Solarthermie
Bei der Solarthermie wird die Sonnenenergie in nutzbare Wärmeenergie umgewandelt. Die Energiemenge, die durch Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche auftrifft ist über fünftausendmal höher, als der gesamte Energiebedarf der Menschheit. Die Solarthermie hat ein größeres Potenzial als alle anderen Erneuerbaren Energien insgesamt.
Bereits in der Antike gab es die solarthermische Nutzung und zwar wurden Hohlspiegel zur Fokussierung der Lichtstrahlen benutzt. Passiv wurde die Solarthermie bei Bauwerken bereits im Altertum und bei den Hochkulturen Südamerikas angewendet. Die Fenster und Türen der Häuser wurden so eingebaut, dass sie an der sonnenabgewandten Seite lagen, während in den Ländern mit kalten Klimazonen, die Fenster und Türen bevorzugt an der sonnigen und windabgewandten Seite eingebaut wurden.
Bei der Solarthermie wird das Licht in Flachkollektoren, die mit einer Durchschnittstemperatur von 80 Grad Celsius arbeiten, nicht gebündelt, sondern es erwärmt die wärmeabsorbierende Fläche. Die flache Fläche ist mit Röhren durchzogen und ist somit ein guter Wärmeleiter. In den Kollektoren befindet sich ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch, der als Wärmeträgermedium verwendet wird. Die Zugabe von 40 Prozent Propylenglykol verhindert das Gefrieren und eine Volumenzunahme, außerdem kann die Siedetemperatur 150 Grad Celsius und mehr betragen. Die nutzbare Wärmeenergie liegt im Jahr bei etwa 350 kWh pro Quadratmeter.
In Vakuumröhrenkollektoren befinden sich zwei Glasröhren, die konzentrisch ineinander gebaut sind. Das Vakuum befindet sich zwischen diesen Glasröhren und dadurch ist die Übertragung der Strahlungsenergie zum Absorber möglich und es entsteht kaum ein Wärmeverlust. Die innere Röhre enthält das Wärmeübertragungsmedium, welches aus einem Wasser-Glykol-Gemisch besteht und sich erwärmt. Die Wärme wird durch Pumpen transportiert. Im Angebot sind auch so genannte "offene Systeme", die das Wasser direkt erhitzen und bis zu einer Betriebstemperatur von etwa 150 Grad Celsius arbeiten können. Die Vakuumröhrenkollektoren sind teurer in der Anschaffung, haben allerdings im Vergleich zu Flachkollektoren auch einen höheren Wirkungsgrad.
Bei den Parabolinnenkollektoren werden die Lichtstrahlen auf eine absorbierende zentral verlaufende Wärmeleitung fokussiert. Da die Arbeitstemperatur hier zwischen 200 und 500 Grad liegt, wird als Wärmeträgermedium Öl eingesetzt.
Bei den Solartürmen werden einzelne Flachspiegel der Sonne entgegen geführt. Dadurch können sich an der Spitze des Turmes die Lichtstrahlen auf den Absorber konzentrieren. Die Temperaturen, die mit diesem System erreicht werden, liegen bei über 1000 Grad Celsius. Hier werden als Wärmeträgermedium Öle, flüssiges Natrium oder Luft verwendet.
Das Ziel aller Kollektoren ist es, die auftreffende Sonnenenergie zu absorbieren. Damit die hohen Temperaturen die Funktionstüchtigkeit des Kollektors oder das Wärmeträgermedium nicht beschädigen, wird eine leistungsfähige Umwälzpumpe eingesetzt. Als Wirkungsgrad wird der Quotient bezeichnet, der sich aus der gewonnenen Wärmeenergie sowie der eintreffenden Strahlungsenergie auf dem Kollektor ergibt. Bei Hausanwendungen liegt nach dem letzten Stand der Forschung der Wirkungsgrad zwischen 60 und 75 Prozent.
Benutzt wird die Solarthermie hauptsächlich zur Gebäudeheizung sowie zur Gebäudeklimatisierung. Die passive Nutzung der Sonnenenergie sowie eine gute Wärmedämmung führen dazu, dass kaum noch zusätzliche Heizenergie nötig ist. Wenn die passive Nutzung der Sonneneinstrahlung gut durchdacht ist, ist eine Heizungsanlage, auch in Mitteleuropa, nicht mehr notwendig. Für die passive Nutzung der Solarenergie werden ein Wintergarten oder Gewächshaus gewählt. In der Solararchitektur werden passive Techniken wie z.B. Dachüberstände, die sich über einem großen Südfenster befinden, angewandt. In diesem Fall wirkt der Dachüberstand im Sommer kühlend. Im Winter, wenn die Sonne niedriger steht, wirkt die einfallende Wärmestrahlung durch die großen Fenster als Raumheizung. Dieser Effekt kann auch mit einer Absorberschicht erreicht werden. Die Kollektoren der Solarthermie werden zur Warmwasserbereitung sowie als eigenständige Heizung verwendet. Die neuen Gebäude haben deshalb auch große Dachflächen, die vorwiegend nach Süden zeigen und nicht im Schatten liegen sollten. Die Kombination aus Solarthermie sowie passiven solaren Bautechniken sind kaum wartungsanfällig und es ist kein Brennstoffbedarf mehr notwendig. Die einzigen Kosten, die für den Hausherrn anfallen, sind die geringen Stromkosten für die elektrische Umwälzpumpe. Diese Anlagen erzeugen außerdem kein zusätzliches Verkehrsaufkommen und konkurrieren auch nicht mit der Landwirtschaft um Anbauflächen. Außerdem gibt es keine Feinstaubemissionen oder zu entfernende Restasche.
Die Funktionsweise der Solarthermie ist recht einfach. Die Speicherung der gewonnenen Wärmeenergie gewährleistet über längere Zeit der thermochemische Wärmespeicher. Diese thermochemischen Wärmespeicher geben die Wärme fast verlustfrei zeitversetzt wieder frei. Die Sonnenstrahlen treffen auf den Kollektor und geben ihre Energie an die Wärmeträgerflüssigkeit ab. Mit Hilfe der Umwälzpumpe wird die erhitzte Flüssigkeit in den Wärmetauscherspeicher gepumpt. Der Solarregler, der an einen Temperatursensor angeschlossen ist, stellt die Umwälzpumpe an, sobald eine bestimmte Temperatur überschritten ist. Das Wasser wird in den Pufferspeicher gepumpt und gibt das wärmere Wasser an das meist kältere Wasser im Pufferspeicher ab. Das jetzt erwärmte Pufferwasser steigt nach oben und kann mit Hilfe des Wärmetauschers in verschiedene Kreisläufe zum Heizen oder als Brauchwasser z. B. zum Duschen genutzt werden. Die modernen Spül- sowie Waschmaschinen verfügen auch über Warmwasseranschlüsse und können somit bei der solarthermischen Gebäudetechnik an den Heißwasseranschluss angeschlossen werden und verbrauchen dadurch weniger Strom. Beim Bau eines Hauses mit solarthermischer Gebäudetechnik sollte ein optimale Aufstellwinkel und eine Ausrichtung nach Süden berücksichtigt werden. Von den Herstellern wird entsprechende Simulations-Software angeboten.
Bei den Solarkraftwerken oder solarthermischen Kraftwerken wird die Sonnenenergie mit Hilfe von Spiegelsystemen auf Absorber gebündelt. Die erzeugte Wärme wird dann mit konventioneller Technik u.a. Dampfturbinen zur Produktion von Strom genutzt. Diese solarthermischen Kraftwerke werden nach der unterschiedlichen Art ihres fokussierenden Spiegelsystems u.a. Turmkraftwerk, Rinnenkraftwerk oder Dish-Anlage genannt.
Bei einem Solar-Turmkraftwerk stehen um einen Turm, der zwischen 50 und 150 Meter hoch ist, viele Brennspiegel oder Heliostaten. Sie sind computergesteuert und werden der Sonne nachgeführt. Die reflektierenden Strahlen werden auf einen Absorber, der sich an der Spitze des Turms befindet gebündelt. Das Wärmemedium, welches durch den Absorber fließt, wird bis zu 1000 Grand Celsius aufgeheizt. Mit der über ein Wärmeaustauschsystem hergestellten Wärmeenergie wird Dampf erzeugt, der eine Turbine antreibt, die über einen Generator wiederum Strom erzeugt. In Jülich steht eine Versuchsanlage der FH Aachen. Das zurzeit weltgrößte Solar-Turmkraftwerk steht in Kalifornien in der Mojave-Wüste, es liefert eine Leistung in Höhe von etwa 10 MW.
Ein weiteres solarthermisches Kraftwerk in der Mojave-Wüste in Kalifornien ist das Parabolrinnenkraftwerk, welches eine elektrische Leistung von 354 MW erzeugt. Bei diesem Kraftwerk werden Hohlspiegel genutzt, um die Sonnenstrahlen mit Hilfe dieser Spiegel auf einen Punkt zu konzentrieren und die Sonnenstrahlung zusätzlich zu verstärken. Als Hohlspiegel werden Spiegel mit einem parabelförmigen Querschnitt genutzt, die auch die Randstrahlung auf die Mitte fokussieren. Konstruiert sind diese Spiegel in der Form einer Rinne, deshalb können sie die Sonnenstrahlung um das Vierzigfache konzentrieren und die Energie auf ein Absorberrohr mit wärmeleitender Flüssigkeit lenken. Damit die Leistung noch erhöht werden kann, können die Parabolrinnen durch eine bewegliche Längsachse der Sonne von Osten nach Westen nachgeführt werden.
Bei einer Dish-Anlage handelt es sich um ein Paraboloidkraftwerk. Es ist ein Parabolspiegel mit einem Durchmesser von etwa neun Metern, der der Sonne nachgeführt wird. Dieser Parabolspiegel konzentriert die Sonnenenergie direkt auf den Absorber, der sich mitten im Brennpunkt des Spiegels befindet. Dabei wird das Arbeitsgas, Luft oder Helium, bis auf 900 Grad erhitzt. Dadurch wird eine Gasturbine oder ein Stirlingmotor neben dem Absorber angetrieben und setzt die solarthermische Energie um. Diese Anlagen haben die höchsten Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie.
Umgedreht kann die solarthermische Wärmeenergie auch zur Kühlung eingesetzt werden. Überall dort, wo die Solarthermie technisch genutzt werden kann, ist auch prinzipiell solare Kühlung möglich. Allerdings sollte das Gebäude eine bauliche Eignung zum Betrieb von Solarkollektoren besitzen.
Mit der Fördermaßnahme "Solarthermie2000plus" wird der Einsatz von solarthermischen Anlagen von der Bundesrepublik Deutschland gefördert. Damit soll der Anteil der Solarthermie erhöht werden. Eigentümer oder Bauherren, bei denen solarthermische Anlagen im Bauplan enthalten sind, können eine Förderung beantragen. Außerdem hat das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) zur weiteren Forschung der Solarthermie und Erneuerbaren Energien große Beträge bereitgestellt.