Wirkungsgrad der Solarthermie

In der Solarthermie wird die mit der Sonneneinstrahlung entstehende Wärme energetisch nutzbar gemacht. Es wird in den Hoch- und Niedertemperaturbereich unterschieden. Im Niedertemperaturbereich dienen die Solarthermie-Solaranlagen der Wassererwärmung und der Beheizung von Räumen, im Hochtemperaturbereich wird die Wärme durch Solarthermie-Kraftwerke im industriellen Maßstab letzten Endes in Strom umgewandelt.

Solarthermie in Breitengraden Deutschlands

Vor allem in sonnenreichen Sommermonaten kann nahezu die gesamte Brauchwasser-Erwärmung über den Niedertemperaturbereich der Solarthermie gedeckt werden. Auch Schwimmbäder in Deutschland werden teilweise auf diesem Wege beheizt. Der langwellige Anteil der Sonneneinstrahlung wird über auf dem Dach befestigte Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren mit Absorbern eingefangen, wobei Vakuumröhrenkollektoren generell einen höheren Wirkungsgrad aufweisen.

Solarthermie mit Flachkollektoren

Solaranlage mit CPC Vakuumröhrenkollektor

Wirkungsgrade bei Solarthermie Solaranlagen

Die Leistung einer Anlage in der Solarthermie ist vom Wirkungsgrad abhängig, welcher sich aus dem optischen Wirkungsgrad und dem Wärmeverlustkoeffizienten zusammensetzt. Der optische Wirkungsgrad drückt das Verhältnis der mit dem eingesetzten technischen Verfahren nutzbaren Sonneneinstrahlung zur erzielbaren energetischen Leistung aus. Für den maximalen optischen Wirkungsgrad in der Solarthermie sollte der Absorber etwa die gleiche Temperatur aufweisen wie die Umgebungstemperatur. Ist die Letztere deutlich niedriger, wirkt sich das negativ auf den Wirkungsgrad und somit auf die Effektivität aus. Der Wärmeverlustkoeffizient bezeichnet den Wärmeverlust der Kollektorfläche.

Die durchschnittlichen Werte sind 70 - 85 % beim optischen Wirkungsgrad und 2-5 °C Temperaturunterschied je Quadratmeter der Kollektorfläche beim Wärmeverlustkoeffizient. Beide Werte sind gängige Kennzahlen in der Solarthermie. Beim Erwerb einer solarthermischen Anlage sollten Sie daher beim Einholen eines Angebots stets nach dem Wirkungsgrad und Wärmeverlustkoeffizienten der eingesetzten Solarkollektoren erfragen.

Vergleich: Unterschiedliche Wärmeisolierung bei Solarkollektoren nimmt Einfluss auf den Wirkungsgrad in der Solarthermie

Die Thermographieaufnahme eines Hauses im oberschwäbischen Pfaffenhausen im November ist aufschlussreich: Links befindet sich eine größere Solarwärmeanlage mit einfachen Flachkollektoren. Rechts hingegen Vakuumröhrenkollektoren der Paradigma Deutschland GmbH. In der Mitte der Thermografieaufnahme befindet sich eine Photovoltaikanlage. Die rote Färbung bei den Flachkollektoren zeigt, dass eine große Menge der zuvor eingefangenen Solarwärme wieder durch Abstrahlung in die Umwelt abgegeben wird. Die dunkleren Röhrenkollektoren (blau= kälter) vergeuden aufgrund der Vakuumisolierung keine Solarwärme.

Der durchschnittliche Wirkungsgrad bei einfachen Flachkollektoren liegt bei 50 - 70 %. Bei Vakuum-Röhrenkollektoren liegt der Wirkungsgrad bei rund 90 %. Die mit diesen beiden Verfahren der Solarthermie erzielten Temperaturen sind für die Brauchwasser-Erwärmung während der sonnigen Monate ausreichend. Um einen möglichst hohen solaren Deckungsanteil über das ganze Jahr hinweg zu erzielen, empfiehlt Paradigma als Hersteller den Einsatz von hocheffizienten Vakuumröhrenkollektoren, die sich neben der Brauchwasser-Erwärmung auch für den Einsatzzweck einer solaren Heizungsunterstützung (deutlich höheres Einsparpotential bei den Heizkosten) bestens eignen.

Vergleich zwischen Flachkollektoren und Röhrenkollektoren

Weitere Informationen hinsichtlich des zu erzielenden Solarertrags und der Wirkungsgrade der beiden Solarkollektor-Bauarten finden Sie auch im Artikel über den Vergleich Flachkollektor-Röhrenkollektor innerhalb des Solar Lexikons.

Der Solarkollektor-Aufbau bedingt den Wirkungsgrad und Wärmeverluste

Flachkollektoren arbeiten in der Solarthermie mit schmalen Metallrohren aus Kupfer, Aluminium oder Stahl, die sich unterhalb einer flachen Abdeckung befinden. Umwälzpumpen befördern die Solarflüssigkeit (ein Wasser-Glykolgemisch), im Winter schützt der Anteil an Glykol in der Solarflüssigkeit das Solarsystem vor Frost. Dämmmaterial unter der Abdeckung und um die Rohre herum sollen den Wärmeverlust durch Abstrahlung weitestgehend verhindert. Vakuumröhrenkollektoren von Paradigma arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip; jedoch befindet sich im Solarkreislauf statt einer Glykolflüssigkeit reines Wasser als Solarmedium ("AquaSystem"). Wasser als Solarflüssigkeit weist erheblich bessere chemische Eigenschaften in Bezug auf die Viskosität und Wärmekapazität auf und unterliegt keiner chemischen Alterung. Der Vorteil von Wasser als Solarflüssigkeit liegt somit in der einfacheren Handhabung (Verfügbark, Kosten, Wartung) und der besseren Wirkungsgrade und somit höhere Solarerträge. Das Vakuum der Kollektoren sorgt für eine deutlich bessere Isolierung, das Verfahren der Isolierung der Röhrenkollektoren kennt man von Thermoskannen im Hausgebrauch: Das Thermoskannenprinzip mit getrennten Hülsen und Vakuumisolierung hält die Wärme in Inneren der Röhre, während man getrost die äußere Schicht ohne Gefahr berühren kann. Mit diesem Verfahren kann vor allem in den Wintermonaten und der Übergangszeit wesentlich mehr Energie gewonnen werden als mit Flachkollektoren.

Wirkungsgrade bei solarthermischen Kraftwerken

Im Hochtemperaturbereich ist die Solarthermie für die Stromerzeugung und die Prozesswärme in der Industrie von Bedeutung. Hier geht es um Temperaturen bis über 1.200 °C. Bis etwa 400 °C kommt die Parabolrinne zum Einsatz, bis 1.200 °C ist ein Paraboloid erforderlich, der Erzeugung darüber liegender Temperaturen dient der Solarturm mit einem zentralen Receiver an der Turmspitze. Die verschiedenen solarthermischen Kraftwerke arbeiten je nach Konstruktion mit einer der drei Varianten, bei denen die Sonneneinstrahlung konzentriert eingefangen wird. Generell lässt sich sagen, der Wirkungsgrad bei solarthermischen Kraftwerken umso besser ausfällt, je höhere Temperaturen zu erzielen sind. Für Großprojekte wie das ambitionierte Dessertec-Projekt für Solarstrom aus Nordafrika werden jedoch momentan Parabolrinnenkraftwerke mit Temperaturen bis maximal 400 °C favorisiert. Der Grund liegt in der derzeit besseren Konstellation aus Solarertrag und Anschaffungskosten, die bei der einfacheren und erprobten Parabolrinnentechnik noch zu einem günstigeren Strompreis führen sollen (Stromgestehungskosten).

 Solarturmkraftwerk in Jülich Parabolrinnenkraftwerk in Spanien  (c) Solar Millenium AG

Lexikon von Paradigma

Fachbegriffe der Solartechniken Solarthermie, Fotovoltaik, Heizungen und aus dem Themengebiet der erneuerbaren Energien, komplexe Technik und Funktionsweisen im Online Solar Lexikon von Paradigma, einem führenden Hersteller umweltfreundlicher Gas- und Pelletsheizungen sowie von thermischen Solaranlagen für Warmwasser und solares Heizen aus Karlsbad bei Pforzheim in Baden-Württemberg.

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