ARCH+ 184

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Erschienen in ARCH+ 184,
Seite(n) 106-107

ARCH+ 184

Solarthermie

Von Mende, Julia von /  Soldan, Marion

Solarthermie wird seit jeher zur Heizung von Gebäuden genutzt. Schlüsselkomponente der Solarthermie ist der Kollektor, der die solare Wärme absorbiert und an ein Trägermedium abgibt. Die ersten Solarthermieanlagen nutzten als Absorberfläche schwarz gestrichene Rohre. Die Farbe nimmt aufgrund ihrer sehr geringen Reflektion Wärme gut auf und erwärmt so das durchlaufende Wasser, gibt sie aber ebenso schnell wieder ab. Deshalb wurden Absorber mit einer selektiven Beschichtung ausgestattet, die einen hohen Adsorptionsgrad für das Strahlungsspektrum der Sonne besitzt, aber zugleich die Abstrahlung infraroter Strahlung minimiert und damit den Absorber deutlich effizienter macht.

Klassischerweise wird der Solarkollektor von Wasser oder einem ähnlichen Trägermedium durchströmt. Es gibt aber auch luftdurchströmte Kollektoren. Auch ein Fassadenzwischenraum oder eine transparente Wärmedämmung kann als Luftkollektor wirken. Luftkollektoranlagen arbeiten im Gegensatz zu den herkömmlichen Solarwärmeanlagen bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, denn die Temperatur im Kollektor muss lediglich über der Lufttemperatur in dem zu erwärmenden Raum liegen. Solarerwärmte Luft kann entweder direkt einer Luftheizung zugeführt, zur Vortemperierung der Außenluft für kontrolliertes Lüften oder eine Klimaanlage genutzt oder einer Wärmepumpe z.B. zur Warmwasserbereitung zugeführt werden. Genauso kann solarerwärmtes Wasser entweder direkt oder mittels Wärmetauscher bzw. Wärmepumpe genutzt werden.

Am effizientesten arbeitet ein Solarkollektor bei geringem Temperaturunterschied zwischen Kollektorinnerem und Umgebung. Je höher die Temperaturen im Kollektorinneren, desto mehr Wärme wird auch an die Umgebung wieder abgegeben. Die Effizienz kann durch die Absorberbeschichtung und die Dämmung des Kollektors gesteigert werden. Die hochdämmende Vakuumschicht eines Vakuumröhrenkollektors, die zwischen der wasser- bzw. luftführenden und einer umliegenden Röhre gebildet wird, verhindert die Konvektion innerhalb der Röhre, so dass kaum Wärmeverluste an der Außenwand des Kollektors entstehen. Die Effizienz eines Kollektors hängt auch davon ab, wie gleichmäßig seine Kanäle vom Trägermedium durchströmt werden und wie hoch dabei der Druckverlust ist (Energiebedarf der Pumpe). Ziel sollte es sein, mehr Wärme zu produzieren, als Strom für die Umwälzung des Wärmeträgermediums benötigt wird. In Anlehnung an verzweigte Strukturen aus der Natur werden deshalb zurzeit Modelle für Solarkollektoren und andere Wärmetauscher entwickelt, die eine möglichst gleichmäßige und geringen Umlenkungen unterworfene Durchströmung ermöglichen.

Der Wirkungsgrad von Sonnenkollektoren liegt heute bei etwa 60-70 %. Während die Photovoltaik hinsichtlich der Integration in Gebäude interessante Fortschritte gemacht hat, führte die Solarthermie lange ein gestalterisches Schattendasein als schwarzer Kasten auf dem Dach. Inzwischen gibt es jedoch farbige Absorberbeschichtungen, “unsichtbare” Kollektoren als Zinkdach, die sich besonders für denkmalgeschützte Bauten eignen und fassadenintegrierte Kollektoren, die gleichzeitig Sonnenschutzfunktionen übernehmen.

Interessant ist auch die Kombination solarthermischer Kollektoren mit Photovoltaikmodulen. Solarzellen wandeln nur zirka 7-16 % der Sonnenstrahlung in Strom um, der Rest wird in Wärme umgewandelt. Dies führt zur Erwärmung der PV-Module und dadurch zu Einbußen beim elektrischen Ertrag. Das Trägermedium im direkt mit den PV-Modulen verbundenen Kollektor kann den Hitzestau auf den PV-Modulen abtransportieren und ihn an einem anderen Ort sinnvoll einsetzen. Die Zellen arbeiten dadurch effizienter.

Der Wärmegewinn durch Solarthermie ist im Sommer am größten, zu einem Zeitpunkt also, der am wenigsten gewinnbringend erscheint. Heizen ist zu dieser Jahreszeit meist nicht nötig, Brauchwassererwärmung für Dusche und Waschmaschine dagegen wird genutzt. Es kann also vorkommen, dass die Anlage mehr produziert, als umgesetzt werden kann. Durch den Einsatz von Wärmespeichern ist es möglich, die gewonnene Energie für einen begrenzten Zeitraum zu konservieren. Die Effizienz des Wärmespeichers ist allerdings stark von der Dämmung des Speicherelementes und dessen Material abhängig. Speicherelemente sind beispielsweise Gesteinsspeicher (Rockbed), Hypo- und Murokausten, aber auch massive Bauteile wie Kanäle, Kamine und sogenannte Trombewände (solare Energiegewinnung über die Fassade). Die Forschung beschäftigt sich derzeit mit der Verbesserung von Speichermöglichkeiten in neuen Verfahren.

Kühllasten und eine hohe Solareinstrahlung treten normalerweise gleichzeitig auf. Ein neueres Anwendungsgebiet der Solarthermie ist daher die Nutzung solar erzeugter Niedrigtemperaturwärme (unter 90 Grad) zur Klimatisierung von Gebäuden. Völlig neu ist das solare Kühlen aber nicht: Solarerzeugte Thermik wurde in traditionellen Anlagen vor allem in arabischen Ländern zum Kühlen genutzt. Sie entsteht, wenn Sonneneinstrahlung auf erdnahe Luftschichten trifft und diese erwärmt. Die erwärmte Luft steigt auf. Durch die entstehende Konvektion fällt kalte Luft aus oberen Luftschichten nach unten, wo sie wiederum durch die Sonneneinstrahlung und deren Reflektion vom Erdboden erwärmt wird. Dieser thermodynamische Kreislauf kann genutzt werden, um mittels Luftkanälen, Windfängen oder auch Kuppel- und Turmbauten einen Luftstrom zu erzeugen, der die Temperaturen innerhalb des Gebäudes absenkt.

Technisch generierte solare Kühlung funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank. Ein Kühlmittel wird durch Solarwärme erhitzt. Beim Verdampfen entzieht das Kühlmittel der Umgebung Wärme, die entstehende Kälte kann zur Raumkühlung eingesetzt werden. Es kommen geschlossene Systeme wie Adund Absorptionskältemaschinen oder offene Kühl- und Entfeuchtungsverfahren (sorptionsgestützte Klimatisierung) zum Einsatz. In geschlossenen Verfahren wird die Luft mit einer Absorptionskältemaschine gekühlt, diese kommt mit dem Sorbens nicht in Berührung. Übliche Kältemittel sind Gemische aus Ammoniak und Wasser, seltener Salzlösungen wie Lithiumbromid. Eine Entfeuchtung der Zuluft ist wie bei Kompressionskältemaschinen durch Kühlen unter den Taupunkt und anschließendes Wiedererwärmen möglich. Bei der offenen Sorption wird die Zuluft durch Kontakt mit wasserziehenden Substanzen (z.B. Silicagel, Zeolith A) getrocknet. Anschließend wird Wasser versprüht, das beim Verdunsten die Luft kühlt. Das Sorbens wird dann durch Hitze getrocknet.

Schwerpunkt der Forschung ist derzeit die Entwicklung einer Systemtechnik und Einzelkomponenten zu solargestützten Klimatisierungen. Es gibt heute allerdings nur zentrale Anlagen dieser Art, dezentrale Systeme z.B. für den Wohnungsbau werden noch nicht genutzt. Für Anlagen mit größerem Leistungsbereich eignen sich effiziente Kollektoren wie Vakuumröhrenkollektoren der Parabolrinnenanlagen.

Ein weiteres neues Einsatzgebiet der Solarthermie sind Anlagen zur Meerwasserentsalzung. Im Vordergrund steht dabei die Wasserversorgung in den Ländern des Mittleren Ostens und Nordafrikas, in denen Trinkwasserknappheit herrscht, gleichzeitig aber Meerwasser und Sonne im Überfluss vorhanden sind.

Die einfachste und schon seit Ende des 19. Jahrhunderts genutzte Entsalzungsanlage ist die Solardestille, ein Bottich mit schwarzem Boden, in dem das Meerwasser nach dem Gewächshaus-Prinzip verdunstet und an einer Glasscheibenabdeckung kondensiert. Inzwischen werden solarbetriebene kompakte Meerwasser-Entsalzungsanlagen mit Abwärmenutzung angeboten. Das kleinste Modell, das 1.000 Liter pro Tag schafft, passt in einen 5-Fuß-Container.

Die Forschung im Bereich der Solarthermie ist vor allem von Bedeutung für Länder mit einer ganzjährig hohen Sonnenscheindauer. Hier kann das System oft auch ohne die Zwischenschaltung eines Speichers voll ausgenutzt werden, weil die Möglichkeit besteht, die Strahlungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Sonnenwärmekraftwerke bündeln die solare Strahlung und damit auch die darin enthaltene Energie durch Spiegel auf einen Brennpunkt. Die Temperatur liegt dort bei etwa 1.300 Grad. Die im Brennpunkt erreichte Energie lässt sich durch ein Dampfkraftwerk oder einen Stirlingmotor zunächst in mechanische, dann durch einen Stromgenerator in elektrische Energie umwandeln. Dies ist die kostengünstigste Form solarer Stromerzeugung. Im haustechnischen Bereich der Forschung beschäftigt man sich neben der solaren Kühlung mit der Verbesserung von Absorberkollektoren und Speichermöglichkeiten. Dazu kommen auch Bemühungen um die Effizienzsteigerungen der Wärmeübertrager.

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