Thermische Solarzellen



Ergänzungen
Ende 2020:
Daten update

Zur Bedeutung der thermischen Solarzellen
Thermische Solarzellen wandeln die direkte Komponente der Sonnenstrahlung in die thermische Energie eines Wärmefluids (siehe Energie2). Dabei sollte man die Verfahren danach trennen, welche Temperaturen das Wärmefluid in der thermischen Solarzelle erreicht:
Wird das Sonnenlicht konzentriert auf die Zelle eingestrahlt, kann das Wärmefluid Temperaturen von über 1000 oC erreichen (siehe Energie2). Dieses Verfahren ist besonders geeignet in Gebieten mit hoher solarer Einstrahlung (Wüsten). In einem Extrakapitel soll auf neuere Anlagen und Vorschläge, welche dieses Verfahren nutzen, eingegangen werde.
Wird dagegen das Sonnenlicht nur direkt in einem Kollektor absorbiert, so erreicht das Wärmefluid in den wenigsten Fällen eine Temperatur von über 100 oC. Dieses Verfahren wird meistens in jenen Gebieten eingesetzt, in denen die solare Einstrahlung so gering ist, wie in Deutschland.

In diesen Fällen handelt es sich bei dem Wärmefluid fast immer um Wasser. In unseren geografischen Breiten liegt dabei die Temperatur T  des erwärmten Wassers dabei nur in dem Bereich von 10 oC bis 30 oC über der Umgebungstemperatur. Daraus ergeben sich auch die Anwendungsgebiete von thermischen Solarzellen, sie werden eingesetzt
  • zur Erwärmung von Brauchwasser,
  • zur Niedertemperaturheizung von Wohnräumen.
Dieser Aufgabenbereich ist zwar sehr beschränkt, wir sollten aber nicht vergessen, dass er für etwa 40% des Primärenergiebedarfs verantwortlich ist.
Thermische Solarzellen besitzen daher im Prinzip eine wichtige Bedeutung in einer zukünftigen Energieversorgung. Sie können die ihnen gestellten Aufgaben aber nur dann übernehmen,wenn sich die thermische Energie des Wassers auch über längere Zeiträume speichern lässt, nämlich von den Tagen intensiver Sonneneinstrahlung (meistens im Sommer) in die Tage geringer Sonneneinstrahlung (meistens im Winter), wenn der Bedarf insbesondere nach Wohnraumwärme besonders hoch ist. Dies ist technisch möglich und wurde ausführlich in Energie2 behandelt. Die dazu benötigte Technik ist aber z.Z. teuer und noch unvollkommen entwickelt. Insofern besitzen die heute in der Welt installierten thermischen Solarzellen fast niemals die Möglichkeit einer Wärme-Langzeit-Speicherung und können ihre Aufgabe auch nur unvollkommen erfüllen.

Diese Beschränktheit ist klar zu erkennen an der Bedeutung thermischer Solarzellen in Deutschland. Zwar hat ihre Leistung im Zeitraum von 1999 bis 2019 um fast das 9fache zugenommen (Abbildung rechts), gemessen an der Leistung aus allen erneuerbarer Energien liegt dieser Beitrag aber nur bei etwa 1.8% und ist damit praktisch vernachlässigbar. Insbesondere fällt auf, dass seit 2010 keine wesentliche Zunahme dieses Beitrags zu erkennen ist. Dafür gibt es u.U. folgende Gründe:

Man unterscheidet bei den thermischen Solarzellen, wie in Energie2 behandelt, zwischen Flachkollektoren und Vakuumkollektoren. Für Deutschland mit einer mittleren Sonnenintensität von ca. 1000 kWh a-1 m-2 besitzen diese beiden Kollektortypen folgende Eigenschaften:

 Wirkungsgrad
 
 Wassertemperatur
 T
Flachkollektor 0.2
 10 oC
Vakuumkollektor
 0.4
 30 oC
Attraktiv sind zur Wärmebereitstellung nur die Vakuumkollektoren, diese sind aber wesentlich teurer als Flachkollektoren.
Die jährliche Leistung von thermischen Solarzellen in Deutschland seit 1999 (gelbe Balken, rechte Skala) und welchen Anteil diese an der Leistung aus allen erneuerbaren Energie hatte (schwarze Linie, linke Skala).
Die Daten nach 2014 wurden aus der Anzahl von thermischen Solaranlagen berechnet: 1 Anlage stellt in Deutschland 3710 kWh a-1 an thermischer Energie bereit.

Zusammenfassend ergibt sich aus diesen Daten, dass im Jahr 2019 alle in Deutschland installierten thermischen Solarzellen eine Energie von etwa
9 · 109 kWh a-1
gewandelt haben, und das ergibt bei einem Gesamtbedarf an Primärenergie von etwa 3.5 · 1012 kWh a-1 einen Versorgungsgrad von 0.26%. Daher kann das Ergebnis nur lauten:

Thermische Solarzellen sind unter den augenblicklichen Bedingungen nur unwesentlich an der Deckung des deutschen Primärenergiebedarfs beteiligt.

Trotzdem stellen erneuerbare Energien wesentlich mehr Wärmeenergie bereit, nach Kap. 3.1
etwa 30%, und den größten Anteil stellt die feste Biomasse, also Holz. Im Prinzip ist das die Technik, die bereits während der Steinzeit genutzt wurde und die eine Verschwendung von chemischer Energie darstellt.
Diese Aussage, dass moderne Techniken in der Wärmeversorgung nur eine untergeordnete Rolle spielen,  gilt nicht allein für Deutschland, sondern sie trifft weltweit zu: Der Beitrag von thermischer Energie aus Solarzellen bleibt in der Regel unter 1% des jeweiligen Primärenergiebedarfs. Dies wird aus der Tabelle rechts deutlich, die eine Zusammenstellung der wichtigsten Länder, geordnet nach ihrer Leistung aus thermischen Solarzellen, enthält. Die Daten gelten für das Jahr 2010, neuere Daten habe ich nicht gefunden.

Durch den Vergleich mit dem Primärenergiebedarf für 2010 ergibt sich auch der Versorgungsgrad von thermischen Solarzellen, wobei wir i.A. die gleichen Verhältnisse wie in Deutschland vorfinden. Denn Solarzellen werden hauptsächlich in der Nähe von Wohnhäusern installiert und die stehen eben nicht in sonnenreichen Gegenden, wie z.B. den Wüsten.

Für die USA kann der Beitrag der thermischen Solarzellen noch weiter aufgeschlüsselt werden. Demnach sind ca. 52% der thermischen Solarzellen in Privathaushalten installiert und dienen dort fast ausschließlich zu Erwärmung des Schwimmbadwassers. Zur Wohnraumheizung werden nur ca. 0.88% der thermischen Solarzellen verwendet, der Rest dient der Warmwasserbereitung.



Land
 Fläche
(km2 )
Leistung  
(GWh a-1)
 Kapazitäts-
faktor
 Beitrag (%)
VRChina
 168.0
97682
 0.095
 0.35
Türkei
 13.3
 10846
 0.133
 0.82
USA
 21.8
 9076
 0.068
 0.03
Deutschland
 13.7
 5565
 0.066
 0.14
Australien
 8.32
 4971
 0.097
 0.28
Brasilien
 6.11
 4285
 0.114
 0.13
Israel
 4.17
 3591
 0.141
 1.28
Indien
 3.97 3397
 0.140
 0.05
Griechenland
 4.09 3146
 0.126
 0.80
Österreich
 4.56
 1832
 0.066 0.41
Zusammenstellung der Länder mit den größten Leistungen aus thermischen Solarzellen, den erreichten Kapazitätsfaktoren und den Beiträgen zur Versorgung mit Primärenergie für das Jahr 2010

In Israel, der Türkei und Griechenland ist die Nutzung der thermischen Solarzellen offensichtlich am weitesten vorangeschritten, also in den ve-Ländern am östlichen Teil des Mittelmeers. Wegen des sonnenreichen Klimas dienen thermische Solarzellen dort wohl überwiegend der Warmwasserbereitung und nicht der Wohnraumheizung.
Diese vorzugsweise Nutzung ist natürlich eher ein Zeichen für den hohen Lebensstandard in den USA, als dass er auf besondere Anstrengungen hinweist, die fossilen durch erneuerbare Energien in dem wichtigen Sektor Raumwärme zu ersetzen. In der Tat, in Energie2 wurde auch argumentiert, dass sich eine Reduzierung des fossilen Primärenergiebedarfs im Sektor Raumwärme wegen der Speicherprobleme nicht so sehr mithilfe von thermischen Solarzellen, sondern eher dadurch erreichen lässt, dass neu erbaute Wohneinheiten den Standard von Passivhäusern erfüllen und der Altbestand an Wohngebäuden wenigstens modernisiert wird. In Deutschland werden diese Maßnahmen seit einiger Zeit staatlich gefördert. Denn z.Z. ist der Bestand an Passivhäusern noch sehr gering. Nach einer Zusammenstellung im Internet existieren nur 4968 Objekte mit einem geschätzten Anteil von 0.012% an allen Wohneinheiten in Deutschland. Nach einer ähnlichen Zusammenstellung für die USA ist die Zahl der Passivhäuser dort von gleicher Größenordnung, aber ihr Anteil an der Gesamtzahl von Gebäuden sinkt auf unter 0.003%. Beispiele für Passivhäuser findet man in diesem Report.