Solarthermie und Photovoltaik im Vergleich

• Was ist der Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik? Während eine Photovoltaikanlage Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandelt, nutzt die Solarthermie die Sonnenkraft zur Erzeugung von Wärme. Die gewonnene Energie der Solarthermie fließt meist in die Warmwasserbereitung oder unterstützt die Gebäudeheizung, wohingegen der Strom der Solaranlage universell im Haushalt genutzt oder ins Netz eingespeist werden kann.
• Welche Technologie hat den besseren Wirkungsgrad? Die Solarthermie weist mit einem Gesamtsystem-Wirkungsgrad von knapp 50 Prozent (Kollektoren allein bis zu 90 Prozent) einen deutlich höheren Wert auf als die Photovoltaik. Eine klassische Solaranlage zur Stromerzeugung erreicht im Vergleich dazu nur etwa 20 Prozent Wirkungsgrad, da sie lediglich einen kleineren Teil des Lichtspektrums in elektrische Energie umwandeln kann.
• Was ist rentabler: Strom oder Wärme? Finanziell ist die Photovoltaikanlage derzeit oft rentabler, da Strom eine hochwertigere Energieform ist und durch Eigenverbrauch sowie Einspeisevergütung direkt zur Kostenersparnis führt. Eine Solarthermie-Anlage ist zwar in der Anschaffung oft günstiger und technisch einfacher aufgebaut, ihre Wirtschaftlichkeit hängt jedoch stark vom individuellen Warmwasserbedarf und den Kosten des fossilen Brennstoffs ab, den sie ersetzt.
• Wie unterscheiden sich die technischen Komponenten? Eine Photovoltaikanlage besteht im Kern aus Solarmodulen und einem Wechselrichter, der den Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umwandelt. Im Gegensatz dazu benötigt eine Solarthermie-Anlage Kollektoren, einen gut isolierten Wärmespeicher im Keller sowie einen geschlossenen Kreislauf mit einer Solarflüssigkeit, die die eingefangene Hitze vom Dach zum Wassertank transportiert.
• Kann man beide Systeme kombinieren? Ja, eine Kombination beider Systeme auf einem Dach ist möglich und ökologisch sinnvoll, um sowohl den Strom- als auch den Wärmebedarf regenerativ zu decken. Da die Dachfläche jedoch begrenzt ist, entscheiden sich viele Hausbesitzer heute primär für eine großflächige Photovoltaikanlage, da der erzeugte Strom auch hocheffizient eine Wärmepumpe antreiben kann, was beide Welten effektiv miteinander verbindet.

Die Solarthermie basiert aus einem denkbar einfachen Prinzip. In einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert die sogenannte Solarflüssigkeit, eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel. Auf dem Dach befinden sich Solarkollektoren, in denen diese Flüssigkeit durch die Sonne erwärmt wird.

Im Keller des Hauses befindet sich ein Wärmespeicher, bei dem es sich im Wesentlichen um einen thermisch sehr gut isolierten Wassertank handelt. Über einen Wärmetauscher gibt die auf dem Dach erwärmte Solarflüssigkeit ihre Wärmeenergie an diesen Speicher ab. Das so erwärmte Wasser kann direkt entnommen und als Trinkwasser verwendet werden.

Einige Solarthermieanlagen nutzen stattdessen ein separates Frischwasserdepot, dessen Wasser bei der Entnahme erwärmt wird, indem es in einem spiralförmigen Rohr durch den Wärmespeicher geleitet wird. Zusätzlich leisten einige Solarthermieanlagen auch noch einen Beitrag zur Gebäudeheizung. Zu diesem Zweck wird der Wärmespeicher der Heizanlage durch einen Speicher ersetzt, der zusätzlich Energie aus dem Solarkreislauf aufnehmen kann.

Die zentralen Komponenten einer Solarthermieanlage sind also der Kollektor, der Warmwasserspeicher und die Pumpe, mit der die Flüssigkeit durch den Kreislauf gepumpt wird.

Kennzeichnend für die Photovoltaik ist, dass Sonnenlicht direkt – also ohne Zwischenschritte – in elektrischen Strom umgewandelt wird. Diese Technologie ist deutlich anspruchsvoller als die Solarthermie, die im Kern darauf beruht, dass alles heiß wird, was lange genug in der Sonne liegt. Herzstück einer Photovoltaikanlage sind die auf dem Dach montierten Solarmodule. Diese wandeln Licht in Strom um. Der dazu genutzte physikalische Effekt ist der Umkehrprozess der von Leuchtdioden bekannten Umwandlung von Strom in Licht.

Auf diese Weise wird Gleichstrom erzeugt, der vor seiner Nutzung in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Dies geschieht über einen Wechselrichter, der neben den Solarmodulen die zweite zentrale Komponente einer Photovoltaikanlage bildet.

Solarkollektoren haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Photovoltaik-Module. Moderne Kollektoren erreichen Wirkungsgrade von etwa 90 Prozent, allerdings treten in den Leitungen, in den Wärmetauschern und im Speicher weitere Verluste auf. Die Gesamtanlage erreicht so meist einen Wirkungsgrad von knapp 50 Prozent. Verglichen damit ist der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage mit rund 20 Prozent eher bescheiden.

Im Kern liegt das daran, dass das Sonnenlicht ein breites Spektrum umfasst, das von langwelliger Wärmestrahlung (infrarot) bis zu kurzwelliger ultravioletter Strahlung reicht. Jede Art von Strahlung kann in Wärme umgewandelt werden, aber Photovoltaikanlagen können nur einen kleinen Teil des Spektrums in Strom umwandeln.

Der Vergleich der erzeugten Gesamtenergie sagt allein wenig aus. Es ist kein Zufall, dass eine Kilowattstunde Strom deutlich teurer ist als eine Kilowattstunde Heizwärme. Strom ist deutlich schwieriger zu erzeugen, auch bei der in Kraftwerken vorgenommenen Umwandlung von Wärme in Strom treten hohe Verluste auf.

Deswegen wird die Photovoltaik zumindest heute noch großzügiger gefördert als die Solarthermie. Das könnte sich bald ändern, denn die Photovoltaik-Förderung ist zunehmend umstritten. Aus ökologischer Sicht ist die Solarthermie der Photovoltaik mindestens ebenbürtig, finanziell ist die Photovoltaik aufgrund der Ungleichbehandlung bei der Förderung derzeit noch rentabler.