Sonnenkollektoren nutzen die Kraft der Sonne

Da in jedem Gebäude warmes Wasser gebraucht wird, kannst du dir schnell ausrechnen, wie viel Potenzial darin steckt, warmes Wasser mithilfe solarthermischer Anlagen zu erzeugen. Entscheidest du dich dafür, Sonnenkollektoren auf dein Haus montieren zu lassen, kannst du dafür außerdem Fördermittel beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) oder der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) beantragen.

Der Sonnenkollektor ist das Herzstück einer Solarthermieanlage. Es ist der Teil, der in der Regel auf dem Dach montiert wird und dazu da ist, die Sonnenstrahlen einzufangen. Der Kollektor gibt die Wärme der Sonnenstrahlen dann an einen flüssigen Wärmeträger weiter, der diese innerhalb des Systems transportiert. Solarthermieanlagen liefern umweltschonend warmes Wasser und können sogar das Heizungssystem im Haus unterstützen.

Beispielrechnung: Wie viel Fläche brauchst du für Sonnenkollektoren?

Pro Person solltest du mit ein bis 1,5 Quadratmeter Sonnenkollektorfläche rechnen. Ausgehend von einem Vier-Personen-Haushalt sind das insgesamt zwischen vier und sechs Quadratmetern. Dazu brauchst du einen Speicher mit rund 300 Litern Fassungsvermögen. Bei diesem Beispiel kannst du damit rechnen, dass die Sonnenkollektoren deiner Anlage etwa 60 Prozent des warmen Wassers liefern, das dein Vier-Personen-Haushalt pro Jahr benötigt – besonders im Winter musst du die Warmwasserversorgung zusätzlich durch weitere Energieträger sichern. Zur Einordnung: Eine sechs Quadratmeter große Kollektorfläche erzeugt rund 2.000 Kilowattstunden (kWh) Wärme im Jahr.

Es gibt unterschiedliche Sonnenkollektorarten, zum Beispiel Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren und Luftkollektoren. Vom Prinzip her funktionieren Sie alle ähnlich und auch im Aufbau gibt es Parallelen. Warum du dich für den einen oder für den anderen entscheiden solltest, hängt unter anderem davon ab, wie viel Platz auf dem Dach vorhanden ist, welche Temperaturverhältnisse dort herrschen und wie viel Geld du ausgeben möchtest. Sonnenkollektoren variieren im Preis: Vakuumröhrenkollektoren sind eher der Mercedes unter den Kollektoren. Sonnenkollektoren dieser Art kosten zwischen 400 und 1.200 Euro pro Quadratmeter, Flachkollektoren etwa die Hälfte. Grundsätzlich können Sonnenkollektoren übrigens nicht nur auf dem Dach, sondern beispielsweise auch am Balkon installiert werden, wenn genug Sonne auf die Fassade strahlt.

Vakuumröhrenkollektor

Innerhalb eines Vakuumröhrenkollektors befinden sich mehrere Glasröhren, die nebeneinander angeordnet sind. In der Regel fertigt man sie aus Borosilikatglas mit Wandstärken zwischen 1,5 und 3 Millimetern. Vorteil des Glases bei diesen Sonnenkollektoren: Es weist eine hohe mechanische und thermische Stabilität auf. In der Glasröhre ist der sogenannte Absorber platziert. Ihn gibt es als flachen oder gewölbten Blechstreifen mit selektiver Beschichtung und Flüssigkeitskanal. Eine alternative Form ist eine innenliegende Beschichtung im Glaskolben. Vakuumröhrenkollektoren gelten als sehr ergiebig, was die Ausbeute an Wärme anbelangt.

Flachkollektoren 

Flachkollektoren sind die am weitesten verbreiteten Sonnenkollektoren. Denn rund 90 Prozent der eingebauten Kollektoren sind ihnen zuzuordnen. Das liegt vor allem daran, dass sie vielseitig einsetzbar und verhältnismäßig günstig sind. Sie lassen sich auf dem Dach montieren, in das Dach integrieren oder an der Fassade anbringen. Zudem gibt es Standardkollektoren, die zwischen zwei und 2,5 Quadratmeter groß sind und sich deshalb prima miteinander zu einer passenden Einheit kombinieren lassen.

Luftkollektoren

Im Prinzip sind sich Flach- und Luftkollektoren relativ ähnlich. Sie unterscheiden sich hauptsächlich beim Wärmeträger. Luftkollektoren nutzen, wie der Name schon sagt, Luft als Wärmeträger, während Flachkollektoren Wasser verwenden. Diese Art der Sonnenkollektoren eignen sich am besten zur Unterstützung der Gebäudeheizung. Der Grund: Sie haben eine eher geringere Wärmekapazität im Vergleich zu den anderen Kollektorarten. Das heißt, sie können die Wärme nicht lange halten, weswegen es ungünstig ist, wenn sie Trinkwasser erwärmen sollen, was erst zu einem späteren Zeitpunkt benötigt wird. Dafür macht ihnen Frost kaum etwas aus.

Schon Ende der 1970er-Jahre haben Forschende sich mit Sonnenkollektoren beschäftigt. Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik veröffentlichte 1979 ein Forschungsergebnis, bei dem Wärmeverlust und Wärmegewinn durch Fenster berücksichtigt wurde. Die Forschenden stellten fest, dass das Fenster den einfachsten und billigsten Sonnenkollektor darstellt.

Die Zeit drängt, schließlich soll die Energiewende im geplanten Zeitrahmen gelingen. Daher wird es immer bedeutender, Energie aus alternativen Quellen zu gewinnen. Gebäude nahezu autark mit Wärme und Strom zu versorgen, kann zum Beispiel dann gelingen, wenn beim Bau neue Materialien eingesetzt werden und Fassaden sowie Dächer eine neue Nutzung erfahren – nämlich in Verbindung mit Sonnenkollektoren und Solarmodulen als Wärme- und Stromerzeuger. Es gibt verschiedene Forschungsrichtungen: Einige befassen sich damit, alternative Fassadenelemente zu entwickeln, mit denen sich Wärme und Strom für das Gebäude produzieren lässt. Andere versuchen, die Idee weiterzuentwickeln, Fenster als Sonnenkollektoren zu nutzen. Das Unternehmen ubiquitous ENERGY2 baut seine Produkte auf Forschungen am Massachusetts Institute of Technology (MIT) auf und bietet transparente Solarfolien an, die sich zum Beispiel auf Fensterscheiben kleben lassen. An der Uppsala Universität in Schweden sowie der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz beschäftigen sich Forschende mit durchsichtigen Solarzellen, die als Fenster oder Fassadenalternative Sonnenstrom einfangen können. Die EU unterstützt beispielsweise ein Forschungsprojekt mit dem Programm “Horizont 2020”, das Dreifach-Isolierverglasungen entwickelt, in deren Zwischenräumen Wasser zirkuliert und Sonnenenergie einfängt. Als Wärmeenergie soll sie dann zum Heizen oder Kühlen eines Gebäudes genutzt werden. In Sofia, der bulgarischen Hauptstadt, befindet sich ein Gebäude, in dem Prototypen dieser Fenster derzeit getestet werden.

Fensterscheiben sind gerade im Sommer Flächen, auf denen sich die Wärme staut. Über sie gelangt die Hitze dann auch in die Innenräume. Im Rahmen des EU-Programms „Horizont 2020“ widmet sich ein Forschungsprojekt der Frage, wie Fenster als Sonnenkollektoren funktionieren könnten. Beteiligt daran ist unter anderem die Universität Bayreuth. In einem Versuchsgebäude in der bulgarischen Hauptstadt Sofia wird dafür eine neue Technologie getestet: Die Fenster bestehen aus einer Dreifach-Isolierverglasung und in den Zwischenräumen zirkuliert ein Gemisch aus destilliertem Wasser und Glykol. Diese besondere Art der Verglasung absorbiert die Sonnenstrahlen und wandelt sie dann in Wärmeenergie um. Diese lässt sich im Inneren des Gebäudes für die Heizung nutzen.

Der Wunsch, erneuerbare Energien möglichst weitreichend in den Alltag zu integrieren, ist groß. Deshalb arbeiten Forschende daran, neue Ideen zu entwickeln. Eine davon: transparente Module, die Sonnenenergie nutzen. Erstmals gab es 2014 erste Forschungsergebnisse von der Michigan State University (MSU). Dort stellten Wissenschaftler:innen den ersten vollständig transparenten Solarkonzentrator vor. Die Spitzentechnologie „Transparent Solar“ ist in der Lage, Lichtenergie durch jede durchsichtige Oberfläche zu sammeln und zu nutzen – ganz unabhängig vom Winkel. 

Diese Technologie funktioniert anders als eine Solarzelle oder ein herkömmlicher Sonnenkollektor. Der transparente Solarkonzentrator kann bestimmte Wellenlängen von UV- und Infrarotlicht absorbieren und in Energie umwandeln. Diese speziellen Wellenlängen sind für das menschliche Auge nicht sichtbar.

An welchen transparenten Solarkollektoren wird gerade gearbeitet?

Kurz zu den Begriffen: Von Solarmodulen sprechen Fachleute, wenn die Zellen die Sonnenenergie direkt in Strom umwandeln. Sonnenkollektoren sammeln hingegen die Wärme ein, um damit einen Wärmeträger zu erhitzen. Bei den neuen Technologien lassen sich diese Begriffe nicht mehr so klar voneinander abgrenzen. Denn sogenannte UV-Absorber sammeln UV-Licht ein und werden daher auch als Solarkollektoren bezeichnet. Sie produzieren aber nicht immer Wärmeenergie, auch Strom steht im Fokus der Wissenschaft.

Forschende haben zum Beispiel zwei spezielle Absorber entwickelt. Der eine ist ein effizienter UV-Absorber auf Basis von Perowskit-Solarzellen – Perowskit ist ein Material, das bei speziellen Solarzellen als Ersatz für Silizium verwendet wird. Der andere ist ein NIR-Absorber auf Basis farbstoffsensibilisierter Solarzellen. NIR steht dabei für “Nahes Infrarot”, also für eine bestimmte Wellenlänge. Die Wissenschaftler:innen kombinierten die beiden Technologien zu einer transparenten Photovoltaik-Tandem-Solarzelle. Sie hatte einen Wirkungsgrad von maximal acht Prozent. Im weiteren Verlauf der Tests wurden sogar Wirkungsgrade von zehn Prozent und mehr gemessen. Das Forschungsprojekt “IMPRESSIVE”, das von der EU gefördert wurde, ist inzwischen abgeschlossen. 

Nun sind die Forschenden damit beschäftigt, die Leistung der Technologien zu verbessern und sie so weiterzuentwickeln, dass sie bald auf den Markt kommen können. Denn wenn alle Fenster mit solch einer Technologie ausgestattet würden, wäre selbst der geringe Wirkungsgrad ein großer Gewinn. 

Neben durchsichtigen Solarzellen gibt es noch einen weiteren Forschungsansatz. Auch mit Folien können Fenster zu Stromerzeugern werden. Als Prototyp entstand eine 1,5 mal drei Meter große Fläche. Glaubt man dem Unternehmen ubiquitous ENERGY2 , könnten Wolkenkratzer auf der ganzen Welt dadurch in vertikale Solaranlagen verwandelt werden.

Noch stecken die transparenten Solarkollektoren in den Kinderschuhen. Das hängt vor allem damit zusammen, dass die Forschenden aktuell daran arbeiten, die Leistung der Systeme zu verbessern. 

Bislang ist noch nicht absehbar, wann du die ersten transparenten Solarkollektoren kaufen kannst. Es gibt zwar bereits einige wenige Unternehmen, die sich gegründet haben, mit dem Ziel, diese neuen Systeme auf den Markt zu bringen. Doch bis es ein bezahlbares Serienprodukt gibt, wird es wohl noch einige Zeit dauern. Es gibt zwar bereits transparente PV-Module auf dem Markt. Ihre Effizienz ist aber noch so gering, dass sich die Installation aktuell.

Je nachdem, welches System transparenter Solarkollektoren sich am Ende durchsetzt und die Marktreife erlangt, gibt es unterschiedliche Zukunftsszenarien: Wenn Fenster künftig Energie erzeugen, wird es leichter, Häuser mit mehr regenerativer und umweltfreundlicher Energie zu versorgen. Gleichzeitig würden sie autarker, müssten also nicht mehr so viel Energie von einem Energieversorger geliefert bekommen. Grundsätzlich wäre das Potenzial sehr groß und könnte die Energiewende vermutlich deutlich vorantreiben. Schließlich gibt es nicht nur klassische Fensterflächen bei Häusern, sondern auch Wintergärten, Terrassendächer, Vordächer, Gewächshäuser, Carports und Balkone mit teilweise verglasten Flächen.