Sonnenenergie

Sonnen Intenesität
© Nasa_Wikipedia / Sonne als Röntgenaufnahme

Als Sonnenenergie bezeichnet man die Energie, die sich aus der Strahlung der Sonne zur Gewinnung verf√ľgbarer Energiequellen nutzen l√§sst. Diese Energie kann in Strom, W√§rme 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 n√§chstgelegene Sonne, es gibt jedoch zahlreiche weitere Sonnen im Universum. Die Sonne erm√∂glicht durch die Erw√§rmung der Erdoberfl√§che und der Erdatmosph√§re die Entstehung von Leben auf der Erde und ist f√ľr das Klima verantwortlich. Bei der Fotosynthese der Pflanzen ist die Energie der Sonne grundlegend. Der lebenswichtige Sauerstoff f√ľr die Atmung und die pflanzliche Nahrung f√ľr die Lebewesen der Erde entstehen durch die Sonnenstrahlung. Au√üerdem 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 haupts√§chlich 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 betr√§gt die Temperatur etwa 15 Millionen Grad Celsius, an der Sonnenoberfl√§che sind es noch etwa 5.500 Grad Celsius. Die Korona, als √§u√üere Gash√ľlle der Sonne, hat eine Temperatur von circa einer Million Grad Celsius. Die Sonne wird nach Einsch√§tzung der Wissenschaft, zu Beginn des 21. Jahrhunderts, noch etwa f√ľnf Milliarden aktiv sein. Deshalb gilt die Sonnenenergie aus heutiger Sicht als regenerative Energiequelle. Die Menschheit und die meisten √ľbrigen Organismen in der Natur der Erde sind von dem Leuchten der Sonne abh√§ngig. Pf/al zum Heizen und Bauen wird auf der Erde mithilfe der Sonne bereitgestellt.


Welche Intensität hat die Kraft der Sonne?

Sonnen Intenesität(1)
© Mathias Loster_wikipedia / Sonnen Intensität

Man geht in der Forschung davon aus, dass die Intensit√§t der Sonneneinstrahlung, die auf die Erde trifft, gleichbleibend ist und auch von Beginn an war. Daraus l√§sst sich die durchschnittliche Intensit√§t der Sonnenstrahlung an der Grenze der Atmosph√§re ableiten. Diese sogenannte Solarkonstante betr√§gt 1,367 kW/m¬≤. Dabei kann die Strahlung an verschiedenen Orten stark variieren. W√§hrend die Intensit√§t in der Sahara etwa 2,350 kW/m¬≤ durchschnittlich betr√§gt, sind es in Mitteleuropa nur etwa 1,000 kW/m¬≤. Ein Teil der Strahlung wird jedoch durch die Atmosph√§re reflektiert, gestreut oder f√ľr die Erw√§rmung absorbiert. Die durchschnittliche, auf der Erde ankommende, Sonnenenergie, innerhalb von 24 Stunden, liegt weltweit etwa bei 0,165 kW/m¬≤. Dabei ist die gesamte Energie, die bis zur Erdoberfl√§che durchdringt, immer noch ausreichend, um den Weltenergiebedarf vielfach zu decken.

 


Welche Arten gibt es Sonnenenergie zu nutzen?

Grunds√§tzlich l√§sst 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 W√§rmeenergie 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 f√ľr 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 Sonnenw√§rme durch technische Optimierung der Bauweise zur Deckung des W√§rmebedarfs im Haus verwendet.

 

 

 


Die thermische und photovoltaische Nutzung von Sonnenstrahlung

Solarthermie - und Photovoltaikanlage
Solarthermie – und Photovoltaikanlage

Bei der thermischen Nutzung wird die Sonnenw√§rme durch ein passendes Medium soweit wie m√∂glich aufgenommen. Die W√§rme kann einerseits direkt genutzt werden, etwa zur Erw√§rmung von Wasser. Andererseits l√§sst sich die W√§rme zum Betrieb einer Dampfturbine einsetzen, die daraus Strom erzeugt. F√ľr die Erzeugung von Niedrigtemperaturw√§rme im Bereich zwischen 40¬į bis 60¬į Celsius, zur Warmwasserversorgung und zum Heizen, eignen sich Flachw√§rmekollektoren. Die Stromerzeugung und die Gewinnung von W√§rme in h√∂heren Temperaturen, als sogenannte Prozessw√§rme, erfordern die Konzentration der direkten Strahlung der Sonne. Ein daf√ľr geeignetes, thermisches Solarkraftwerk, etwa als Turmkraftwerk oder Parabolrinnenkraftwerk, ben√∂tigt aber einen Standort mit √ľber 3000 Stunden ungetr√ľbter Sonneneinstrahlung pro Jahr. Flachkollektoren eignen sich dagegen auch f√ľr den Einsatz in gem√§√üigten Klimazonen. In Deutschland k√∂nnte ein gro√üer Anteil des W√§rmebedarfs gedeckt werden, wenn s√§mtliche verf√ľgbaren D√§cher mit Flachw√§rmekollektoren ausgestattet w√ľrden. 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 l√§sst 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 f√ľhren ebenfalls zu einem starken Ungleichgewicht bei der verf√ľgbaren Sonnenkraft. Um die Differenzen auszugleichen, ist die Speicherung und der Transport von W√§rme 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 l√§sst 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, f√ľr bis 2010 gebaute Anlagen, mit hohen Subventionen gef√∂rdert. Die hohe Einspeise- und die Eigenverbrauchsverg√ľtung machen das Speichern der Elektrizit√§t f√ľr diese Anlagen unwirtschaftlich. Wer aber ab 2013 beispielsweise eine Anlage anschafft, erh√§lt keine Eigenverbrauchsverg√ľtung mehr und nur eine geringe Einspeisungsverg√ľtung. 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 f√ľr die Nachr√ľstung bzw. Neuanschaffung von Speichereinheiten f√ľr 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 l√§sst sich im Erdgassystem speichern.

 

Die Speicherung von Wärmeenergie aus thermischen Anlagen

Solarthermische Anlagen sammeln die W√§rme der Sonne in Sonnekollektoren und nutzen das erw√§rmte Wasser, das sich in den Kollektoren befindet, zur W√§rmegewinnung. Handelt es sich dabei um die Erw√§rmung von Brauchwasser sind hohe hygienische Standards erforderlich, um das Wasser keimfrei zu halten. Wasser f√ľr die Heizungsanlage ist weniger hohen Anforderung ausgesetzt. Monovalente, solartechnische Speichersysteme werden nur von einer W√§rmequelle gespeist. Sie √ľbernehmen etwa die Erw√§rmung der Brauchwasserspeicher, w√§hrend die Heizungssysteme gesondert mit W√§rme versorgt werden. Sie kommen vor allem bei bereits bestehenden Anlagen als Nachr√ľstung infrage. Bei bivalenten Solarthermiespeichern sorgen mehrere W√§rmequellen, je nach Bedarf, f√ľr die W√§rmeversorgung. Eine Solarthermieanlage arbeitet hier etwa zusammen mit einem Gasbrenner und einer W√§rmepumpe und ist dadurch unabh√§ngig vom Ausfall einzelner W√§rmequellen. Soll die Solarthermie auch zur Erw√§rmung des Heizungswassers eingesetzt werden, kommen andere Speichersysteme in Betracht, wie etwa Kombi-, Puffer- oder Schichtenspeicher.

 


Welches Potenzial hat die Sonnenenergie?

Theoretischer Platzbedarf f√ľr Solarkolektoren um den Strombedarf der Welt zu decken
¬© Nadine May_wikipedia / Theoretischer Platzbedarf f√ľr Solarkolektoren um den Strombedarf der Welt zu decken.

Beim Zusammenstellen von Fakten √ľber das Potenzial der Sonnenenergie wird deutlich, wie gro√ü die Kapazit√§ten sind, die diese, aus menschlicher Sicht unersch√∂pfliche, Energiequelle f√ľr und bereith√§lt. 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 zusammenschlie√üen, um die gemeinschaftliche Versorgung sicherzustellen. F√ľr die Region Europa w√ľrden Energieprogramme, die einen Zusammenschluss mit Nordafrika und dem Nahen Osten vorsehen, eine ausreichende Energieversorgung sicherstellen. W√§hrend in der europ√§ischen Region die erforderlichen Mittel und Technologien bereitstehen, bringen die W√ľstenregionen eine enorme B√ľndelung an Sonnenenergie mit in den Zusammenschluss ein. Die Vereinigten Staaten haben √§hnliche Pl√§ne f√ľr eine kollektive Nutzung der Sonnenstrahlung vorgelegt. Andere wissenschaftliche Forschungsgebiete untersuchen die Gewinnung von Sonnenkraft aus dem Weltall. Diese Ans√§tze 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 W√§rme, ist zu ber√ľcksichtigen, dass die Kraft der Strahlung abh√§ngig vom Einfallswinkel ist. F√§llt das Sonnenlicht senkrecht auf die Erde ist die Effizienz der Strahlung erheblich h√∂her, als bei einem flachen Einfallwinkel. Dieser Effekt verst√§rkt sich au√üerdem durch die gr√∂√üere Entfernung, welche die Sonnenstrahlung bei einem flachen Einfallwinkel zur√ľcklegen 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 Verf√ľgung und ist kostenlos. Die Gewinnung von indirekter Sonnenkraft aus Wind, Wasser und Biomasse ist ebenso unbegrenzt und kostenlos nutzbar. Kosten entstehen lediglich f√ľr die Technologien zur Gewinnung der direkten und indirekten Sonnenkraft. Die Sonnenenergie ist dabei unabh√§ngig von fossilen Brennstoffen, deren Vorr√§te allm√§hlich auf der Erde zu Ende gehen. Moderne Solaranlagen lassen sich schnell, einfach und effizient montieren und anschlie√üen. Sie bieten eine Lebensdauer von rund 20 Jahren, was die Anschaffung zus√§tzlich lohnenswert macht.

Bei der Herstellung von Solarzellen verwendet man Silizium, das aus Quarzsand hergestellt wird, der auf der Erde vielf√§ltig zu finden ist. Auch die √ľbrigen Bestandteile einer Solaranlage sind nicht gesundheitssch√§dlich und k√∂nnen recycelt werden. Die energetische Amortisation bezeichnet die Dauer, die eine Technologie ben√∂tigt, um den energetischen Aufwand ihrer Erzeugung wieder als Energie zu erwirtschaften. Von der Rohstoffgewinnung √ľber 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 ben√∂tigen zwei bis vier Jahre daf√ľr.

Bei Photovoltaikanlagen h√§ngt die energetische Amortisation von der Technologie ab. Monokristalline Solarzellen ben√∂tigen etwa f√ľnf Jahre, polykristalline Module erreichen diese schon nach etwa zweieinhalb Jahren. Modernste D√ľnnschichtmodule haben sich schon nach anderthalb Jahren energetisch gerechnet. Unter der Ber√ľcksichtigung 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 au√üerdem die erheblichen Kosten f√ľr den Energietransport. Der Haushalt ist zudem weniger abh√§ngig von Gro√ükonzernen als Netzbetreiber und deren Energie- und Preispolitik. Solaranlagen erfordern im regul√§ren 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 abh√§ngig von Witterung, Lage und Jahreszeit. Der Wirkungsgrad einer Anlage steht in unmittelbarem Verh√§ltnis zu den Anschaffungskosten. Um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, ist in der Regel eine h√∂here Investition erforderlich. Der Wirkungsgrad von Solaranlagen ist au√üerdem noch nicht optimiert, an der Leistungsobergrenze ist die Energie noch nicht vollst√§ndig nutzbar. Es bedarf hier weiterer Forschungsarbeit, um die Auslastung der Kapazit√§ten zu gew√§hrleisten. Photovoltaikanlagen, die an das Versorgungsnetz angekoppelt werden, m√ľssen ab einer bestimmten Gr√∂√üe anteilige Kosten f√ľr den Ausbau des Stromnetzes tragen. Photovoltaikanlagen sind zudem regelm√§√üig zu reinigen und im Winter von Schnee und Eis zu befreien.

 


Fazit: Moderne Sonnentechnologie ist richtungsweisend f√ľr die Zukunft

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Nutzung der Sonnenenergie zuk√ľnftig ma√ügeblich f√ľr die Energieversorgung der Erde sein kann. Aufgrund der umwelt- und klimafreundlichen Technologien und der hohen Energiekapazit√§t der Sonne ist von einer weiteren Verbesserung der Effizienz und Rentabilit√§t von Solaranlagen auszugehen.

Hi Five!
Danke!