Mit Solaranlagen Sonnenenergie nutzen

Die Energie der Sonne lässt sich mittels Solaranlagen auf zwei verschiedenen Wegen nutzbar machen: zum einen über die Solarthermie, zum anderen über die Photovoltaik. Der Hauptunterschied besteht darin, wie die eingehende Energie umgewandelt wird: Solarthermieanlagen erzeugen Wärme, Photovoltaikanlagen Strom. Ein Überblick zu Solaranlagen.
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    Solaranlagen: Photovoltaik und Solarthermie

    Wer sein Haus umweltfreundlich und kostengünstig mit Energie versorgen möchte, kann heute auf regenerative Ressourcen setzen. Ein mächtiger Energielieferant ist die Sonne.

    Sonnenenergie hat gegenüber fossilen Energieträgern viele Vorteile: Sie ist nicht nur kostenlos und quasi unerschöpflich, sie ist auch umweltfreundlich. Bei ihrer Nutzung werden weder Treibhausgase noch andere schädliche Stoffe freigesetzt. Allerdings hängt die nutzbare Sonnenenergie immer vom Wetter und von der Jahreszeit ab.

    Solaranlagen wandeln die Strahlungsenergie der Sonne in für uns nutzbare Energie um. Grundsätzlich unterscheidet man zwei verschiedene Prinzipien: die Solarthermie und die Photovoltaik (PV).

    Funktionsprinzipien von Solaranlagen

    Das Wort „Solaranlage“ wird oft als Synonym für „Photovoltaikanlage“ verwendet. Tatsächlich handelt es sich aber um einen Oberbegriff, der ebenso Solarthermieanlagen einschließt. Beide Arten von Solaranlagen unterscheiden sich jedoch dahingehend, wie sie die Sonnenenergie.

    Solarthermie verwandelt Sonnenenergie in Wärme

    Eine Solarthermieanlage wandelt die Sonnenstrahlung in Wärme für die Warmwasserbereitung und/oder für die Unterstützung der Heizungsanlage um. Eine Solarthermieanlage besteht aus folgenden Komponenten:

    • Solarkollektoren (Flach- oder Röhrenkollektoren)
    • Solarpumpe
    • isolierter Rohrkreislauf
    • Solarregelung
    • Wärmespeicher

    Das Funktionsprinzip: In Solarkollektoren, die auf dem Dach angebracht sind, wird die Wärme der Sonne aufgenommen und auf die sogenannte Solarflüssigkeit übertragen, meist ein Gemisch aus Wasser und einem speziellen Frostschutzmittel. Die bis zu 95 °C heiße Flüssigkeit wird zum Wärmespeicher gepumpt, wo sie die Wärme an darin enthaltenes Wasser abgibt. Dies geschieht über einen Wärmetauscher, die beiden Flüssigkeiten vermischen sich dabei nicht. Die abgekühlte Solarflüssigkeit wird in die Kollektoren zurückbefördert und der Kreislauf beginnt erneut.

    Der Solarregler überwacht dabei die Temperaturen im System: Ist die Flüssigkeit in den Kollektoren wärmer als jene im Speicher, wird die Pumpe gestartet – ist sie kälter, schaltet der Solarregler die Pumpe ab. Auf diese Weise wird die Wärme niemals ungewollt nach außen abgegeben. Moderne Regler können noch eine Reihe weiterer Aufgaben übernehmen. Dazu zählen neben der Regelung der konventionellen Heizung, dem Messen und Speichern der Ertragsdaten oder der Funktionskontrolle der Solarthermieanlage auch das Abführen überschüssiger Wärme.

    Hintergrund: An sonnigen Sommertagen, wenn der Speicher gefüllt ist und im Haus keine Wärmeenergie benötigt wird, kann sich die Temperatur des Systems so stark erhöhen, dass die Solarflüssigkeit verdampfen und es zu Schäden an der Anlage kommen könnte. Um dem vorzubeugen, startet der Solarregler die Pumpe, sodass die Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

    Eine wichtige Rolle bei der Solarthermie spielt der Wärmespeicher: Er sorgt dafür, dass auch nachts oder bei schlechtem Wetter Wärme bereitsteht. Der Speicher sollte ausreichend groß dimensioniert sein, damit Anlagenbetreiber sich mit Wärmeenergie für mehrere Tage bevorraten können. Es gibt drei verschiedene Arten von Speichern:

    1. In Trinkwasserspeichern wird warmes Trinkwasser bevorratet. Das Fassungsvermögen ist meist auf den Bedarf von zwei Tagen ausgelegt.
    2. Pufferspeicher sorgen dafür, dass zuvor überschüssige Wärmeenergie zu einem späteren Zeitpunkt bei Bedarf wieder zur Verfügung steht. Pufferspeicher lassen sich mit unterschiedlichen Wärmeerzeugern kombinieren, zum Beispiel mit einer Gasbrennwerttherme und/oder eben einer Solarthermieanlage.
    3. Kombispeicher vereinen Pufferspeicher und Trinkwasserspeicher miteinander. Ein Kombispeicher kommt zum Einsatz, wenn mit der Solarthermieanlage sowohl das Trinkwasser erwärmt als auch die Heizung unterstützt werden soll. Auch hier ist die Kombination mit verschiedenen Wärmeerzeugern möglich.

    Eine thermische Solaranlage kann nicht als alleiniger Wärmeerzeuger betrieben werden: Gerade im Winter, wenn der Heizbedarf am größten ist, liefert sie den geringsten Ertrag. Um den Bedarf an Heizenergie decken zu können, muss auch ein konventionelles Heizsystem zum Einsatz kommen.

    Photovoltaik wandelt Licht in Strom um

    Eine Photovoltaikanlage wandelt das Sonnenlicht in elektrische Energie um, die im Haushalt verbraucht werden kann oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Die Funktionsweise von Photovoltaikanlagen ist dabei sehr komplex. Zu einer Photovoltaikanlage gehören folgende Komponenten:

    Für Hausbesitzer ist es am lukrativsten, selbst erzeugten Solarstrom auch selbst zu verbrauchen und dadurch weniger Strom aus dem Netz zu beziehen. Der Eigenverbrauch kann gesteigert werden, indem man mit dem Sonnenstrom vom Dach nicht nur elektrische Haushaltsgeräte betreibt, sondern beispielsweise das Haus auch anteilig damit beheizt bzw. das Trinkwasser erwärmt.

    Solaranlage - Photovoltaik

    Um den Solarstrom möglichst umfassend zu nutzen, empfiehlt sich die Anschaffung eines Stromspeichers. Er ermöglicht es, die elektrische Energie aus der Photovoltaikanlage auch dann zu nutzen, wenn die Sonne gerade nicht scheint.

    Photovoltaik vs. Solarthermie: Wann lohnt sich was?

    Welche Art von Solaranlage sich für einen Hausbesitzer mehr anbietet, hängt von dessen individueller Situation, den Nutzungsgewohnheiten und dem Energiebedarf ab. Ein wichtiges Entscheidungskriterium ist für viele Hausbesitzer die Kostenfrage. Eine Photovoltaikanlage ist mit höheren Investitionskosten verbunden als eine Solarthermieanlage. Allerdings greifen Bund und Länder Bauherren mit verschiedenen Förderprogrammen unter die Arme. Zudem lässt sich überschüssiger Solarstrom gegen eine Vergütung in das öffentliche Stromnetz einspeisen.

    Weitere Aspekte, die bei der Entscheidung für eine der Technologien zu berücksichtigen sind, sind der Flächenbedarf, die laufenden Betriebskosten und die Amortisationszeit. Wichtig: Wer neu baut, hat die Pflicht zur Nutzung erneuerbarer Energien. Diese Nutzungspflicht lässt sich gemäß Gebäudeenergiegesetz (GEG) mit beiden Technologien erfüllen. Der selbst erzeugte Solarstrom kann außerdem auf den Jahres-Primärenergiebedarf angerechnet werden.

    Unterschiede zwischen Photovoltaikanlagen und thermischen Solaranlagen

     PhotovoltaikSolarthermie
    FunktionErzeugung von StromErzeugung von Wärme
    Einspeisung des Energieüberschussesmöglichnicht möglich
    Flächenbedarf6–8 m² pro kWp (je nach Modulart)nur Warmwasser: 1–1,5 m² pro Person
    Heizung und Warmwasser: 2–3 m² pro Person
    Wirkungsgrad8–20 % (je nach Modulart)bis zu 50 %
    Wartungsbedarfniedrig, eine Wartung sollte alle 1–2 Jahre durchgeführt werdenniedrig, eine kleine Wartung sollte alle 2 Jahre und eine intensive Wartung alle 3–6 Jahre durchgeführt werden
    jährliche Betriebskosten *150–250 Euro100–150 Euro
    Anschaffungskosten1.300–1.900 Euro pro kWp (abhängig von der Art der Module und der Gesamtgröße der Anlage)

    nur Warmwasser: ca. 5.000

    Heizung und Warmwasser: ca. 10.000 Euro

    Lebensdauer20–25 Jahre
    der Wechselrichter muss nach ca. 10 Jahren ausgetauscht werden
    20–25 Jahre
    Amortisationszeit10–14 Jahre 
    (bei hohem Eigenverbrauch auch kürzer)
    15–20 Jahre

    * z.B. Wartung, Reinigung, Versicherung

    Solarthermie oder Photovoltaik? Es geht auch beides

    Auf dem Dach stehen Photovoltaik und Solarthermie eigentlich in Konkurrenz um die verfügbare Dachfläche. Aber auch die Kombination von Photovoltaik und Solarthermie ist möglich. Im Rahmen der „Thermovoltaik“ oder „Photothermie“ werden entweder zwei separate Anlagen installiert oder es kommen spezielle Hybridmodule in der Solaranlage zum Einsatz, mit deren Hilfe sich sowohl Wärme als auch Strom erzeugen lassen.

    In einem Hybridmodul befindet sich hinter dem Photovoltaikmodul ein solarthermischer Absorber. Er fängt den Infrarot-Anteil des Sonnenlichts ein und führt ihn in den Heizkreislauf ab. Das bringt einen zusätzlichen Vorteil mit sich: Da die Solarzellen bei niedrigeren Temperaturen effizienter arbeiten, steigt der Wirkungsgrad. Hybridmodule benötigen vergleichsweise wenig Platz, allerdings sind die Anschaffungskosten hoch. Die Preise pro Modul beginnen bei 700 Euro.

    Solaranlage - PV-Module im Winter