Unter Solarthermie versteht man die Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare thermische Energie. Sie zählt zu den Erneuerbaren Energien.

Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlungsleistung beträgt weltweit im Tagesdurchschnitt (bezogen auf 24 Stunden) ungefähr 165 W/m² (mit erheblichen Schwankungen je nach Breitengrad, Höhenlage und Witterung). Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als zehntausendmal größer als der Energiebedarf der Menschheit, das Potenzial der Solarenergie ist größer als das aller anderen erneuerbaren Energien zusammen.

Die Sonne erzeugt durch die in ihrem Inneren ablaufende Kernfusion eine Leistung von ca. 3,8 · 1026 Watt und gibt sie in Form von Strahlung ab. Von der kugelförmigen Sonnenoberfläche wird diese Strahlungsleistung etwa gleichmäßig in alle Richtungen abgegeben. Die Strahlungsleistung verteilt auf diese Kugelfläche der Erde beträgt im Mittel

was als Solarkonstante bezeichnet wird. Der Wert schwankt, insofern ist es irreführend, von einer Konstanten zu sprechen, der Begriff hat sich aber eingebürgert. Die Solarkonstante erlaubt einfache Berechnungen und Abschätzungen.  Es ergibt sich je nach Standort auf der Erde eine unterschiedliche Strahlungsleistung. Von einem klaren Mittagshimmel im Sommer (höherer Sonnenstand = kürzerer Weg durch die Atmosphäre) strahlt die Sonne in Deutschland nur noch mit maximal 1.000 W/m2, im Winter sogar nur mit 600 W/m2. Es gibt Wetterstationen mit Solarmeter, die auch die täglichen Schwankungen zu beobachten erlauben. So steigt die auf der Erdoberfläche empfangene Sonnenstrahlung von Sonnenaufgang bis Mittag etwa in einer Sinusfunktion an, um dann auf gleiche Weise wieder abzufallen. In der Nacht beträgt die Sonnenstrahlung natürlich 0 W/m2, über ein gesamtes Jahr gemittelt ergeben sich in Deutschland etwa

Über die Zeit integriert ergibt sich aus der empfangenen Sonnenstrahlung die nutzbare Sonnenenergie. Die eingestrahlte Energie pro Jahr beträgt in Deutschland etwa

Die gezielte Wandlung der in Form elektromagnetischer Wellen einfallenden Sonnenstrahlung in thermische Energie erfolgt grundsätzlich durch das Prinzip der Absorption. Das kann durch Sonnenkollektoren geschehen, die die Sonnenstrahlung direkt absorbieren.  Flachkollektoren können diffuse Globalstrahlung zwar nutzen, die allerdings typischerweise eine geringere Leistung hat als das direkte Sonnenlicht.

Solarthermische Kollektoren 

  • Flachkollektoren arbeiten bei einer durchschnittlichen Temperatur von ca. 80 °C. In ihnen wird das Licht nicht gebündelt, sondern erwärmt direkt eine flache wärmeabsorbierende Fläche, die Wärme gut leitet und mit Röhren durchzogen ist, in denen sich das Wärmeträgermedium befindet. In diesen Kollektoren wird meist ein Wasser-Propylenglycol-Gemisch (Verhältnis 60:40) als Wärmeträgermedium verwendet. Durch den Zusatz von 40 Prozent Propylenglycol wird ein Frostschutz bis −23 °C und darunter ein Gefrieren ohne Volumenzunahme (zum Vermeiden einer möglichen Frostsprengung) erreicht, sowie eine Siedetemperatur, die je nach Druck 150 °C und mehr betragen kann. Die nutzbare jährliche Wärmeenergie, die ein Standard-Flachkollektor liefert, liegt bei ca. 350 kWh/m².
  • Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus zwei konzentrisch ineinander gebauten Glasröhren. Zwischen diesen Glasröhren befindet sich ein Vakuum, das die Übertragung der Strahlungsenergie des Lichts zum Absorber zulässt, aber einen Wärmeverlust stark verringert. In der inneren Röhre befindet sich ein Wärmeübertragungsmedium, meist ein Wasser-Diethylenglycol-Gemisch, das sich erwärmt und durch Pumpen angetrieben die Wärme transportiert. Es gibt auch sogenannte „offene Systeme“, die Wasser direkt erhitzen. Diese Kollektoren arbeiten üblicherweise bis zu einer Betriebstemperatur von ca. 150 °C. Vakuumröhrenkollektoren haben höhere Wirkungsgrade als Flachkollektoren, aber sind typischerweise teuer in der Anschaffung.

Anwendungsgebiete

Solarthermie wird im privaten Bereich vorrangig im Rahmen der Gebäudeheizung und -klimatisierung genutzt. In Verbindung mit einer guten Wärmedämmung und der passiven Nutzung der solaren Einstrahlung vermindert sich der Bedarf an zusätzlicher Heizenergie bereits stark. Eine durchdachte passive Nutzung der Sonnenenergie kann auch in Mitteleuropa soweit gehen, dass eine aktive Heizungsanlage nicht mehr erforderlich ist. 

Im Rahmen der Gebäudetechnik ergibt sich die Klassifizierung kollektorbasierter solarthermischer Systeme als „aktive“ Technologie aufgrund des Einsatzes aktiver, also meistens elektrisch betriebener Umwälzpumpen innerhalb des Wärmekreislaufes. 

Kollektoren können zur Warmwasserbereitung, als eigenständige und vollwertige Heizung, oder zur Unterstützung einer bereits vorhandenen anderweitigen Heizung verwendet werden. Eine anderweitige zusätzliche Heizung wird nur bei Altbauten benötigt, bei denen entweder die Dämmung nicht ausreicht, oder eine im Verhältnis zum Raumvolumen zu kleine Dachgröße vorliegt, als dass der Wärmebedarf vollständig durch Kollektoren gedeckt werden könnte. Ein weiterer Grund kann eine dauerhafte Beschattung des Gebäudes oder (bei einem Schrägdach) auch eine unzweckmäßige Dachausrichtung sein. Optimal ist eine Ausrichtung der Kollektoren nach Süden, wobei bei der Dachmontage regionale Unterschiede berücksichtigt werden müssen, damit die Anlage zu keiner Tageszeit im Schatten liegt.

Sofern diese Punkte berücksichtigt werden, ist eine anderweitige Heizung immer komplett ersetzbar. Dies ist vor allem aufgrund der besseren Umwelt- und Betriebseigenschaften von Solarthermie gegenüber anderen Heizungsformen, etwa den verschiedenen Formen von BHKW-Pelletsheizungen, wünschenswert. Solarthermie und passive solare Bautechniken sind in diesem Fall weniger wartungsanfällig, und haben durch den nicht vorhandenen Brennstoffbedarf wesentliche Vorteile. Für den Anlagenbetreiber entfallen sämtliche laufenden Kosten (bis auf geringe Stromkosten von etwa 8 € pro Jahr für den Betrieb der elektrischen Umwälzpumpe bei 7 W elektrischer Leistung und einer Laufzeit von 5.300 h/a, bezogen auf ein durchschnittliches Einfamilienhaus und einen Ökostrompreis von 21,5 ct/kWh). Gesamtgesellschaftlich erzeugen die Anlagen bzw. Bauverfahren aus dem gleichen Grund kein zusätzliches Verkehrsaufkommen und konkurrieren nicht mit der Landwirtschaft um wertvolle Ackerfläche, was beim flächendeckenden Einsatz brennstoffbetriebener Blockheizkraftwerke auf Grundlage nachwachsender Rohstoffe der Fall wäre. Außerdem erzeugen sie weder Feinstaubemissionen noch manuell zu entfernende Restasche.

Die Speicherung der in unseren Breitengraden überwiegend im Sommer gewonnenen Wärmeenergie über längere Zeiten wird durch thermochemische Wärmespeicher gewährleistet, bei denen die Wärme saisonal nahezu verlustfrei chemisch abgebunden und zeitversetzt wieder freigegeben wird, durch Puffer-Wärmespeicher, etwa Wasser, oder durch Latentwärmespeicher, z. B. auf Grundlage von Paraffin, bei denen ein Großteil der Wärmeenergie im Phasenübergang von fest zu flüssig gespeichert wird, und sich unter anderem aufgrund dessen eine gegenüber einfachen Wassertanks um Faktor 1,5 höhere Wärmekapazität ergibt. Der Einsatz von Saisonspeichern auf Basis von Wasser oder passiver Wärmemasse hat den Nachteil eines erheblich größeren Platzbedarfes zum Erreichen der gleichen Wärmekapazität. Dieser Nachteil kann sich jedoch bei geschickter Auslegung von Neubauten erübrigen (etwa durch thermische Aktivierung der vom Fundament eingeschlossenen Erdmasse), so dass gerade passive Wärmemasse oder Wasser aus Kostengründen wünschenswerte Lösungen zur Wärmespeicherung sein können.

Indem Sonnenstrahlen auf den Kollektor treffen, geben sie je nach Absorptionsvermögen des Kollektors typischerweise 60-75 % ihrer Energie an die Wärmeträger-Flüssigkeit ab. Diese wird dann mit einer Umwälzpumpe in den Wärmetauscher des Speichers gepumpt. Ein an einen Temperatursensor angeschlossener Solarregler setzt die Umwälzpumpe in Gang, sobald die Temperatur der Wärmeträger-Flüssigkeit im Kollektor einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Die Einstellungen der Regelung wirken sich auf die Effizienz des Gesamtsystems aus, und sind abhängig vom Stromverbrauch der Umwälzpumpe sowie der Pumpleistung. Beim Einsatz eines Pufferspeichers lässt sich die Regelung so einrichten, dass die Pumpe läuft, wenn die Temperatur der Wärmeträger-Flüssigkeit über der Temperatur des unteren (tendenziell kühlsten) Pufferwassers im Speicher liegt. Dort gibt sie ihre Wärme an das kältere Pufferwasser des Speichers ab. Das Pufferwasser erwärmt sich dadurch, steigt im Speicher nach oben, und kann dann über den Wärmetauscher zum Heizen getrennter Kreisläufe für Trink- und Heizungswasser verwendet werden, wobei der Trinkwasserkreislauf zum Duschen, Waschen u. dgl. mehr dienen kann, also letztlich im Bereich der häuslichen Anwendung den kompletten Bedarf an geheiztem „Nutzwasser“ abdeckt.

Moderne Wasch- und Spülmaschinen verfügen zum Teil über separate Warmwasseranschlüsse, worüber solarthermische Gebäudetechnik durch die Bereitstellung bereits geheizten Trinkwassers auch zur Effizienzverbesserung beim Stromverbrauch von Haushaltsgeräten beitragen kann.

Der Puffer-Speicher erfüllt traditionell die Funktion einer zeitversetzten Wärmeaufnahme und -abgabe. Bei Einsatz eines thermochemischen Saisonspeichers, dem auch zeitnah und bedarfsgerecht Wärme entzogen werden kann, ist der Einsatz eines Pufferspeichers nicht mehr notwendig. Der Saisonspeicher kann die Funktion des Pufferspeichers (zeitversetzte Wärmeaufnahme und -abgabe) vollständig übernehmen. Eventuelle Latenzzeiten beim Anlaufen der Wärmeentnahme können durch einen sehr klein dimensionierten internen Pufferspeicher aufgefangen werden, der in den Saisonspeicher integriert wird. Dies kann aber auch durch eine entsprechend latenzarme Auslegung des Geräts an sich von vornherein vermieden werden. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird direkt zur chemischen Abbindung der Wärmeenergie dem Saisonspeicher zugeführt, und heizungsseitig übernimmt der Saisonspeicher die Aufgabe eines Durchlauferhitzers. Dadurch entfällt der getrennte Pufferspeicher, was die Anschaffungskosten senkt, und laufende Wärmeverluste vermeidet, die bei Pufferspeichern (trotz Isolierung) im Gegensatz zu den auch langfristig nahezu verlustfreien thermochemischen Wärmespeichern laufend anfallen.