Solarthermie: Eine grüne Revolution in der sauberen Wärmeenergie

Im Zuge der weltweiten Energiewende ist die Solarenergie – eine unerschöpfliche erneuerbare Ressource – zu einem zentralen Treiber der Energiewende geworden. Die Solarthermie-Technologie mit ihren einzigartigen Vorteilen der direkten thermischen Energieumwandlung, der leistungsstarken Energiespeicherung und der breiten Anwendungsszenarien hat sich von einem potenziellen Akteur zu einer Schlüsselkraft im Energiesektor entwickelt und bietet eine praktische Lösung zur Bekämpfung von Energieknappheit und Umweltverschmutzung.

Das Kernprinzip der Solarthermie besteht darin, Sonnenstrahlung über spezielle Geräte direkt in Wärmeenergie umzuwandeln. Im Gegensatz zur Photovoltaik (PV), die diese zunächst in Strom umwandelt, basiert der Prozess auf dem Zusammenspiel dreier Schlüsselkomponenten: Wärmegewinnung, Wärmeübertragung und Wärmespeicherung. Als Kernkomponente fängt der Wärmekollektor das Sonnenlicht mithilfe von Technologien wie Absorptionsbeschichtungen und Konzentrationsspiegeln ein, wandelt die Lichtenergie in Wärmeenergie um und überträgt sie auf ein Wärmeträgermedium (wie Wasser oder Wärmeleitöl). Dieses Medium transportiert die Wärme anschließend über Rohrleitungen zu einem Speicher oder liefert sie direkt an Endverbraucher. Das Wärmespeichersystem mit Phasenwechselmaterialien oder isolierten Wassertanks ermöglicht eine langfristige Wärmespeicherung und gewährleistet so eine stabile Energieversorgung auch nachts oder an bewölkten Tagen. Im Vergleich zur PV-Technologie bietet die Solarthermie einen entscheidenden Vorteil: die direkte Nutzung der Wärmeenergie. Sie vermeidet Energieverluste bei der Stromumwandlung und erreicht einen thermischen Wirkungsgrad von 50–80 %. Damit eignet sie sich besonders für Szenarien, die eine kontinuierliche und stabile Wärmeversorgung erfordern.

Technologisch hat sich die Solarthermie zu einem multidimensionalen technischen System entwickelt, das Energiebedarfe unterschiedlicher Größenordnungen deckt. Für kleine bis mittelgroße Anwendungen haben sich Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren etabliert. Flachkollektoren mit ihrem einfachen Aufbau und den geringen Kosten werden häufig zur Warmwasserversorgung von Wohngebäuden eingesetzt. In ländlichen Gebieten Nordchinas beispielsweise decken auf Dächern installierte Solarwarmwasserbereiter den täglichen Bedarf zum Waschen und Heizen. Vakuumröhrenkollektoren sind dank ihrer isolierten Vakuumschicht kältebeständiger (normalerweise sogar bei -20 °C) und daher die erste Wahl für Regionen in hohen Breitengraden. In großen Energieprojekten zeigt die konzentrierte Solarthermie (CSP) großes Potenzial: Sie nutzt zahlreiche Heliostaten, um das Sonnenlicht auf einen zentralen Receiver zu bündeln und so Hochtemperatur-Wärmeenergie (über 400 °C) zu erzeugen, die nicht nur Dampfturbinen zur Stromerzeugung antreiben, sondern auch die industrielle Dampferzeugung und die Meerwasserentsalzung unterstützen kann. Das spanische Solarthermiekraftwerk PS10 beispielsweise nutzt 1.250 Heliostaten und einen zentralen Turmempfänger, um rund um die Uhr eine kontinuierliche Stromerzeugung mit einer jährlichen Leistung von 23 Millionen kWh zu erreichen und ist damit ein Modell für den kommerziellen Betrieb großer Solarthermieprojekte.

In immer mehr Anwendungsszenarien entwickelt sich die Solarthermie von der „einzelnen Warmwasserversorgung“ zur „integrierten Nutzung mehrerer Bereiche“ und wird so zu einem zentralen Bindeglied zwischen den Lebensbedürfnissen der Menschen und der industriellen Produktion. Im zivilen Sektor werden in nordchinesischen Städten neben der Warmwasserbereitung auch solarthermische Heizsysteme stark gefördert. In Peking beispielsweise wurden bis 2024 über 5 Millionen Quadratmeter neue solarthermische Heizflächen geschaffen. Durch ein kombiniertes Modell aus „Wärmekollektoren + Wärmespeichern + zusätzlichen Wärmepumpen“ konnte der Heizenergieverbrauch im Winter im Vergleich zu herkömmlichen gasbefeuerten Kesseln um über 60 % gesenkt und gleichzeitig der CO2-Ausstoß um rund 300.000 Tonnen verringert werden. In der Industrie bietet die Solarthermie energieintensiven Sektoren einen neuen Ansatz zur „CO2-Reduzierung“. Branchen wie die Textil- und Lebensmittelindustrie benötigen große Mengen industrieller Wärme (100–200 °C). Die Installation von Mitteltemperatur-Wärmekollektoren kann Kohle- oder Gaskessel direkt ersetzen und so die Energiekosten und Schadstoffemissionen der Unternehmen senken. Darüber hinaus wird Solarthermie in der Landwirtschaft zum Heizen von Gewächshäusern und zum Trocknen landwirtschaftlicher Produkte eingesetzt. Ein Kirschanbaubetrieb in der Provinz Shandong setzte solarthermische Trocknungsanlagen ein, wodurch der Trocknungszyklus von Kirschen von 7 Tagen (herkömmliche Methode) auf 3 Tage verkürzt wurde. Dadurch wurden Qualitätsverluste durch die Kohletrocknung vermieden und die Produktprämien um 20 % gesteigert.

Der ökologische Wert der Solarthermie liegt nicht nur in ihrer CO2-freien Energiebilanz, sondern auch in ihrer Substitutionswirkung auf herkömmliche Energiesysteme. Daten der Internationalen Energieagentur (IEA) zeigen, dass der thermische Energieverbrauch in Gebäuden und der Industrie weltweit über 50 % des gesamten Energieverbrauchs ausmacht und größtenteils auf fossile Brennstoffe wie Kohle und Erdgas angewiesen ist. Würde der Anteil der Solarthermie auf 20 % erhöht, könnten die weltweiten CO2-Emissionen um etwa 3 Milliarden Tonnen pro Jahr reduziert werden – das entspricht der CO2-Bindung durch die Anpflanzung von 16 Milliarden Bäumen. Im Rahmen der „dualen CO2-Ziele“ Chinas (Erreichen des CO2-Höchstwerts bis 2030 und CO2-Neutralität bis 2060) wurde die Solarthermie in die Energieentwicklungspläne aufgenommen. Der 14. Fünfjahresplan für die Entwicklung erneuerbarer Energien besagt eindeutig, dass bis 2025 die installierte Solarthermiekapazität 5 Millionen Kilowatt erreichen und die Fläche für solarthermische Heizungen und industrielle Wärmeversorgung eine Milliarde Quadratmeter übersteigen wird – ein starker Impuls für die Industrialisierung der Solarthermietechnologie.

Natürlich steht die Solarthermie noch vor Herausforderungen: hohe Anfangsinvestitionen für Großprojekte, Verbesserungspotenzial bei der Leistung der Wärmespeichermaterialien und begrenzte Solarressourcen in einigen Regionen. Dank technologischer Weiterentwicklung und politischer Unterstützung werden diese Probleme jedoch allmählich gelöst. Neue Kollektoren mit Nanobeschichtung haben den thermischen Wirkungsgrad auf über 85 % gesteigert, die Wärmespeichertechnologie mit geschmolzenem Salz ermöglicht eine extrem langfristige Wärmespeicherung, und hybride „Solarthermie + PV“-Energiesysteme ergänzen die Vorteile beider Technologien und erhöhen so die Stabilität der Energieversorgung weiter.

Von der Warmwasserbereitung auf dem Dach bis hin zu großen solarthermischen Kraftwerken in Wüsten – Solarthermie verändert die Energienutzung der Menschheit auf sichtbare und nutzbare Weise. Sie ist nicht nur eine saubere Energietechnologie, sondern auch eine wichtige Triebkraft für eine grüne Entwicklung. Mit kontinuierlichen technologischen Durchbrüchen und wachsenden Anwendungsszenarien wird Solarthermie in Zukunft zweifellos eine wichtigere Rolle bei der globalen Energiewende spielen und einen soliden Beitrag zum Aufbau einer CO2-freien Erde leisten.