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Solaranlagen: Wann lohnt sich welcher Anlagentyp?

Was ist eine Solaranlage? Welche Anlagen-Typen gibt es und wie unterscheiden sie sich? Welche Vor- und Nachteile hat eine Solarwärme-Anlage, welche eine Solarstrom-Anlage? Wann lohnt sich der Einsatz einer Anlage zur Solarenergienutzung?

Wichtige Schritte in eine nachhaltige Energiewirtschaft sind einerseits die Abkehr von fossilen Energiespendern wie Öl, Gas und Kohle und andererseits die Nutzung Erneuerbarer Energie-Quellen wie u.a. Wind- und Sonnenkraft. Solare Energie lässt sich mit Solar-Anlagen ernten. Doch Solaranlage ist nicht gleich Solaranlage: Während man mit Hilfe der einen aus Sonnenlicht elektrischen Strom erzeugt, liefert die andere Sonnenwärme. Als Verbraucher kann man sich die eine, die andere oder sogar beide Solaranlagen aufs Dach holen. Unsere Energie-Experten vermitteln Ihnen in diesem Beitrag Grundwissen zu den unterschiedlichen Solaranlage-Formen. Sie erfahren, wie die Anlagen aufgebaut sind, wie sie funktionieren und wann ihr Einsatz Sinn macht.

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Solarstrom und Solarwärme dank Solaranlagen

Technische Anlagen, mit deren Hilfe sich Sonnenenergie in andere Energieformen umwandeln lässt, heißen Solaranlagen. Voraussetzung für ihren Betrieb ist Sonnenstrahlung, wobei moderne Anlagen nicht nur direkte sondern auch diffuse absorbieren können. Das heißt, dass sie auch in unseren Breitengraden durchaus ertragreich zu betreiben sind.

Solaranlage zur Stromerzeugung: Photovoltaik-Anlage

Solaranlagen zur Stromerzeugung sind millionenfach auf Deutschlands Dächern installiert und tragen einen bedeutenden Anteil zur regenerativen Stromerzeugung bei. (Foto: Grammer Solar / R. Ettl)
Solaranlagen zur Stromerzeugung sind millionenfach auf Deutschlands Dächern installiert und tragen einen bedeutenden Anteil zur regenerativen Stromerzeugung bei. (Foto: Grammer Solar / R. Ettl)

Eine Solaranlage, mit der aus dem vornehmlich Licht der Sonne elektrische Energie, also Elektrizität, sprich: Strom, erzeugt wird, nennt man nach der Art der Energieumwandlung Photovoltaik auch Photovoltaik-Solaranlage, Photovoltaikanlage, kurz: PV-Anlage, kürzer: PVA.

Photo ist ein Begriff aus dem Griechischen und bedeutet Licht. Das Sonnenlicht, die Energiequelle, besteht aus vielen Photonen (Energieträger). Um diese aufzufangen, nutzt man Solarzellen. Das sind kleine elektrische Bauteile, die die Strahlungsenergie absorbieren und in elektrische umwandeln. In den meisten PV-Solaranlagen sitzen heute Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Silizium, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen Leitern und Nichtleitern liegt. Gängig sind zwei Siliziumschichten übereinander, zwischen denen eine Grenzschicht besteht. Auf Vorder- und Rückseite sind metallische Kontakte aufgebracht.

Sobald die Sonnenlicht-Photonen auf die Siliziumschicht der Solarzelle treffen, werden negativ geladene Elektronen frei, die nach oben zu den Leiterbahnen der Solarzelle wandern, während positiv geladene „Löcher“ sich in Richtung Rückseitenkontakte bewegen. Da negative und positive Ladungen einander anziehen, die Grenzschicht jedoch eine direkte Verbindung verhindert, müssen die freigesetzten Teilchen den Umweg über die angeschlossene Leitung nutzen. Es wird also eine Teilchenbewegung ausgelöst – ein sogenannter Strom. Dabei handelt es sich um Gleichstrom. Der wird zum Wechselrichter geführt, um ihn in Wechselstrom umzuwandeln. Nur so kann er ins öffentliche Netz eingespeist werden.

Nutzen kann man den in einer solchen Solaranlage erzeugten Strom direkt vor Ort im Haushalt oder man lagert ihn für später in einem entsprechenden Stromspeicher zwischen. Ein Überschuss kann ins Netz gespeist werden, wofür der Staat eine Einspeisevergütung zahlt, bei Unterproduktion, beispielsweise mangels Sonnenlicht, bezieht man den fehlenden Strom aus dem Netz, wofür die normalen Stromkosten aufgebracht werden müssen.

Solche Solarzellen, in der Regel 36 bis 72, sind zu Solarmodulen zusammengebaut. Solarmodule, Montagevorrichtungen, Leitungen, ein Wechselrichter und evtl. ein Stromspeicher ergeben dann die typische Solaranlage zur Stromerzeugung.

Solaranlage zur Wärmeerzeugung: Solarthermie-Anlage

Eine Solaranlage, mit der die Wärme (Thermie) der Sonne gesammelt wird, um damit zu heizen - die Rede ist hier von einer Erwärmung des Heizwassers (Räume) und Brauchwassers (Baden, Waschen, Duschen) in Haushalten sowie von Wärme für gewerbliche oder industrielle Zwecke – heißt Solarthermie-Anlage, kurz: ST-Anlage.

Die Bauteile, die die Solarwärme einsammeln, nennt man Kollektoren. Es gibt mehrere Kollektorarten, die sich sowohl in Aufbau und Funktionsweise als auch in daraus resultierender Leistung unterscheiden, zum Beispiel Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren. Solche Kollektorentypen haben oft weitere Varianten, zum Beispiel Vakuumröhrenkollektoren.

Kollektoren haben einen Absorber, den eigentlichen Solarwärme-Sammler. Meist ist das eine speziell beschichtete Absorberfläche, die von der elektromagnetischen Strahlung der Sonne (sichtbarer und infraroter Strahlungsbereich) erhitzt wird. Die Absorberfläche ist in Rohren platziert, die mehrheitlich von Flüssigkeit (Wärmeträgerfluid oder Wasser) oder Gas (Luft) durchströmt werden. Beim Passieren der erhitzten Absorberfläche erwärmen sich Flüssigkeit oder Gas.

Innerhalb einer solchen Solaranleg wird durch eine Pumpe oder ein Ventilator, manchmal auch allein durch die auftreibende Kraft der Erwärmung, das erwärmte Medium zu einem Wärmespeicher geleitet. Dort wird es beispielsweise über Wärmetauscher abgekühlt, wobei gleichzeitig ein Wärmespeichermedium erhitzt wird. Die Wärme bleibt im Speicher, das kühle Wärmeträgermedium wird zum Absorber zurückgeleitet, so dass ein Kreislauf in der Solaranlage stattfindet.

Eine weitere Nutzung solarer Wärme aus Kollektoren sind Kältemaschinen zur Regulierung des Raumklimas. Sie gelten als besonders effizient, weil sie zum Zeitpunkt der höchsten Sonneneinstrahlung ihren höchsten Ertrag, sprich: die stärkste Kühlung, liefern – und genau das ist ihre Aufgabe: mit solarthermisch betriebenen Kältemaschinen werden Räume gekühlt.

Schematische Darstellung einer Solarthermieanlage mit einer Luftwärmepumpe (Grafik: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)
Schematische Darstellung einer Solarthermieanlage mit einer Luftwärmepumpe (Grafik: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)

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Weitere Solaranlagenformen: Solarthermie-Kraftwerke & Co.

Erwähnt werden müssen an dieser Stelle auch Solarthermie-Kraftwerke, die Energie im großen Maßstab liefern: Mit Hilfe der erzeugten Wärme in sehr hohen Temperaturen wir dort Großteils Strom erzeugt, daher auch die Bezeichnung Solarthermie-Kraftwerk. Sie stellen damit eine Kombination aus Solarwärme- und Solarstrom-Anlage dar. Ebenso erwähnenswert sind photochemische Solaranlagen, die photochemische Reaktionen für industrielle Zwecke liefern.

Auswahl von Solaranlagen: Photovoltaik oder Solarthermie?

Mit einer Solaranlage lässt sich an sonnigen Tagen der Eigenverbrauch eines Einfamilienhaushaltes vollständig decken. (Foto: energie-experten.org)
Mit einer Solaranlage lässt sich an sonnigen Tagen der Eigenverbrauch eines Einfamilienhaushaltes vollständig decken. (Foto: energie-experten.org)

Deutsche Verbraucher mit eigenem Dach über dem Kopf entscheiden sich derzeit noch mehrheitlich für Photovoltaik-Anlagen. Das heißt aber nicht, dass diese „besser“ sind als thermische Solaranlagen. Vielmehr spricht dies dafür, dass die Stromwende hierzulande „lauter“ propagiert und mit staatlichen Fördermitteln lange auch verbraucherfreundlicher gestützt wurde als die Wärmewende – beide sind für das Gelingen der Energiewende jedoch unerlässlich. Als Verbraucher will man Energie sparen. Entweder Strom oder Wärme, also Stromkosten oder Heizkosten. Oder beides.

Für und Wider eine Solarstrom-Anlage

Während Solarthermie „nur“ Wärme liefert, kann Photovoltaik Strom liefern und bei Integration einiger Zusatzsysteme auch zur Wärmeversorgung beitragen. Zum Beispiel, indem man die PV-Solaranlage mit einer Wärmepumpe (Power to Heat) kombiniert. Grundsätzliches Problem ist jedoch, dass der Zeitpunkt von Stromerzeugung aus Sonnenenergie und der von Stromverbrauch im Haushalt nicht immer zusammenfallen. Neben einer Wärmepumpe bedarf es daher eines Stromspeichers, um wirklich einen Großteil des eigenen Haushaltsstrombedarfs zu decken.

Für und Wider eine Solarwärme-Anlage

Ist kein Platz auf dem Hausdach oder darf dieses aus baurechtlichen Gründen nicht genutzt werden, so können Solarwärmeanlagen auch ebenerdig aufgeständert werden. (Foto: energie-experten.org)
Ist kein Platz auf dem Hausdach oder darf dieses aus baurechtlichen Gründen nicht genutzt werden, so können Solarwärmeanlagen auch ebenerdig aufgeständert werden. (Foto: energie-experten.org)

Wärme aus einer Solarwärmeanlage lässt sich hingegen sehr gut in Wärmespeichern für einen späteren Bedarf puffern. So kann man im Sommer die eigentliche Heizung gänzlich ausgeschaltet lassen. Je nach der Größe des Speichers kann die gesammelte Solarwärme über Tage, Wochen und sogar Monate zwischengespeichert werden. Demgegenüber steht das Kosten-Nutzen-Verhältnis einer Solarwärmeanlage. Betrachtet man den Beitrag der Heizkosteneinsparung im Sommer, so ist bei einer normalen Anlagenkonfiguration mit einer verhältnismäßig langen Amortisationsdauer zu rechnen. Speziell im Neubau bietet eine Solarwärmeanlage hingegen vielfältige Möglichkeiten in Kombination mit anderen Heizungssystemen die Anforderungen der neuen EnEV bzw. des KfW-Effizienzhauses zu erfüllen und somit einen höheren Förderkredit zu beantragen.

Solarstrom- oder Solarwärmeanlage

Ob PV- und / oder ST-Solaranlage, das ist auch eine Frage der Größe des Dachs, das die Solarmodule oder Solarkollektoren tragen soll. Bisher galt, dass sich PV besonders bei großen Dachflächen lohnte, da die Solaranlage bei entsprechender Modulfläche gute Erträge einfahren konnte und es eine annehmbare Einspeisevergütung vom Staat gab. PV-Anlagen galten somit als Rendite-Objekt beziehungsweise als Gelanlage.

Mit der stetig verminderten Einspeisevergütung hat sich dieser Vorteil zerschlagen. Dafür rückt der Eigenverbrauch des selbst erzeugten Stroms als Motiv für den Kauf einer PV-Solaranlage stärker ins Augenmerk des Verbrauchers. Denn selbst gemachter Strom ist billiger als aus dem Netz gezogener.

Neben der rein wirtschaftlichen Betrachtungsweise bietet eine Solarwärmeanlage hingegen die Möglichkeit, sich unabhängig mit Wärme zu versorgen. Hinzu kommt, dass Wärme aus einer Solaranlage selbstverständlich umwelt- und klimafreundlich ist. Wer daher auch diese Vorteile nutzen möchte, der sollte heutzutage beide Anlagenformen erwägen, denn kombiniert ergibt sich so eine größere Energieautarkie. Dies kann sowohl nebeneinander auf dem Dach in Form von zwei getrennten Anlagen oder in Form einer Anlage mit Hybridmodulen bzw. Hybridkollektoren sein.

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"Solaranlagen: Wann lohnt sich welcher Anlagentyp?" wurde am 06.06.2016 das letzte Mal aktualisiert.