Sagen Ihnen die Namen Re, Helios oder Huitzilopochtli etwas? Es sind die Sonnengottheiten in der Mythologie der alten Ägypter, Griechen und Azteken. Aber auch in ihrem Alltag waren sich die Menschen von jeher der Kraft der Sonne bewusst. So schützten sich die Bewohner in südlichen Regionen in ihren Häusern vor zu viel Sonneneinstrahlung durch dicke Mauern, kleine Fenster und mit Hauseingängen, die mittags im Schatten lagen. Im kälteren Norden öffneten sie ihre Gebäude bewusst nach Süden, um die Wärme der Sonne einzufangen.
Vom Treibhaus zum Solarkocher
Auch erste technische Anwendungen zur Nutzung der Sonnenstrahlen sind aus der Antike überliefert. Die Menschen verwendeten damals Hohlspiegel, um die Strahlen des Sonnenlichts zu bündeln. Die olympische Fackel etwa wird bis heute über einem Parabolspiegel entzündet. Doch erst seit der Neuzeit wird das Sonnenlicht gezielt eingesetzt, um Heizwärme zu erzeugen. Mitte des 18. Jahrhunderts bemerkte der Schweizer Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure den Effekt, dass sich sein Beet unter einer Glasabdeckung stärker erwärmt. Er nutzte diesen sogenannten photoelektrischen Effekt in seiner selbst gebauten „Hitzekiste“, die dem Prinzip heutiger Gewächshäuser vorgriff.
Auf Saussures Idee aufbauend führte der französische Physik- und Mathematiklehrer Augustin Mouchot 1860 erste Experimente mit einem Solarkocher durch. Mithilfe eines Hohlspiegels konzentrierte er Sonnenstrahlen auf einen Glaszylinder, um darin Wasser zum Verdampfen zu bringen. Kommerziell konnte sich seine „Solar-Dampfmaschine“ aber nicht durchsetzen. Der Metallfabrikant Clarence M. Kemp aus Baltimore war mit seiner Erfindung erfolgreicher: 1891 erhielt er das weltweit erste Patent für eine technisch einfache Solaranlage: einen Speicherkollektor fürs Dach, den er durchaus erfolgreich vermarktete.
Erster Flachkollektor mit Speicher
Noch näher an die heutige Solarthermie heran reichte das Patent von William J. Bailey. Der amerikanische Erfinder entwickelte ein System aus Flachkollektor und Pufferspeicher. Der Vorteil: Die Wärme ließ sich über längere Zeit ohne Sonnenschein nutzen. Nach einem sehr kalten Winter 1913 versetzte der amerikanische Erfinder das zirkulierende Wasser im System mit Alkohol und erfand die erste frostsichere Solarthermieanlage.
Die Übertragung der Wärme vom Solarkreislauf zum Brauchwasser erfolgte über eine Rohrschlange, einem einfachen Wärmetauscher, die durch den Pufferspeicher führte. Im Vergleich zur heutigen Technik fehlt nur noch die Umwälzpumpe. Aber auch diese Erfindung zur Steigerung der Energieausbeute stammt aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Der Amerikaner W. F. Clark beantragte 1927 ein Patent für die vollautomatische ganzjährig einsetzbare Solaranlage mit „Zwangsumlauf“. Der Erfinder plante sogar eine elektrische Zusatzheizung ein.
Ölkrise sorgte für eine Welle der Solarthermie
Ab den 1920er-Jahren dominierten Kohle, Erdöl und Erdgas die Energieerzeugung, vor allem aufgrund geringer Kosten. Das änderte sich jedoch mit der Ölkrise von 1973. Seitdem setzen umweltbewusste Bauherren vermehrt auf Solarenergie zum Heizen und Warmwasserbereiten. Am Grundaufbau thermischer Solaranlagen hat sich seit Baileys Erfindung wenig geändert. Doch durch moderne Materialien und bessere Überwachungssysteme stieg die Wärmeausbeute stetig. Viel Entwicklungspotenzial sehen Fachleute auch bei den Kollektoren. So gibt es mittlerweile Hybridkollektoren, die durch integrierte Photovoltaikzellen neben Wärme Strom erzeugen.
Interesse gestiegen: Staat fördert Solarthermie
Jede*r zweite Hauseigentümer*in (56 %) Deutschland kann sich vorstellen, den Verbrauch der vorhandenen Öl- oder Gasheizung durch Solarkollektoren zu senken, wenn sich der Staat beteiligt. Das ergab eine repräsentative YouGov-Umfrage im Auftrag des Bundesverbands Solarwirtschaft. Laut Verbraucherzentrale lassen sich mit zehn Quadratmetern Kollektorfläche jährlich etwa 3.000 bis 4.000 Kilowattstunden Erdgas einsparen. Bei steigenden Energiekosten verbessert sich das Ergebnis. Demgegenüber stehen die Anschaffungskosten, die sich aber mithilfe öffentlicher Fördermittel senken lassen. Die Nachrüstung einer Solarthermie-Anlage bei einer bestehenden Öl- oder Gasheizung wird durch die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) mit bis zu 60 Prozent unterstützt (Stand: 1. Januar 2024).
Freiflächen-Solarthermie für die Wärmewende
Mehr als 20 Jahre lang stand die Solarthermie zur Brauchwassererwärmung oder Heizungsunterstützung im Schatten der viel erfolgreicheren Photovoltaik. Das lag nach Einschätzung von Experten wie etwa Dr. Reinhard Loch, Leiter der Gruppe Energieeffizienz der Verbraucherzentrale NRW, nicht nur an der unzureichenden Förderung, sondern auch daran, dass die Wärme immer bei den Erzeuger*innen selbst verbraucht werden musste. Es fehlten thermische Großspeicher, die sommerliche Erzeugungsspitzen aufnehmen und vermarkten konnten. Aber hier tut sich etwas: Mit Freiflächen-Solarthermieanlagen und Langzeitwärmespeichern könnten künftig ganz neue Geschäftsfelder entstehen. Dann werden Solarthermie-Anlagen nicht mehr nur die Wärmeversorgung einzelner Ein-, Zwei- oder Mehrfamilienhäuser unterstützen, sondern die ganzer Quartiere. Die gespeicherte Wärme wird dazu in Nah- und Fernwärmenetze, sogenannte kalte Wärmenetze, eingespeist und zu den Abnehmer*innen transportiert. In der Praxis können diese allerdings den Wärmebedarf der angeschlossenen Haushalte immer nur zu einem gewissen Anteil decken. Um Bedarfsspitzen etwa im Winter zu bedienen, wird weiterhin eine Zusatzheizung gebraucht.
Nutzung der Sonnenkraft von der Antike bis zur Gegenwart
ca. 3000 v. Chr
Im alten Ägypten wurde um diese Zeit Ra verehrt, der die göttliche Sonne verkörperte. Im antiken Griechenland gab es Helios, in der germanischen Mythologie die Göttin Sol. Auch in den Hochkulturen Süd- und Mittelamerikas gehörten Sonnengötter zu den bestimmenden Figuren, etwa Huitzilopochtli bei den Azteken, K’inich Ajaw bei den Maya oder Inti bei den Inka.
ca. 2500 v. Chr.
Besonders einfallsreich nutzten die alten Ägypter die Sonne: Intelligent positionierte Spiegel leiteten Sonnenlicht in dunkle Räume, etwa ins Innere der Pyramiden. Gebogene Parabolspiegel bündelten Sonnenlicht und erhitzten Wasser.
214 v. Chr.
Mit geschickt platzierten Hohlspiegeln soll der griechische Mathematiker Archimedes in der Schlacht von Syrakus eine römische Flotte in Brand gesetzt haben. Beschreibungen dieser Technik verblüffen, doch in verlässlichen antiken Quellen findet sich kein Wort über diese Wunderwaffe, während die Autoren sonst die Belagerung detailreich schildern. Schon vor einiger Zeit haben US-Forschende im Experiment versucht, mit zwei Hohlspiegeln ein kleines Fischerbot in Brand zu setzen – und scheiterten. Wahrscheinlich ist der Todesstrahl des Archimedes doch bloß ein Mythos der Antike.
1767
Die Hitzekiste von Horace-Bénédict de Saussure war ein Holzkasten mit schwarzem Boden und mehreren Glasabdeckungen. Sie gleicht einem Minigewächshaus. Das Prinzip dieser „Kiste“ wird heute wieder eingesetzt – für Solaröfen, die es Backpackern ermöglichen, bei Sonnenschein ohne Strom zu kochen und zu backen. Noch wichtiger sind Solaröfen für Menschen in Entwicklungsländern, die weder über Strom noch Gas verfügen.
1909
Anfang des 20. Jahrhunderts erhielt William J. Bailey das Patent auf seinen „Day and Night Solar Water Heater“. Das Konstruktionsprinzip entsprach den heute bekannten Flachkollektoren. Das Brauchwasser zirkulierte automatisch, ohne zusätzliche Umwälzpumpe, zwischen Solarkollektor und Pufferspeicher.
2022
In Deutschland waren Ende 2022 rund 2,6 Millionen Solarthermieanlagen mit einer Solarkollektorfläche von 22,1 Millionen Quadratmetern installiert. Die bundesweite Kollektorfläche ist in den vergangenen 20 Jahren sukzessive gewachsen, aber noch lange nicht ausgereizt.
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