Solarenergie

Noch nutzen wir Menschen nur einen Bruchteil der natürlichen Energiequellen auf der Erde, um aus erneuerbaren Energien unseren Bedarf an elektrischem Strom und Wärme zu decken. Dabei steht besonders mit der Sonne ein gigantischer langfristiger Energielieferant bereit. , der bereits alle Lebewesen der Erde ernährt - über die Biomasse, die Pflanzen durch Photosynthese des Sonnenlichts erzeugen. Um Energie für Strom oder Wärme aus der Sonneneinstrahlung relativ direkt und verlustarm zu gewinnen, stehen zur Zeit vor allem Sonnenkollektoren, Photovoltaikanlagen und solarthermische Kraftwerke zur Verfügung.

Inhalt dieser Seite
  1. Das Wichtigste in Kürze
  2. Was ist Solarenergie?
  3. Sonnenstrahlung - Energie im Überfluss
  4. Wie funktioniert Solarenergie?
  5. Vorteile von Solarenergie
  6. Nachteile von Solarenergie
  7. Photovoltaik - Strom aus Licht

Das Wichtigste in Kürze

  • Bei der Nutzung von Sonnenenergie wird elektromagnetische Strahlung in Strom oder Wärme umgewandelt.
  • Photovoltaikanlagen gewinnen elektrischen Strom aus Sonnenlicht, indem im Silizium-Halbleiter wie bei einer Batterie Energie zwischen negativer und positiver Ladung fließt.
  • Solarthermische Kraftwerke bündeln die Strahlung der Sonne mit Hilfe von Hohlspiegelsystemen und erhitzen so Flüssigkeiten, die eine Turbine antreiben.
  • Solarkollektoren gewinnen Wärme aus Sonnenstrahlung, die zum Heizen verwendet wird.

Was ist Solarenergie?

Solarenergie besteht aus elektromagnetischer Strahlung. Sie wird im Inneren der Sonne bei der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium freigesetzt. Dabei entstehen Temperaturen um 15 Millionen Grad Celsius, die an der Oberfläche der Sonne bereits auf 6.000 Grad „abgekühlt“ sind. Diese Energie, die als Wärme und Licht bis zur Erde strahlt, ernährt seit Beginn der Zeit die Pflanzen und ist der Motor unseres Wetters.

Das Prinzip der Solarthermie wurde schon in der Antike entdeckt und beispielsweise zur Bündelung von Sonnenlicht durch Brennspiegel genutzt. Der Forscher Horace-Bénédict de Saussure entwickelte bereits im 18. Jahrhundert Vorläufer heutiger Solarkollektoren. 1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmund Bequerel den Photoeffekt und legte damit den Grundstein für heutige Solarzellen-Technologie. Die tatsächliche Nutzung von Solarzellen für Stromerzeugung startete am 17. März 1958. An diesem Tag wurde der US-Satellit Vanguard mit Solarmodulen bestückt zu Forschungszwecken ins All geschickt. Alle folgenden Satelliten sowie die Internationale Raumstation erzeugen bis heute ihren Strom aus Sonnenenergie. Dieser Erfolg im Weltall war der Vorreiter für eine Nutzung von Solarenergie auf der Erde.

Sonnenstrahlung - Energie im Überfluss

Wenn man bedenkt, dass bereits eine Viertelstunde Sonneneinstrahlung auf die Erde dem weltweiten Energiebedarf der Menschheit für ein Jahr entspricht, befinden wir uns noch ganz am Anfang einer effektiven Nutzung der Solarenergie. Denn tatsächlich werden nur knapp zehn Prozent unseres Energiebedarfs durch Sonnenkraft gedeckt. Dabei ist der Transport von Solarstrom eines der Hauptprobleme: Eigentlich könnte eine mit Solarzellen ausgestattete Wüstenfläche von 700 x 700 Kilometern - zum Beispiel in der Sahara - ausreichen, um ausreichend Solarstrom für den Bedarf der ganzen Erde zu erzeugen, aber die Verteilung des Stroms wäre derzeit nicht zu leisten.

Wie funktioniert Solarenergie?

Solarzellen in Photovoltaikanlagen, solarthermische Kraftwerke und Sonnenkollektoren nutzen die Sonnenstrahlung ohne Umwege und wandeln die Strahlungsenergie in Strom oder Wärme um.

Vorteile von Solarenergie

  • Sonnenenergienutzung ist in vielen Staaten der Erde - wie auch in Deutschland - möglich und verschafft mehr Unabhängigkeit vom Abbau oder Import nuklearer oder fossiler Brennstoffe, die größtenteils im Besitz weniger Staaten sind.
  • Die Nutzung von Solarenergie ist emissionsfrei, denn es werden anders als bei der Nutzung fossiler Brennstoffe keine Luftschadstoffe wie Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe sowie kein Feinstaub freigesetzt. Damit schont Sonnenenergie Mensch, Klima und Umwelt.
  • Solarenergie steht kostenlos und unbegrenzt zur Verfügung, da sie bei der Nutzung nicht verbraucht wird.

Nachteile von Solarenergie

  • Die Nutzung von Solarenergie ist von der Stärke der Sonneneinstrahlung mit ihren regionalen, wetter-, tages- und jahreszeitbedingten Schwankungen abhängig. Zurzeit ist damit noch kein hoher Anteil an einer konstanten Energieversorgung möglich.
  • Sowohl thermische Anlagen mit Solarkollektoren als auch Photovoltaikanlagen benötigen große Aufstellflächen und befinden sich damit in einer gewissen Konkurrenz zu landwirtschaftlicher Flächennutzung.

Photovoltaik - elektrischer Strom aus Licht

Solarzellen gewinnen elektrischen Strom aus Sonnenlicht, indem sie den „photovoltaischen Effekt“ nutzen und Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln. Die überwiegende Mehrzahl der in der Photovoltaik eingesetzten Solarzellen besteht aus drei Schichten des Halbleiters Silizium. Die obere Silizium-Schicht wurde vorab mit Phosphor angereichert, die untere mit Bor. Treffen nun Sonnenstrahlen auf die Oberfläche, zieht es die negativen Bor-Elektronen von unten nach oben. Dabei entsteht, durch die Grenzschicht getrennt, aus negativ geladenen Elektronen eine Art Minuspol, aus positiven Protonen ein Pluspol - ähnlich wie bei einer Batterie. Bei Lichtzufuhr beginnt Strom zwischen den Polen zu fließen. Über die Kontaktschichten aus Metall wie Aluminium oder Silber an Vorder- und Rückseiten der Solarzelle wird elektrischer Strom abgeleitet. Der so erzeugte Strom ist Gleichstrom, der direkt zum Antrieb von Elektrogeräten verwendet oder in Batterien gespeichert werden kann. Wird er in einem Wechselrichtersystem in Wechselstrom umgewandelt, kann er einfach ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Das Photovoltaik-Prinzip funktioniert auch bei wenig Sonnenlicht, etwa bei bedecktem Himmel. Allerdings wird bei direkter Sonneneinstrahlung natürlich mehr Strom erzeugt.

Nutzen von Photovoltaik

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen leisten in Deutschland bereits einen ansehnlichen Beitrag zur Stromversorgung im Rahmen der Energiewende und werden nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2017) gefördert. Zusammen mit Windenergie wird die Photovoltaik ihre wichtige Rolle für die Stromversorgung in Deutschland noch steigern, da diese beiden erneuerbaren Energietechnologien kurz- und mittelfristig hohes Ausbaupotenzial zu günstigen Kosten versprechen. Hohen Nutzen haben wartungsarme Photovoltaikanlagen dank ihrer Brennstoffunabhängigkeit auch abseits von Versorgungsnetzen für die Versorgung von abgelegenen Pumpen, Höfen oder Dörfern.

Solarthermie

Solarthermische Kraftwerke bündeln die Strahlung der Sonne mit Hilfe von Hohlspiegelsystemen und erhitzen so Flüssigkeiten, wodurch eine Turbine angetrieben wird. In solchen Anlagen wird also eine Mischung aus innovativer Sonnenenergie-Nutzung und konventioneller Turbinen-Technik zur Stromerzeugung eingesetzt. Die Kraftwerke können für die Stromerzeugung oder zur Erzeugung von Prozesswärme durch Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden. Die Nutzung von Solarthermischen Kraftwerken ist überwiegend auf Gegenden der Erde beschränkt, die reich an Sonneneinstrahlung sind, da nur die direkte Strahlung der Sonne zur Bündelung verwendet werden kann. In Deutschland ist die Sonneneinstrahlung insgesamt zu niedrig und der Anteil diffuser Strahlung zu hoch, um wirtschaftlich für Solarthermie genutzt zu werden.

Solaranlagen und Sonnenkollektoren

Thermische Solarkollektoren setzen Sonnenstrahlung in Wärme um. Sie werden auf Dächern von Gebäuden oder auf Freiflächen installiert und können die Sonneneinstrahlung zu recht hohen Wirkungsgraden von zwischen 60 und 75 Prozent verwerten. In Europa entspricht die Einstrahlung bei wolkenlosem Himmel je nach Stand der Sonne und Jahreszeit zwischen 200 und 1.000 Watt pro Quadratmeter. Herzstück eines Solarkollektors bildet der Solarabsorber, der aus der Sonnenstrahlung Wärmeenergie gewinnt. Diese Wärme gibt er an einen Wärmeträger - wie Luft oder Flüssigkeit - ab, der in Rohren durch- und beispielsweise über Wärmetauscher weitergeleitet wird. Die gewonnene Wärme wird dann verwendet, um direkt Gebäude zu heizen oder Warmwasser zu erzeugen oder sie in Solarthermieanlagen in Prozesswärme oder sogar Kälte umzuwandeln. Früher mussten Solaranlagen auf Dächern von Einfamilienhäusern bei Sonne ständig gegen Überhitzung geschützt werden; bei Wolken waren sie nutzlos. Für moderne Anlagen gilt dies jedoch nicht mehr.

Hohes Potenzial von Sonnenkollektoren für die deutsche Energiebilanz der Zukunft liegt darin, im Sommer Wärme zu gewinnen und sie für den Winter zu speichern, sowie in der Erzeugung von heißem Wasser für Nahwärme-Netze.