Solarthermie-Anlage: Was ist thermische Stagnation?

Als Hersteller von Solarthermie-Anlagen wird uns immer wieder die Frage gestellt, was thermische Stagnation ist. Oft schwingt in der Frage Sorge mit. Wir liefern euch hier alle relevanten Fakten zum Betriebszustand thermische Stagnation bei Solarthermie-Anlagen. 

Eine Solarthermie-Anlage wie unsere auf diesem Hausdach (Foto) wandelt die Strahlungsenergie der Sonne in nutzbare Wärme um.

Als natürliche Energiequelle ist die Sonne etwas ganz Besonderes: Sie lässt sich nicht abschalten.

Ein Zuviel an Sonnenenergie kann Solarthermie-Anlagen zum Stillstand bringen. Warum das so ist und was das für den Betrieb der Anlage bedeutet, solltet ihr als Betreiber derselben unbedingt wissen.

Thermische Stagnation: Was ist das? (Begriffserklärung, Definition)

Der Begriff “thermische Stagnation” setzt sich aus dem Wort “thermisch”, auf Deutsch: “die Wärme betreffend“, und dem Wort “Stagnation”, auf Deutsch: “Stillstand“, “Stockung“, zusammen.

Gemeint ist damit ein Anlagenzustand, bei dem das Wärmeträgermedium (je nach Anlagentyp Luft, Wasser oder eine spezielle Solarflüssigkeit bestehend aus einem Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel) in den Solarkollektoren stark erhitzt wird, die Wärme anschließend jedoch nicht abtransportiert wird. Das heißt, dass der reguläre Solarkreislauf ins Stocken gerät beziehungsweise ganz stillsteht. Es kommt zur sogenannten thermischen Stagnation. Oft fällt in diesem Zusammenhang auch der Begriff “Überhitzung“.

Was passiert bei der thermischen Stagnation genau?

Die Aufgabe der Solarthermie-Kollektoren ist es, die Energie der auf sie treffenden Sonnenstrahlen zu absorbieren. Dabei entsteht Wärme, die anschließend mit Hilfe des Wärmeträgermediums von den Kollektoren zum Wärmespeicher transportiert wird. Damit dies andauernd geschieht, ist die Anlage so gebaut, dass das Wärmeträgermedium im Solarkreis ununterbrochen kreist (zirkuliert).

Grundsätzlich liefert die Sonne in unseren Breitengraden im Sommer mehr Strahlungsenergie als im Winter. Infolgedessen ist es im Sommer wärmer, im Winter kälter – und zwar so kalt, dass wir uns unsere Räume mit Heizungswärme gemütlich machen. Im Sommer benötigen wir dagegen keine extra Heizungswärme zur Raumheizung, lediglich Warmwasser für Küche und Bad muss zubereitet werden. Eine passend ausgelegte (dimensionierte) Solarthermie-Anlage kann den Bedarf an Wärme zur Warmwasserbereitung im Sommer meist komplett decken, so dass die Hauptheizung ausgeschaltet bleiben kann. Im Winter kann sie zudem die Heizung beim Räume erwärmen unterstützen.

Daraus folgt: Wenn im Sommer die Heizung ausbleibt und zugleich die Sonne mit aller Kraft scheint, wird der Wärmespeicher recht schnell auf die gewünschte Speichertemperatur gebracht. Die Sonne scheint unbeeindruckt dessen munter weiter. Es kommt zu einem Wärmeüberschuss.

Damit die Solarthermie-Anlage im Weiteren keinen Schaden nimmt, schaltet sie die Solarpumpe ab und bringt so das zirkulierende Wärmeträgermedium zum Stehen. Die thermische Stagnation hat sich eingestellt.

Das Ganze ist demnach ein regulärer Betriebszustand der Solarthermie-Anlage. Die Hersteller der Anlagen rechnen damit. 

Was sind mögliche Gründe für thermische Stagnation?

Dafür, dass die von den Solarthermie-Kollektoren gelieferte Wärme nicht im ausreichenden Maß abgeführt wird, gibt es verschiedene Gründe, darunter diese:

1. Geringer Wärmebedarf: An sonnigen Tagen und geringem Wärmeverbrauch kommt es dazu, dass der Speicher schnell “voll” geladen ist und keine Wärme mehr aufnehmen kann.
2. Technische Ausfälle: Fällt bei einem Stromausfall beispielsweise auch die Umwälzpumpe aus, die die Solarflüssigkeit im solaren Heizkreis zirkulieren lässt, kommt es zu einem Hitzestau im Kollektor.
3. Systemabschaltung: Auch Wartungsarbeiten oder Fehlfunktionen im Regelungssystem können ein Abschalten des System zur Folge haben.
4. Fehlende Nachtkühlung: In Systemen ohne ausreichende Nachtkühlung kann die gespeicherte Wärme nicht abgeführt werden. Nachtkühlung bedeutet, dass ihr die Solarpumpe nachts laufen lasst. Ohne Sonnenstrahlen geben die Solarthermie-Kollektoren auf dem Dach Wärme von der Solarflüssigkeit an die Umgebung ab, so dass sich das Wasser im Speicher abkühlt. Aber: Damit wird dem Speicher Wärme entzogen, die ursprünglich für das Erwärmen von Wasser und fürs Heizen gedacht war. Zeigt sich die Sonne am nächsten Tag kaum, mangelt es möglicherweise an Wärme, die dann anderweitig bereitgestellt werden muss.
5. Überdimensionierung: Eine gemessen am Wärmebedarf im Haushalt zu groß ausgelegte (überdimensionierte) Solarthermie-Anlage kann mehr Wärme produzieren, als benötigt wird. Infolge dessen wird das System häufiger in den Stagnationsmodus versetzt.

Warum ist die thermische Stagnation problematisch?

Bei anhaltender Sonnenstrahlung führt die thermische Stagnation dazu, dass die Kollektoren zwar weiterhin Wärme liefern, diese aber nicht abtransportiert wird. Infolgedessen steigt die Temperatur in den Kollektoren. Oft übersteigt sie den Siedepunkt der Solarflüssigkeit, so dass diese verdampft. Man sagt auch, dass die Anlage “in Dampf geht”. Dabei erhöht sich das Volumen des ehemals flüssigen und jetzt gasförmigen Wärmeträgermediums. Das größere Volumen führt zum Anstieg des Drucks im System.

Wichtig: Es verdampft nur der Teil der Solarflüssigkeit, der bei der thermischen Stagnation im Kollektor steht.

Zum Schutz vor Schäden führt die Anlage einen Teil der verdampften Solarflüssigkeit ins sogenannte Membranausdehnungsgefäß (kurz: Ausdehnungsgefäß, kürzer: MAG) ab.

Hält die Sonnenstrahlung an, wird die verdampfte Solarflüssigkeit sogar komplett ins Ausdehnungsgefäß gepresst. Man spricht dann auch von einem “Leersieden des Kollektors“. Zu diesem Zeitpunkt ist der Kollektor tatsächlich überhitzt.

Mit nachlassender Sonnenstrahlung sinkt die Temperatur im Kollektor wieder. Liegt sie unter dem Siedepunkt der Solarflüssigkeit, fällt auch der Druck im System. Die Solarflüssigkeit kondensiert und strömt aus dem Ausdehnungsgefäß zurück in den Solarkreislauf, der seinen Betrieb wieder aufnimmt.

Welche Schäden kann die thermische Stagnation anrichten?

Die thermische Stagnation kann verschiedene Schäden nach sich ziehen, beispielsweise:

• Druckanstieg: Wegen der Verdampfung steigt der Druck im System, was das Sicherheitsventil auslösen oder gar zu Leckagen führen kann.
• Materialschäden: Die extremen Temperaturen können die übliche Lebensdauer der Kollektoren beeinträchtigen. Dichtungen, Pumpen und andere Komponenten werden von den hohen Temperaturen belastet und können nachhaltig beschädigt werden.
• Verdampfen der Solarflüssigkeit: Verdampfte Solarflüssigkeit kann sich ungleichmäßig im Solarkreis verteilen und somit zu Problemen führen.
• Solarflüssigkeit zersetzt sich: Infolge der Überhitzung kann sich das Glykol in Solarflüssigkeiten, das als Frostschutzmittel zugesetzt wird, zersetzen. Es “vercrackt” – ein Vorgang, der sich mit einer Verfärbung zeigt. Das kann den Kollektor verstopfen, so dass dieser gereinigt und schlimmstenfalls komplett ausgetauscht werden muss, weil er unbrauchbar geworden ist. Auch die Solarflüssigkeit muss dann getauscht werden, denn ihr Korrosionsschutz ist unwiederbringlich zerstört.

Wie lässt sich einer thermische Stagnation vorbeugen? 9 Maßnahmen

Es gibt verschiedene Maßnahmen, die ergriffen werden können, um einer thermischen Stagnation vorzubeugen:

1. Passende Dimensionierung des Wärmespeichers: Der Wärmespeicher sollte so groß sein, dass auch an sonnigen Tagen genügend Kapazität vorhanden ist, um die von den Kollektoren gelieferte Wärme aufzunehmen. Die Anlage sollte so ausgelegt sein, dass sie den Wärmebedarf decken kann, ohne regelmäßig in den Stagnationsmodus zu gelangen.
2. Einsatz von geeignetem Überhitzungsschutz: Solarthermie-Anlagen lassen sich mit speziellen Überhitzungsschutzmechanismen ausrüsten. So gibt es Abdeckungen für die Kollektoren oder automatische Möglichkeiten zur Kühlung der  Solarflüssigkeit.
3. Regelmäßige Wartung der Umwälzpumpe: Die Pumpe sollte regelmäßig gewartet werden, um Ausfälle möglichst zu vermeiden.
4. Nachtkühlung: Einige Systeme nutzen die Möglichkeit, während der Nacht überschüssige Wärme abzuführen, um die Kollektoren vor Überhitzung zu schützen.
5. Gute Entleerung der Kollektoren realisieren: Die Solarflüssigkeit sollte der Schwerkraft folgend rasch aus den Kollektoren abfließen beziehungsweise vom Dampf herausgedrückt werden können.
6. Entlüftung und Druckmanagement: Regelmäßige Überprüfung und Wartung der Entlüftungseinrichtungen und des Drucksystems helfen, Stagnation zu vermeiden. Die Anlage sollte zudem mit einem ausreichend großen Ausdehnungsgefäß ausgestattet sein, um Druckschwankungen aufzufangen.
7. Vermeidung von Überhitzung: Es können Maßnahmen ergriffen werden, um die Überhitzung der Kollektoren zu verhindern, wie die Nutzung von Temperaturschutzventilen oder die Installation von Rückkühlvorrichtungen.
8. Kombination mit anderen Systemen: Die überschüssige Wärme kann in Zeiten niedrigen Wärmebedarfs in andere Systeme eingespeist werden: Schwimmbäder oder Fernwärmesysteme, sofern dies möglich ist.
9. Regelmäßige Wartung und Überwachung: Ein Monitoring-System zur Überwachung der Anlagenleistung und regelmäßige Wartungsarbeiten können frühzeitig Anzeichen für mögliche Probleme erkennen, so dass sich entsprechende Maßnahmen ergreifen lassen, bevor es zur Stagnation kommt.

Lest hierzu auch unbedingt unseren Beitrag zu 3 Strategien gegen Stagnation der Solarthermie-Anlage. Dort stellen wir euch auch unsere bewährte Paradigma-Strategie gegen Stagnation ausführlich vor. Deshalb hier nur ganz kurz:

Paradigmas bewährte Strategie gegen Stagnationsprobleme

Unsere Paradigma Solarthermie-Anlagen verwenden klares Wasser ohne Frostschutzmittel als Wärmeträgermedium. Daher auch der Name AquaSolar System. Verdampft dieses Wasser im Kollektor besteht keine Gefahr, dass ein Frostschutzmittel crackt, da bei unseren Anlagen kein Glykol im Einsatz ist. Den Frostschutz realisieren wir stattdessen mit extra Energie (der Verbrauch dafür liegt je nach Anlagengröße zwischen einem bis drei Prozent des Jahresertrags). Bei Bedarf wird in unseren Anlagen eine geringe Menge vorgewärmtes Wasser durchs System geschickt, um dieses aktiv frostfrei zu halten.

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