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Geschichte der Solarthermie

Die Sonne erreicht mit ihrer Strahlung eine Energiemenge von bis zu 165 W/m². Dies ist natürlich von der Witterung, der Höhenlage und dem jeweiligen Breitengrad abhängig. Trotzdem ist die solare Energiemenge, die auf die Erde trifft, über fünftausend-mal höher als der derzeitige Energiebedarf der gesamten Menschheit. Der Mensch hat schon vor tausenden von Jahren begonnen, diese kostenlose Energie für sich zu nutzen, deshalb ist die Geschichte der Solarthermie fast so alt wie die Geschichte der Zivilisation des Menschen.

Solarthermie zu Zeiten der Antike

Das solarthermische Prinzip der Nutzung von Sonnenstrahlen zu Zwecken der Wärme- & Hitze wurde schon 800 v. Chr. in Form einfacher Solar-Spiegel benutzt, um Lichtstrahlen der Sonne umzulenken und so dunkle Räume zu erhellen oder auf einfache Art und Weise Wasser zu erwärmen.

 

Archimedes von Syrakus als Solar-Pionier

Es wird in der griechischen Geschichte davon berichtet, dass der griechische Tüftler und berühmte  Erfinder Archimedes von Syrakus (Sizilien, Italien) Spiegel in Form einer langen Reihe von blankpolierten Bronzeschilden, verwenden ließ, um die feindliche römische Flotte bei der Belagerung seiner Heimatstadt Syrakus in Brand zu stecken und zu vernichten.

Geschichte der Solarthermie: Archimedes aus Syrakus
Gemälde von Giulio Parigi / Florenz. Um 1599 oder 1600 n.Ch. Archimedes Solar-Kanone entzündet römische Kriegsflotte zur Verteidigung mit Solarenergie

Archimedes soll dieses solarthermische Prinzip der Bündelung der Sonnenstrahlung im Jahr 212 v. Chr. erfolgreich in Syrakus auf Sizilien angewandt haben. Um zu klären, ob es sich hierbei nicht um einen Mythos der Antike handelt, oder ob das Prinzip dieser ersten Strahlen-Kanone von Archimedes in der Geschichte tatsächlich funktioniert haben könnte, wurde ein geschichtliches Experiment durchgeführt. Forscher des Massachusetts Institute of Technology, kurz MIT und der University of Arizona versuchten das Prinzip der einfachen Bündelung von Sonnenlicht zur Entflammung eines Holzschiffes zu wiederholen.

Geschichte der Solarthermie in der Antike
Experiment des Massachusetts Institute of Technology (MIT): Nachbau der Solarkanone des Archimedes von Syrakus. Quelle: http://web.mit.edu/2.009/www/experiments/deathray/10_ArchimedesResult.html

Das Experiment zeigte, dass mit diesen einfachen Spiegeln lediglich auf sehr kurze Distanz (ca. 25 Meter) ein schwaches Feuer entfacht werden konnte. Ein großflächiger Einsatz einer solchen "Solarkanone" zur Vernichtung einer ganzen römischen Flotte wird jedoch in der Fachwelt angezweifelt. Dennoch offenbart es das Potential und frühen Auseinandersetzung mit der Solarthermie in der Geschichte der Antike. Übrigens wird heute noch, wie schon in der Geschichte der Antike, alle vier Jahre die olympische Fackel mit Hilfe von Solarwärme und einem Parabolspiegel entzündet.

Solarthermie Geschichte im alten Ägypten und Mesopotamien

Noch weiter zurück geht die Nutzung der passiven Solarthermie, denn schon im alten Ägypten, in Südamerika und in Mesopotamien richtete sich die Architektur nach der Solarwärme. Dort wurden die Eingangstüren auf den Sonnen- abgewandten Seiten gebaut, um die Hitze des Tages draußen zu halten, während in den nördlicheren Gefilden die Eingangstüren zwar Wind- abgewandt, aber in die Richtung der Mittagssonne lagen, um mehr Wärme in den Gebäuden zu haben. Diese einfache Anwendung der Solarthermie für den Hausgebrauch nennt man heutzutage, zum Beispiel bei einem Passivhaus "passive Solarenergienutzung", da nur äußert geringe Änderungen oder Vorkommnisse beim Hausbau zur Integration der Solarthermie als Wärmequelle getroffen werden müssen.

Solarthermie zu Zeiten der Aufklärung

Im 18. Jahrhundert machte sich der Geologe, Naturforscher und Botaniker Horace Bénédict de Saussure Solarenergie zunutze und verwirklichte erste Formen heutiger Solarkollektoren. Er entwarf den Prototyp eines Flachkollektors, dessen wesentliche Bauart sich seit dem 18. Jahrhundert nicht wesentlich verändert hat. Darüber hinaus experimentierte der Botaniker Horace Bénédict de Saussure mit Gewächshäusern, die ebenfall eine einfache solarthermische Anwendung darstellen um Wärme zu erzeugen.

Solare Anwendungen in der Moderne

Den ersten Solarkollektor im heutigen Sinne erfand Horace Bénédict de Saussure im 18.Jahrhundert, er erfand den ersten Flachkollektor mit Glas-Abdeckung und erreichte damit stolze 83° C. Die Idee wurde von Langley hin weiterentwickelt und für einen ersten Solarkocher verwendet. Vor über 120 Jahren wurde dann die erste Solaranlage gebaut und mit einem Patent bedacht, denn Clarence M. Kemp erwärmte mit der Konstruktion Wasser und stellte damit den Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie dar. Während die Solartechnik Photovoltaik dazu dient, Strom aus Solarenergie zu beziehen, dient die Solarthermie fortan dazu, Wärme zu erzeugen. Natürlich endetet die Geschichte der Solartechnik nicht vor 120 Jahren, sondern hat sich kontinuierlich weiterentwickelt. Lange Zeit war die Solarthermie für Wärmezwecke jedoch in Vergessenheit geraten, denn sie war in ihrer Anfangszeit teuer, schwer, schwer einsetzbar und unrentabel. Das änderte sich jedoch, als der steigende Ölpreis es notwendig machte, über alternative und erneuerbare Energien nachzudenken.

Heute ist der Einsatz einer Solaranlage weit verbreitet und wird auch gerne zur Stromerzeugung in der Solartechnik Photovoltaik und zur Gewinnung von Solarwärme genutzt. Zu der schnellen Verbreitung innerhalb der letzten zehn Jahre trägt auch der technische Fortschritt bei, denn die Komponenten für Solarenergie sind deutlich günstiger geworden. Die recht hohe Verbreitung von Solarwärme-Anlagen ist nicht zuletzt auf die einmalige Bezuschussung durch das Bundesamt für Wirtschaft- und Ausfuhrkontrolle zurückzuführen.  Der Kauf von thermischen Solaranlagen wird in Deutschland aktuell durch staatliche Fördermittel durch das BAFA gefördert. Daneben existieren zahlreiche kleinere regionale Förderprogramme zur Erleichterung der anfangs hohen Investitionskosten.

Was bringt die Zukunft?

Solarturmkraftwerk für Strom
Reveiver des Solarkraftwerks © DLR
Spiegel bündeln das Licht auf den Receiver
Solarturmkraftwerk in Almeria © DLR
Parabolrinnenkraftwerk
Parabolrinnenkraftwerk Andasol © Solar Millenium AG
Fallwindkraftwerk
Konzept Fallwindkraftwerk © Dan Zaslavsky
Aufwindkraftwerk
Visualisierung von bgp design für Schlaich Bergeman und Partner | www.sbp.de

Solarthermieanlagen für die Warmwasserbereitung und zur solaren Heizungsunterstützung sind in der Zwischenzeit ausgereift und auf vielen Hausdächern, auch in nördlicheren Breitengraden installiert. Firmen und Gewebegebäude nutzen noch größere thermische Solaranlagen, so genannte "solare Großanlagen", die zudem in der Lage sind mittels einer gekoppelten Absorptionskältemaschine Solarwärme zur Kühlung von Räumen und Gebäuden einzusetzen. Noch eine Nummer größer als diese Form der Solarthermie für solare Prozesswärme stellen die Konzepte der Solarthermie-Kraftwerke dar: Tausende von Spiegeln bündeln das Sonnenlicht und sorgen für die Verdampfung großer Mengen an Wasser. Der Wasserdampf treibt analog zu einer herkömmlichen Kohle- oder Atomkraftwerk einen Generator zur Stromerzeugung an. Solarthermie Kraftwerke der Neuzeit befinden sich beispielsweise in Kalifornien als Parabolrinnenkraftwerk, ebenso setzen die Solarkraftwerke des Andasol-Projekts von Solar Millenium und der Schott AG auf die Parabolid-Technologie mit nachgeführten Solarspiegeln.

In Jülich errichtete das deutsche Zentrum für Luft- & Raumfahrt (DLR) ein Solarturmkraftwerk mit einer anderen solaren Technologie und höheren Temperaturen und solaren Wirkungsgraden. (s. Grafik) Auch die Diskussion und mediale Präsenz des DESERTEC - Projekts, mit dem Ziel solaren Wüstenstrom aus der Sahara bis nach Europa zu transferieren, machte in letzter Zeit reichlich Schlagzeilen. Jährliche werden von den vielen Herstellern von Solarthermieanlagen technologische Verbesserungen und Innovationen bei Solaranlagen und Zubehör auf solaren Fachmessen wie der Intersolar vorgestellt und angewandt. Das steigende Interesse ökologische und ökonomische Aspekte der Solarenergie weiter zu vereinen verdeutlicht, dass die eigentliche Geschichte der Solarthermie, auch in Deutschland, erst an ihrem Anfang steht.

Noch Vision, aber spannend lesen sich die Studien über alternative Konzepte wie dem Aufwindkraft zur solaren Stromerzeugung. Gigantische Kollektoren sammeln Sonnen-erwärmte Luft und leiten Sie über einen Kamin-Effekt nach oben. Die Kraft der Luftströme treiben an der Turm-Spitze einen Generator an. Derzeit existiert jedoch noch kein Solarkraftwerk nach dem Aufwind-Prinzip. 

Ebenso abenteuerlich wirken die Studien zur Realisierung von Fallwindkraftwerken. Oben in einem etwa 1.200 m hohen Turm wird kaltes Wasser eingespritzt das in einem heißen Wüstenklima schnell verdunstet und die Luft um ca. 12°C abkühlt. Die kältere Luft hat eine andere Dichte und fällt nach unten. Der künstlich erzeugte Luftstrom treibt am Fuß des Turmes einen Generator zur Stromerzeug an. Die Geschichte der Solarthermie wird auch in der Zukunft weitergehen. Konzepte und Ideen die für uns heute bereits Alltag und Stand der Technik sind, waren schließlich einst auch kühne Visionen deren Realisierung bezweifelt wurden.

Solar Lexikon