Thermische Solarenergie

Regenerative Energien treffen auf einen Energiemarkt, der durch einen Energiebedarf oder besser gesagt einen Exergiebedarf, eine Versorgung durch Energieträger und Entsorgung von Endprodukten wie z. B. CO₂ gekennzeichnet ist. Das Potential der regenerativen Energien hängt damit essentiell von ihren Eigenschaften ab, mit denen sie den Marktcharakteristiken begegnen können. Das Profil der Energieanforderung, ihre Folge- und Gestehungskosten sowie die Randbedingungen bestimmen den Energiemarkt und zeichnen damit die Rahmenbedingungen für die Entwicklung regenerativer Energieträger vor, die künftig mehr und mehr den Aspekten Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz genügen müssen. Dieses Kapitel beleuchtet die angesprochenen Aspekte, führt zentrale Begriffe ein und diskutiert insbesondere das deutsche Umfeld des Energiemarktes in Europa, in dem sich die thermische Solarenergie bewegt.

Unabhängig ob die solare Strahlung als thermische Energie genutzt oder elektrischer Strom erzeugt wird, die primäre Energiequelle ist die Sonne. Hierzu wird zunächst die Art der Energiefreisetzung in der Sonne behandelt. Im Rahmen der ingenieurmäßigen Behandlung der Sonne als Quelle genügt eine Betrachtung der Sonne als Strahlungsquelle, deren technisch nutzbare Größe von mehreren Faktoren abhängt.

Die solare Einstrahlung gleicht der eines schwarzen Strahlers mit 5576 K und besitzt eine hohe Exergie. Die Leistungsdichte dagegen entspricht einem Strahler mit 121 °C. Für viele Anwendungen ist dies zu wenig, um eine ausreichende Betriebstemperatur (oder Exergie) sowie eine wirtschaftliche Flächennutzung zu erreichen. Mittels konzentrierender Spiegel wird die Leistungsdichte am Empfänger erhöht. Das Konzentrationsverhältnis aus Spiegel- und Empfängerfläche ist jedoch begrenzt. Die theoretische Begrenzung wird im Folgenden mittels des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik abgeleitet. Wichtiger sind jedoch Einschränkungen durch die technischen oder physikalischen Eigenschaften der Spiegel oder Konzentratoren und den Empfänger oder Absorber. Den Zusammenhang von deren Qualität und Anwendungsfällen werden aufgezeigt.

Der Begriff passive Nutzung oder passive Maßnahmen spielt in der modernen Solarthermie eine zentrale Schlüsselrolle, ohne die ein effizienter Einsatz dieser Technologie undenkbar wäre.

Die Abschn. 3.3–3.5 behandelten bereits die Berechnung des Kollektorwirkungsgrades und der darin auftretenden Verluste. Dort wurde auf die detaillierte Diskussion der einzelnen passiven wie insbesondere auch aktiven Verlustmechanismen verzichtet. Die Erarbeitung der passiven Mechanismen zur Aufnahme solarer Einstrahlung im vierten Kapitel erlaubt nun einen neuen und fundierteren Einblick in die Beurteilung der konstruktiven Gestaltung sowie der anlagenbaulichen Realisation solarthermischer Systeme. Die darin gewonnen Erkenntnisse zeigen, dass durch die physikalischen Prozesse ein hoher Anteil der solaren Einstrahlung in Wärme umgesetzt werden kann. Begrenzungen ergeben sich hauptsächlich durch konstruktive Rahmenbedingungen sowie materialspezifische Begrenzungen. Bei adäquater Material- und Temperaturwahl sowie konstruktiver Gestaltung lassen sich im passiven Bereich ca. 80 % an Energieumsetzung erreichen. Der Gesamtwirkungsgrad solarthermischer Systeme liegt jedoch deutlich unterhalb dieser Werte. Woran liegt dies? Eine Ursache ist der konvektive Transport des ein- oder mehrphasigen Wärmeträgers in den Rohrleitungen sowie in den im Solarsystem auftretenden Komponenten wie Pumpen, Ventile, Rohrleitungen und/oder Speicher, die alle verlustbehaftet sind und damit zu einer Verringerung des Wirkungsgrads führen.

Thermische Solarsysteme bieten eine nahezu unüberschaubare Anzahl von Nutzungsmöglichkeiten, die von der Bereitstellung von Wärme über die direkte Umsetzung in elektrische Leistung beispielweise in einem Aufwindkraftwerk oder über die klassische elektrische Leistungserzeugung mit Hilfe konzentrierender Solarthermie durch Dampferzeugung oder Gasturbinenprozesse reicht.

Die Nutzung der Solarthermie zur elektrischen Stromerzeugung oder hochwertiger Prozesswärme erfordert neben langzeitstabilen Hochtemperaturabsorbern die Einbeziehung des Kraftwerksprozesses wie auch angepasster Speicherkonzepte mit der Zielsetzung einer hohen Verfügbarkeit bei überschaubarem Mitteleinsatz.

Im Bereich der solaren Nutzung von Energie fällt ein Großteil der Energiemenge zu Tages- und Jahreszeiten an, in der sie nicht genutzt werden kann. Dementsprechend werden zum Ausgleich Kurz- und Langzeitspeicher benötigt. Man verwendet Hoch- und Mitteltemperaturspeicher für solarthermische Kraftwerke, Niedertemperaturwärmespeicher für Gebäude und elektrische Speicher für Photovoltaikanlagen. Für die Speicherauswahl sind Energieform, Energie- und Leistungsdichte, Zykluswirkungsgrad und –dauer, Selbstentladungsrate, Systemlebensdauer, Zuverlässigkeit und Kosten wesentliche Größen, die die Wirtschaftlichkeit erheblich beeinflussen.

Die Klimatisierung zur Schaffung behaglicher Raumluftzustände ist ein zentrales Element der Gebäudetechnik in Büro- und Verwaltungsbauten. Wesentlich am erhöhten Energiebedarf zur Klimatisierung beteiligt ist die moderne Architektur durch Einsatz großer Glasflächen als Fassadenelemente und der verstärkte Einsatz der elektronischen Datenverarbeitung in den zu klimatisierenden Räumen. Auch die Verwendung von Baumaterialien mit geringer Wärmespeicherfähigkeit wirkt sich negativ auf die erforderliche Kühllast aus.