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Solarthermie-Überschuss in Strom umwandeln

Über diesen Artikel

Lesezeit

4 Minuten

Veröffentlichung

15.08.2022

Letztes Update

15.08.2022

Bei nahezu jedem Prozess der Energieerzeugung entsteht ungenutzte Wärme. Auch bei der Solarthermie. Könnte man diesen Überschuss nicht zum Beispiel in elektrischen Strom umwandeln?

Inhalt des Blogartikels

Wie wird der Solarthermie-Überschuss erzeugt, um ihn später in Strom umzuwandeln?

Bevor wir dieser Frage nachgehen, schauen wir uns kurz an, wie im großen Maßstab elektrischer Strom erzeugt wird. Abgesehen von Gezeiten- und Wasserkraftwerken ist dabei immer Wärme im Spiel. Bei Kohle- und Gaskraftwerken wird der Energieträger (Kohle oder Gas) in der Anlage verbrannt. Die dabei entstehende Wärme erhitzt Wasser. Es bildet sich unter Druck stehender Wasserdampf, mit dem eine Turbine angetrieben wird. Die Turbine wiederum versetzt den Rotor eines Generators in Drehung, der den elektrischen Strom erzeugt.

Selbst klassische Atomkraftwerke nutzen dieses Prinzip. Allerdings wird in diesem Fall die Hitze zur Erzeugung des Dampfes durch den radioaktiven Zerfall der Brennstäbe erzeugt. Die Umwandlung von Wärme in Strom ist also ein seit langer Zeit genutztes Verfahren.

Zurück zur Solarthermie. Bekanntlich besteht eine Solarthermieanlage aus Kollektoren, einem Rohrkreislauf, einem Wärmetauscher (im Pufferspeicher der Heizungsanlage) und einer Solarpumpe. In den Kollektoren und dem Rohrkreislauf befindet sich eine Solarflüssigkeit, die mit der Pumpe in Bewegung gehalten wird. Auf diesem Weg wird pausenlos die durch Sonnenenergie erhitzte Flüssigkeit aus den Kollektoren zum Wärmetauscher gepumpt, wo sie ihre Wärme an das im Speicher befindliche Heizungswasser abgibt. Im Anschluss gelangt die abgekühlte Flüssigkeit wieder zu den Kollektoren und nimmt erneut Sonnenenergie auf.

Überschüssige bzw. ungenutzte Wärme findest du an 2 Stellen. Bei Sonneneinstrahlung erwärmt sich nicht nur die Solarflüssigkeit in den Kollektoren, sondern auch die Kollektoren selbst nehmen Wärme auf und geben sie nachts an die Umgebung ab.

Ein zweiter Grund, warum Wärme ungenutzt und zum Solarthermie-Überschuss wird, liegt in der Funktionsweise der Solaranlage. Die Übergabe der Wärme aus der Solarflüssigkeit an das Heizungswasser funktioniert nur, wenn das Wasser im Speicher eine niedrigere Temperatur aufweist. Wenn die beiden Temperaturen ausgeglichen sind, gibt die Solarflüssigkeit keine Wärme ab und wird mit der gleichen Temperatur in die Kollektoren zurückgepumpt.

Das bedeutet auch, dass die Solarpumpe ganz umsonst Strom verbraucht. Deshalb schaltet die Regelung in dem Fall die Pumpe ab und erst wieder zu, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Solarflüssigkeit und Pufferspeicherinhalt einen Schwellwert übersteigt. Würdest du in diesem Zeitraum der Solarflüssigkeit weiter Wärme entziehen und zur Stromerzeugung nutzen, könnte die Pumpe weiterarbeiten und die Solarflüssigkeit weiter Sonnenwärme aufnehmen, die sonst als Überschuss ungenutzt bleibt.

 

Was passiert mit dem Solarthermie-Überschuss?

Der Solarthermie-Überschuss ist ein bekanntes Phänomen, das vor allem im Sommer auftritt. Das ist logisch. Denn im Sommer brauchst du keine Energie für die Heizung. Bedarf besteht allenfalls für die Bereitung des warmen Wassers.

Entsprechend findest du im Internet eine ganze Reihe von Tipps, wie du den Solarthermie-Überschuss nutzen kannst. Sie reichen vom Anschluss der Wasch- und Geschirrspülmaschine an das warme Wasser bis zur Nutzung der Wärme zum Trocknen eines feuchten Kellers. Besitzern von Erdwärmepumpen wird empfohlen, die überschüssige Wärme in den Boden zu leiten und dort bis zum Winter zu speichern. Auch die Nutzung der Wärme, um mit Ab- oder Absorptionskältemaschinen das Haus zu kühlen, findet sich als Tipp.

Dagegen gibt es keine Hinweise dazu, den Solarthermie Überschuss in Strom umzuwandeln. Das hat natürlich seine Gründe, auf die wir jetzt eingehen.

 

Einsatz von Strom aus überschüssiger Solarthermie-Energie

Wir hatten uns am Anfang dieses Blogbeitrags angeschaut, wie unser Strom erzeugt wird. Die dazu nötigen Temperaturen kannst du mit Solarthermie allerdings nicht erreichen. Und auch eine ausgewachsene Turbine samt Generator wird kaum in dein Haus passen. Aber es existiert ein Verfahren, um aus Wärme direkt Strom zu gewinnen. Dieses Verfahren heißt Thermovoltaik (oder auch Thermoelektrik).

Der bereits vor mehr als 200 Jahren entdeckte thermoelektrische Effekt funktioniert wie folgt: Werden zwei elektrische Leiter miteinander verbunden und einer der beiden Leiter wird erwärmt, dann diffundieren Elektronen von der heißen zur kalten Seite. Es entsteht eine Spannung und demzufolge fließt ein Strom, der abgegriffen werden kann.

Das Problem dieser Technik liegt in ihrem sehr geringen Wirkungsgrad, der nur bei 1 bis 5 Prozent liegt. Mittlerweile werden für Generatoren auf Basis der Thermovoltaik statt der Metalldrähte spezielle Halbleitermaterialien verwendet. Damit konnte der Wirkungsgrad gesteigert werden. Im Labor werden mittlerweile 17 Prozent Wirkungsgrad erreicht. In der praktischen Anwendung kommst du aber eher auf maximal 8 Prozent.

Der Vorteil der Thermovoltaik besteht darin, dass die Stromerzeugung im Gegensatz zu einem Kohle-, Gas- oder auch einem Blockheizkraftwerk völlig ohne mechanische Bewegungen und damit ohne Abnutzungen auskommt. Der sehr geringe Wirkungsgrad macht es jedoch schwierig, sinnvolle Anwendungen für diese Technik zu finden.

Außerdem wird eine recht hohe Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite benötigt, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad und Stromertrag zu erreichen. Hier ein Beispiel. Im Fachhandel werden Thermovoltaik-Generatoren angeboten, die etwa die Größe eines Kochtopfes haben und tatsächlich zum Aufsetzen auf die Brennstelle eines Campingkochers gedacht sind. Kurze Zeit nach dem Aufsetzen auf die Flamme liefern diese Generatoren elektrische Energie. Je nach Ausführung werden Spannungen von 5 Volt bis 25 Volt und Leistungen von 5 Watt bis 30 Watt erreicht. Damit kannst du Smartphones, Tablets und Laptops laden oder auch eine Lampe mit LED-Leuchtmittel oder ein Radio betreiben. Die Flamme des Gaskochers hat eine Temperatur von etwa 900 °C.

 

Solarthermie-Überschuss in Strom umwandeln: Derzeit noch im Wandel

Thermovoltaik könnte also eine Möglichkeit sein, Solarthermie-Überschüsse in Strom umzuwandeln und so die Effizienz deiner Anlage zu erhöhen. Aber leider steht der geringe Wirkungsgrad und die benötigte Temperaturdifferenz der Nutzung in einer Solaranlage noch entgegen.

Aber an dieser Technologie wird weltweit geforscht und entwickelt. Im Februar 2021 gab ein internationales Team aus Forschern des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und des Texas Zentrums für Supraleitung (TcSUH) der Universität Houston die Entwicklung eines thermoelektrischen Generators auf Basis von Magnesium-Antimon Verbindungen bekannt. Dieser Generator hat einen recht hohen Wirkungsgrad von 7 Prozent bei einer Temperaturdifferenz von nur noch 250 °C. Du kannst davon ausgehen, dass in naher Zukunft Thermovoltaik-Generatoren auf den Markt kommen, die es lukrativ machen, den Solarthermie-Überschuss deiner Anlage in Strom umzuwandeln. Den so erzeugten Strom kannst du zum Beispiel in Batteriespeichern bis zur Nutzung aufbewahren.

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