Jeder kennt den Effekt: Ein mit Wasser gefüllter Gartenschlauch erhitzt sich in der Sonne enorm schnell. Ähnlich funktioniert auch ein Sonnenkollektor. Kurzwellige Strahlung kann das Glas des Kollektors ungehindert passieren, wird jedoch gleichzeitig durch die Lichtbrechung in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt. Diese kann dem Glas kaum noch entweichen und der Kollektor erhitzt sich. Die Strahlung der Sonne wird als Wärmeenergie eingefangen und kann als Heißwasser oder zum Heizen verwendet werden. Bereits sechs Quadratmeter Kollektorfläche reichen zur Warmwasserversorgung eines Vierpersonen-Haushalt aus.
Wärmesammler
Klassischerweise besteht ein Sonnenkollektor aus einem Röhrensystem oder einem flachen Hohlkörper aus Glas. Ähnlich wie beim Gartenschlauch ist dieser mit Wasser als Transportflüssigkeit gefüllt, wobei jedoch als winterlicher Frostschutz noch Glykol zugesetzt ist. Zur besseren Wärmeaufnahme sind die Kollektoren mit dunklem und gut wärmeleitendem Metall wie Kupfer oder Aluminium ausgekleidet. Dieser so genannte Absorber, also „Aufsauger“, erhitzt sich durch die auftreffenden Sonnenstrahlen und gibt die Wärme an das Wasser-Glykol-Gemisch im Inneren des Kollektors ab. Um Wärmeverluste an die Umgebung zu vermeiden, sind an der Unterseite Dämmstoffe angebracht. Sobald sich die Flüssigkeit genügend erwärmt hat, wird sie mit Hilfe einer Umwälzpumpe zum Wärmespeicher geleitet – in der Regel ein Wassertank von bis zu 300 Litern Fassungsvermögen. Dort gibt das Gemisch seine Wärme ab und wird zur erneuten Energieaufnahme zurück in den Sonnenkollektor gepumpt.
Wärmespeicher
Der Wassertank kompensiert die tageszeitlich bedingten Schwankungen der Energieausbeute: In der Regel kann mit dem morgendlichen Sonnenschein auch abends noch heiß geduscht werden. Große Probleme bereitet aber die jahreszeitliche „Lagerung“ nicht verbrauchter Wärme. Denn idealerweise sollte die überschüssige Energie des Sommers auch im Winter noch zum Heizen genutzt werden können. Doch da Wärme „flüchtig“ ist, ist die Speicherung der Energie über mehrere Monate hinweg bislang ein großes technisches Problem.
Erste erfolgreiche Lösungsansätze bieten Erdwärmesonden: Die gesammelte Energie wird in bodennahe Erdschichten eingebracht, die als natürlicher Wärmespeicher funktionieren. In Schweden werden beispielsweise große unterirdische und wassergefüllte Kavernen zur Speicherung genutzt. Mangels solch geologisch günstiger Verhältnisse werden in Deutschland alternative Speichermethoden ausprobiert. Vielversprechende Ergebnisse liefern bislang Lehmböden, grobkörniger Kies und Wasser oder im Erdreich versenkte, wassergefüllte Betonbehälter. Alle Verfahren befinden sich jedoch noch im Testbetrieb oder sind für einen großflächigen Einsatz bislang zu unwirtschaftlich.
Wärmenutzung
Neben der Erzeugung von Heißwasser kann der Sonnenkollektor auch zur Unterstützung der Heizung eingesetzt werden. Bislang reichen im Winter die solar erzeugten Temperaturen von 20 bis 30 Grad Celsius allerdings nur für Fußbodenheizungen aus, denn konventionelle Heizsysteme benötigen eine Heiztemperatur von 50 bis 60 Grad Celsius. Die Solarwärme kann deshalb häufig nur die Grundenergie liefern, der Rest muss auf herkömmlichem Weg erzeugt werden. Immerhin können moderne Anlagen im Sommer den Brauchwasserbedarf einer einzelnen Person vollständig durch ein bis zwei Quadratmeter Kollektorfläche und einen Warmwassertank von 100 Litern decken. Und über das Jahr gerechnet reicht die Leistung immer noch für etwa sechzig Prozent des Warmwasserbedarfs aus.
Zukunft
Ende 2003 waren insgesamt über fünf Quadratkilometer Kollektorfläche auf deutschen Dächern installiert. Auch wenn dies augenscheinlich nicht viel ist, so deckten diese im selben Jahr immerhin zwei Prozent des deutschen Warmwasserbedarfs. Rein theoretisch könnte auf deutschen Dächern eine Kollektorfläche von ungefähr 800 Quadratkilometern verbaut werden. Einschließlich der Flächen an Südfassaden oder über Parkplätzen wären 1.300 Quadratkilometer denkbar. Damit ließe sich die Hälfte des deutschen Warmwasser- und Heizwärmebedarfs decken – völlig emissionsfrei. Auch wenn diese großen Flächen mit Sonnenkollektoren utopisch erscheinen, so zeigen sie doch das enorme zukünftige Potenzial der Technik.
Stand: 12.03.2004
