Wie man die Energie der Sonne nutzt

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Einführung

Die Sonne ist die Quelle der weitaus größten Menge an Energie, die wir auf der Erde nutzen. Die meiste Energie, die wir verwenden, hat verschiedene Umwandlungen durchlaufen, bevor sie schließlich genutzt wird. Es ist jedoch auch möglich, diese Solarenergie direkt zu nutzen, sobald sie die Erdoberfläche erreicht.

Es gibt zahlreiche Anwendungen für die direkte Nutzung solarthermischer Energie: Raumheizung und -kühlung, Warmwasserbereitung, Trocknung von landwirtschaftlichen Produkten und solares Kochen. Es handelt sich um eine Technologie, die gut verstanden und in vielen Ländern der Welt weit verbreitet ist. Die meisten solarthermischen Technologien gibt es in der einen oder anderen Form bereits seit Jahrhunderten und verfügen in den meisten sonnenreichen Industrieländern über eine etablierte Produktionsbasis.

Die häufigste Anwendung solarthermischer Technologie ist die **Warmwasserbereitung** für den Haushalt. Hunderttausende von Solarwarmwasseranlagen sind weltweit im Einsatz, besonders in sonnenreichen Regionen wie dem Mittelmeerraum und Australien. Durch die Schwankungen der Ölpreise gewinnt diese Technologie sowohl im Haushalts- als auch im gewerblichen Bereich zunehmend an Bedeutung als energiesparende Maßnahme. In Entwicklungsländern findet man Solarwarmwasseranlagen derzeit meist nur bei wohlhabenderen Bevölkerungsschichten.

Es gibt auch weitere Technologien, die die kostenlose Energie der Sonne nutzen. Technologien zur Warmwasserbereitung werden meist als **aktive Solartechnologien** bezeichnet, während Technologien wie Raumheizung oder -kühlung, die die Sonnenenergie passiv aufnehmen und keine beweglichen Teile haben, als **passive Solartechnologien** gelten.

Weiterentwickelte Solartechnologien dienen der Stromerzeugung. Diese werden weiter unten kurz behandelt.

Technik

Art und Verfügbarkeit der Sonnenstrahlung

Die Sonnenstrahlung erreicht die Erdoberfläche mit einer maximalen Leistungsdichte von etwa 1000 W/m². Sie setzt sich aus direkter Strahlung und diffuser (gestreuter) Himmelsstrahlung zusammen. An einem klaren Tag kann die diffuse Strahlung 15–20 % betragen, an bewölkten Tagen sogar 100 %.

Die tägliche Sonneneinstrahlung (Insolation) variiert je nach geografischer Lage, Bewölkung und Jahreszeit stark. In Mitteleuropa liegt sie im Winter bei etwa 0,5–2 kWh/m²/Tag und im Sommer bei 4–5,5 kWh/m²/Tag. Viele tropische und subtropische Regionen erhalten ganzjährig durchschnittlich 5–7 kWh/m²/Tag.

Diese Variabilität ist ein zentraler Aspekt bei der Auslegung solarthermischer Systeme.

Geometrie von Erde, Sonne und Kollektor

Die Erde umkreist die Sonne mit einer Achsenneigung von 23,5 Grad. Diese Neigung ist für die Jahreszeiten verantwortlich. Die Intensität der Sonnenstrahlung hängt vom Einfallswinkel ab. Deshalb ändert sich die nutzbare Solarstrahlung im Jahresverlauf.

Für die Ausrichtung eines Solarkollektors ist dieser Winkel entscheidend. Die meisten Solarwarmwasser-Kollektoren sind fest auf Dächern montiert und können daher nicht nachgeführt werden.

Solarkollektoren

Der bekannteste und am weitesten verbreitete Solarkollektor ist der **Flachkollektor**. Er besteht aus:

- Einem schwarzen Absorber (meist Kupfer- oder Aluminiumplatte), der die Sonnenstrahlung aufnimmt - Einer transparenten Abdeckung (Glas oder Kunststoff), die wie ein Treibhaus wirkt - Wärmedämmung an Rückseite und Seiten - Einem schützenden Gehäuse

Das Wasser (oder eine andere Wärmeträgerflüssigkeit) fließt durch Rohre, die mit dem Absorber verbunden sind, und nimmt die Wärme auf.

Systemaufbau

Die einfachste und in Entwicklungsländern am häufigsten genutzte Bauform ist das **Thermosiphon-System** (Naturumlauf):

- Der Speichertank wird oberhalb des Kollektors angeordnet. - Das erwärmte Wasser steigt von selbst nach oben in den Tank. - Kaltes Wasser fließt von unten nach.

Dieses System benötigt keinen Strom für eine Pumpe und ist sehr zuverlässig, solange die Rohrleitungen richtig dimensioniert sind.

Es ist auch möglich, das Wasser mit einer Pumpe zwischen Kollektor und Tank zu fördern. Dadurch können Tank und Kollektor weiter voneinander entfernt sein, allerdings wird dann Strom für die Pumpe benötigt.

Anwendungsbereiche solarthermischer Technologien

Warmwasserbereitung

Die häufigste Anwendung ist die Warmwasserbereitung für Haushalte und Gewerbe. Es gibt eine große Vielfalt an Solarwarmwasseranlagen – von sehr einfachen Systemen bis hin zu hochentwickelten Kollektoren.

Solar-Kochen

Solar-Kocher haben in den letzten Jahrzehnten viel Aufmerksamkeit erhalten. Das Grundprinzip ist eine isolierte Box mit Glasabdeckung und reflektierender Innenfläche, die die Sonnenstrahlen auf den Kochtopf lenkt. Die Garzeiten sind länger als bei herkömmlichen Herden, aber es entstehen keine Brennstoffkosten und kein Rauch.

Trocknung von landwirtschaftlichen Produkten

Kontrolliertes Trocknen ist für viele Produkte (Getreide, Kaffee, Obst, Gemüse, Fisch) wichtig, um Qualität und Haltbarkeit zu erhalten. Solarthermische Trockner nutzen die Sonne, um die Produkte zu erwärmen und gleichzeitig Luft durch den Trockner zu führen, die die Feuchtigkeit abtransportiert.

Raumheizung und -kühlung

In kälteren Regionen kann passive Solartechnik (z. B. Trombe-Wand) zur Raumheizung beitragen. In tropischen Ländern gibt es traditionelle passive Kühlmethoden (z. B. dicke Lehmwände, gute Durchlüftung, Schattenspendende Dächer).

Weitere Anwendungen

- Solar-Destillation zur Trinkwassergewinnung - Solar-Kühlschränke für Impfstoffe - Solare Prozesswärme für Industrie und Gewerbe

Kosten und Wirtschaftlichkeit

Ein einfacher Flachkollektor kostet etwa 150–250 € pro m². Ein komplett installiertes Warmwassersystem liegt je nach Größe bei 2.000–4.500 €.

In sonnigen Regionen können sich Solarwarmwasseranlagen bereits nach 4–8 Jahren amortisieren. Durch die stark gesunkenen Preise für Solarmodule ist die Wirtschaftlichkeit in den letzten Jahren deutlich besser geworden.

Quellen und weiterführende Literatur

Dieser Howtopedia-Beitrag basiert auf dem Practical Action Technical Brief „Solar Thermal Energy“.

Weiterführende Literatur: - Garg, H.P., Gouri, D., Gupta, R.: Renewable Energy Technologies - Rozis, J., Guinebault, A.: Solar Heating in Cold Regions - Boiling Point, Issue 36, Intermediate Technology / GTZ

Nützliche Adressen

Practical Action The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, United Kingdom Tel.: +44 (0) 1926 634400 E-Mail: practicalaction@practicalaction.org.uk Web: www.practicalaction.org