02.01.2017 Lesedauer: min Jens Hakenes und Marcus Weber
Kollektoren sind der wichtigste und zugleich sichtbarste Teil jeder Solarthermieanlage. Sie sind meist auf dem Dach installiert und nutzen dort das Sonnenlicht zur Erwärmung von Wasser. Verbraucher können zwischen verschiedenen Arten von Solarkollektoren wählen. Diese Übersicht stellt die wichtigsten Typen vor und zeigt deren Vor- und Nachteile.
Finden Sie heraus, ob sich eine Solarthermieanlage für Ihr Gebäude lohnt – und was Sie sonst noch für weniger Kosten und mehr Komfort tun können:
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Um aus Sonnenstrahlen Wärme zu gewinnen, brauchen Hauseigentümer drei Dinge: einen Solarspeicher, eine Steuerungseinheit und Solarkollektoren. Darin sammelt ein so genannter Absorber die Wärme und gibt sie an ein Wärmeträgermedium ab. Bei den meisten Solarkollektoren ist das ein Wassergemisch. So einfach, so genial. Allerdings gibt es auf dem Markt verschiedene Arten von Solarkollektoren, aus denen der Verbraucher wählen muss. Diese Übersicht stellt Ihnen das Qualitätslabel „Solar Keymark“ und die wichtigsten Solarkollektoren vor: vom weit verbreiteten Flachkollektor über den Röhrenkollektor bis hin zu Nischenvarianten wie dem Hybridkollektor oder dem Luftkollektor.
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Ein Flachkollektor ist ein Solarkollektor mit einer flachen, ebenen Absorberfläche. Diese wird durch eine robuste Glasabdeckung und ein Gehäuse geschützt. Flachkollektoren sind der häufigste Kollektor-Typ in Deutschland. Ein wesentlicher Vorteil ist das oft gute Preis-Leistungs-Verhältnis.
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Flachkollektoren sind am häufigsten auf unseren Dächern anzutreffen. In ihnen wird die Sonnenstrahlung wie in einem Treibhaus gefangen. Ihr Name leitet sich von ihrer Bauweise ab: Die rechteckigen, wärmegedämmten Gehäuse aus Aluminium oder Edelstahl haben keine Erhebungen. Die der Sonne zugewandte Seite ist mit einer Abdeckung aus robustem Glas versehen. Sie soll möglichst viel Sonneneinstrahlung in das Innere des Solarkollektors weiterleiten und gleichzeitig vor Regen, Hagel oder herabfallenden Ästen schützen.
Der Absorber, ein wärmeleitendes und dunkel beschichtetes Metallblech im Inneren, sorgt dafür, dass viel Sonnenlicht in Wärme umgewandelt und in den Solarspeicher weitergeleitet wird. Ein Flachkollektor wiegt meist zwischen 15 und 25 kg/m2. Er erreicht einen Wirkungsgrad von etwa 60 bis 85 Prozent.
Bei einer Solarthermieanlage für Warmwasser wird nach einer Faustregel eine Kollektorfläche von etwa 1,5 m2 pro Person benötigt. Soll zusätzlich auch die Heizung unterstützt werden, sind es rund 3 m2 pro Person.
„Die zusätzliche Energieausbeute durch Röhrenkollektoren hätte unsere deutlich höheren Investitionskosten nicht aufgewogen. Deshalb haben wir uns für Flachkollektoren entschieden.”
Zum PraxistestDer größte Vorteil von Flachkollektoren ist ihr oft gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Flachkollektoren lassen sich einfach und schnell aufbauen. Sie können vollständig ins Dach integriert werden, so dass sie fast wie Dachfenster aussehen. Zudem sind Flachkollektoren robust und langlebig und erreichen einen relativ hohen Wirkungsgrad. Auch die Reinigung ist einfacher.
Ein Nachteil von Flachkollektoren ist der im Vergleich zu Röhrenkollektoren höhere Platzbedarf.
Die Preise für Flachkollektoren beginnen bei etwa 240 Euro pro Kollektor beziehungsweise rund 120 Euro pro Quadratmeter Kollektorfläche. Je nach Wirkungsgrad kann der Preis deutlich steigen. Als Durchschnittswert lässt sich ein Preis von 220 bis 550 Euro pro Quadratmeter Kollektorfläche angeben. Damit sind Flachkollektoren im Schnitt deutlich günstiger als Röhrenkollektoren. Auch die Kosten pro Kilowattstunde (kWh) sind niedriger. Laut Paradigma-Blog liegen sie zwischen 2 und 6 Cent/kWh; bei den meisten Flachkollektoren sind es um die 3 Cent/kWh. Dies ist allerdings nur ein grober Richtwert, der unter Laborbedingungen ermittelt wurde. Gerechnet wurde mit den Bruttokollektorkosten und dem Bruttowärmeertrag der Anlage über eine Laufzeit von 20 Jahren.
„Wir haben uns damals für ein Komplett-Paket entscheiden, bei dem Heizungsanlage, Solarthermie und Pufferspeicher – also die ‚Hauptkomponenten‘ – aufeinander abgestimmt sind. Das war für uns auch die günstigste Lösung.“
Zum PraxistestFlachkollektoren werden besonders oft bei Ein- und Zweifamilienhäusern, aber auch bei Mehrfamilienhäusern genutzt. Besonders sinnvoll ist ihr Einsatz, wenn mit der Solarthermieanlage das Wasser im Haus erwärmt werden soll. Ist genügend Platz auf dem Dach, sind Flachkollektoren auch für eine Unterstützung der Heizung geeignet. Dabei ist die Dachform nicht entscheidend. Flachkollektoren können auf allen Dächern installiert werden. Bei einem Flachdach kommen Ständer zum Einsatz („Aufständerung“).
Ein Röhrenkollektor oder Vakuumröhrenkollektor ist ein Solarkollektor aus mehreren luftleeren Glasröhren mit jeweils einem Absorber. Das Vakuum in den Röhren sorgt für eine sehr gute Isolierung. Deshalb erreichen diese Kollektoren oft auch bei wenig Sonne einen hohen Wirkungsgrad.
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Röhrenkollektoren beziehungsweise Vakuumröhrenkollektoren sind ebenfalls stark am Markt vertreten: Etwa 10 Prozent aller Solarthermieanlagen in Deutschland setzen auf diesen Typ des Solarkollektors. Wie eine Thermoskanne halten sie die Wärme in ihrem Inneren und verhindern, dass die eingefangene Sonnenwärme verloren geht. Vakuum ist ein besonders guter Wärmeisolator. Deswegen ist ein Röhrenkollektor meist leistungsfähiger als ein Flachkollektor – aber auch etwa 30 Prozent teurer. Röhrenkollektoren bestehen aus einer Röhre in U-Form oder mehreren nebeneinander angebrachten Röhren aus robustem Glas. Das Vakuum befindet sich, je nach Bauart, in den Röhren oder dazwischen.
Ein Röhrenkollektor kann wesentlich höhere Betriebstemperaturen als ein Flachkollektor erreichen und damit mehr Energie für das Wasser und die Heizung zur Verfügung stellen. Ein Röhrenkollektor wiegt meist zwischen 11 und 20 kg/m2. Er kann einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent erreichen.
Für eine Solarthermieanlage für Warmwasser wird pro Person etwa 1 m2 Kollektorfläche benötigt; bei einer Solarthermieanlage für Warmwasser und Heizung sind es 2 m2.
„Unser Monteur hat mir erklärt, dass Röhrenkollektoren effizienter sind, da sie höhere Temperaturen erzeugen und auch bei diffusen Lichtverhältnissen einen guten Ertrag erwirtschaften – was Flachkollektoren nicht können. Für unsere konventionellen Heizkörper brauchen wir eine hohe Vorlauftemperatur. Röhrenkollektoren sind dafür zwar nicht notwendig, aber auf jeden Fall besser. Darum haben wir uns für Röhrenkollektoren entschieden.“
Zum PraxistestDer wesentliche Vorteil von Röhrenkollektoren ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad. Auch im Winter, bei diffusem Licht oder wenn das Dach nicht optimal nach Süden ausgerichtet ist, erzielen Röhrenkollektoren einen vergleichsweise hohen solaren Ertrag. Zudem erreichen Röhrenkollektoren im Schnitt höhere Temperaturen als Flachkollektoren. Deshalb können sie besonders gut zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Röhrenkollektoren sind vergleichsweise platzsparend. Ob Flachdach, Fassade oder Balkon: Die Montage ist einfach möglich – entweder als kompletter Kollektor oder Röhre für Röhre.
Ein Nachteil von Röhrenkollektoren ist ihr vergleichsweise hoher Preis. Je nach Anwendungsfall wiegt der hohe Wirkungsgrad diese höheren Anschaffungskosten jedoch wieder auf. Die Technik der Röhrenkollektoren ist empfindlicher als bei Flachkollektoren. Außerdem sind Röhrenkollektoren nicht vollständig in das Dach integrierbar.
Die günstigsten Röhrenkollektoren kosten pro Stück etwa 350 Euro beziehungsweise 150 Euro pro Quadratmeter Kollektorfläche. Allerdings schwanken die Preise sehr stark. Je nach Typ, Größe und Wirkungsgrad können sie deutlich über 1.000 Euro pro Kollektor liegen. Das trifft besonders auf Markenkollektoren zu. Im Durchschnitt liegen die Kosten von Röhrenkollektoren zwischen 350 und 850 Euro pro Quadratmeter Kollektorfläche. Damit sind Röhrenkollektoren teurer als Flachkollektoren. Auch die Kosten pro Kilowattstunde (kWh) sind höher. Laut Paradigma-Blog liegen sie zwischen 3 und 7 Cent/kWh; bei den meisten Röhrenkollektoren sind es 5 bis 6 Cent/kWh. Dies ist allerdings nur ein grober Richtwert, der unter Laborbedingungen ermittelt wurde. Gerechnet wurde mit den Bruttokollektorkosten und dem Bruttowärmeertrag der Anlage über eine Laufzeit von 20 Jahren.
Röhrenkollektoren können in allen Wohngebäuden zum Einsatz kommen: bei Einfamilienhäusern, Zweifamilienhäusern und Mehrfamilienhäusern. Da sie einen hohen Wirkungsgrad haben, eignen sie sich besonders für Solarthermieanlagen, die neben der Warmwasserbereitung auch die Heizung unterstützen. Zudem brauchen sie vergleichsweise wenig Platz – und werden deshalb vor allem dann genutzt, wenn es etwas eng auf dem Dach zugeht. Röhrenkollektoren können bei allen Dachformen installiert werden. Auf einem Flachdach ist eine Aufständerung möglich. Außerdem werden Röhrenkollektoren zur Erzeugung von Prozesswärme in der Industrie eingesetzt.
Ein Luftkollektor ist ein Solarkollektor, der Luft als Wärmeträger verwendet. Im Unterschied dazu arbeiten alle anderen Kollektor-Typen mit Flüssigkeit. Luftkollektoren sehen oft wie Flachkollektoren aus, benötigen aber mehr Platz. Die Luft wird von der Sonne direkt im Kollektor erwärmt und dann ins Haus transportiert.
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Seit einigen Jahren etablieren sich neue Bauformen von Solarthermie-Kollektoren. Im Luftkollektor wird als Wärmeträger Luft anstatt einer Flüssigkeit eingesetzt. Luftkollektoren sehen aus wie Flachkollektoren. Frische Außenluft wird über Filter und Ventilatoren angesaugt, von der Sonne aufgeheizt und über Luftschächte ins Haus geleitet. So sorgen Luftkollektoren für frische Luft und ein gutes Raumklima und senken die Heizkosten. Es gibt auch Luftkollektoren, die als Hybridkollektoren konzipiert sind. Sie besitzen zusätzlich Photovoltaikzellen, mit denen der Strom für die Ventilatoren gewonnen wird. Ein Luftkollektor erreicht einen Wirkungsgrad von etwa 50 bis 75 Prozent.
Der größte Vorteil von Luftkollektoren ist, dass sie im Vergleich zu Flach- und Röhrenkollektoren besonders kostengünstig und wartungsarm sind. Das liegt vor allem am Wärmeträger: der Luft. Anders als viele Solarflüssigkeiten kann Luft im Winter nicht einfrieren. Ist es im Sommer sehr heiß, beginnt sie nicht zu kochen oder zu verdampfen. Und wenn sich ein Leck in der Anlage befindet, läuft nichts aus – es entweicht lediglich warme Luft. Ein weiterer Vorteil: Luftkollektoren sind reaktionsschneller als viele andere Kollektoren und arbeiten bereits bei niedrigen Temperaturen sehr gut. Damit steht schnell Wärme zur Verfügung. Durch die ständige Luftzufuhr entsteht zudem ein gutes Raumklima.
Doch die Luft als Wärmeträger zu nutzen, hat auch Nachteile. Zwar speichert Luft die Wärme schnell – aber sie gibt die Wärme auch schnell wieder ab. Deshalb muss die gewonnene Solarwärme auf Wasser übertragen werden, wenn sie gespeichert werden soll. Das ist aufwendiger als bei Flach- oder Röhrenkollektoren. Außerdem geht ein Teil der Wärme beim Speicherprozess verloren. Die Alternative zur Speicherung ist, zum Beispiel Wände oder Fußböden von der erwärmten Luft durchströmen zu lassen. Dieses System stammt aus der römischen Antike und kann bei einem Neubau vom Architekten berücksichtigt werden. In bestehende Gebäude lässt es sich oft nur schwer einbinden. Was Eigentümer außerdem bedenken sollten: Solarthermieanlagen mit Luftkollektoren sind deutlich größer als andere Anlagen, weil Luft mehr Platz als die Solarflüssigkeiten benötigt. Konkret bedeutet das: eine größere Kollektorfläche, breite Luftschächte zur Weiterleitung der erwärmten Luft und größere Wärmetauscher im Speichersystem.
Aufgrund der geringen technischen Voraussetzungen können Hausbesitzer Luftkollektoren selbst bauen. Dafür gibt es im Internet eine Reihe von Bauanleitungen. Selbstbauer tragen also nur die Kosten der Bauteile und der Montage. Dabei gilt allerdings: Selbst gebaute Solarthermieanlagen mit Luftkollektoren werden vom BAFA oder der KfW nicht gefördert. Wer einen fertig montierten Luftkollektor kauft, muss pro Stück mindestens etwa 400 Euro zahlen. Der Preis von Luftkollektoren mit integrierten Photovoltaikzellen beginnt bei rund 1.000 Euro.
Luftkollektoren kommen vor allem in Schwimmbädern, Sport- und Lagerhallen zum Einsatz, die eine Luftheizung besitzen. Auch in Wohngebäuden – zum Beispiel Ferienhäusern und Berghütten – können sie genutzt werden. Mit etwas Aufwand können Luftkollektoren auch für die Unterstützung der Heizung und zur Erwärmung des Wassers eingesetzt werden. Da in den USA viele Wohnhäuser mit Luftheizungen ausgestattet sind, sind dort auch Luftkollektoren relativ verbreitet. Aber auch in Europa werden Luftkollektoren immer häufiger verwendet.
Ein Hybridkollektor kombiniert Photovoltaik und Solarthermie in einem System. Er erzeugt Strom und Wärme. Als Wärmeträger kommen Solarflüssigkeit oder Luft zum Einsatz. Hybridkollektoren sehen so ähnlich wie Flachkollektoren aus. Sie werden auch als Photothermiekollektoren (PVT-Kollektoren) bezeichnet.
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Mit einem Hybridkollektor lassen sich Strom und Wärme in einem Gerät gewinnen. Er wird auch als Photothermiekollektor oder Solarhybridkollektor bezeichnet. Vereinfacht gesagt steckt in einem Hybridkollektor ein Photovoltaikmodul mit einem darunter angeordneten solarthermischen Absorber. Das Photovoltaikelement verwandelt den sichtbaren Teil des einfallenden Sonnenlichts in elektrischen Strom. Der Absorber als thermisches Element fängt hingegen den wärmenden Infrarot-Anteil des Sonnenlichts ein und stellt Wärme zur Nutzung bereit.
Die von Hybridkollektoren erzeugte Solar-Wärme wird zur Lüftung, Warmwasserbereitung oder Heizungsunterstützung genutzt. Der Strom kann selbst verbraucht oder ins Stromnetz eingespeist werden. Der thermische Wirkungsgrad liegt im Hybridkollektor bei circa 65 Prozent, der elektrische bei etwa 15 Prozent. Die genauen Werte variieren je nach Aufbau des Hybridkollektors. Zum Vergleich: Klassische Solarthermie-Kollektoren erreichen im Schnitt einen Wirkungsgrad von 70 bis 80 Prozent, Photovoltaik-Module circa 20 Prozent.
Das Erzeugen von Wärme und Strom in einem System ist einer der wesentlichen Vorteile von Hybridkollektoren. Dadurch wird für die Kollektoren insgesamt weniger Platz benötigt. Außerdem sieht die Dachfläche homogener aus, weil nicht verschiedene Kollektorarten für Solarthermie und Photovoltaik installiert werden. Technisch betrachtet scheint die Kombination von Solarthermie und Photovoltaik in einem Kollektor auf den ersten Blick ungewöhnlich. Schließlich heizen sich Solarthermiekollektoren durch die Solarstrahlung stark auf, während Photovoltaik-Module bei niedrigen Temperaturen am besten arbeiten. Dennoch können sich beide Techniken positiv beeinflussen – nämlich dann, wenn die Photovoltaik durch das Trägermedium der Solarthermie gekühlt wird. Wird an heißen Sommertagen die Wärme nicht gut aus den Kollektoren abgeführt, können die Erträge jedoch deutlich sinken.
Als Nachteil fallen bei Hybridkollektoren vor allem die hohen Anschaffungskosten ins Gewicht, da es sich derzeit noch um ein Nischenprodukt handelt.
Die Kosten für einen 1,37 Quadratmeter großen Hybridkollektor beginnen derzeit bei etwa 700 Euro. Damit sind die Hybridkollektoren deutlich teurer als Flach- oder Röhrenkollektoren. Das liegt auch daran, dass Hybridkollektoren bisher nur von wenigen Herstellern angeboten werden. Dabei ist zu erwarten, dass die Preise sinken, wenn sich die Technik in Zukunft verbreitet.
Hybridkollektoren lassen sich in vielen Bereichen einsetzen. Zum Beispiel in einem Einfamilienhaus zur Warmwasserbereitung oder zur Unterstützung der Heizung. Der erzeugte Strom kann für die Heizungspumpe oder im Haushalt verwendet werden. Alternativ lässt sich der Strom auch ins öffentliche Stromnetz einspeisen. Damit auch an besonders sonnigen Tagen die Wärme abgeführt wird und die Photovoltaik-Module effektiv arbeiten können, werden Hybridkollektoren in Einfamilienhäusern oft mit Wärmepumpen gekoppelt.
Darüber hinaus sind Hybridkollektoren in großen Gebäuden im Einsatz. In Industrie- und Gewerbebetrieben können sie Prozesswärme und Prozesskälte bereitstellen. In Schwimmbädern, Kliniken und Hotels verringern sie den Energiebedarf von Lüftungsanlagen.
Unverglaste Solarkollektoren werden wegen ihres Einsatzgebietes auch Pool-Kollektoren genannt. Sie bestehen aus Matten oder Schläuchen und sind robust und einfach gebaut. Ihre Anschaffungskosten sind gering. Unverglaste Kollektoren haben einen niedrigen Wirkungsgrad.
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Unverglaste Solarkollektoren werden wegen ihres Haupteinsatzgebietes auch Pool-Kollektoren genannt. Sie funktionieren wie ein Gartenschlauch, der in der Sonne liegt. Das Wasser strömt langsam hindurch, wird erwärmt und wieder in den Pool geleitet. Unverglaste Kollektoren gibt es in Schlauch- oder Mattenform, so dass sie für verschiedene Dachformen geeignet sind und sich an leichte Krümmungen anpassen. Damit die Kollektoren möglichst lang gut funktionieren, sollten sie aus einem UV-beständigen und witterungsfesten Material bestehen, dem auch Chlor nichts anhaben kann. Da Pool-Kollektoren weder Glasabdeckung, noch Gehäuse oder Wärmedämmung haben, ist auch ihr Wirkungsgrad vergleichsweise gering. Besonders geeignet sind diese Kollektoren für die Erwärmung von Poolwasser oder als Wärmequelle für Wärmepumpensysteme. Dort sorgt der Kollektor für eine Temperaturerhöhung an der Wärmepumpe und erhöht so die Jahresarbeitszahl.
Der Vorteil von unverglasten Kollektoren bzw. Pool-Kollektoren ist ihr einfacher Aufbau. Es gibt keine Wärmedämmung oder Glasabdeckung. Entsprechend sind die Anschaffungskosten gering. Dennoch sind unverglaste Kollektoren witterungsfest, begehbar und für verschiedene Dachformen geeignet. Sie können auf einer Fläche ausgerollt oder auf einem Gerüst aufgeständert werden, sodass sie einen optimalen Neigungswinkel haben. In den Übergangszeiten und im Sommer kann ein unverglaster Kollektor einen Swimmingpool deutlich erwärmen. Im Winter oder bei größeren Wasserflächen und in Schwimmbädern reicht ein solcher Kollektor in der Regel nicht für die Wassererwärmung aus. Die Solarunterstützung ist dann ein Zusatzsystem, das Heizkosten spart, aber die Hauptheizung nicht ersetzen kann.
Der Nachteil eines unverglasten Kollektors ist sein niedriger Wirkungsgrad, also die vergleichsweise geringe Leistung je Quadratmeter Kollektorfläche. Außerdem kann er nicht überall verwendet werden.
Im Vergleich zu anderen Kollektoren sind unverglaste Kollektoren sehr günstig. Die Preise beginnen etwa bei 100 Euro pro Quadratmeter Kollektorfläche. Komplette Sets mit allen notwendigen Bauteilen gibt es bereits ab 300 Euro. Wie viele Kollektoren benötigt werden und wie hoch die Kosten letztlich sind, hängt von der Größe des Swimmingpools ab.
Unverglaste Kollektoren werden fast ausschließlich als Zusatzheizung im Bäderbereich verwendet. Das kann der Swimmingpool im privaten Garten sein – oder ein großes städtisches Schwimmbad. Dabei gibt es verschiedene Kollektoren-Arten. Mobile Pool-Kollektoren lassen sich in der Winterzeit abbauen und verstauen. Damit sind sie nicht der Witterung ausgesetzt. Feste Kollektoren hingegen werden dauerhaft montiert: auf dem Dach des Gartenhäuschens genauso wie auf dem Carport oder der Garage. Außerdem können unverglaste Kollektoren auch als zusätzliche Wärmequelle für Wärmepumpensysteme verwendet werden.
Solar Keymark ist ein Qualitätslabel für Solarkollektoren. In der zugehörigen Datenbank finden Verbraucher*innen unter anderem Angaben zur Kollektorleistung und dem Bruttowärmeertrag. Dabei handelt es sich um errechnete Vergleichswerte, die von den Erträgen in der Praxis abweichen können. Derzeit werden nur Kollektoren gefördert, die das Solar-Keymark-Label tragen.
