Wie man Wasser mit Sonnenenergie erhitzt

Siehe:

Howtopedia → How to Heat Water with Sun Power
└─ Howtopedia-deutsch → Wie man Wasser mit Sonnenenergie erhitzt

Kurzbeschreibung

• Idee: Wasser mit Sonnenenergie erwärmen
• Schwierigkeitsgrad: Hoch
• Preisklasse: Hoch
• Geografisches Gebiet: Gemäßigte und sonnige Klimazonen

Einführung

Heißes Wasser wird für viele Zwecke benötigt, und die Sonne kann dafür sehr effektiv, effizient und wirtschaftlich genutzt werden. Die erwärmende Wirkung der Sonnenstrahlung ist offensichtlich: Ein Behälter mit kaltem Wasser, der der Sonne ausgesetzt wird, erwärmt sich spürbar. Solarwassererwärmer sind so konstruiert, dass sie dieses Prinzip praktisch und komfortabel nutzen.

Solarwasserheizungen bestehen in der Regel aus einem **Solarkollektor** und einem **Speichertank**. Der Solarkollektor ist mit Abstand das am weitesten verbreitete Gerät zur Umwandlung von Solarenergie. Weltweit sind mehrere Millionen davon im Einsatz. Es gibt viele einfache Bauformen von Kollektoren und Systemen, die in den meisten Entwicklungsländern lokal hergestellt werden können.

Die Energiemenge, die benötigt wird, um Wasser zu erwärmen, hängt von der spezifischen Wärmekapazität des Wassers ab. Diese beträgt 4,2 J/g/°C. In praktischen Einheiten ausgedrückt:

• • Energiebedarf (kJ) = 4,2 × Wassermenge (Liter) × Temperaturerhöhung (°C)**

Um eine Solarwasserheizung sinnvoll auszulegen, muss man daher wissen: - Wie viel Wasser pro Tag benötigt wird - Welche Temperatur das kalte Wasser hat - Auf welche Temperatur es erwärmt werden soll

In Industrieländern liegt der durchschnittliche Warmwasserverbrauch bei ca. 50 Litern pro Person und Tag. In Entwicklungsländern variiert der Verbrauch stark – wohlhabendere Haushalte kommen auf ähnliche Werte, ärmere Haushalte oft auf sehr wenig oder gar kein warmes Wasser.

Beispielrechnung

Für die folgenden Vergleiche nehmen wir an, dass täglich **100 Liter Wasser** von 20 °C auf 60 °C erwärmt werden sollen.

Energiebedarf = 4,2 × 100 × (60 – 20) = **16.800 kJ = 16,8 MJ = 4,7 kWh**

Das ist die theoretisch benötigte Energiemenge. In der Praxis gibt es jedoch immer Verluste:

- Elektrische Widerstandsheizung: ca. 100 % Wirkungsgrad - Gas- oder Öl-Wasserheizer: ca. 50 % Wirkungsgrad - Offenes Feuer: ca. 10 % Wirkungsgrad - Einfacher Solarwassererwärmer: ca. 30 % Wirkungsgrad

Bei einem sonnigen Tag mit 6 kWh/m² Einstrahlung würde man für die oben genannten 4,7 kWh eine Kollektorfläche von ca. **2,6 m²** benötigen.

Verfügbarkeit von Solarenergie

Die Leistungsdichte der Sonnenstrahlung beträgt am Erdboden maximal etwa 1000 W/m². Sie setzt sich aus direkter Strahlung und diffuser 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 Jahreszeit, Breitengrad und Wetter. In Mitteleuropa liegt sie im Winter bei ca. 0,5–1,5 kWh/m²/Tag und im Sommer bei 4–5,5 kWh/m²/Tag. In vielen tropischen und subtropischen Regionen beträgt sie ganzjährig durchschnittlich 5–7 kWh/m²/Tag.

Diese Variabilität ist ein zentraler Aspekt bei der Auslegung von Solarwasserheizungen.

Die Technik

Flachkollektor

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.

Kosten

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

In sonnigen Regionen können sich Solarwasserheizungen bereits nach 4–8 Jahren amortisieren. In Mitteleuropa dauert die Amortisation länger, ist aber durch die stark gesunkenen Preise für Solarmodule inzwischen deutlich attraktiver geworden.

Zusammenfassung

Solarwassererwärmung ist eine bewährte, umweltfreundliche und langfristig wirtschaftliche Technologie. Besonders in sonnigen Regionen und bei Kombination mit einem Holzvergaser-Kessel (für Heizung und Warmwasser) ergibt sich ein sehr gutes Gesamtsystem.