Solarthermie

Die thermische Energie der Sonnenstrahlung wird in der Solarthermie nutzbar gemacht. Dabei ist die gewählte Architektur eines Gebäudes, bei der die passive und aktive Nutzung der Sonnenenergie berücksichtigt wird, ein entscheidende Faktor.

Bei der passiven Nutzung erwärmt die Sonne direkt, also ohne technische Apparate, ein Gebäude z.B. durch entsprechend ausgerichtete Fensterflächen oder durch sogenannte Transparente Wärmedämmung, bei der das Sonnenlicht die äußerste Dämmschicht durchdringen kann und so die dahinter liegende Mauer erwärmt.

Von aktiver Nutzung spricht man dann, wenn entsprechend konstruierte Absorberflächen Sonnenwärme sammeln und diese mit Hilfe eines Mediums z. B. zu einem Wärmespeicher transportiert wird. Im Haushalt findet die Sonnenwärme vorwiegend zur Erwärmung von Wasser und der Raumluft Verwendung. In der Industrie ist darüber hinaus noch die Umwandlung in chemische Energie, elektrische Energie und mechanische Energie anzutreffen. Zunehmend werden solar betriebene Absorptionskältemaschinen für die Gebäudeklimatisierung eingesetzt.

Eine IEA-Studie im Jahr 2005 ermittelte einen weltweiten Energiebeitrag der Solarthermie von 70 Gigawatt. Eine typische Anwendung ist der Sonnenkollektor. Solarthermische Anwendungen sind umso effizienter, je mehr von der Sonneneinstrahlung tatsächlich absorbiert wird und je weniger der dabei entstehenden Wärme durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wärmeübertragung verloren geht. Um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, verfügen die Absorber von Sonnenkollektoren über eine selektive Beschichtung. Diese hat eine besonders hohe Aufnahmefähigkeit (Absorptionsgrad) für den Spektralbereich des Sonnenlichts, in dem die meiste Energie eingestrahlt wird, während die Abstrahlung infraroter Wärme-Strahlung durch einen geringen Emissionsgrad minimiert wird. Einfache schwarze Farbe nimmt dagegen Strahlung so gut auf, wie sie Wärmestrahlung abgibt.

Geschichte der Solarthermie

Die Nutzung der Sonnenwärme wird traditionell zur Kühlung von Nahrungsvorräten und zur Temperierung der Wohnräume eingesetzt. Dies geschieht mit Hilfe einer bedarfsgerechten Architektur. In kalten Klimazonen sind Fenster und Türen bevorzugt auf der windabgewandten Seite des Hauses und in Richtung zur Mittagssonne hin orientiert. Die verwendeten Baustoffe sind gegen die Kälte gut isolierend. In heißen Klimazonen benötigt man Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung. Die traditionelle Islamische Architektur arbeitet darüber hinaus mit der Thermik. Mit Hilfe von Windtürmen, Kuppelbauten und Luftkanälen in den Außenmauern der Häuser kann die Luftfeuchtigkeit im Gebäude gesenkt werden. Der Luftdruckunterschied zwischen Obergeschoss und Untergeschoss bewirkt die Zirkulation der Luft in den Kanälen und führt zu einer natürlichen Klimaanlage. Ähnliche Problemlösungen sind in der Natur bei Termitenhügel zu sehen.

Das weltweit erste Patent für eine Solaranlage wurde 1891 an den Metallfabrikanten Clarence M. Kemp aus Baltimore vergeben. Hierbei handelte es sich um einen einfachen Wärmekollektor für Warmwasser.

Passive Nutzung

Die Grundlagen der modernen passiven Nutzung der Solarthermie sind seit der Antike bekannt. Sie beruhen im Wesentlichen auf der Ausrichtung des Hauses bzw. der Architektur an der Sonneneinstrahlung, sowie dem überlegten Einsatz von Wärme speichernden und von isolierenden Materialien.

Zur Erwärmung eines Hauses können z. B. ein Wintergarten, besonders große Fenster Richtung Süden oder eine wärmespeichernde Solarwand dienen. In Verbindung mit einer guten Wärmedämmung vermindert sich der Bedarf an zusätzlicher Heizungswärme stark. Eine durchdachte passive Nutzung der Sonnenenergie ermöglicht es auch in Mitteleuropa, beim Bau von Passivhäusern völlig auf eine „aktive“ Heizungsanlage zu verzichten.

Da moderne Bürogebäude (beispielsweise Commerzbank AG, Post Tower) heute oft eine verglaste Außenwand aufweisen, ist das vorrangige Problem dort ein Zuviel an Sonnenwärme. Hier können Spezialgläser helfen, welche die thermischen Strahlen der hoch stehenden Mittagssonne abblocken, aber transparent für eine im Winter oder in den Abendstunden niedrig am Horizont stehende Sonne sind. Oftmals ist auch ein Atrium mit Springbrunnen in der Mitte des Gebäudes, von unten bis zum Dach reichend, vorhanden, um eine kühlende natürliche Thermik zu erhalten (siehe auch Patio).

Anm.: Es ist eigentlich nicht richtig, von der passiven Nutzung der Solarthermie zu reden. Korrekt ist es die passive Nutzung der Sonnenenergie und gehört mit Solarthermie (Kollektoreinsatz), Photovoltaik und solarchemische Nutzung zu dem Oberbegriff Nutzung der Sonnenenergie.

Aktive Nutzung

Die direkte Nutzung der Solarenergie in Thermischen Solaranlagen geschieht über Sonnenkollektoren. Handelsübliche Kollektoren erreichen Wirkungsgrade zwischen 60 und 70 Prozent (einzelne Hersteller geben für bestimmte Modelle auch höhere Werte an). Das heißt, sie können bis zu 60 bis 70 Prozent der auf die Kollektorfläche auftreffenden Sonnenenergie in nutzbare Wärme umwandeln. In diesen Kollektoren wird im allgemeinen ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch (Verhältnis 60:40) als Wärmeträgermedium verwendet. Durch den Zusatz von 40 Prozent Propylenglykol wird ein Frostschutz bis -23 °C und darunter ein Gefrieren ohne Volumenzunahme (keine Frostsprengung) erreicht, sowie eine Siedetemperatur, die je nach Druck 150 °C und mehr betragen kann. Bei höheren Temperaturen gehen viele Kollektoren in Stillstand und liefern keine Energie mehr.

Durch die Bündelung der Sonnenenergie mit Spiegeln, wie es in den meisten Sonnenwärmekraftwerken geschieht, können am Brennpunkt Temperaturen bis zu 1300 °C erzielt werden, die industriell gut nutzbar sind. Die hohen Energiekonzentrationen werden mit einem Dampfkraftwerk oder einem Stirlingmotor in mechanische Energie und anschließend mit einem Stromgenerator in elektrische Energie umgewandelt. Manchmal ist die gewonnene Solarenergie eine zusätzliche Energiequelle in einem konventionellen Kraftwerk. Aufgrund des notwendigen hohen Direktstrahlungsanteils ist diese Anwendung eher für südeuropäische Regionen sinnvoll.

Neben dem Endprodukt elektrischer Strom besteht noch die Möglichkeit, die thermische Energie in chemische Energie umzuwandeln. Ein für die solare Wasserstoffwirtschaft wichtiges Forschungsergebnis ist die kürzlich am DLR gelungene thermische Spaltung von Wasserdampf in Wasserstoff (siehe auch Wasserstoffherstellung). Mit Hilfe eines Katalysators konnte die für diesen Vorgang benötigte Temperatur von einigen tausend Grad Celsius auf unter 1400 °C gesenkt werden.

In Österreich sind solarthermische Großanlagen schon weit verbreitet. Man kombiniert Sonnenkollektor, Bioheizwerk und konventionelle Ersatz- oder Spitzenenergiequelle. Da die Solarthermie im Frühjahr und Herbst nur wenig Energie und im Winter fast gar keine Energie liefert, schaltet man in dieser Zeit ein Hackschnitzel-Heizwerk oder auch eine Pelletheizung zu und nutzt so die vorhandenen Installationen ganzjährig. Der Wärmespeicher ist der zentrale Sammelpunkt, wo die benötigte Energie für einen Großverbraucher – etwa ein Krankenhaus oder eine große Wohnanlage – aus den vorhandenen Energiequellen kombiniert wird. Man dimensioniert die Anlage so, dass im Sommer die Sonnenkollektoren alleine genug Energie liefern und kann so das Anfahren des Bioheizwerkes im Sommer vermeiden.

 

 

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