutzung für Prozess- und Raumwärme in der Industrie wichtige Potentiale. Die Solarthermie spielt gegenüber anderen Technologien, die Erneuerbare Energien nutzen, eine geringe Rolle. Nur 2% der aus erneuerbaren Quellen erzeugten Energien wurden 2024 mit Solarthermie erzeugt (vgl. Umweltbundesamt).


      Die Fraunhofer-Gesellschaft prognostiziert in einer Studie, dass der Anteil der Solarthermie langfristig steigen wird. Die in der folgenden Abbildung dargestellten Szenarien betrachten verschiedene Möglichkeiten der gesellschaftlichen Verhaltensänderungen und der Akzeptanz gegenüber verschiedenen Technologien. In der Prognose wird unabhängig davonausgegangen, dass bis 2050 ca. 10% der Endenergie mit Solarthermie gewonnen wird (vgl. Sterchele et al. (2020)).

      (Grafik: Sterchele et al. (2020), S.37)

      Die Umweltbilanz der Solarthermie ist im Vergleich zu Photovoltaik, bezogen auf die gewonnenen kWh Energie, besser als die der Solarenergie (vgl. Lupu et al. (2022)), weil hier weniger aufwändige Materialien genutzt werden.

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