Solarthermie: Ertrag in Sommer und Winter

Winterstrahlung so effektiv wie möglich nutzen

Dass die unterschiedlichen Temperaturen in Sommer und Winter den Ertrag einer Solarthermieanlage bestimmen, ist nur die halbe Wahrheit. Eine höhere Umgebungstemperatur wirkt sich zwar positiv aus, produziert wird die Wärme jedoch von der Sonnenstrahlung. Und die ist bekanntlich von Mai bis August am höchsten. Wir zeigen auf, wie Sie die winterliche Sonnenstrahlung besser ausnutzen können. Zuvor beleuchten wir das Thema Globalstrahlung und gehen kurz auf die Einfluss nehmenden Faktoren ein.

Globalstrahlung als Ertragsfaktor Nr. 1

Globalstrahlung erklärt

Die Globalstrahlung wird definiert als Sonnenstrahlung, die jährlich auf einen Quadratmeter unseres Erdbodens trifft. Sie setzt sich aus direkter und indirekter Strahlung zusammen: Die Direktstrahlung erreicht die Erdoberfläche ungehindert. Die Diffusstrahlung ist das, was nach der Streuung und Reflexion durch Wolken, Feuchte, Verschmutzung noch hindurchdringt. In Deutschland ist die Globalstrahlung gewöhnlich je zur Hälfte direkt und indirekt.

Weitere Faktoren, die Einfluss auf die Intensität der Strahlungsenergie ausüben, sind:

• die Wegstrecke der Strahlung, da die Intensität mit jedem Kilometer abnimmt,
• die geografische Höhe des Standortes, da eine dickere Luftschicht die Strahlung streut, absorbiert und reflektiert,
• die Luftqualität am Standort, da schmutzige Luft die Strahlen schlechter durchdringen lässt als saubere,

• das Wetter/Klima am Standort, da es die Qualität der Luftschicht beeinflusst.

Daraus lassen sich drei Fakten ableiten: Globalstrahlung und Erträge sind umso höher,

1. je näher am Äquator eine Solarthermie-Anlage steht. Aufgrund des steileren Sonnenstandes ist der Weg für die energetische Solarstrahlung von der Sonne zur Erdoberfläche am Äquator kürzer.
2. je höher der Standort einer solarthermischen Anlage ist. Dünne Luft bildet eine weitaus geringere Barriere als dicke.
3. je höher die Sonne steht. Das gilt natürlich um die Mittagsstunde (Sommerzeit beachten!) und in den Sommermonaten. Was umgekehrt auch heißt: Der Ertrag ist in den Wintermonaten deutlich niedriger, um Weihnachten herum sogar besonders niedrig.

Globalstrahlung

Strahlungsarten, Einflussfaktoren und regionale Globalstrahlung Die Globalstrahlung bildet eine wichtige Eingangsgröße für die Ertragsberechnung einer Photovoltaikanlage. Unter diesem Begriff versteht… weiterlesen

Globalstrahlung in Deutschland

Alle 10 Jahre gibt der Deutsche Wetterdienst DWD eine Karte mit der mittleren Jahressumme der Globalstrahlung in Deutschland für die vergangenen 30 Jahre heraus. Für den Zeitraum 1991 – 2020 wurden Werte zwischen 975 und 1.259 kWh/m² ermittelt und ein Mittelwert von 1.086 kWh/m² errechnet.

Die große Bandbreite ergibt sich aus deutschlandweit sehr unterschiedlichen Einstrahlungen. So liegen die Werte in der norddeutschen Tiefebene und im Sauerland am unteren, in weiten Gebieten Bayerns und Baden-Württembergs am oberen Rand. Mittlere Strahlungswerte wurden in Mitteldeutschland und in östlichen Regionen verzeichnet.

Neuere Messungen lassen in Zukunft höhere Strahlungswerte erwarten. Karten des DWD für die Jahre 2021, 2022 und 2023 geben folgende Werte wieder (Angaben in kWh/m²):

2022 war sicherlich ein Ausnahmejahr. Der vom DWD veranschaulichte Trend der Jahressummen liefert jedoch ein eindeutiges Bild: Die Globalstrahlung steigt seit Jahrzehnten an und lässt auf immer bessere Energieerträge hoffen.

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Globalstrahlung in Sommer und Winter

Über die Schwankungen zwischen Sommer und Winter sagt das „vieljährige Mittel“ nichts aus. Ruft man die Monatskarten des Deutschen Wetterdienstes ab, erhält man für den genannten Zeitraum folgende Daten (Angaben in kWh/m²):

In dieser Erhebung summiert sich die mittlere Globalstrahlung in den Sommermonaten April bis September (gelb) auf 845 kWh/m², in den Wintermonaten Oktober bis März (blau) auf 237 kWh/m². Dies ergibt ein Verhältnis von etwa 3:1 von sommerlicher zu winterlicher Strahlung.

Fazit: Die Globalstrahlung ist der entscheidende Faktor für den Ertrag einer Solarthermie-Anlage. Etwa drei Viertel der Ernte wird im Sommerhalbjahr eingefahren, im Winterhalbjahr nur etwa ein Viertel. Die größere Strahlungsintensität der letzten Jahre ist für dieses Verhältnis ohne Einfluss, da sich der Anstieg gleichmäßig über das Jahr verteilt.

Solarer Deckungsanteil im Sommer

Wenn keine Heizwärme benötigt wird, kann die Solarthermie-Anlage ihre volle Kraft der Warmwasserbereitung widmen. Und das funktioniert zumindest in den Sommermonaten wirklich gut. Oft kann die Anlage bis zu 100 Prozent der benötigten Wärmeenergie decken. Der tatsächlich erreichte Anteil wird von der Fachwelt als „solarer Deckungsanteil“ oder solarer Deckungsgrad bezeichnet. Der Prozentsatz steigt in Übereinstimmung mit dem Stand der Sonne.

Theoretisch wäre ein 100-Prozent-Deckungsgrad auch im Winter möglich. Aber: Dafür müsste die Kollektorfläche riesige Dimensionen annehmen, was zu einer enormen Überproduktion oder gar Überhitzung im Sommer führen würde und durch die hohen Anschaffungskosten absolut unwirtschaftlich wäre. In Anbetracht dessen gibt es bessere Lösungen:

Kniffe für die optimale Winternutzung der Solarthermie

Die schwache Winterstrahlung kann niemand verbessern. Mit den richtigen Maßnahmen lässt sich das, was die Wintersonne bietet, dennoch optimieren. Folgende Faktoren beeinflussen die Leistung einer Solarthermie-Anlage positiv:

• Südausrichtung: Jedes Kind weiß, dass es im Winter später hell und früher dunkel wird. Das heißt, auf ein östlich oder westlich ausgerichtetes Hausdach scheint sie dann nur kurze Zeit aufs Hausdach. Je exakter die Kollektorfläche nach Süden gerichtet ist, desto besser für den Ertrag.
• Großer Neigungswinkel: Im Sommer, wenn die Sonne hoch steht, bringen weniger stark geneigte Dächer den größten Ertrag. Im Winter dagegen ist ein steileres Dach optimal. Außerdem kann Schnee dann oft von selbst herunterrutschen. Je näher sich die Dachneigung der 70-Grad-Marke nähert, desto besser.

• Wärme: Besonders im Winter gilt: Je besser die Solaranlage vor Kälte geschützt ist, desto effizienter arbeitet sie. Die größten Wärmeverluste entstehen an schlecht isolierten Rohren, Leitungen und Anschlüssen sowie ungenügend gedämmten Pufferspeichern. Auch wenn sie nicht ganz auszuschließen sind: Eine gute Wärmedämmung reduziert ertragsmindernde Wärmeverluste.

• Kurze Wege: Im Idealfall sind die Rohrsysteme einer Solaranlage nicht nur perfekt ummantelt, sondern auch so kurz wie möglich. Jeder eingesparte Zentimeter spart auch Energie ein. Also bitte den Standort des Wärmespeichers gut planen.
• Sauberkeit: Solarkollektoren scheinen Herbstlaub, Feinstaub, Kamin- und andere Ablagerungen geradezu magisch anzuziehen. Vieles wäscht der (im Winter häufigere) Regen zwar ab, alles was liegen bleibt, verursacht jedoch teils deutliche Einbußen. Dazu gehört auch Schnee, der schlimmstenfalls sogar zur Einstellung des Betriebs führen kann. Deshalb: Eine saubere Dachanlage bringt die besten Erträge.

• Lichtreflexion: In Gegenden mit viel Schnee können Solaranlagen-Betreiber auch vom frostigen Niederschlag profitieren: Die weiße Oberfläche reflektiert die Strahlung und führt oft zu einem leichten Anstieg der Solarerträge.
• Leistungsstarke Kollektoren: Flachkollektoren sind zwar billiger und werden daher auch weitaus öfter verbaut. Auf der anderen Seite kommen Röhrenkollektoren auf höhere Temperaturen, und das sogar bei schlechten Sonnenlichtverhältnissen und im Winter. Lesen Sie dazu unseren Vergleich der Solarthermie-Kollektoren. Der Taschenrechner zeigt an, welche Variante sich bei welchen Voraussetzungen besser rechnet.

Fazit

Machen wir uns nichts vor: In den Wintermonaten kommt kein Betreiber einer Solarthermieanlage ohne die Heizungsanlage aus – auch nicht, wenn nur das Trinkwasser erwärmt werden soll. Dennoch können unter Beachtung einiger Tipps und Tricks bessere Wintererträge erzielt werden. Um die Ertragsaussichten am eigenen Standort grob abzuschätzen, sollte man sich die Strahlungskarten des Deutschen Wetterdiensts ansehen. Sie geben einen Überblick über die empfangene Strahlung in Deutschland – sowohl für das 30-jährige Mittel 1991-2020 (s.o.) als auch für einzelne Monate und/oder Jahre.

Solarthermie Leistungsangaben

Solarthermie Kennzahlen und Kennwerte verständlich erklärt Solarer Deckungsanteil, spezifischer Kollektorertrag, optischer Wirkungsgrad. Das alles klingt reichlich kompliziert. Ist es aber… weiterlesen

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