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Solarstrahlung & Solarthermieanlagen

Eine thermische Solaranlage ist ebenso wie eine Photovoltaikanlage auf möglichst viel Sonneneinstrahlung angewiesen, wenn sie einen guten Wärmeertrag liefern soll. Doch auf dem Weg von unserem Zentralgestirn bis zum Solarkollektor auf dem Dach bleibt viel Energie auf der Strecke oder sucht sich einen anderen Pfad. Hier finden Sie eine Definition der relevanten Begriffe und eine Kurzübersicht, welche Faktoren neben der Solarstrahlung weiteren Einfluss auf den Ertrag einer Solarthermieanlage ausüben.
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Solarstrahlung, Globalstrahlung 2014 und Solarthermieanlagen

Die Solarstrahlung ist die gesamte Strahlung, die von der Sonne ausgesandt wird. Auf dem Weg durch die Erdatmosphäre geht jedoch einiges an Energie durch Reflexion (z.B. durch Wolken), Absorption oder Streuung für die Nutzung durch Solaranlagen verloren. Den vergleichsweise festen Anteil an Solarstrahlung, welcher die Erde erreicht, nennt man Solarkonstante (E0). Der Mittelwert beträgt außerhalb der Erdatmosphäre 1367 Watt pro Quadratmeter. Da der Abstand zwischen Erde und Sonne sich im Jahresverlauf vergrößert oder verringert, trifft entsprechend mehr oder weniger Energie auf den Planeten. Die Solarkonstante bewegt sich in einem Bereich zwischen E0=1325 W/m2 und E0=1420 W/m2.

Den Anteil der Solarstrahlung, der schlussendlich an der Oberfläche auftrifft, bezeichnet man als Globalstrahlung. Diese Strahlung unterteilt sich noch einmal in direkte Strahlung, indirekte Strahlung und diffuse Strahlung. Letztere bezeichnet Solarstrahlung, die z.B. nach einer Brechung, Streuung oder Reflexion auf einen bestimmten Punkt trifft. Dass die diffuse Strahlung in Deutschland durchaus weit mehr als die Hälfte der Globalstrahlung ausmachen kann, erklärt, warum Solarthermieanlagen auch an bewölkten Tagen noch Ertrag bringen, wenngleich eingeschränkt. Die Globalstrahlung fällt regional sehr unterschiedlich aus. In Deutschland schwankt dieses Strahlungsangebot und der Jahreseintrag liegt zwischen 900 und 1200 Kilowattstunden je Quadratmeter und Jahr ( kWh/m2a ). Das ergibt eine durchschnittliche Bestrahlungsstärke von 100 - 135 W/m2.

Die folgende Karte Deutschen Wetterdienstes (DWD) zeigt die Globalstrahlung in Deutschland für das Jahr 2014. Vor allem der Süden und Südosten Deutschlands genießt eine vergleichsweise hohe Solarstrahlung:

Die folgende Karte verdeutlicht, wie groß der Unterschied in der einfallenden Globalstrahlung zwischen Deutschland und anderen, insbesondere südeuropäischen Ländern wie Italien oder Spanien, ausfällt. Dort liegen die Werte durchaus bei 1600 (Italien) und 2000 kWh/m2a (Spanien) bei einer Einstrahlung von 230 W/m2 und mehr.

Grafik: PVGIS © European Communities, 2001-2008, Šúri M., Huld T.A., Dunlop E.D. Ossenbrink H.A., 2007. Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries. Solar Energy, 81, 1295–1305, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/.

Daraus abzuleiten, dass sich Solarenergie in Deutschland nicht rechnet - ein Vorwurf, der des Öfteren erhoben wird - greift jedoch zu kurz.

So kostet eine Kilowattstunde Strom aus einer hauseigenen Photovoltaikanlage für eine durchschnittliche Anlage zwischen 13 und 15 Cent pro Kilowattstunde an Stromgestehungskosten. Das liegt deutlich unter dem Preis, den man derzeit (Stand August 2015 circa 29 Cent pro Kilowattstunde) für Haushaltsstrom bezahlen darf. Das setzt allerdings einen großen Eigenverbrauch voraus, wenn man eine gute Rendite erwirtschaften möchte, denn die Einspeisevergütung für Solarstrom liegt derzeit auf einem ganz ähnlichen Niveau. In diese Rechnung sollten allerdings weitere Faktoren einfließen. Dazu zählt: die Unabhängigkeit von bestimmten Rohstoffimporten und -Lieferanten, dass Solarenergie für unser individuelles Zeitverständnis unbegrenzt verfügbar ist und die emissionsarme Bereitstellung der Energie. Unser Solarrechner hilft Ihnen bei der Berechnung einer Photovoltaikanlage.

Bei der Solarthermie liegt die Sachlage ein wenig anders, da man hier keine Einspeisevergütung erhält und die Wärme, von einigen Nah- oder Fernwärmenetzen abgesehen, nur für den Eigenverbrauch bestimmt ist. Außerdem haben Warmwasser- und Kombianlagen jeweils eigene Anfoderungen, Investitionskosten und Erträge. Jedoch ist nach Berechnungen des BSW-Solar (Quelle) unter Einbeziehung der spezifischen Wärmekosten durchaus bereits konkurrenzfähig, wenn die Anlage korrekt geplant ist (der Betrag, eingerechnet der Kosten für Anschaffung, Installation und Folgekosten, schwankt laut Quelle zwischen 8 und 15 ct/kWh. Die Gasheizung liegt selbst auch bei 15 ct/kWh). Mehr dazu erfahren Sie in unserem Artikel zur Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen (folgt in Kürze). Gerade bei steigenden Brennstoffkosten wird sich die Wirtschaftlichkeit einer Solarthermieanlage stetig verbessern. Dazu gesellen sich die Umweltvorteile aus dem vorigen Absatz.

Weitere anlagenbedingte Wärmeverluste zwischen Sonne und Speicher

Damit die Solarkollektoren einer thermischen Solaranlage die Solarstrahlung möglichst effektiv auffangen, sind die Dachausrichtung und die Dachneigung wichtige Faktoren in der Wirtschaftlichkeitsberechnung einer Solarthermieanlage. Geneigte Flächen erhalten einen geringeren Strahlungsanteil. Prinzipiell ist eine Dachfläche mit südlicher Ausrichtung und eine Dachneigung von mehr als 15 Grad, idealerweise zwischen 30 bis 50 / 45 bis 70 Grad, am besten (abhängig vom Typ der Solarthermieanlage).

Die Strahlung trifft nun im Falle einer Solarthermieanlage auf den Solarkollektor und erwärmt diesen. Wie viel von der Globalstrahlung dann in nutzbare Wärme umgewandelt wird, hängt vom Kollektorwirkungsgrad ab. Dieser schließt weitere Wärmeverluste wie Reflexionen durch die Kollektorabdeckung, Reflexion oder Transmission mit ein. Weitere Verluste an Wärme können dann noch im Solarkreislauf auf dem Weg zum Speicher und im Solarspeicher selbst auftreten, falls er nur unzureichend gedämmt ist.

Fachbetriebe für Solarthermie helfen Ihnen gern bei allen Fragen rund um Solarstrahlung, Anlagenplanung und Wirtschaftlichkeitsberechnung. Auch im Bereich Grundlagen der Solarthermie finden Sie weiterführende Informationen.

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Dieser Artikel wurde erstellt von: Thorben Frahm, Redakteur www.Solaranlagen-Portal.com