Wärmeerzeugung mit Solarthermie

Die Nutzung der Sonnenenergie ist keine Erfindung der Neuzeit. Seit frühen Phasen der Menschheit wärmen wir uns im Sommer an der Sonne direkt und im Winter an der Sonnenenergie, die in unseren Pflanzen gespeichert ist: Holz, Kohle, Öl oder Gas heizen unsere Gebäude und erwärmen unser Trinkwasser.

Die Brennstoffvorräte, die die Natur im Laufe von Jahrmillionen angesammelt hat, stehen jedoch nicht unbegrenzt zur Verfügung. Fossile Energieträger werden knapper, eine Folge davon sind steigende Brennstoffkosten. Die Heiztechnikbranche arbeitet konsequent daran, einen verantwortungsvollen Umgang mit diesen Ressourcen zu ermöglichen und unsere Wärmeversorgung auch künftig bezahlbar zu machen.

Einen wichtigen Beitrag zum sparsamen Umgang mit Rohstoffen leistet die direkte Nutzung der Sonnenenergie durch Kollektoren. Dabei ist eine wirtschaftliche Nutzung der Sonnenenergie heute keine Zukunftsvision mehr. Mit technisch hochwertigen Kollektoren und darauf abgestimmten Gesamtsystemen ist sie im Alltag längst angekommen. Investitionen in diese Technologie lohnen sich unter wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten. Diese Erkenntnis setzt sich in der Bevölkerung mehr und mehr durch.

Relation Sonne und Erde

Wärme von der Sonne

Die Sonne ist auf lange Sicht die zuverlässigste Energiequelle, die der Menschheit zur Verfügung steht. Die technischen Möglichkeiten, die Energiequelle Sonne zur alltäglichen Wärmeerzeugung zu nutzen, sind ausgereift, werden jedoch im Alltag längst noch nicht ausgeschöpft.

Die Sonne ist fast fünf Milliarden Jahre alt, sie wird uns noch weitere fünf Milliarden Jahre erhalten bleiben. Sie ist eine besonders starke Strahlungsquelle, denn an der Sonnenoberfläche herrscht eine Temperatur von knapp 5.500 °C. Im Laufe eines Tages wird pro Quadratmeter Sonnenoberfläche eine Energiemenge von 1.512.000 kWh abgestrahlt, das entspricht dem Energieinhalt von mehr als 150.000 Litern Heizöl.  

Bewegung der Erde um die Sonne

Weil die Sonne rund 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist, schwächt sich diese enorme Strahlungsleistung so weit ab, dass ein Leben auf unserem Planeten möglich ist. Die durchschnittliche Strahlungsleistung, die auf den äußersten Rand der Erdatmosphäre trifft, liegt bei 1.367 W/m². Dieser Wert wird Solarkonstante genannt.

Bewegung der Erde um die Sonne
Sonnenbahn am Beispiel Würzburg

Sonnenbahn am Beispiel Würzburg

Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung ­ändert sich im Laufe des Jahres, und zwar in Abhängigkeit von der Jahreszeit und dem Breitengrad. Im Sommer treffen die Strahlen auf der Nordhalbkugel in einem deutlich steileren Winkel auf die Erde als im Winter. Und unabhängig von der Jahreszeit gilt: Je weiter wir uns auf der Nordhalbkugel nach Süden bewegen, desto höher steht die Mittagssonne am Himmel, desto größer ist also der Einfallswinkel der Strahlung.

Grafik: Zum Beispiel liegt Würzburg auf dem nördlichen Breitengrad von 49,7 Grad. Am 21. Juni treffen die Sonnenstrahlen mittags in einem Winkel von 63,8° auf die Erde. Am Mittag des 21. Dezembers beträgt dieser Winkel nur noch 16,8 Grad.

Globalstrahlung

Für die Nutzung der Sonnenenergie ist die Frage interessant, wie hoch der Anteil der Sonnenstrahlung ist, der real genutzt werden kann. Von den 1.367 W/m² Strahlungsstärke (Solarkonstante) treffen aufgrund des Ein­flusses der Atmosphäre noch maximal etwa 1.000 W/m² auf die Erdoberfläche.

Der Teil der Strahlung, der bei wolkenlosem Himmel auf die Erdoberfläche trifft, wird ­direkte Strahlung genannt. Passiert das Sonnenlicht Wolken, wird es gestreut und man spricht von diffuser Strahlung.

Die Summe aus diffuser und direkter Strahlung heißt Globalstrahlung.

Wie stark die Strahlung durch die Atmos­phäre reduziert wird, hängt auch vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlen ab. Je kleiner der Einfallswinkel, desto länger ist der Weg durch die Erdatmosphäre. Den kürzesten Weg legen die Sonnenstrahlen bei senkrechtem Einfall der Strahlung (= 90°) zurück. Dieses Phänomen kommt allerdings in unseren Breitengraden nicht vor, sondern nur in dem Bereich zwischen dem nördlichen und dem südlichen Wendekreis.

Einfluss der Atmosphäre
Sonneneinstrahlung in Deutschland

Eingestrahle Leistung

Für die solarthermische Nutzung der Sonnen­strahlung interessant ist die vorhandene Strahlungsleistung, gemessen auf einer ­definierten Fläche. Dieser Wert wird solare Bestrahlungs­stärke genannt und ist eine ­bestimmte Leistung pro Fläche.

Die Bestrahlungsstärke wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) angegeben und kann sehr unterschiedlich sein: Bei stark bedecktem Himmel beträgt sie etwa 50 W/m², bei sehr klarem Himmel bis zu 1.000 W/m².

Um errechnen zu können, welche Menge an Solarstrahlung tatsächlich in solarthermische Energie umgewandelt wird, muss die Dauer der Einstrahlung berücksichtigt werden. Energie ist das Produkt aus Leistung und Zeit, die Maßeinheit dafür ist Wattstunde (Wh). Die Energie der Globalstrahlung wird in Tages-, Monats- oder Jahressummen angegeben. Die maximalen Tagessummen in Deutschland liegen bei etwa 8 kWh/m² im Sommer. Aber selbst an einem sonnigen Wintertag können sich bis zu 3 kWh/m² ergeben.

Grafik: Sonneneinstrahlung in Deutschland - Im Sommerhalbjahr liegen die mittleren Tagessummen der Globalstrahlung deutlich über 3 kWh pro Quadratmeter.

Globalstrahlung in Deutschland

Die durchschnittlichen Jahressummen der Globalstrahlung (in kWh/(m²·a), a steht für Jahr) liegen in Deutschland im Schnitt zwischen 950 kWh/(m²·a) in der norddeutschen Tiefebene und 1.200 kWh/(m²·a) im Freiburger Raum bzw. in der Alpenregion. Einzelne Monatssummen der Globalstrahlungs­energie können vom Durchschnitt um bis zu 50 Prozent abweichen, einzelne Jahressummen bis zu 30 Prozent.

Globalstrahlung in Deutschland