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Solarthermie
Die unerschöpfliche Energie der Sonne kann auf zwei unterschiedliche Arten technisch genutzt werden. Dies ist zum einen durch die Erzeugung von elektrischem Strom mit Hilfe von Photovoltaik und Solarpanelen und zum anderen die direkte Umwandlung der Sonnenenergie in Wärmeenergie möglich. Dabei ist die Erfindung des thermischen Solarkollektors keineswegs eine Erfindung des 20. Jahrhunderts. Bereits im 18. Jahrhundert war es technisch möglich, mit Hilfe eines einfachen Sonnenkollektors Wasser auf eine Temperatur nahe des Siedepunktes zu erhitzen. Wie funktionieren aber nun Sonnenkollektoren genau?

Die Funktionsweise von Sonnenkollektoren
Das Funktionsprinzip eines jeden Sonnenkollektors beruht auf dem so genannten Glashauseffekt. Durch diesen wird eine Wärmefalle geschaffen, die mit teilweise erstaunlich hohen Wirkungsgraden die Sonnenenergie in für den Menschen nutzbare Wärmeenergie umwandelt. Die Sonnenstrahlen fallen dabei durch eine Platte aus speziellem Solarglas und treffen auf einen Solarabsorber, der den allergrößten Teil des Sonnenlichtes absorbiert. Durch spezielle Oberflächenbeschichtungen wird bei modernen Sonnenkollektoren nur ein minimaler Teil des Sonnenlichtes reflektiert und Sonnenstrahlen, die das Solarglas passiert haben, werden durch die Glasscheibe effektiv zurückgehalten. Der durch das Sonnenlicht stark erhitzte Absorber gibt die Wärmeenergie auf eine so genannte Wärmeträgerflüssigkeit weiter, die in Rohrleitungen aus Aluminium oder Kupfer zirkuliert. Um den Energieverlust durch Reflexion, Abstrahlung und Wärmeleitung an die Umgebung möglichst gering zu halten, werden für die Kollektoren besondere Oberflächenbeschichtungen verwendet, die nur eine geringe Lichtmenge reflektieren und darüber hinaus die hoch energetische infrarote Strahlung im Absorber zurück halten. Der Wärmeverlust an die Umgebung tritt insbesondere an den Rohrleitungen und den Wärmespeichern auf. Ihm wird effektiv mit Isolierstoffen oder Vakuum-Umhüllungen der betreffenden Stellen entgegengewirkt. Die eigentliche Erhitzung des Brauch- oder Heizungswassers für den Haushalt erfolgt schließlich in einem so genannten Wärmetauscher.

Die Anwendungsbereiche von Solarkollektoren
Für verschiedene Anwendungsbereiche gibt es mittlerweile speziell darauf zugeschnittene Typen von Sonnenkollektoren. Die Spanne reicht hier vom Schwimmbadabsorber in sehr einfacher Konstruktionsweise bis hin zu technisch aufwändigen Flachkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren, die mit ihren hohen Wirkungsgraden ganz besonders für den Einsatz in Ein- oder Mehrfamilienhäusern geeignet sind. Moderne Vakuumröhrenkollektoren stellen in ihrer Bauform einen Sonderfall dar, da in ihnen die Rohre mit der Wärmeträgerflüssigkeit gleichzeitig auch als Absorber fungieren. Durch die wärmedämmende Wirkung der verwendeten Vakuum-Isolation wird der ansonsten stattfindende Energieverlust durch Leitung oder Konvektion verhindert, lediglich durch Rückstrahlung findet in diesen fortschrittlichen Modellen noch Energieverlust statt.

Sonnenkollektoren – neue technische Errungenschaften
Die technische Weiterentwicklung schreitet natürlich auch auf dem Gebiet der Solarthermie, genau wie in der benachbarten Photovoltaik, rasch voran. Die bisher verwendeten Flach- und Röhrenkollektoren können bisher nur die Phasen direkter Sonneneinstrahlung auf den Kollektor wirklich effizient nutzen. Abhilfe sollen hier zukünftig Solarkollektoren in Halbkugelform schaffen, die die Sonneneinstrahlung während des gesamten Umlaufs gewinnbringend umwandeln können. Diese Weiterentwicklung der herkömmlichen Sonnenkollektoren konnte sich allerdings noch nicht am breiten Markt etablieren.

Solarthermie-Anlagen für Ein- oder Mehrfamilienhäuser
Um im privaten Wohnbereich eine effiziente Solarthermie-Anlage zu betreiben, sollte das Dach des Hauses, auf dem die Anlage installiert werden soll, möglichst nach Süden ausgerichtet sein. Damit die Solarthermie-Anlage den Energiebedarf des Hauses auch tatsächlich decken kann, kommt es nicht nur auf die technische Ausstattung der Anlage an sondern vor allem auch auf die Qualität der Isolierung und der Wärmedämmung in der Immobilie selbst an. Neubauten sind hier sicherlich begünstigt, wenn eine Solarthermie-Anlage effizient in einem Altbau genutzt werden soll, kommt der Eigentümer meist nicht um Investitionen in eine zeitgemäße Wärmedämmung und Isolierung herum.

Speicherung und Abruf der erzeugten Wärmeenergie
Da der Wärmebedarf in den allermeisten Fällen antizyklisch zur Wärmeerzeugung ist, reichen die auf dem Dach installierten Solarkollektoren alleine allerdings nicht aus. Nach Sonnenuntergang besteht schließlich erfahrungsgemäß der größte Bedarf an Wärme in Form von Heizung oder Warmwasser. Um diese Zeiten zu überbrücken ohne wieder auf herkömmliche fossile Energieträger zurückgreifen zu müssen, ist die zusätzliche Installation von technischen Anlagen zur Speicherung der Energie zwingend erforderlich. Als Pufferspeicher beziehungsweise Latentwärmespeicher für die erzeugte Wärmeenergie kommen hier entweder große und gut isolierte Wassertanks, neuerdings aber auch mit Paraffin gefüllte Speicherelemente, zum Einsatz. Mit diesen gelingt es, den allergrößten Teil der Wärmeenergie über einen Zeitraum von mehreren Tagen zu speichern und für die Verbraucher jederzeit für einen kurzfristigen Abruf bereitzuhalten.

Solarthermie-Anlagen in Kombination mit anderen regenerativen Energiequellen
Um die eigene Solarthermie-Anlage unabhängiger von der jeweils herrschenden Sonneinstrahlung und den Unwägbarkeiten des Wetters zu machen, empfiehlt sich in der Praxis meist eine Kombination mit anderen regenerativen Energiequellen. Als besonders geeignet haben sich hier Brennöfen mit Holzpellets erwiesen, aber auch die Nutzung der Erdwärme ist hier eine geeignete Option. Allerdings ist der Bau einer Erdwärme-Pumpe unter Umständen recht kostspielig, da hier unter Umständen eine Bohrung von bis zu 100 Meter ins Erdreich vorgenommen werden muss.