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Sonnenenergie

Definition: Energie, die von der Sonne als Strahlung zur Erde geschickt wird

Englisch: solar energy

Kategorien: erneuerbare Energie, Grundbegriffe, Haustechnik, physikalische Grundlagen

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.06.2010; letzte Änderung: 03.11.2018

Sonnenenergie (oder Solarenergie) ist Energie, die von der Sonne in Form von Strahlung (vor allem Wärmestrahlung und sichtbarem Licht) zur Erde gesandt wird.

Ursprung der Sonnenenergie und Stärke der Einstrahlung

Der Ursprung dieser Energie ist Kernfusion im sehr heißen Inneren der Sonne: Aus Wasserstoff bildet sich durch Verschmelzung der Atomkerne Helium. Dieser Prozess ist extrem ergiebig. Innerhalb der 4,6 Milliarden Jahre, die die Sonne existiert, hat sie grob geschätzt die Hälfte des Wasserstoffs “verbrannt”, und mit dem restlichen Vorrat kann sie nochmals für weitere Milliarden von Jahren etwa im jetzigen Zustand weiter bestehen.

Von der Sonnenoberfläche wird eine enorme Leistung in alle Richtung abgestrahlt, und ein kleiner Teil dieser Leistung trifft die Erde. Beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre beträgt die Intensität ca. 1,367 kW/m2 (Solarkonstante), woraus sich die gesamte ständig auf die Erde treffende Leistung als ca. 174 PW (Petawatt) berechnen lässt. Dies ist fast 12 000 mal mehr als der gesamte weltweite Primärenergieverbrauch von ca. 14,7 TW (Stand 2007).

Pro Quadratmeter und Jahr ergeben sich (gemessen oberhalb der Erdatmosphäre) 12 000 kWh Strahlungsenergie. Am Erdboden erhält man weniger, da ein Teil der eingestrahlten Leistung von der Atmosphäre absorbiert oder gestreut wird, und vor allem auch, weil die Ausrichtung zur Sonne stark schwankt und insbesondere in der Nacht keinerlei Sonnenstrahlung empfangen werden kann. In Deutschland treffen im Mittel auf einen Quadratmeter der Fläche am ebenen Boden etwas über 1000 kWh Sonnenenergie pro Jahr, entsprechend dem Energiegehalt von gut 100 Litern Heizöl.

Nutzung von Sonnenenergie

Sonnenenergie ist die klassische erneuerbare Energie: Sie kann genutzt werden, solange die Sonne weiter scheint. Es gibt sehr unterschiedliche Formen der Sonnenenergienutzung:

  • Mit Hilfe von Sonnenkollektoren kann Wärme erzeugt werden (Solarthermie), die z. B. für die Warmwasserbereitung, für Heizungsanlagen oder für industrielle Prozesse (z. B. Trocknungsprozesse) verwenden lässt.
  • Besonders preisgünstig lässt sich Sonnenwärme passiv nutzen. Insbesondere kann Sonneneinstrahlung durch die Fenster von Gebäuden einen erheblichen Teil des Wärmebedarfs decken.
  • Wenn über Fenster einfallendes Licht tagsüber einen weitgehenden Verzicht auf künstliche Beleuchtung ermöglicht, kann dies ebenfalls als eine passive Sonnenenergienutzung angesehen werden.
  • Mit von Solarzellen (Photovoltaik) lässt sich die Energie des Sonnenlichts direkt in elektrische Energie umwandeln, wobei je nach Technologie der Wirkungsgrad zwischen unter 10 % und ca. 40 % betragen kann. Der Einsatz von Photovoltaikmodulen erfolgt oft dezentral, aber auch in Solarkraftwerken.
  • Eine andere Möglichkeit könnte in Zukunft die Verwendung von thermoelektrischen Generatoren sein, die zwar erst im Labormaßstab funktionieren und mit Wirkungsgraden von bis zu 4,6 % [1], aber womöglich noch deutlich verbessert werden können.
  • In großtechnischen solarthermischen Kraftwerken wird mit Hilfe der Sonne zunächst Wärme gewonnen, und diese wird dann mit einer Wärmekraftmaschine (meistens einer Dampfturbine) in mechanische Energie und schließlich mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt.
  • Noch im Forschungsstadium sind Versuche, Wasserstoff direkt durch Sonnenlicht aus Wasser zu gewinnen, und zwar entweder mit künstlichen Materialien (z. B. Nano-Photokathoden) für die Photoelektrolyse, mit thermochemischen Kreisprozessen oder mit Hilfe von genetisch veränderten Algen. Für eine ferne Zukunft denkbar wäre der Aufbau einer solaren Wasserstoffwirtschaft.

Weitere indirekte Nutzungsweisen sind ebenfalls möglich:

  • Windenergie ist die Nutzung der Energie von Windströmungen, die von der Sonnenenergie angetrieben werden.
  • Wasserkraft nutzt ebenfalls indirekt Sonnenenergie, die dafür sorgt, dass hoch gelegene Wasserreservoirs über Niederschläge nachgefüllt werden.
  • Pflanzen wachsen mit Hilfe von Sonnenenergie, und aus ihrer Biomasse lassen sich nutzbare Energieträger wie z. B. Holz, Biodiesel, Bioethanol und Biogas gewinnen.

Generell lässt sich Sonnenenergie in äquatornahen Gebieten wesentlich besser gewinnen als in Regionen mit höheren Breitengraden. Die jährliche Ausbeute z. B. von Sonnenkollektoren oder Photovoltaikanlagen hängt stark von den klimatischen Verhältnissen ab. Jedoch ist die Stärke dieser Abhängigkeiten unterschiedlich für verschiedene Technologien. Beispielsweise funktionieren Anlagen der Solarthermie wie solarthermische Kraftwerke nur bei starker direkter Sonneneinstrahlung gut und sind in Ländern wie Deutschland kaum realisierbar. Dagegen bringen Photovoltaikanlagen auch bei diffusem Licht an trüberen Tagen noch einen guten Teil der Leistung und funktionieren im Allgemeinen bei niedrigen Umgebungstemperaturen sogar besser als in heißen Ländern.

Vor- und Nachteile der Sonnenenergie

Aufgrund der unterschiedlichen Nutzungsweisen und der unterschiedlichen Standortqualitäten können die Vor- und Nachteile der Sonnenenergie nicht pauschal beurteilt werden. Jedoch sind diverse Aspekte für Sonnenenergie typisch:

Unerschöpfliche Energie, aber mit begrenztem Potenzial

Sonnenenergie ist unerschöpflich. Andererseits ist die pro Jahr und Quadratmeter gewinnbare Energiemenge begrenzt. Man hat also ein auf einer bestimmten Fläche ein begrenztes Potenzial an Leistung (oder Energie pro Tag), welches allerdings zeitlich unbegrenzt zur Verfügung stehen wird und durch weitere technische Fortschritte auch noch gesteigert werden kann.

Verfügbarkeit an vielen Orten

Da Sonnenenergie praktisch überall auf der Erde verfügbar ist (wenn auch in unterschiedlichen Mengen), werden tendenziell politische Abhängigkeiten vermieden. (Man vergleiche mit den Vorräten von Erdöl oder Uran, die weit weniger gleichmäßig verteilt sind.) Gewöhnlich erfolgt die Erzeugung nahe am Ort des Verbrauchs, so dass Transportverluste klein sind. In Zukunft könnten allerdings auch zentrale Nutzungsarten zum Einsatz kommen, wodurch Abhängigkeiten und Transportverluste stärker sind. Dies wird mit den Vorteilen abzuwägen sein.

Schwankende zeitliche Verfügbarkeit

Naturgemäß schwankt die Verfügbarkeit von Sonnenenergie mit dem Tag-Nacht-Rhythmus sowie auch im Verlauf der Jahreszeiten sowie (über Tage einigermaßen vorhersehbar) mit den Wetterverhältnissen. Für manche Anwendungen sind diese Schwankungen nicht besonders problematisch:

  • Dass Photovoltaik allen Strom am Tag produziert, kann als Vorteil angesehen werden, da der Strombedarf am Tag meist deutlich höher ist und somit Tagstrom energiewirtschaftlich einen höheren Wert hat. Erst bei einer annähernden Vollversorgung mit Solarstrom müssten massive Energiespeicherkapazitäten für den Nachtstrombedarf geschaffen werden. Wenn dagegen ein breiterer Energiemix in Kombination mit großen elektrischen Versorgungsnetzen (d. h. nicht eine Inselversorgung) verwendet wird, ist die mit der Photovoltaik assoziierte Speicherproblematik wesentlich geringer.
  • Sonnenkollektoren können den Warmwasserbedarf im Sommer weitgehend decken; Zeiten ohne Sonneneinstrahlung lassen sich mit einem Warmwasserspeicher überbrücken. Wenn im Winter nicht genügend Wärme zur Verfügung steht, kann das Brauchwasser auch mit einer Heizungsanlage relativ effizient erwärmt werden. (Im Sommerbetrieb dagegen sind Heizungsanlagen für die Warmwasserbereitung häufig sehr ineffizient.)

Wesentlich schwieriger sind die Verhältnisse dagegen beispielsweise beim Einsatz von Sonnenenergie für Heizzwecke: Gerade dann, wenn am meisten Heizenergie für Gebäude benötigt wird, ist die Sonneneinstrahlung besonders gering. Saisonale Speicher, die den Heizwärmebedarf für mehrere Wochen speichern können, müssen sehr groß sein und sind entsprechend teuer. Deswegen wird für Heizzwecke hauptsächlich die passive Sonnenenergienutzung praktiziert: Durch Fenster einfallende Sonnenstrahlung kann zumindest in Häusern mit guter Wärmedämmung einen erheblichen Teil des Wärmebedarfs decken. Nur bei sehr guter Wärmedämmung lässt sich auch die echte Solarheizung (mit weitgehender Deckung des ganzjährigen Wärmebedarfs) gut realisieren.

Es ist also klar, dass die Speicherproblematik der Sonnenenergie je nach Anwendung sehr differenziert betrachtet werden muss.

Flächenbedarf

Die geringe Leistungsdichte der Sonneneinstrahlung bewirkt, dass für eine gegebene Leistung eine relativ große Fläche benötigt wird. Allerdings ergibt sich bereits durch die Nutzung geeigneter Dachflächen mit Photovoltaik ein sehr erhebliches Potenzial, ohne dass andere Nutzungen darunter leiden. Selbst der Flächenbedarf für große zentrale solarthermische Kraftwerke ist nicht problematisch; so könnten z. B. solarthermische Kraftwerke, die nur rund 1 % der Fläche der Sahara bedecken würden, theoretisch den gesamten weltweiten Strombedarf decken.

Materialaufwand und graue Energie

Die geringe Leistungsdichte hat ebenfalls zur Folge, dass der Materialaufwand und die Kosten für die Sonnenenergienutzung relativ hoch sind. Der Materialaufwand impliziert ferner einen erheblichen Aufwand an grauer Energie. Dies hängt stark von der verwendeten Technologie ab. Die Weiterentwicklung der Solartechnologie sollte unter anderem den Aufwand an grauer Energie weiter vermindern.

Man beachte, dass möglichst hohe Wirkungsgrade auch unter dem Aspekt der grauen Energie sehr wichtig sind.

Kapitalbedarf

Während die Betriebskosten von Anlagen zur Nutzung von Solarenergie praktisch immer sehr gering sind, sind die Investitionskosten erheblich. Das Problem der Finanzierung (Kapitalbeschaffung) ist oft ein wesentliches Hindernis für die Realisierung.

Ökologische Vorteile

Umweltbelastungen durch Sonnenenergienutzung sind im Allgemeinen gering. Im Wesentlichen fallen nur Belastungen bei der Produktion der Anlagen und den damit verbundenen Energieverbrauch an. Entsprechend gering sind die resultierenden klimaschädlichen Kohlendioxid-Emissionen wie auch die Belastung durch Luftschadstoffe und Lärm.

Literatur

[1]D. Kraemer et al., “High-performance flat-panel solar thermoelectric generators with high thermal concentration”, Nature Materials 2011, doi:10.1038/nmat3013
[2]Extra-Artikel: Vergleich von Sonnenkollektor mit Solarzelle: höhere Produktion wegen höherem Wirkungsgrad?
[3]Extra-Artikel: Wird Sonnenenergie erst nützlich, wenn sie nachts Strom erzeugen kann?
[4]Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V., http://www.dgs.de/
[5]Schweizerische Vereinigung für Sonnenenergie SSES, http://www.sses.ch/sses.html
[6]SolarServer, http://www.solarserver.de/, ein Internetportal zur Sonnenenergie
[7]G. Czisch et al., “Expertise zur möglichen Bedeutung einer EU überschreitenden Nutzung von Wind- und Solarenergie”, http://gc.tnrc.de/wiki/images/a/ac/2000-09-16_hkf_expertise_final.pdf (2001)

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: erneuerbare Energie, Solarthermie, photovoltaisch-thermischer Solarkollektor, solare Warmwasserbereitung, Sonnenkollektor, Solarzelle, Solarmodul, Photovoltaik, Solaranlage, Solarkraftwerk, solarthermisches Kraftwerk, thermoelektrischer Generator
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Grundbegriffe, Haustechnik, physikalische Grundlagen

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