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Ertrag von Solarthermie-Anlagen

Wie berechnet sich der Solarthermie-Ertrag? Welche Faktoren beeinflussen den Solarwärmeertrag? Welche Ertragsverluste gibt es?

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Solarertrag, Kollektorertrag und globale Solarstrahlung

Solarertrag oder auch Wärmeertrag nennt man die von der Solarthermie-Anlage erzeugte Wärmeenergie, die man auch tatsächlich nutzen kann. Da sich die Solarkollektoren baulich, funktional und leistungsmäßig unterscheiden, ordnet man jedem Kollektor beziehungsweise Kollektortyp einen spezifischen, systembedingten Solarertrag zu, den man deshalb Kollektorertrag oder Systemertrag nennt. Deshalb ist der Kollektorertrag der Solarertrag eines Kollektors.

Die Menge an Sonnenenergie, die auf die Erdoberfläche auftrifft, nennt man globale Solarstrahlung oder Globalstrahlung. Sie ist von vielen Faktoren abhängig und daher auch auf jedem Fleckchen Erde unterschiedlich hoch. Die Globalstrahlung für Deutschland beziffert der Deutsche Wetterdienst auf Strahlungswerte zwischen 950 und 1.250 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter (m2) einer waagerechten Fläche im Jahr.

Da ein großer Teil der Sonnenstrahlung, die auf die Solarkollektoren auftrifft sozusagen „unterwegs“ im System verloren geht, kann man als Richtwert für den jährlichen Solarertrag einer Solarthermie-Anlage 450 bis 600 kWh/m2 der Kollektorfläche annehmen. Der optische Wirkungsgrad eines Kollektors liegt daher in der Praxis nur bei rund 50% bis 60%.

Faktoren, die den Solarthermie-Ertrag beeinflussen

Der Ertrag der Solarthermieanlage hängt demnach zuallererst von der tatsächlichen Sonneneinstrahlung ab: Sie ist im Norden, an der Ostseeküste, und im Süden Deutschlands besonders hoch. Dazu beeinflusst der Standort der Anlage und die dort herrschenden Bedingungen die Höhe des Solarertrags. Zu den standortbedingten Einflussfaktoren zählen:

  • die Dachausrichtung zur Sonne hin, wobei eine südliche, südöstliche oder südwestliche Ausrichtung des Dachs hohe Erträge verspricht,
  • die Dachneigung und
  • die Verschattungssituation.

Ertragsberechnung nach dem Wirkungsgrad

Der Ertrag einer Solarthermie-Anlage ist vom Wirkungsgrad der Kollektoren abhängig. Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der auf den Kollektor treffenden Solarstrahlung in nutzbare Wärme umgewandelt werden kann. Dieser Anteil ist wiederum abhängig von der Bestrahlungsstärke und der Differenz zwischen Absorber- und Umgebungstemperatur. Daher schwanken auch die Solarwärmeerträge übers Jahr.

Jährlicher Wärmeertrag einer Anlage für Solar-Warmwasser (Grafik: energie-experten.org)
Jährlicher Wärmeertrag einer Anlage für Solar-Warmwasser (Grafik: energie-experten.org)

Temperaturdifferenz bestimmt Solarertrag

Grundsätzlich gilt, je geringer die Temperaturspreizung, desto höhere Erträge lassen sich erzielen. Bei einer schlechten Dämmung der Solarthermie-Kollektoren und sehr niedrigen Außentemperaturen, wird vermehrt Wärme an die Umgebung abgegeben. Das wiederum bedeutet, dass mit steigender Kollektortemperatur bzw. sinkender Umgebungstemperatur der Solarthermie-Ertrag zum sogenannten Stagnationspunkt abnimmt.

Optische und thermische Ertragsverluste

Die Ertragsverluste lassen sich wiederum in optische und thermische Verluste unterteilen. Die von der Umgebungstemperatur unabhängigen optischen Verluste entstehen durch Reflexion der Solarstrahlung durch die Abdeckung des Kollektors als auch durch die Reflexionen des Absorbers und machen rund 20 Prozent der Verluste aus. Die restlichen 80 Prozent der Gesamtverluste entstehen durch thermische Verluste am Kollektor, Wärmeleitungen und Speicher innerhalb des Solarthermie-Kreislaufes.

Solarerträge von Solarthermie-Kollektoren

Die Erträge einer Solarthermie-Anlage unterscheiden sich auch je nach eingesetztem Kollektortyp. So weisen Vakuumröhrenkollektoren aufgrund stärkerer Reflexionen an der Glasröhre höhere optische Verluste als Flachkollektoren auf. Auf der anderen Seite liegen die Stillstandstemperaturen von Vakuumröhrenkollektoren aufgrund der guten Wärmeisolation über den Werten von Flachkollektoren. Bei typischen Einsatzbedingungen weisen Röhrenkollektoren insgesamt höhere Solarthermie-Erträge als Flachkollektoren auf.

Berechnung des Solarthermie-Ertrags

Zur Berechnung des Ertrags des Kollektors wird die (maximale) Globalstrahlung von 1000 Watt (W) pro Quadratmeter (m2) mit dem vom Hersteller des Kollektors abhängigen optischen Wirkungsgrad von z. B. 75 Prozent multipliziert. Diese maximale Kollektorleistung von 750 W/m2 wird jedoch unter Realbedingungen nicht erreicht. Nach VDI 6002 ist für die Planung von Solarthermie-Anlagen eher von einer Kollektorleistung von 500 W/m2 auszugehen. Der Kollektorertrag pro Jahr (a) errechnet sich dann als Produkt aus der Kollektorleistung in Kilowatt (kW) und den entsprechenden jährlichen Sonnenstunden (h). Daraus ergibt sich der Kollektorertrag pro Jahr in kWh/(m2a).

Tabelle 1: Berechnung des Solar-Ertrags
Solarstrahlung 1.000 W/m2
Kollektorleistung 500 W/m2
Sonnenstunden 800 h/a
Kollektorertrag pro Jahr 400 kWh/(m2a)
Kollektor-Fläche 6 m2
Anlagenertrag pro Jahr 2.400 kWh/(m2a)

Erträge nach Anwendungsgebiet und Anlagenkonzept

Da der Solarwärmeertrag neben dem Standort vor allem vom Einsatztemperaturbereich abhängig ist, werden je nach Anwendungsgebiet und Anlagenkonzept unterschiedlich hohe Erträge erzielt. Solarthermie-Anlagen zur Brauchwassererwärmung erzielen Jahreserträge pro m2 Kollektorfläche von etwa 500 bis 750 kWh. Bei einer solarthermischen Versorgung mit Warmwasser mit einer Solarwärmefläche von 6 m2 lassen sich somit Erträge von 3000 bis 4500 kWh erzeugen. Der Ertrag einer Anlage zur Heizungsunterstützung fällt mit 300 bis 500 kWh etwas niedriger aus. Bei einer Anlage mit einer Solarthermie-Fläche von rund 15 m2 kann daher von einem jährlichen Ertrag von 4500 bis 7500 kWh ausgegangen werden.

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"Kennzahlen & Berechnung des Solarthermie-Ertrag" wurde am 12.09.2017 das letzte Mal aktualisiert.