Solarthermie: Heizt in Zukunft die Sonne unser Wasser?

Solarthermie ist ein zusammengesetzter Begriff aus den Wörtern Solar für Sonne und Thermie als altgriechischem Begriff für Wärme. Es geht also darum, mit der Kraft der Sonne Wärme zu erzeugen.

Damit haben Solarthermieanlagen trotz hoher optischer Verwechslungsgefahr nichts mit den beliebteren Photovoltaikanlagen zu tun. Letztere erzeugen aus Sonnenstrahlung Strom, während die Solarthermieanlagen tatsächlich „nur“ für warmes Wasser sorgen.

Solarthermie gibt es schon länger als die Photovoltaik. Die Technik gilt als ausgereift. Die benötigte Sonneneinstrahlung ist so gering, dass die Nutzung der Technologie in ganz Deutschland möglich ist. Natürlich gibt es regionale und auch individuelle Unterschiede, etwa in Bezug auf Dachneigung und -ausrichtung.

Eine Solarthermieanlage ist letztlich ein Röhrensystem, das sich von einem sogenannten Pufferspeicher im Heizungsraum ausgehend durchs ganze Haus bis unter das Dach schlängelt, wo sich die Kollektoren befinden. In den Röhren fließt die sogenannte Solarflüssigkeit, die bis zu 90 Grad Celsius heiß werden kann, und im Wesentlichen aus einem Gemisch aus Frostschutzmittel und Wasser besteht.

Was so einfach klingt, ist im Detail durchaus komplexer. Dabei sind die Hauptbestandteile einer Solarthermieanlage durchaus überschaubar. Wir brauchen eine Dachfläche, die mit Sonnenkollektoren belegt werden kann. Wir benötigen einen Pufferspeicher, der wiederum bei Bedarf als Brauch- oder als Kombispeicher auch Heizungswasser erwärmen kann. Die beiden zentralen Elemente werden dann durch ein Röhrensystem verbunden, in dem eine Pumpe die Solarflüssigkeit durch den Kreislauf bewegt.

Diese Pumpe läuft aber nicht dauerhaft, sondern wird über einen Regler geschaltet. Der sitzt am Pufferspeicher und erkennt dort, ob der Speicher noch Ladekapazitäten freihat. Wenn das so ist, veranlasst der Regler die Pumpe dazu, heiße Solarflüssigkeit von den Kollektoren zum Speicher zu pumpen.

Um Schäden am System zu vermeiden, gibt es - wie in den meisten Heizkreisläufen - eines oder mehrere Ausdehnungsgefäße, mit deren Hilfe der Druckausgleich bei den teils stark schwankenden Temperaturen erfolgen kann. In begrenztem Umfang ist auch ein Volumenausgleich möglich. Schließlich sorgen die Ausdehnungsgefäße auch dafür, dass das Rohrsystem oder andere kritische Bauteile nicht etwa durch Überdruck beschädigt werden. Die Kollektorfläche und die Größe des Pufferspeichers müssen sinnvoll aufeinander abgestimmt werden. Anders als bei der Photovoltaik ist bei der Solarthermie ein Mehr nicht unbedingt besser.

Schauen wir uns die einzelnen Elemente der Solarthermie einmal genauer an. Beginnen wir auf dem Dach - mit den Solarkollektoren. Die gibt es in fünf unterschiedlichen Ausführungen, wobei sich die Flachkollektoren und die Röhrenkollektoren am Markt durchgesetzt haben.

Der Flachkollektor repräsentiert die einfachste und günstigste Möglichkeit, zu einer Solarthermieanlage zu gelangen. Flachkollektoren bestehen aus einem internen Röhrensystem, über das ein Blech montiert wird. Dies besteht zumeist aus Aluminium oder Kupfer, damit es die Sonnenwärme gut aufnehmen und weiterleiten kann. Über dem Blech liegt bruchfestes Glas, durch das das auftreffende Sonnenlicht ebenfalls verstärkt wird.

Die auf diese Weise entstehende Wärme erhitzt die bereits genannte Solarflüssigkeit im Rohrsystem. Die kann nun mittels der Solarpumpe zum Speicher transportiert werden. Aufgrund ihrer flachen Form können diese Kollektoren sehr einfach und fast unsichtbar in das Dach integriert werden.

Röhrenkollektoren, heutzutage zumeist in der Ausprägung sogenannter Vakuumröhrenkollektoren, bestehen aus einzelnen Glasröhren. Bei einem Vakuumröhrenkollektor werden zwei ineinander liegende Glasröhren verwendet, zwischen denen ein Vakuum liegt. Die Absorption des Sonnenlichts findet oberhalb der inneren Röhre statt. So entsteht eine besonders gut isolierte Wärmeübertragung, weshalb der Wirkungsgrad eines Röhrenkollektors höher als der eines Flachkollektors ist. Schon diese kurze Erklärung lässt dich ahnen, dass diese Form der Nutzung von Solarthermie teurer ist.

Tatsächlich sind die Kosten pro Quadratmeter Kollektorfläche bei Röhrenkollektoren etwa doppelt so hoch wie bei Flachkollektoren, allerdings ist der Wirkungsgrad auch höher, sodass eine Verdopplung der Kosten für die Kollektoren nur einen Teil der Wahrheit widerspiegelt. Denn, wenn du mit einem Flachkollektor-System die Leistung eines Rohrsystems erreichen willst, musst du 1,5-mal mehr Dachfläche belegen. Auf der Negativseite sei vermerkt, dass die Röhrenkollektoren von einer massiveren Ausprägung sind und sich entsprechend nicht so problemlos wie Flachkollektoren ins Dach integrieren lassen. Zudem ist ein Rohrsystem aus Glasröhren vergleichsweise empfindlich.

Luftkollektoren

Für ihre jeweiligen Nischen kommen auch andere Kollektortypen in Betracht. Wer etwa ein Gebäude mit Luftheizung hat, könnte über den Einsatz von Luftkollektoren nachdenken. Sie verwenden anstatt der Solarflüssigkeit schlicht Luft als Wärmeträger.

Diese wird von außen angesaugt, direkt erwärmt und ins Gebäude abgegeben. Damit ist die Nutzung von Luftkollektoren die wohl unmittelbarste Form der Nutzung von Solarthermie. Sie bietet sich allerdings hauptsächlich da an, wo ohnehin bereits mit Luft geheizt wird, wie etwa in Schwimmbädern oder Sport- und anderen Hallen. Für die private Nutzung fehlt das Element der Brauch- oder Heizwassererwärmung.

Das ist zwar grundsätzlich möglich, erfordert aber teure Umbauten an den vorhandenen Anlagen. Auf der Habenseite des Luftkollektors steht seine geringe Wartungsintensität. Da nur Luft erwärmt wird, werden keine Flüssigkeit tragenden Rohre im Haus benötigt. Entsprechend kann es auch nicht zu Feuchtigkeitsschäden, etwa durch austretende Flüssigkeit oder Wasserdampf kommen.

Unverglaste Kollektor

Zu guter Letzt sei noch der unverglaste Kollektor erwähnt, wegen seines Haupteinsatzbereichs auch Poolkollektor genannt. Dieser sieht aus wie eine Fußbodenheizung vor der Estrichlegung. Ein Geflecht aus Schläuchen oder Schlauchmatten wird offen auf der Fläche, typischerweise dem Flachdach eines Schwimmbades verlegt. Durch das Geflecht fließt direkt das Wasser, das aus dem Pool durch die Leitungen gepumpt wird und erwärmt wieder darin landet.

Bei besonderer Eignung des eigenen Daches kann dieses einfache und dementsprechend günstige System auch als Quelle für Wärmepumpen eingesetzt werden. Konzeptbedingt ist ein solches offenes und nahezu ungeschütztes System vor allem für die Nutzung im Sommer geeignet.

Recht neu am Markt und entsprechend teuer sind die Solarhybridkollektoren. Sie kombinieren die Solarthermie-Eigenschaften eines Flachkollektors mit den Stromerzeugungseigenschaften eines Photovoltaikmoduls. Auf diese Weise scheinen sie zunächst wie das Beste beider Welten.

Allerdings können die Hybridkollektoren bei ihren jeweiligen Wirkungsgraden nicht mit den dedizierten Flachkollektoren und reinen Photovoltaikmodulen mithalten. Sie erreichen in beiden Bereichen Wirkungsgrade, die etwa um 25 Prozent unterhalb jener liegen, die von den Spezialisten des jeweiligen Sektors erreicht werden können.

Sollte sich die Industrie von diesen Kinderkrankheiten nicht abschrecken lassen und weiter an der Technik feilen, könnten Hybridkollektoren in der Zukunft durchaus an Bedeutung gewinnen. Dazu müssten sie aber energieeffizienter und billiger werden.

Kommen wir zum zweiten Hauptelement einer Solarthermie-Anlage, dem Solarspeicher. Den gibt es im Wesentlichen in zwei Grundprägungen und in vielen unterschiedlichen Größen. 

Willst du mit deiner Solarthermieanlage nur warmes Wasser herstellen, um es vornehmlich in Bad und Küche zu verwenden, dann reicht ein sogenannter Trinkwasserspeicher. Der ist für eine vierköpfige Familie mit rund 500 Litern gut dimensioniert. Natürlich kommt es ganz auf den individuellen Verbrauch an. Duschen alle vier Personen zwei Mal täglich, wird die Familie mit dem Speicher nicht weit kommen.

Generell musst du dich von dem Gedanken verabschieden, dass der Speicher den kompletten Warmwasserbedarf decken kann. Gelingt es dir, deine Anlage sehr nah am tatsächlichen Bedarf zu dimensionieren, kannst du mit etwa 60 Prozent des Gesamtwarmwasserbedarfs rechnen, der über die Anlage gedeckt werden könnte.

Wenn auch die Heizung über den Solarspeicher laufen soll, benötigst du einen sogenannten Kombispeicher mit intern zwei unabhängigen Wasserspeichern, von denen der eine das Trinkwasser und der andere das Heizungswasser fasst. Dabei findet sich der Trinkwasserspeicher typischerweise oberhalb des Heizwasserspeichers. Erhältlich sind auch Kombispeicher, die das Trinkwasser in spiralförmigen Leitungen durch den Heizwasserspeicher leiten und es dabei wie in einem Durchlauferhitzer erwärmen.

Wer allein seine Heizung per Solarthermie betreiben will, kauft einen reinen Pufferspeicher. Sie sind erheblich größer dimensioniert als Trinkwasserspeicher und technisch als Schichtenspeicher konstruiert. Der Begriff Schichtenspeicher spielt auf Temperaturschichtung an. Kaltes Wasser ist unten im Behälter, warmes Wasser oben. Die Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher sind nun so angesetzt, dass sie gezielt einzelne Schichten innerhalb der länglichen Pufferspeicher erwärmen können. Das soll sicherstellen, dass die zu übertragende Wärme je nach Bedarf an der optimalen Stelle angelegt wird.

Das sind die Kontaktstellen zwischen Solarflüssigkeit und zu erwärmendem Wasser. In ihnen fließen beide Elemente durch eine Trennschicht separiert aneinander vorbei. Dabei überträgt das wärmere Wasser seine Temperatur auf das kältere Wasser. Diese Übertragung kann entweder im Speicher oder im Leitungssystem erfolgen. Die zweite Variante stellt die effektivere Lösung dar, weil sich die Hitze leichter auf eine kleine als eine große Menge Wasser gleichzeitig übertragen lässt.

Das unspektakulärste Bauteil ist die Pumpe, die dafür sorgt, dass die Solarflüssigkeit im Kreislauf in Bewegung gerät, wenn eine Nachbeheizung des Speichers erforderlich wird. Ähnlich wie bei konventionellen Heizungen kommt auch bei der Solarthermie mindestens ein Ausdehnungsgefäß zum Einsatz, um den Druck in der Anlage zu regulieren.

Die Rolle der Solarthermie bei der Energiewende beurteilen Expert:innen verschieden. Tatsache ist, dass die Solarthermie eine ausgereifte Technologie beschreibt, die zuverlässig Warmwasser aus den kostenlosen Strahlen unserer Sonne produziert.

Als autarke Lösung eignen sich solche Anlagen aber nicht. Sie können lediglich als Ergänzung in bestehende Anlagen integriert werden. Denn selbst perfekt konfektionierte Anlagen können nur für maximal 60 Prozent des Warmwasser- und rund 30 Prozent des Heizbedarfs sorgen. Die restlichen Mengen müssen hinzugekauft werden.

Je nach Grad der Besonnung kann das sogar unwirtschaftlich werden, denn die Anlagen sind nicht wartungsfrei. Für die Nutzung in Einfamilienhäusern scheinen reine Photovoltaikanlagen, eventuell im Hybrid mit Solarthermie, weitaus empfehlenswerter. Denn mit Strom lässt sich bekanntlich ebenso Wärme erzeugen. Die Module sind billiger und die Wirkungsgrade höher.

Mit dem Siegeszug der Photovoltaikmodule sinkt die Verbreitung der Solarthermie. Wie das Umweltbundesamt bestätigt, betrug der Anteil der Solarthermie an der Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2019 etwa fünf Prozent, was einer solarthermisch erzeugten Wärmemenge von rund 8.500 Terawattstunden aus rund 2,5 Millionen installierten Anlagen bundesweit entspricht.

Allerdings ist die Verbreitung seit 2013 rückläufig. Wurde im Jahr 2013 der Spitzenwert von 1,2 Millionen Quadratmeter an neuer Kollektorfläche erreicht, betrug der Zubau im Jahr 2019 nur noch rund eine halbe Million Quadratmeter. Das dürfte im Wesentlichen daran liegen, dass das Gebäudeenergiegesetz zwar den Einsatz eines bestimmten Anteils erneuerbarer Energien im Neubau vorschreibt. Welche Art erneuerbarer Energie eingesetzt wird, kann jedoch frei gewählt werden und da hat Photovoltaik nicht zuletzt Kostenvorteile.

Tatsächlich gilt die Solarthermie als ausgereifte Technologie, die bedenkenlos eingesetzt werden kann. Sie gerät jedoch durch Photovoltaik gewissermaßen ins Hintertreffen. Was zumindest in Wohngebäuden nicht verständlich ist. Denn dort ist mit einem Anteil von bis zu 90 Prozent der größte Teil des Energieverbrauchs Wärme und nicht Strom. Da es nicht gelingen dürfte, Kund:innen von dem bereits eingeschlagenen Weg abzubringen, dürfte ein wesentlicher Aspekt der zukünftigen Entwicklung darin bestehen, die Herstellung von Solarhybridkollektoren konkurrenzfähiger zu gestalten.

Aktuell leisten diese Kollektoren beim Wärmeangebot weniger als reine Flachkollektoren und bei der Stromausbeute weniger als reine Photovoltaikmodule. Dazu sind sie noch teurer als die beiden Spezialmodule. Sollte es gelingen, das zu ändern, dürfte der Einsatz von Solarhybridkollektoren im Ein- und Zweifamilienhaus an Attraktivität gewinnen.

Neben kleinen Projekten konzentriert sich die Branche auf Lösungen, die groß genug dimensioniert sind, um die in der Industrie benötigte Prozesswärme bereitzustellen. War diese Sparte in den vergangenen Jahren durch billiges Gas eher nicht zu entwickeln, sieht die Situation seit der Energiekrise 2022 nun völlig anders aus. Große Solarthermieanlagen könnten künftig in Fernwärmekonzepten ergänzend eingesetzt werden. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) schätzt, dass Solarthermie-Anlagen bis zu 30 Terawattstunden Wärme im Jahr 2030 bereitstellen könnten.

Denkbar ist, dass das Thema Solarthermie einen Schub erhält, wenn die sogenannte Solarpflicht flächendeckend in gesetzliche Regelungen gegossen wird. Darauf hatte sich die rot-grün-gelbe Bundesregierung im Rahmen des Koalitionsvertrag geeinigt.

Zu erwarten ist (Stand: November 2022) eine gesetzliche Pflicht, mindestens bei Neubauten Solaranlagen einzubauen. Verschiedene Bundesländer in Deutschland sind da schon weiter und haben bereits eigene Varianten einer Solarpflicht gesetzlich verankert. So hat sich etwa Baden-Württemberg auf Photovoltaik festgelegt, ebenso Niedersachsen, Schleswig-Holstein und Hamburg. In Bayern gibt es zwar noch keine Solarpflicht. Zu erwarten ist aber, dass es auch hier auf Photovoltaik hinauslaufen wird.

In Nordrhein-Westfalen, Berlin und Rheinland-Pfalz ist ausdrücklich die Solarthermie als alternative Anlage im Rahmen der gesetzlichen Solarpflicht zugelassen. Bremen und Sachsen überlegen noch und die übrigen Bundesländer haben noch gar nichts in Sachen Solarpflicht vorzuweisen.

Die Kosten von Solarthermieanlagen sind immer individuell zu ermitteln und von der eigenen Bausituation abhängig. Im Neubau lassen sich Faustwerte nennen, mit denen du nicht völlig daneben liegen kannst.

Geht es um eine Anlage zur Warmwasserbereitung, rechnen Architekt:innen rund einen Quadratmeter Kollektorfläche pro Bewohner. Der Speicher wird auf rund 80 Liter pro Person, dem Doppelten des durchschnittlichen Tagesverbrauchs, ausgelegt. So würde eine Anlage um die 5.000 Euro kosten.

Bei Solarthermie zur Heizungsunterstützung wird es teurer. Das liegt daran, dass die Auslegung größer ist. So wird im Schnitt ein Quadratmeter Kollektorfläche pro zehn Quadratmeter zu beheizender Grundfläche kalkuliert. Der Pufferspeicher wird eher ab 1.000 Litern ausgelegt sein. So kommen wir auf einen Durchschnittswert von gut 10.000 Euro für ein Einfamilienhaus.

Eigentümer:innen müssen diese Kosten nicht völlig allein tragen. So fördert etwa das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) Solarthermieanlagen mit 25 Prozent der Kosten, wenn die Anlage mehr als 50 Prozent der erzeugten Wärme für Brauch- oder Heizungswasser oder beides bereitstellt. Wichtig ist, dass der Antrag vor der Auftragsvergabe gestellt wird - das geht online.
Größere Projekte können über das Programm „BEG Wohngebäude - 261 Kredit” der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) gefördert werden. Die KfW stellt einen zinsgünstigen Kredit von maximal 150.000 Euro bereit und zahlt maximal 20 Prozent Tilgungszuschuss dazu aus. Diese Förderung muss über einen Sachverständigen beantragt werden.

Wer viel Einkommenssteuer zahlt und die BAFA-Beantragung verschlafen hat, kann die Investition in eine Solarthermieanlage bis 2029 von der Steuer absetzen. Über drei Jahre dürfen maximal 40.000 Euro begrenzt auf 20 Prozent der tatsächlichen Kosten abgesetzt werden. Erforderlich ist eine Bescheinigung der fachgerechten Installation durch einen Fachbetrieb.