Thermische Solaranlagen - wie flache Sonnenkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren - können für die Erwärmung von Trinkwasser (Dusch- und Badewasser) sowie zur Wärmegewinnung für Raumheizung und zum Beispiel zum Kochen (Prozesswärme) eingesetzt werden.

Dabei wird eine speziell beschichtete Absorberoberfläche innerhalb eines sogenannten thermischen "Kollektors" (= Sammler) durch die elektromagnetische Sonnenstrahlung im sichtbaren und infraroten Bereich des Spektrums erhitzt. Durch die Rohre des Absorbers strömt eine Flüssigkeit, seltener auch ein Gas (zum Beispiel Luft), das diese Wärme aufnimmt (Wärmetransportmedium). Mittels einer Pumpe oder eines Ventilators - manchmal auch nur durch den Auftrieb der Erwärmung - wird dieses Medium zu einem Speicher geleitet, dort abgekühlt und wieder zum Eingang des Absorbers geführt (Kreislauf).

In Zentraleuropa können mit thermischen Solaranlagen - je nach Region - üblicherweise 50 bis 60 Prozent des Energiebedarfs zur Erwärmung von Trinkwasser gedeckt werden. Es sind auch höhere Deckungsbeiträge bzw. der Einsatz in der Gebäudeheizungstechnik möglich. Die thermische Solaranlage kann die Heizung unterstützen, der Deckungsbeitrag ist jedoch von verschiedenen Randbedingungen (Bedarf, Speicher, Medium usw.) abhängig.

Weiterhin können thermische Solaranlagen zur Prozesswärmeerzeugung in Industrie und Gewerbe eingesetzt werden. Besonders in der Lebensmittelindustrie gibt es viele Anwendungen, für welche die notwendigen Temperaturen von 60 bis 100 °C auch mit Kollektoren erzeugt werden können.

Die Versorgung von Fernwärmenetzen durch Solarenergie ist in Dänemark, Schweden und Österreich mittlerweile weit verbreitet. Mit speziellen Kollektoren für Großanlagen wird in etwa 100 Ortschaften die konventionelle Energieversorgung solar unterstützt. Dabei ersetzt Solarwärme im Sommer in vielen kleinen Netzen einen Biomassekessel. Aber auch im städtischen Bereich gibt es bemerkenswerte Ansätze, so zum Beispiel in Graz.

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