Sonnenenergie

Sonnen Intenesität
© Nasa_Wikipedia / Sonne als Röntgenaufnahme

Als Sonnenenergie bezeichnet man die Energie, die sich aus der Strahlung der Sonne zur Gewinnung verfügbarer Energiequellen nutzen lässt. Diese Energie kann in Strom, Wärme oder chemische Energie umgewandelt werden.

Die Sonne ist der wichtigste Planet des Sonnensystems, indem sich die Erde befindet. Von der Erde aus betrachtet, ist sie die nächstgelegene Sonne, es gibt jedoch zahlreiche weitere Sonnen im Universum. Die Sonne ermöglicht durch die Erwärmung der Erdoberfläche und der Erdatmosphäre die Entstehung von Leben auf der Erde und ist für das Klima verantwortlich. Bei der Fotosynthese der Pflanzen ist die Energie der Sonne grundlegend. Der lebenswichtige Sauerstoff für die Atmung und die pflanzliche Nahrung für die Lebewesen der Erde entstehen durch die Sonnenstrahlung. Außerdem erzeugt die Sonne das Licht, das die Erde erhellt, und bewegt Wind und Wasser. Der Planet Sonne hat einen Durchmesser von circa 1,4 Millionen Kilometer, das ist das 109-fache des Erddurchmessers, und besteht hauptsächlich aus Helium und Wasserstoff. Im Inneren findet eine permanente Kernfusion statt, die Wasserstoff zu Helium verschmilzt und dabei eine enorme Energiemenge freisetzt. Im Kern der Sonne beträgt die Temperatur etwa 15 Millionen Grad Celsius, an der Sonnenoberfläche sind es noch etwa 5.500 Grad Celsius. Die Korona, als äußere Gashülle der Sonne, hat eine Temperatur von circa einer Million Grad Celsius. Die Sonne wird nach Einschätzung der Wissenschaft, zu Beginn des 21. Jahrhunderts, noch etwa fünf Milliarden aktiv sein. Deshalb gilt die Sonnenenergie aus heutiger Sicht als regenerative Energiequelle. Die Menschheit und die meisten übrigen Organismen in der Natur der Erde sind von dem Leuchten der Sonne abhängig. Pf/al zum Heizen und Bauen wird auf der Erde mithilfe der Sonne bereitgestellt.

 

  1. Welche Intensität hat die Kraft der Sonne?
  2. Welche Arten gibt es Sonnenenergie zu nutzen?
  3. Die thermische und photovoltaische Nutzung von Sonnenstrahlung
  4. Wie kann man Sonnenenergie speichern?
  5. Die Speicherung von Wärmeenergie aus thermischen Anlagen
  6. Welches Potenzial hat die Sonnenenergie?
  7. Wie ist die Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Einfallswinkel?
  8. Bewertung der Nutzung von Sonnenenergie
  9. Vorteile der Nutzung von Sonnenenergie
  10. Nachteile der Nutzung von Sonnenenergie
  11. Fazit

 


Welche Intensität hat die Kraft der Sonne?

Sonnen Intenesität(1)
© Mathias Loster_wikipedia / Sonnen Intensität

Man geht in der Forschung davon aus, dass die Intensität der Sonneneinstrahlung, die auf die Erde trifft, gleichbleibend ist und auch von Beginn an war. Daraus lässt sich die durchschnittliche Intensität der Sonnenstrahlung an der Grenze der Atmosphäre ableiten. Diese sogenannte Solarkonstante beträgt 1,367 kW/m². Dabei kann die Strahlung an verschiedenen Orten stark variieren. Während die Intensität in der Sahara etwa 2,350 kW/m² durchschnittlich beträgt, sind es in Mitteleuropa nur etwa 1,000 kW/m². Ein Teil der Strahlung wird jedoch durch die Atmosphäre reflektiert, gestreut oder für die Erwärmung absorbiert. Die durchschnittliche, auf der Erde ankommende, Sonnenenergie, innerhalb von 24 Stunden, liegt weltweit etwa bei 0,165 kW/m². Dabei ist die gesamte Energie, die bis zur Erdoberfläche durchdringt, immer noch ausreichend, um den Weltenergiebedarf vielfach zu decken.

 


Welche Arten gibt es Sonnenenergie zu nutzen?

Grundsätzlich lässt sich die Energie der Sonne vom Menschen auf drei verschiedene Arten solartechnisch nutzen. Mithilfe von Photovoltaik-Technik kann daraus Strom erzeugt werden. Durch thermische Anlagen wird die Wärmeenergie der Sonne genutzt. Durch photochemische Umwandlung kann beispielsweise Wasserstoff hergestellt werden. Diese drei Formen der Energiegewinnung bezeichnet man als direkte Nutzungsverfahren. Die indirekte Nutzung der Solarenergie erfolgt durch die Verwertung von Wind- oder Wasserenergie oder die Erzeugung von Biomasse. Die Photovoltaik kann einerseits für die autonome Stromversorgung von privaten Anlagenbetreibern genutzt werden oder zur Erzeugung von Strom in Photovoltaik-Kraftwerken dienen. Thermische Anlagen sind entweder mit Sonnenkollektoren ausgestattet oder werden als Solarkraftwerke betrieben. Bei dem Modell des Passivhauses wird die Sonnenwärme durch technische Optimierung der Bauweise zur Deckung des Wärmebedarfs im Haus verwendet.

 

 

 


Die thermische und photovoltaische Nutzung von Sonnenstrahlung

Solarthermie - und Photovoltaikanlage
Solarthermie – und Photovoltaikanlage

Bei der thermischen Nutzung wird die Sonnenwärme durch ein passendes Medium soweit wie möglich aufgenommen. Die Wärme kann einerseits direkt genutzt werden, etwa zur Erwärmung von Wasser. Andererseits lässt sich die Wärme zum Betrieb einer Dampfturbine einsetzen, die daraus Strom erzeugt. Für die Erzeugung von Niedrigtemperaturwärme im Bereich zwischen 40° bis 60° Celsius, zur Warmwasserversorgung und zum Heizen, eignen sich Flachwärmekollektoren. Die Stromerzeugung und die Gewinnung von Wärme in höheren Temperaturen, als sogenannte Prozesswärme, erfordern die Konzentration der direkten Strahlung der Sonne. Ein dafür geeignetes, thermisches Solarkraftwerk, etwa als Turmkraftwerk oder Parabolrinnenkraftwerk, benötigt aber einen Standort mit über 3000 Stunden ungetrübter Sonneneinstrahlung pro Jahr. Flachkollektoren eignen sich dagegen auch für den Einsatz in gemäßigten Klimazonen. In Deutschland könnte ein großer Anteil des Wärmebedarfs gedeckt werden, wenn sämtliche verfügbaren Dächer mit Flachwärmekollektoren ausgestattet würden. Bei einer Photovoltaikanlage setzt man speziell aufbereitete Siliziumzellen zur Herstellung von Solarzellen ein, die nach der Strahlung der Sonne ausgerichtet werden. Die einfallende Sonnenstrahlung wird in den Solarzellen direkt in Gleichstrom umgewandelt. Er lässt sich direkt am Ort der Erzeugung nutzen oder in das allgemeine Stromnetz einspeisen.

 


Wie kann man Sonnenenergie speichern?

Obwohl die Sonne ein Vielfaches unseres Energiebedarfs bereitstellt, kommt es durch den Wechsel von Tag und Nacht und die Jahreszeiten, zu erheblichen Schwankungen der Energiemenge. Die regionalen Unterschiede führen ebenfalls zu einem starken Ungleichgewicht bei der verfügbaren Sonnenkraft. Um die Differenzen auszugleichen, ist die Speicherung und der Transport von Wärme und Strom notwendig.

 

 

 


Die Speicherung von Strom aus Photovoltaikanlagen

SENEC.Home G2_Photovoltaik Speicher
SENEC.Home G2_Photovoltaik Speicher

Durch die Energie der Sonne gewonnener Strom aus einer privaten Photovoltaikanlage bei einem Einfamilienhaus lässt sich beispielsweise mit einer Lithium-Ionen-Batterie, die in die Anlage integriert ist, speichern. Wird der Strom im Hauhalt verbraucht, verbleibt er im System. Erzeugt die Anlage mehr Strom, als im System gespeichert oder verbraucht werden kann, erfolgt eine Einspeisung in das allgemeine Stromnetz. Produziert die Anlage zu wenig Strom, um das Haus zu versorgen, entnimmt man diesen aus dem allgemeinen Netz. Die Einspeisung von selbst erzeugtem Strom in das Stromnetz und der Eigenverbrauch wurden in Deutschland, für bis 2010 gebaute Anlagen, mit hohen Subventionen gefördert. Die hohe Einspeise- und die Eigenverbrauchsvergütung machen das Speichern der Elektrizität für diese Anlagen unwirtschaftlich. Wer aber ab 2013 beispielsweise eine Anlage anschafft, erhält keine Eigenverbrauchsvergütung mehr und nur eine geringe Einspeisungsvergütung. Der Bezug von Strom aus dem Netz kommt hier also deutlich teurer, als der selbst erzeugt Strom. Ab diesem Punkt ist die Speicherung von Strom aus Photovoltaikanlagen aus wirtschaftlicher Sicht rentabel. Solarstromspeicher sind zwar aus heutiger Sicht, in 2016, noch relativ teuer, es gibt aber seit 2013 Subventionen für die Nachrüstung bzw. Neuanschaffung von Speichereinheiten für die Photovoltaikanlage. Ein kompetenter Fachmann, der Solarteur, kann die Ermittlung der wirtschaftlichen Effizienz eines Solarspeichers bzw. der gesamten Photovoltaikanlage vornehmen. Ein photovoltaisches Kraftwerk erlaubt die Speicherung der Sonnenenergie in dezentralen Batterien und die Umwandlung in Wasserstoff und Methan. Das daraus gewonnene Gas lässt sich im Erdgassystem speichern.

 

Die Speicherung von Wärmeenergie aus thermischen Anlagen

Solarthermische Anlagen sammeln die Wärme der Sonne in Sonnekollektoren und nutzen das erwärmte Wasser, das sich in den Kollektoren befindet, zur Wärmegewinnung. Handelt es sich dabei um die Erwärmung von Brauchwasser sind hohe hygienische Standards erforderlich, um das Wasser keimfrei zu halten. Wasser für die Heizungsanlage ist weniger hohen Anforderung ausgesetzt. Monovalente, solartechnische Speichersysteme werden nur von einer Wärmequelle gespeist. Sie übernehmen etwa die Erwärmung der Brauchwasserspeicher, während die Heizungssysteme gesondert mit Wärme versorgt werden. Sie kommen vor allem bei bereits bestehenden Anlagen als Nachrüstung infrage. Bei bivalenten Solarthermiespeichern sorgen mehrere Wärmequellen, je nach Bedarf, für die Wärmeversorgung. Eine Solarthermieanlage arbeitet hier etwa zusammen mit einem Gasbrenner und einer Wärmepumpe und ist dadurch unabhängig vom Ausfall einzelner Wärmequellen. Soll die Solarthermie auch zur Erwärmung des Heizungswassers eingesetzt werden, kommen andere Speichersysteme in Betracht, wie etwa Kombi-, Puffer- oder Schichtenspeicher.

 


Welches Potenzial hat die Sonnenenergie?

Theoretischer Platzbedarf für Solarkolektoren um den Strombedarf der Welt zu decken
© Nadine May_wikipedia / Theoretischer Platzbedarf für Solarkolektoren um den Strombedarf der Welt zu decken.

Beim Zusammenstellen von Fakten über das Potenzial der Sonnenenergie wird deutlich, wie groß die Kapazitäten sind, die diese, aus menschlicher Sicht unerschöpfliche, Energiequelle für und bereithält. Die Energiemenge, die von der Sonne pro Jahr auf der Erde eintrifft, entspricht in etwa dem 10.000-fachen des Weltenergiebedarfs im Jahr 2010. Da die Effizienz der Sonnenstrahlung von Region zu Region schwankt, erscheint es sinnvoll, wenn sich die Staaten zusammenschließen, um die gemeinschaftliche Versorgung sicherzustellen. Für die Region Europa würden Energieprogramme, die einen Zusammenschluss mit Nordafrika und dem Nahen Osten vorsehen, eine ausreichende Energieversorgung sicherstellen. Während in der europäischen Region die erforderlichen Mittel und Technologien bereitstehen, bringen die Wüstenregionen eine enorme Bündelung an Sonnenenergie mit in den Zusammenschluss ein. Die Vereinigten Staaten haben ähnliche Pläne für eine kollektive Nutzung der Sonnenstrahlung vorgelegt. Andere wissenschaftliche Forschungsgebiete untersuchen die Gewinnung von Sonnenkraft aus dem Weltall. Diese Ansätze sind ebenfalls vielversprechend. Aufgrund der hohen Kosten, die solche Projekte nach heutigem Stand mitbringen, liegen jedoch bisher keine weiteren Forschungsergebnisse vor.

 


Wie ist die Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Einfallswinkel?

Bei der Gewinnung von Sonnenstrahlung zur Herstellung von Energie und Wärme, ist zu berücksichtigen, dass die Kraft der Strahlung abhängig vom Einfallswinkel ist. Fällt das Sonnenlicht senkrecht auf die Erde ist die Effizienz der Strahlung erheblich höher, als bei einem flachen Einfallwinkel. Dieser Effekt verstärkt sich außerdem durch die größere Entfernung, welche die Sonnenstrahlung bei einem flachen Einfallwinkel zurücklegen muss.

 


Bewertung der Nutzung von Sonnenenergie

Vergleicht man die finanziellen, klimarelevanten und wirtschaftlichen Auswirkungen, welche die Nutzung der Sonnenenergie verursacht, ergeben sich verschiedene Aspekte.

 


Vorteile der Nutzung von Sonnenenergie

Sonnenenergie
Sonnenenergie

Klimatechnisch ist die Nutzung von Sonnenkraft als Quelle der Energieversorgung vorteilhaft, denn Strom und Wasser lassen sich damit umweltfreundlich und klimaneutral erzeugen. Herstellung, Funktion und Entsorgung jeder einzelnen Komponente einer Solaranlage halten diesem Anspruch auch bei genauer Betrachtung stand. Die Sonnenenergie steht, aus heutiger Sicht, unendlich lange zur freien Verfügung und ist kostenlos. Die Gewinnung von indirekter Sonnenkraft aus Wind, Wasser und Biomasse ist ebenso unbegrenzt und kostenlos nutzbar. Kosten entstehen lediglich für die Technologien zur Gewinnung der direkten und indirekten Sonnenkraft. Die Sonnenenergie ist dabei unabhängig von fossilen Brennstoffen, deren Vorräte allmählich auf der Erde zu Ende gehen. Moderne Solaranlagen lassen sich schnell, einfach und effizient montieren und anschließen. Sie bieten eine Lebensdauer von rund 20 Jahren, was die Anschaffung zusätzlich lohnenswert macht.

Bei der Herstellung von Solarzellen verwendet man Silizium, das aus Quarzsand hergestellt wird, der auf der Erde vielfältig zu finden ist. Auch die übrigen Bestandteile einer Solaranlage sind nicht gesundheitsschädlich und können recycelt werden. Die energetische Amortisation bezeichnet die Dauer, die eine Technologie benötigt, um den energetischen Aufwand ihrer Erzeugung wieder als Energie zu erwirtschaften. Von der Rohstoffgewinnung über die Wartung bis zur Entsorgung wird bei dieser Berechnung alles gegen die Energiegewinnung aufgewogen. Thermische Solaranlagen zur Warmwasseraufbereitung liegen hier bei etwa anderthalb Jahren, Heizungs- und Brauchwasseranlagen benötigen zwei bis vier Jahre dafür.

Bei Photovoltaikanlagen hängt die energetische Amortisation von der Technologie ab. Monokristalline Solarzellen benötigen etwa fünf Jahre, polykristalline Module erreichen diese schon nach etwa zweieinhalb Jahren. Modernste Dünnschichtmodule haben sich schon nach anderthalb Jahren energetisch gerechnet. Unter der Berücksichtigung der Subventionen, der Finanzierung und des Ertrags braucht eine Photovoltaikanlage zwischen neun und sechzehn Jahren, bis sie sich wirtschaftlich amortisiert hat. Die Tendenz geht allerdings durch den technischen Fortschritt hin zur schnelleren Wirtschaftlichkeit. In der Funktion sind thermische Solaranlagen ebenso wie Photovoltaikanlagen frei von jeglicher Schadstoffabgabe. Durch die Betreibung einer Anlage am eigenen Haus entfallen außerdem die erheblichen Kosten für den Energietransport. Der Haushalt ist zudem weniger abhängig von Großkonzernen als Netzbetreiber und deren Energie- und Preispolitik. Solaranlagen erfordern im regulären Fall keine Baugenehmigung. Durch staatliche Subventionen und KfW-Mittel bietet die Investition in eine Solaranlage auch heute noch Anreize.

 


Nachteile der Nutzung von Sonnenenergie

Eine Solaranlage ist in ihrer Effizienz abhängig von Witterung, Lage und Jahreszeit. Der Wirkungsgrad einer Anlage steht in unmittelbarem Verhältnis zu den Anschaffungskosten. Um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, ist in der Regel eine höhere Investition erforderlich. Der Wirkungsgrad von Solaranlagen ist außerdem noch nicht optimiert, an der Leistungsobergrenze ist die Energie noch nicht vollständig nutzbar. Es bedarf hier weiterer Forschungsarbeit, um die Auslastung der Kapazitäten zu gewährleisten. Photovoltaikanlagen, die an das Versorgungsnetz angekoppelt werden, müssen ab einer bestimmten Größe anteilige Kosten für den Ausbau des Stromnetzes tragen. Photovoltaikanlagen sind zudem regelmäßig zu reinigen und im Winter von Schnee und Eis zu befreien.

 


Fazit: Moderne Sonnentechnologie ist richtungsweisend für die Zukunft

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Nutzung der Sonnenenergie zukünftig maßgeblich für die Energieversorgung der Erde sein kann. Aufgrund der umwelt- und klimafreundlichen Technologien und der hohen Energiekapazität der Sonne ist von einer weiteren Verbesserung der Effizienz und Rentabilität von Solaranlagen auszugehen.

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