Solarthermie Teil 1

In der ersten Folge der Solarthermie-Trilogie des Nize2Know SHK-Wissenspodcasts erfährst du alles über die verschiedenen Typen von Solarkollektoren, darunter Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren und Luftkollektoren. Volker Kremer, Vertriebsleiter der Firma Solvis, erklärt die Vor- und Nachteile dieser Systeme und gibt Einblicke in die nachhaltige Herstellung von Solarkollektoren. Solvis, ein langjähriger Solarexperte, entwickelt seit über 30 Jahren effiziente Hybrid-Heizsysteme mit erneuerbaren Energien und integrierter Warmwassertechnik. Ihre Produkte sind modular aufgebaut und wachsen mit den zukünftigen Bedürfnissen der Kunden mit, wobei der Fokus auf effizienter Wärmespeicherung und energetischer Unabhängigkeit liegt.

Höre dir die gesamte Folge an, um mehr über die innovativen Lösungen von Solvis zu erfahren.

Folgende Fragen werden zum Thema Solarthermie in Teil eins beantwortet:

Welche verschiedenen Kollektortypen in der Solarthermie gibt es?

In der ersten Folge der Solarthermie-Trilogie des Nize2Know SHK-Wissenspodcasts wurden die verschiedenen Kollektortypen ausführlich besprochen. Dabei handelt es sich um Systeme, die zur Nutzung von Solarenergie in Heizungsanlagen eingesetzt werden. Hier sind die wichtigsten Kollektortypen, die im Podcast behandelt wurden:

1. Flachkollektoren:

   • Beschreibung: Flachkollektoren sind die am weitesten verbreiteten Solarkollektoren. Sie bestehen aus einer flachen Absorberfläche, die mit einer Glasabdeckung versehen ist, um die eingefangene Sonnenenergie zu maximieren.
   • Vorteile: Diese Kollektoren sind kosteneffizient und bieten ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Sie können sowohl auf Dächern als auch auf Gestellen installiert werden.
   • Nachteile: Sie sind weniger effizient bei schwacher Sonneneinstrahlung im Vergleich zu Vakuumröhrenkollektoren.

2. Vakuumröhrenkollektoren:

   • Beschreibung: Diese Kollektoren bestehen aus Glasröhren, die wie Thermoskannen funktionieren und die Wärme sehr effizient isolieren. Es gibt zwei Haupttypen: Sydney-Röhren und Heatpipe-Systeme.
   • Vorteile: Sie sind besonders effizient bei schwacher Sonneneinstrahlung und können mehr Energie von der Dachfläche ernten als Flachkollektoren.
   • Nachteile: Sie sind teurer in der Anschaffung.

3. Kunststoffabsorber:

   • Beschreibung: Diese Kollektoren bestehen aus Kunststoffmaterialien und werden oft in Schwimmbädern verwendet, um große Wassermassen zu erwärmen.
   • Vorteile: Sie sind kostengünstig und einfach zu installieren.
   • Nachteile: Sie sind weniger effizient als andere Kollektortypen und daher für den Einsatz in privaten Haushalten weniger geeignet.

4. Luftkollektoren:

   • Beschreibung: Luftkollektoren sehen ähnlich aus wie Flachkollektoren, aber anstatt Wasser wird Luft durch sie geleitet. Diese erwärmte Luft wird dann zur kontrollierten Wohnraumlüftung genutzt.
   • Vorteile: Sie sind eine gute Ergänzung zu bestehenden Lüftungssystemen und können die Heizkosten reduzieren.
   • Nachteile: Sie sind weniger verbreitet und haben einen begrenzten Anwendungsbereich, hauptsächlich in Regionen mit spezifischen Heizungsanforderungen.

Nachhaltigkeit und Herstellung

Volker Kremer von der Firma Solvis betont, dass die Herstellung von Solarkollektoren, insbesondere Flachkollektoren, die in Deutschland gefertigt werden, nachhaltig ist. Solvis produziert seit fast 30 Jahren Kollektoren und legt großen Wert auf eine umweltfreundliche Produktion. Die energetische Amortisation von Solarkollektoren liegt je nach Studie zwischen 12 und 18 Monaten, was bedeutet, dass die Kollektoren innerhalb dieser Zeit die Energie, die zu ihrer Herstellung benötigt wurde, wieder einspielen.

Solvis: Ein Pionier in der Solarthermie

Solvis ist bekannt für die Entwicklung effizienter Hybrid-Heizsysteme mit erneuerbaren Energien und integrierter Warmwassertechnik. Die Produkte sind modular aufgebaut, was bedeutet, dass sie mit den zukünftigen Bedürfnissen der Kunden wachsen können. Der Fokus von Solvis liegt auf der effizienten Wärmespeicherung und energetischen Unabhängigkeit, was ihre Heizsysteme einzigartig macht.

Fazit

Die verschiedenen Kollektortypen bieten je nach Anwendungsfall unterschiedliche Vorteile. Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren sind die am häufigsten verwendeten Systeme in der Solarthermie. Für spezielle Anwendungen gibt es auch Kunststoffabsorber und Luftkollektoren. Die Wahl des richtigen Kollektortyps hängt von den individuellen Anforderungen und den klimatischen Bedingungen ab.

Was sind die Vor- und Nachteile der verschiedenen Kollektortypen in der Solarthermie?

1. Flachkollektoren

Vorteile:

• Kosten-Effizienz: Flachkollektoren bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis. Sie sind kostengünstiger in der Anschaffung und Installation im Vergleich zu anderen Kollektortypen.
• Einfachheit: Diese Kollektoren sind relativ einfach zu installieren und zu warten. Sie können sowohl auf Schrägdächern als auch auf Flachdächern montiert werden.
• Robustheit: Flachkollektoren sind mechanisch robust und widerstandsfähig gegen äußere Einflüsse wie Hagel oder Schnee.

Nachteile:

• Effizienz bei geringer Sonneneinstrahlung: Flachkollektoren sind weniger effizient bei schwacher Sonneneinstrahlung und kälteren Temperaturen. Ihre Leistung kann in der Übergangszeit und im Winter deutlich abnehmen.
• Größerer Platzbedarf: Um eine vergleichbare Energiemenge zu erzeugen wie bei Vakuumröhrenkollektoren, benötigen Flachkollektoren mehr Dachfläche.

2. Vakuumröhrenkollektoren

Vorteile:

• Hohe Effizienz: Vakuumröhrenkollektoren sind besonders effizient bei schwacher Sonneneinstrahlung und niedrigen Temperaturen. Sie können die diffuse Strahlung besser nutzen und sind somit leistungsfähiger in der Übergangszeit und im Winter.
• Besserer Isolationswert: Durch das Vakuum in den Röhren sind diese Kollektoren hervorragend isoliert und verlieren weniger Wärme an die Umgebung.

Nachteile:

• Höhere Kosten: Die Anschaffung und Installation von Vakuumröhrenkollektoren sind teurer als bei Flachkollektoren.
• Komplexität: Diese Kollektoren sind mechanisch komplexer und können anfälliger für Beschädigungen sein, z.B. durch Hagel oder extreme Wetterbedingungen.
• Aufwändigere Wartung: Aufgrund ihrer komplexen Bauweise kann die Wartung und Reparatur von Vakuumröhrenkollektoren anspruchsvoller und kostspieliger sein.

3. Kunststoffabsorber

Vorteile:

• Kostengünstig: Kunststoffabsorber sind eine preiswerte Lösung und eignen sich besonders für Anwendungen mit großen Wassermengen, wie z.B. in Schwimmbädern.
• Leichte Installation: Diese Kollektoren sind einfach zu installieren und erfordern keine speziellen Kenntnisse.

Nachteile:

• Geringe Effizienz: Kunststoffabsorber sind weniger effizient als Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren. Sie sind nicht geeignet für die Bereitstellung von Wärme in privaten Haushalten oder für die Unterstützung der Heizungsanlage.
• Begrenzte Anwendungsbereiche: Aufgrund ihrer geringen Effizienz sind Kunststoffabsorber hauptsächlich für spezielle Anwendungen wie die Erwärmung von Schwimmbadwasser geeignet.

4. Luftkollektoren

Vorteile:

• Nutzung von Luft als Medium: Luftkollektoren erwärmen Luft anstelle von Wasser und können direkt in Lüftungssysteme integriert werden.
• Keine Frostgefahr: Da kein Wasser im System zirkuliert, besteht keine Gefahr von Frostschäden, was sie besonders wartungsarm macht.

Nachteile:

• Begrenzte Verbreitung: Luftkollektoren sind weniger verbreitet und kommen hauptsächlich in spezifischen Anwendungen zum Einsatz, z.B. in kontrollierten Wohnraumlüftungen.
• Niedrigere Effizienz: Diese Kollektoren sind generell weniger effizient als Flach- und Vakuumröhrenkollektoren, insbesondere in Regionen mit geringer Sonneneinstrahlung.

Fazit

Die Wahl des richtigen Kollektortyps hängt von den spezifischen Anforderungen und Bedingungen des jeweiligen Projekts ab. Flachkollektoren sind eine kostengünstige und robuste Lösung, während Vakuumröhrenkollektoren bei schwacher Sonneneinstrahlung und kälteren Temperaturen besonders effizient sind. Kunststoffabsorber eignen sich für spezielle Anwendungen wie die Erwärmung von Schwimmbadwasser, und Luftkollektoren können in Lüftungssysteme integriert werden, um die Luft zu erwärmen.

Wie nachhaltig ist die Herstellung von Solarkollektoren in der Solarthermie?

Die Nachhaltigkeit der Herstellung von Solarkollektoren ist ein entscheidender Faktor, wenn es um die Bewertung der ökologischen Vorteile der Solarthermie geht.

Herstellung und Nachhaltigkeit von Solarkollektoren

1. Energieaufwand und Amortisationszeit

Ein zentraler Aspekt der Nachhaltigkeit von Solarkollektoren ist der Energieaufwand für deren Herstellung. Laut Volker Kremer von der Firma Solvis beträgt die energetische Amortisationszeit von Solarkollektoren je nach Studie zwischen 12 und 18 Monaten. Dies bedeutet, dass die Kollektoren innerhalb dieses Zeitraums die Energie, die zu ihrer Herstellung benötigt wurde, durch die erzeugte Solarenergie wieder einspielen. Nach dieser Amortisationszeit arbeiten die Kollektoren netto energieneutral und tragen zur Reduktion von CO2-Emissionen bei.

2. Materialien und Herstellungsprozess

Solarkollektoren bestehen in der Regel aus langlebigen und recycelbaren Materialien wie Aluminium, Glas und Kupfer. Diese Materialien werden sorgfältig ausgewählt, um eine hohe Effizienz und eine lange Lebensdauer der Kollektoren zu gewährleisten.

• Aluminium: Wird für den Rahmen und die äußere Wanne verwendet. Aluminium ist leicht, korrosionsbeständig und gut recycelbar.
• Glas: Die Abdeckung der Kollektoren besteht aus speziellem, selektivem Glas, das die Sonneneinstrahlung optimal durchlässt und wenig reflektiert. Dieses Glas ist oft ein Verbundsicherheitsglas, das bei Beschädigung in kleine, ungefährliche Stücke zerbricht.
• Kupfer: Die Absorber bestehen meist aus Aluminium mit darunter geschweißten Kupferrohren, durch die das Wärmeträgermedium fließt. Kupfer ist ein ausgezeichneter Wärmeleiter und ebenfalls recycelbar.

3. Produktionsstandort und Energiequellen

Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Produktionsstandort und die dort genutzten Energiequellen. Die Firma Solvis produziert ihre Solarkollektoren in Braunschweig, Deutschland, und legt großen Wert auf eine umweltfreundliche und nachhaltige Produktion. Solvis betreibt eine sogenannte Nullemissionsfabrik, in der der Energiebedarf durch erneuerbare Energien gedeckt wird. Dies bedeutet, dass die Herstellung der Kollektoren nahezu CO2-neutral erfolgt, was die ökologische Bilanz weiter verbessert.

4. Langlebigkeit und Wartungsaufwand

Die Langlebigkeit und der Wartungsaufwand von Solarkollektoren sind ebenfalls entscheidende Faktoren für ihre Nachhaltigkeit. Hochwertige Kollektoren haben eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren und erfordern nur minimalen Wartungsaufwand. Dies reduziert die Umweltbelastung durch Ersatzteile und Reparaturen und trägt zur langfristigen Nachhaltigkeit bei.

5. Umweltfreundliche Technologien und Innovationen

Hersteller wie Solvis investieren kontinuierlich in Forschung und Entwicklung, um die Effizienz und Nachhaltigkeit ihrer Produkte zu verbessern. Dazu gehört die Optimierung der Wärmespeicherung und die Integration modularer Systeme, die sich an die Bedürfnisse der Kunden anpassen lassen und zukünftige Erweiterungen ermöglichen.

Fazit

Die Herstellung von Solarkollektoren in der Solarthermie ist nachhaltig, da sie eine kurze energetische Amortisationszeit hat, aus recycelbaren Materialien besteht und in umweltfreundlichen Produktionsanlagen erfolgt. Durch die lange Lebensdauer und den geringen Wartungsaufwand der Kollektoren wird die Umweltbelastung weiter minimiert. Hersteller wie Solvis setzen auf innovative Technologien und nachhaltige Produktionsmethoden, um die ökologische Bilanz ihrer Produkte kontinuierlich zu verbessern.

Wie funktioniert eine solarthermische Anlage?

Eine solarthermische Anlage nutzt die Energie der Sonne zur Erzeugung von Wärme, die entweder zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung verwendet wird.

Komponenten und Aufbau einer solarthermischen Anlage

Eine solarthermische Anlage besteht aus mehreren Hauptkomponenten, die zusammenarbeiten, um die Sonnenenergie effizient in Wärme umzuwandeln:

1. Solarkollektoren:

   • Flachkollektoren: Diese bestehen aus einer flachen Absorberfläche mit einer Glasabdeckung, die die Sonnenstrahlen einfängt und in Wärme umwandelt. Unter dem Absorber befinden sich Kupferrohre, durch die das Wärmeträgermedium fließt.
   • Vakuumröhrenkollektoren: Diese bestehen aus parallelen Glasröhren, die wie Thermoskannen isoliert sind. Sie sind besonders effizient bei geringer Sonneneinstrahlung.

2. Wärmeträgermedium:

   • In den Kollektoren zirkuliert ein Wärmeträgermedium, das typischerweise aus einer Mischung von Wasser und Frostschutzmittel besteht. Dieses Medium nimmt die Wärme auf und transportiert sie weiter.

3. Speicher:

   • Der Wärmespeicher ist ein zentraler Bestandteil der Anlage. Er speichert die erzeugte Wärme, damit sie bei Bedarf genutzt werden kann. Es gibt spezielle Pufferspeicher für die Heizungsunterstützung und Warmwasserspeicher für die Trinkwassererwärmung.

4. Pumpen und Regelung:

   • Um das Wärmeträgermedium durch die Kollektoren und zum Speicher zu transportieren, sind Pumpen notwendig. Eine Regelungseinheit steuert die Pumpe und sorgt dafür, dass die Anlage effizient arbeitet und die Wärme optimal genutzt wird.

5. Rohrleitungen und Wärmeübertrager:

   • Die Rohrleitungen verbinden die Kollektoren mit dem Speicher. Der Wärmeübertrager im Speicher ermöglicht den effizienten Austausch der Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Wasser im Speicher.

Funktionsweise einer solarthermischen Anlage

Die Funktionsweise einer solarthermischen Anlage lässt sich in folgenden Schritten beschreiben:

1. Energiegewinnung durch die Kollektoren:

   • Die Solarkollektoren fangen die Sonnenstrahlen ein. Die Absorberfläche wandelt die solare Strahlungsenergie in Wärme um. Diese Wärme wird auf das Wärmeträgermedium übertragen, das durch die Kupferrohre im Kollektor fließt.

2. Transport der Wärme:

   • Das erwärmte Wärmeträgermedium wird durch die Pumpen zu einem Wärmespeicher geleitet. Die Regelungseinheit überwacht die Temperatur und stellt sicher, dass die Pumpe nur bei ausreichender Sonneneinstrahlung arbeitet, um den Energieverbrauch zu minimieren.

3. Wärmespeicherung:

   • Im Speicher wird die Wärmeenergie vom Wärmeträgermedium auf das Wasser im Speicher übertragen. Ein Wärmeübertrager sorgt für den effizienten Transfer der Wärme. Das gespeicherte Wasser kann entweder zur direkten Nutzung als Warmwasser oder zur Unterstützung der Heizung verwendet werden.

4. Nutzung der gespeicherten Wärme:

   • Das warme Wasser aus dem Speicher wird bei Bedarf für die Warmwasserversorgung im Haushalt genutzt oder in das Heizsystem eingespeist, um die Raumheizung zu unterstützen. Dies reduziert den Bedarf an konventionellen Heizmethoden und senkt die Energiekosten.

Vorteile einer solarthermischen Anlage

• Reduktion der Energiekosten: Durch die Nutzung der kostenlosen Sonnenenergie können die Energiekosten für Warmwasser und Heizung erheblich gesenkt werden.
• Umweltschonend: Solarthermische Anlagen produzieren keine CO2-Emissionen während des Betriebs und tragen somit zur Reduktion des ökologischen Fußabdrucks bei.
• Energieunabhängigkeit: Die Anlagen erhöhen die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen und steigenden Energiepreisen.
• Langlebigkeit und Wartungsarmut: Solarkollektoren und die zugehörigen Komponenten sind robust und langlebig, was zu geringen Wartungskosten führt.

Fazit

Eine solarthermische Anlage ist eine effiziente und nachhaltige Methode, um die Energie der Sonne für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung zu nutzen. Die Anlage besteht aus Solarkollektoren, einem Wärmespeicher, Pumpen, einer Regelungseinheit und den entsprechenden Rohrleitungen. Sie bietet zahlreiche Vorteile, darunter Kosteneinsparungen, Umweltfreundlichkeit und erhöhte Energieunabhängigkeit.

Wie ist der Aufbau von Flachkollektoren in der Solarthermie?

Flachkollektoren sind eine der am weitesten verbreiteten Technologien in der Solarthermie und zeichnen sich durch ihre Effizienz und Robustheit aus. In der ersten Folge der Solarthermie-Trilogie des Nize2Know SHK-Wissenspodcasts wurde der Aufbau von Flachkollektoren detailliert erläutert. 

Grundlegender Aufbau eines Flachkollektors

Ein Flachkollektor besteht aus mehreren Schichten und Komponenten, die zusammenarbeiten, um die Sonnenenergie effizient in Wärme umzuwandeln. Die Hauptbestandteile eines Flachkollektors sind:

1. Glasabdeckung:

   • Die oberste Schicht eines Flachkollektors ist die Glasabdeckung. Diese besteht aus speziellem, hochtransparentem Glas, das selektiv für solare Strahlung optimiert ist. Es lässt einen Großteil der Sonnenstrahlen durch und minimiert Reflexionen.
   • Eigenschaften: Das Glas ist in der Regel ein Verbundsicherheitsglas, das bei Beschädigung in kleine, ungefährliche Stücke zerbricht. Dies erhöht die Sicherheit und Langlebigkeit des Kollektors.

2. Absorber:

   • Direkt unter der Glasabdeckung befindet sich der Absorber, der das Herzstück des Flachkollektors bildet. Der Absorber besteht typischerweise aus einer Metallplatte (häufig aus Aluminium), die eine spezielle Beschichtung aufweist, um die Sonnenstrahlen effizient zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln.
   • Beschichtung: Diese Beschichtung ist selektiv und soll möglichst viel solare Strahlung absorbieren und gleichzeitig die Wärmeverluste durch Emission minimieren.

3. Rohrsystem:

   • Unter dem Absorber ist ein Rohrsystem angebracht, das meist aus Kupfer besteht. Durch diese Rohre fließt das Wärmeträgermedium (meist eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel), das die aufgenommene Wärme vom Absorber aufnimmt und weitertransportiert.
   • Verbindung: Die Rohre sind entweder direkt mit dem Absorber verschweißt oder gelötet, um einen optimalen Wärmeübergang zu gewährleisten. Bei Solvis werden die Rohre mit dem Absorber verschweißt, was eine hohe Anzahl an Schweißpunkten pro Meter (ca. 600) beinhaltet, um eine effektive Wärmeübertragung sicherzustellen.

4. Dämmung:

   • Unter dem Rohrsystem befindet sich eine Dämmschicht, die meist aus Steinwolle oder Polyurethan besteht. Diese Schicht minimiert die Wärmeverluste nach unten und sorgt dafür, dass die Wärme im Kollektor bleibt und effektiv genutzt wird.
   • Wärmeisolierung: Die Dämmung spielt eine entscheidende Rolle dabei, die Effizienz des Kollektors zu maximieren, indem sie die Wärmeverluste an die Umgebung reduziert.

5. Gehäuse:

   • Der gesamte Aufbau ist in einem Gehäuse untergebracht, das typischerweise aus Aluminium oder einem anderen witterungsbeständigen Material besteht. Dieses Gehäuse schützt die inneren Komponenten vor Umwelteinflüssen und sorgt für die strukturelle Integrität des Kollektors.
   • Wetterschutz: Das Gehäuse ist robust und widerstandsfähig gegen Korrosion, was die Lebensdauer des Kollektors erhöht.

6. Rückwand:

   • Die Rückseite des Kollektors ist ebenfalls isoliert und oft aus einem wärmedämmenden Material gefertigt. Dies trägt zusätzlich dazu bei, die Wärmeverluste zu minimieren und die Gesamtleistung des Kollektors zu steigern.

Funktionsweise des Flachkollektors

Die Funktionsweise eines Flachkollektors basiert auf dem Prinzip der Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärmeenergie:

1. Absorption der Sonnenstrahlung:

   • Die Sonnenstrahlen treffen auf die Glasabdeckung und dringen durch sie hindurch, um auf den Absorber zu treffen. Das spezielle Glas und die Beschichtung des Absorbers sorgen dafür, dass die maximale Menge an Strahlung in Wärme umgewandelt wird.

2. Wärmeübertragung an das Trägermedium:

   • Die absorbierte Wärme wird vom Absorber auf das darunterliegende Rohrsystem übertragen. Das Wärmeträgermedium in den Rohren nimmt diese Wärme auf.

3. Transport der Wärme:

   • Das erwärmte Trägermedium fließt durch die Rohre und wird mithilfe einer Pumpe zu einem Wärmespeicher oder direkt zum Verbrauchspunkt (z.B. einem Warmwasserspeicher oder Heizsystem) geleitet.

4. Vermeidung von Wärmeverlusten:

   • Die Dämmung und die geschlossene Bauweise des Gehäuses verhindern, dass die aufgenommene Wärme verloren geht, und stellen sicher, dass die Wärme möglichst effizient genutzt wird.

Fazit

Flachkollektoren sind eine bewährte und effiziente Technologie in der Solarthermie. Ihr Aufbau mit einer hochwertigen Glasabdeckung, einem selektiven Absorber, einem gut isolierten Rohrsystem und einer effektiven Dämmung ermöglicht eine optimale Nutzung der Sonnenenergie. Sie sind robust, langlebig und wartungsarm, was sie zu einer attraktiven Option für die nachhaltige Wärmeerzeugung macht.

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