Solarenergie nutzen und speichern

Energiekrise, explodierende Strompreise und der Wunsch, einen persönlichen Beitrag zur Energiewende zu leisten: Immer mehr Menschen wollen die kostenlose und nahezu unerschöpfliche Solarenergie für den Eigenbedarf nutzen. Neben Solarthermie gewinnt Photovoltaik (PV) stark an Bedeutung. Für Eigenheimbesitzer sind PV-Anlagen seit dem Jahresbeginn 2023 besonders attraktiv: Der Wegfall der Umsatzsteuer auf Anschaffung und Installation lässt einen wahren Boom für diesen Anlagentyp erwarten. Aber auch Industrie und Gewebe setzen verstärkt auf die Kraft der Sonne, um Energiekosten zu senken. Die hohen Erwartungen an Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Anlagen spiegeln sich auch in den Anforderungen an die eingesetzten Komponenten wider. Dank seiner spezifischen Eigenschaften zählt deshalb Edelstahl Rostfrei trotz des höheren Materialpreises zu den besonders gefragten Werkstoffen für die Bauteile einer Solaranlage.

In Deutschland betrug im Jahr 2022 der Anteil aller erneuerbaren Energien an der Nettostromerzeugung 48,3 Prozent (Quelle: Bundesnetzagentur). Besonders deutlich stieg die Ausbeute bei Windenergie und Photovoltaik. Photovoltaik verzeichnete sogar mit einer Steigerung um 19 Prozent den höchsten Anstieg seit 2013. PV-Anlagen speisten 55,3 Terawattstunden (TWh) ins öffentliche Netz ein und stellten damit 11,4 Prozent des 2022 aus erneuerbaren Energien erzeugten Stroms. Die durch den Krieg in der Ukraine ausgelöste Energiekrise und damit einhergehende Strompreiserhöhungen waren für Privatleute, Industrie und Gewerbe zusätzliche Treiber, über die Anschaffung einer Solaranlage nachzudenken.

Wärmegewinnung mit Solarthermie

Lange Zeit hatten Solarthermie-Anlagen bei der Wärmegewinnung zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung im privaten Wohnungsbau die Nase vorn. Bestehend aus einem Kollektorsystem aus Flachkollektoren oder Vakuumröhren und einem Wasserspeicher wandeln sie Sonnenstrahlen ebenso klimafreundlich wie kostengünstig in Wärme um. Die Sonnenstrahlen erhitzen eine zwischen Kollektor und Speicher zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit auf bis zu 200 Grad Celsius. Diese Wärme gibt ein Wellrohr-Wärmetauscher aus Edelstahl Rostfrei der Güte 1.4404 an den Speicher ab und erwärmt dort Frischwasser im Durchlaufprinzip.

Mit einem Kombispeichermodell kann überschüssige Wärmeenergie zur Heizungsunterstützung genutzt werden. In sonnenreichen Ländern erwärmt die von Kollektorsystemen eingesammelte Wärme großvolumige Wasserspeicher aus Edelstahl Rostfrei. Hierfür stehen alternativ zu geschwärzten Kollektorplatten auch kissenartige doppelwandige Edelstahl-Kollektoren zur Auswahl, die mit nur 0,6 Millimeter Wanddicke geringes Gewicht und eine optimale Wärmeübertragung vereinbaren. Für die Konstruktion und Befestigung der dafür eingesetzten Rohre und Verbindungsstücke werden nichtrostende Stähle der Güten 1.4401 und 1.4521 zu dünnwandigen Rohren und Blechen mit komplexer Geometrie geformt. Auch für die verschiedenen Warmwasserspeicher ist nichtrostender Stahl durch seine hohe Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und maximale Hygieneeigenschaften eine gute Wahl: So erfüllt er nicht nur die hohen Normvorgaben für Druckbehälter, sondern verhindert auch dauerhaft die Anhaftung von Bakterien.

Strom und mehr mit Photovoltaik

Auf deutschen Dächern übernehmen zunehmend PV-Anlagen die Vorherrschaft: Gesunkene Anschaffungskosten und immer leistungsfähigere Solarmodule erschließen vielfältige Nutzungsoptionen.

Sie wandeln das Sonnenlicht in Strom um, der das Haus nicht nur heizen oder kühlen, sondern auch zur Warmwasserbereitung via Heizstab, Luft-Wasser-Wärmepumpe oder Durchlauferhitzer genutzt werden kann. Hybride PV-Anlagen produzieren sogar Strom und Warmwasser gleichzeitig. Wirtschaftlich interessant ist die letztgenannte Lösung jedoch nur für Haushalte mit sehr hohem Bedarf an warmem Wasser im Sommer – beispielsweise um den eigenen Pool zu befüllen. Mit dem Wegfall der Mehrwertsteuer auf neue PV-Anlagen, Komponenten wie Module, Wechselrichter und Batteriespeicher sowie zur Erweiterung bestehender Anlagen hat der Staat seit dem 1. Januar 2023 ein zusätzliches Argument für Eigenheimbesitzer geschaffen, in PV zu investieren.

Sorgfältige Planung ein Muss

Größe, Auslegung und Art einer PV-Anlage sind abhängig von den örtlichen Gegebenheiten, Anforderungen und Strombedarf. Entsprechend groß ist das Angebot an maßgeschneiderten Lösungen für Dach, Fassade, Balkon, Terrassenabdeckung und Carport. Speziallösungen für Wohnmobil oder Boot runden die Systemvielfalt ab. Jede PV-Anlage wird passend zu Dachgröße, -form, -eindeckung und -tragkraft individuell ausgelegt. So ist bei einem Schrägdach die Ausrichtung der Anlage entscheidend und eine Neigung von 30 Grad gilt als optimal. Für Flachdächer kommt eine Unterkonstruktion zum Einsatz, die jede beliebige Neigung und Ausrichtung erlaubt. Unterschiedliche Arten von PV-Modulen mit Dickschicht- oder Dünnschichtzellen lassen keinen Wunsch nach Leistung, Robustheit, Gewicht, Homogenität der Optik oder Farbe offen. Für starre Dickschichtzellen werden millimeterdünne Solarzellen alternativ zwischen zwei Folien, zwischen Glas und Glas-Folie oder auch zwischen zwei Glasscheiben eingebracht. Dünnschichtzellen hingegen bestehen aus amorphem Silizium, das auf einen Träger aus Glas oder Edelstahl aufgedampft wird. Diese Art der Herstellung erlaubt flexible, gebogene, gefaltete oder auch transparente Solarmodule, die sich besonders unauffällig in die bestehende Architektur eines Gebäudes integrieren lassen.

Auch bei Metalldächern aus Edelstahl Rostfrei sind diese auf flexible Unterlagen aus dünnen, nichtrostenden Stahlblechen der Güten 1.4510 oder 1.4401 aufgedampften Solarzellen eine bewährte Lösung. Aufgrund der günstigen Herstellungskosten finden die wartungsarmen Zellen aus amorphem Silizium am häufigsten Einsatz in kommerziellen, großflächigen Solarparks.

Rahmen und Befestigungen kritische Erfolgsfaktoren

Vor dem Hintergrund einer erwarteten Haltbarkeit von 30 Jahren und mehr sind auch die Anforderungen an die Metallkomponenten der Solarpaneelen hoch. Weit verbreitet sind Schienen und Halterungen aus Aluminium. Ihre relativ geringe Zugfestigkeit macht sie allerdings eher für geringe Windlasten empfehlenswert. Für eine höhere Korrosionsfestigkeit benötigen sie zudem eine Oberflächenbehandlung. Rahmenprofile aus Edelstahl Rostfrei gewährleisten durch überlegene Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auch bei anspruchsvollen Umgebungsbedingungen die geforderte Robustheit und Haltbarkeit.

Speicher für mehr Effizienz

Die Speicherung von nicht sofort genutzter oder überschüssiger Solarwärme steigert die Effizienz einer PV-Anlage maßgeblich. So lässt sich der Strom aus der Photovoltaikanlage auch dann nutzen, wenn die Sonne nicht scheint. Je höher der Stromverbrauch, desto schneller rentiert sich eine PV-Anlage. Rund zwölf Prozent des gesamten Energieverbrauchs eines Haushalts werden laut Angaben des Umweltbundesamts für die Aufbereitung von Warmwasser benötigt.

Bereits heute wird jede zweite PV-Anlage mit einem Stromspeicher installiert. So kann nicht direkt verbrauchter, überschüssiger Strom zwischengelagert und in sonnenarmen Stunden genutzt werden – eine wirtschaftlich deutlich attraktivere Lösung als seine Einspeisung gegen geringe Vergütung ins öffentliche Stromnetz. Als Faustregel für einen durchschnittlichen Vier-Personen-Haushalt wird eine nutzbare Speicherkapazität von vier bis sechs Kilowattstunden angesetzt. Im privaten Bereich gewinnen deshalb Batteriespeicher auf Basis von Lithium-Ionen-Zellen zunehmend an Bedeutung: Zu den effizientesten Batteriespeichern am Markt zählen Lithium-Eisen-Phosphatspeicher (LFP) mit einem Gehäuse aus hochwertigem Edelstahl Rostfrei, die sich durch Schnellladefähigkeit, Sicherheit und Robustheit auszeichnen.

Flüssigsalzspeicher in Kraftwerken

In kommerziellen Solarkraftwerken – Parabolrinnen-Anlagen oder Solartürme – sind Flüssigsalzspeicher aus nichtrostendem Stahl mit Durchmessern von bis zu 50 Metern gängige Praxis. Parabolrinnen-Kraftwerke bündeln mit trogförmigen Spiegeln das einfallende Sonnenlicht auf ein von Thermo-Öl durchströmtes Absorberrohr in ihrer Brennlinie. Die in dem Rohr aus hochwarmfestem Edelstahl der Güten 1.4959 oder 1.4541 konzentrierte Sonnenenergie wird in Wärme umgewandelt und in Flüssigsalztanks gespeichert. In sogenannten Concentrated Solar Power (CSP)-Solarturmkraftwerken ist Flüssigsalz wärmetransportierendes Arbeitsmedium und Speichermedium zugleich. CSP-Solartürme sind von einem großen Feld an Spiegeln (Heliostaten) umgeben, die dem Sonnenstand automatisch nachgeführt werden. Diese Spiegel reflektieren das Sonnenlicht auf einen zentralen Receiver oben im Turm, der von Flüssigsalz durchströmt wird. Für Tragstrukturen und hochfeste, diebstahlhemmende Sicherungsschrauben ist Edelstahl Rostfrei der Güten 1.4301 oder 1.4303 bewährter Standard, der seine Leistungsfähigkeit auch bei Trägersystemen für Freiflächenanlagen seit Jahren unter Beweis stellt.

Die zur Speicherung des Flüssigsalzes eingesetzten Heißtanks sind in beiden Solarkraftwerkstypen sehr hohen thermischen, mechanischen und korrosiven Belastungen ausgesetzt. Gefertigt aus Edelstahl der Güte 1.4961 in 60 Millimeter Blechdicke gewährleisten sie zuverlässig die gebotene Prozesssicherheit.

Nachhaltigkeit auf ganzer Linie

Die Nutzung erneuerbarer Ressourcen ist Gebot der Stunde und Solarenergie dafür eine der wichtigsten Energiequellen. Neben zukunftsweisenden Technologien zu ihrer Gewinnung und Nutzung sind die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Solaranlagen entscheidende Erfolgsfaktoren, um das Potenzial der solaren Energiequelle noch mehr auszuschöpfen. Herkunft der Anlagenkomponenten sowie Lebenszyklusbetrachtung der eingesetzten Werkstoffe zahlen überdies auf die Nachhaltigkeitsbilanz der Anlagen ein. Einen wichtigen Beitrag zu deren positiver Ökobilanz steuert Edelstahl Rostfrei bei: Jahrzehntelange Korrosions- und Witterungsbeständigkeit, geringer Wartungsaufwand und am Ende der Produktlebenszeit eine nahezu hundertprozentige Recyclingfähigkeit ohne Qualitätseinbuße machen nichtrostende Stähle zum verlässlichen Wegbegleiter in die Zukunft der Solarenergie.

Die guten Umform-, Verarbeitungs- und Schweißeigenschaften sprechen überdies für den Einsatz nichtrostender Stähle für Rahmen und Tragstrukturen. Auch zur Montage der Kollektoren gelten witterungsbeständige, mehrfach verstellbare Dachhaken aus Edelstahl der Güte 1.4016 als erste Wahl. Gleiches gilt für Wechselrichter mit einem Edelstahlgehäuse: Sie wandeln den als Gleichstrom gewonnenen Solarstrom in nutzbaren Wechselstrom um.