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Solarenergie: saubere Energie von der Sonne

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Umweltfreundliche und erneuerbare Energiequellen sind aktuell in aller Munde und werden immer mehr genutzt, um den steigenden Energiebedarf zu decken. Neben Wind und Wasser ist auch die Solarenergie eine der Hauptquellen für die saubere Energiegewinnung. Aber was ist Solarenergie überhaupt, wie funktioniert diese, wie kann sie genutzt werden und was sind ihre Vorteile. Wir geben Ihnen einen umfassenden Überblick über die Thematik und zeigen auf, was alles mit der Energie der Sonne möglich ist.

Was ist Solarenergie?

Zunächst wollen wir uns der Frage widmen, was Solarenergie überhaupt ist. Die Solarenergie, auch Sonnenenergie genannt, ist die Energie der Sonnenstrahlung. Diese dient nicht nur dafür, um die Erde zu erwärmen sowie um Leben auf diesem Planeten zu ermöglichen. Sondern sie kann auch technisch genutzt werden, indem mit ihr Strom, Wärme oder auch chemische Energie gewonnen wird.

Das Erstaunliche an der Solarenergie ist, dass ihr Ursprung, die Sonne, stolze 150 Millionen Kilometer entfernt ist. Dennoch kommt enorm viel Energie auf der Erde an, wie wir im weiteren Verlauf auf dieser Seite noch erläutern werden. Zunächst wollen wir uns noch etwas genauer der Sonne selbst widmen.

Die Energiequelle Sonne

Es stellt sich nun die Frage, warum die Sonne so viel Energie verstrahlt, obwohl sie so weit weg ist. Dies liegt an den Kernfusionsprozessen im Inneren der Sonne. Diese besteht zu 70 Prozent aus Wasserstoff und zu 28 Prozent aus Helium. Die übrigen 2 Prozent entfallen auf andere Metalle. Seit ihrer Entstehung vor ca. 4,5 Milliarden Jahren hat die Sonne bereits die rund Hälfte des Wasserstoffvorrats in ihrem Kern zu Helium fusioniert. Aufgrund der gigantischen Größe – die Sonne ist gut 100-mal so groß wie die Erde – wird diese Energiequelle aber nicht so schnell erlöschen. Schätzungsweise wird es noch ca. 5 Milliarden Jahre dauern, bis dies so weit ist. Von daher brauchen wir uns keinerlei Gedanken machen, dass die Sonne irgendwann mal nicht mehr als Energiequelle zur Verfügung steht.

Aber wie entsteht nun genau die Energie? Durch Wasserstoffbrennen herrschen dort auf der Oberfläche des gigantischen Planeten Temperaturen von ca. 5.500 Grad Celsius. Diese unvorstellbare Hitze und Energie durch die Kernfusion gelangt zu einem kleinen Teil als elektromagnetische Strahlung bzw. als elektromagnetischen Wellen zur Erde, wo diese auf die Erdoberfläche trifft und diese so erhitzt sowie nutzbar ist. Die Zeit, die vom Austreten von der Sonne bis zum Auftreffen auf der Erde vergeht, beträgt etwa 8 Minuten. Den genauen chemischen Prozess, der hierfür auf bzw. in der Sonne abläuft, ersparen wir euch mal, da dies den Rahmen doch deutlich sprengen würde sowie nur für Chemiker verständlich ist. Erfreuen wir uns, dass uns die Sonne mit so viel kostenloser Energie versorgt…

Ein paar Details wollen wir Ihnen aber noch an die Hand geben. Die Solarenergie an der Grenze zur Erdatmosphäre weist eine Intensität von 1,367 kW je Quadratmeter auf. Dies ist die so genannte Solarkonstante. Auf der Erdoberfläche liegt die auftreffende Strahlungsenergie je nach Region mit 0,114 bis 0,268 kW pro Quadratmeter allerdings deutlich darunter. Dies liegt daran, dass ein großer Teil der eingestrahlten Solarenergie bereits vorher von der Erde absorbiert bzw. reflektiert wird. Unter anderem spielen die Luftfeuchtigkeit, die Bewölkung, die Höhe und der Breitengrad, also die Länge des Weges, den die Strahlen durch die Atmosphäre zurücklegen müssen, eine Rolle. Weltweit liegt die durchschnittlich auftreffende Strahlung im Tagesdurchschnitt bei 0,165 kW pro Quadratmeter, also 165 Watt/m². Dies reicht absolut aus, um von der Menschheit in verschiedenen Bereichen technisch genutzt zu werden.

Die Sonne ist zugleich auch die größte Energiequelle der Menschheit überhaupt. Seitdem die Solarenergie überhaupt messbar ist, gab es nahezu keine Schwankungen, sondern eine ziemlich konstante Strahlungsenergie. Selbst lange Zeit vor der ersten Messungen scheint es keine gravierenden Schwankungen gegeben zu haben. Somit stellt die Sonne eine quasi grenzenlose Energiequelle dar – ganz im Gegensatz zu anderen Energieträgern wie fossilen Brennstoffen wie z. B. Öl und Kohle. Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge der Sonnenstrahlung pro Jahr (ca. 1,5 x 1018 kWh/Jahr) ist mehr als fünftausend Mal größer als der komplette Energiebedarf der Menschheit (ca. 1,4 × 1014 kWh/Jahr). Letztlich wird die gesamte Sonnenenergie in Form von Wärmestrahlung wieder an den Weltraum abgegeben.

Entwicklung der Solarenergie

Die Nutzung der Sonnenenergie geht weit in der Menschheitsgeschichte zurück. Bereits im alten Ägypten wurden erste Ansätze zur passiven Nutzung der Solarenergie bei der Architektur eingesetzt. Bei alten Bauwerken wurden Fenster und Türen oft so ausgerichtet, dass Sie gen Süden zeigen und so die Energie der Sonne zur Mittagszeit ideal ausnutzen konnten, um Räume zu erwärmen. In der Antike wurden Brenn- und Hohlspiegel genutzt, um die Sonnenenergie gezielt in nutzbare Wärme umzuwandeln. So wurde unter anderem die Olympische Fackel mit Brennspiegeln entzündet. Auch für die Warmwasserzubereitung wird die Sonne bereits lange genutzt. Die Nutzung der Sonnenenergie durch technische Hilfsmittel wurde aber erst in der Neuzeit begonnen.

Der Vorläufer der heutigen Solarkollektoren geht auf den französischen Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure zurück. Dieser baute im 18. Jahrhundert einen Holzkasten mit schwarzem Boden und einer Glasabdeckung. So entstand der erste einfache Sonnenkollektor, der das Wasser im Inneren auf immerhin 87 Grad Celsius zu erwärmen vermochte. Diese Idee wurde aber erst Mitte des 19. Jahrhunderts wieder aufgegriffen und von Augustin Mouchot weiterentwickelt. Hierbei kombinierte er den einfachen Sonnenkollektor mit einem Brennspiegel. Das Ergebnis, die erste Solar-Dampfmaschine, wurde 1878 auf der Weltausstellung in Paris ausgestellt. Allerdings wurde seine Idee, dank der solaren Dampfmaschine Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln, nicht wirklich beachtet. Grund war die große Skepsis, dass mit dieser Erfindung im eher sonnenarmen Mitteleuropa genügend Energie generiert werden kann. Zudem waren zu der Zeit fossile Energieträger in Überfluss vorhanden und konnten günstig abgebaut werden. Ein Umdenken fand erst während der Ölkrise in den 70er Jahren statt. Seitdem breitet sich die solare Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung immer weiter aus und gehört heute beim umweltbewussten Bauen zum Standard.

Der Grundstein der Nutzung der Sonnenenergie zur Stromgewinnung gehen auf das Jahr 1839 und den französischen Physiker Henry Becquerel zurück. Dieser entdeckte damals den Photoeffekt. Er fand heraus, dass zwischen zwei Elektroden, die vorher in ein Säurebad getaucht wurden, Strom fließt, sobald eine der Elektroden Licht ausgesetzt wurde. Knapp 50 Jahre später, genau genommen im Jahr 1887, entdeckte dann der deutsche Physiker Heinrich Hertz, dass der elektrische Funke zwischen zwei Elektroden eines Funkeninduktors leichter überspringt, wenn eine der Elektroden mit UV-Licht beleuchtet wird. Dies veranlasste einen seiner Schüler zu weiteren Forschungen, die herausbrachten, dass mit UV-Licht bestrahlte Zinkplatten sogar einen schwachen Strom erzeugen konnten.

Aber auch danach dauerte es noch viele Jahrzehnte, bis sich die Solarenergie langsam der wirtschaftlichen Nutzung näherte. In den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die von Charles Fritts Ende des 19. Jahrhunderts gebaute Vakuum-Fotozelle, die damals noch aus aufgedampften Selen-Schichten bestand, vom US-Konzern Bell zu einer Silizium-Solarzelle weiterentwickelt. Der Wirkungsgrad lag damals bei 6 Prozent, was für die damalige Zeit ein fantastischer Durchbruch war. In den vergangenen knapp 70 Jahren hat sich bei der Entwicklung der Photovoltaik vieles getan. Heute weisen Silizium-Solarzellen bei der Sonnenstromgewinnung unter Laborbedingungen Wirkungsgrade von bis zu 24 Prozent auf. Dieser Wert ist bereits sehr nahe am theoretisch maximalen Wirkungsgrad von 28 Prozent.

Nutzungsmöglichkeiten für Solarenergie

Sonnen- bzw. Solarenergie lässt sich vielfältig nutzen. Im Folgenden geben wir Ihnen einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten der Nutzung der Sonnenenergie. Dies sind im Wesentlichen Sonnenkollektoren zur Wärmeerzeugung, Gleichstromgewinnung durch Photovoltaiksysteme sowie Sonnenwärmekraftwerke, bei denen unter Zuhilfenahme von Wasserdampf Strom erzeugt wird. Auf alle diese Möglichkeiten werden wir im Folgenden genauer eingehen.

Photovoltaikanlagen

Beginnen wir mit den Photovoltaiksystemen. Durch die Verwendung von Solarzellen lassen sich die auftreffenden Sonnenstrahlen direkt in elektrische Energie umwandeln. Diese gewonnene Energie kann dann entweder direkt an Ort und Stelle verbraucht werden, z. B. bei Photovoltaikanlagen auf Wohngebäuden, oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Zudem gibt es verschiedene Speichermöglichkeiten für den aus der Sonnenenergie erzeugten Strom, wobei dieses Thema noch viel Potential bietet und zahlreiche Wissenschaftler auf der ganzen Welt beschäftigt. Aktuell besteht noch das primäre Problem, dass die Speicher für Solarstrom groß und teuer sind. Es ist aber davon auszugehen, dass durch technische Verbesserungen in absehbarer Zeit die Preise weiter sinken werden, wie sie es in den vergangenen Jahren bereits kontinuierlich getan haben.

Solarthermische Anlagen

Neben der reinen Stromgenerierung kann die Solarenergie auch zum Gewinn von Wärmeenergie (Solarthermik bzw. Photothermik) genutzt werden. Diesen Effekt erleben wir tagtäglich, wenn wir uns an einem sonnigen Tag in die Sonne legen und diese unseren Körper erwärmt. Dies kann natürlich auch für andere Zwecke genutzt werden, z. B. für die Warmwassergewinnung. Der große Vorteil der Solarenergie ist, dass das Speichern von durch Sonnenenergie erzeugte Wärme bedeutend einfacher und kostengünstiger ist. Sonnenkollektoren, die auch solarthermische Anlagen genannt werden, wandeln die auftreffenden Sonnenstrahlen in Wärme um. Dies erfolgt durch ein Zusammenspiel von schwarzen Absorbern und ein Wärmeträger (in den meisten Fällen ist dies Wasser, es kann aber auch Öl oder Luft sein). Dieser transportiert die gewonnene Wärme zu einem Wärmespeicher. Dort wird diese “gelagert” und kann, bei Bedarf abgerufen sowie mittels weiterer technischer Komponenten zu Strom umgewandelt werden. Dies ist z. B. durch Stirling Motoren möglich. Zudem gibt es die Möglichkeit, die Sonnenenergie zu verstärken und so den Energieumsatz zu steigern. Dies gelingt durch die Bündelung des Sonnenlichtes mit Parabolspiegeln, Zylinderspiegeln oder Heliostaten.

Sonnenwärmekraftwerke

Das Sonnenwärmekraftwerk, auch Solarwärmekraftwerk oder solarthermisches Kraftwerk genannt, ist ein Kraftwerk, das die Wärme der Sonne als Energiequelle nutzt. Dies kann entweder durch die Absorption der Strahlung oder durch die Nutzung warmer Luft erfolgen. Es gibt sie in vielen verschiedenen Formen und Varianten. Sie erzeugen über das Verdampfen von Wasser durch die Wärme der Sonne und den daraus entstehenden Wasserdampf Strom. Je nach Bauart können Sonnenwärmekraftwerke einen höheren Wirkungsgrad als Photovoltaikanlagen erzielen. Allerdings sind sie nur in sonnenreichen Regionen mit hoher direkter Sonneneinstrahlung wirtschaftlich einsetzbar.

Weitere Nutzungsmöglichkeiten

Neben den drei genannten Nutzungsmöglichkeiten der Solarenergie gibt es zudem noch weitere Optionen. Dies sind unter anderem Aufwindkraftwerke, die in einem Treibhaus heiße Luft erzeugen, die durch einen Kamin aufsteigt und so Strom erzeugt, Solarballons, die durch die heiße Luft im Inneren fliegen, sowie Solarkocher und Solaröfen, die z. B. Speisen erhitzen.

Vorteile der Solarenergie

Der große Vorteil der Sonnenenergie ist zweifelsohne ihre Umweltfreundlichkeit, ihre nahezu unendliche Verfügbarkeit und die prinzipiell kostenlose Nutzbarkeit. Während fossile Brennstoffe wie Öl, Gas und Kohle erschöpflich sind und nur noch für einige Jahrzehnte ausreichend vorhanden sind, wird die Sonnenenergie noch viele Jahrtausende verfügbar sein. Zudem erzeugt sie, mal abgesehen von den Emissionen der Fertigung von Solarpanelen und Co, keinerlei Umweltverschmutzungen durch Abgase und Schadstoffe. So gibt es keinerlei Luftschadstoffe wie Feinstaub und keinerlei Treibhausgase, sodass die Nutzung der Solarenergie sehr klimaschonend ist.

Zudem schont die Solarenergie die fossilen und nuklearen Brennstoffe bzw. kann diese ersetzen. Dies bedeutet, dass eine geringere Abhängigkeit dieser begrenzten Energiequellen vorherrscht. Zudem sind diese Brennstoffe nur in einigen Regionen verfügbar, z. B. viel Öl in der Nahostregion. Die Folge ist eine extreme Abhängigkeit der restlichen Länder von den Energielieferanten. Die Folge sind mögliche Krisenherde und Konfliktpotentiale. Die Sonnenenergie ist hingegen in großen Teilen nutzbar, auch wenn ihre Effizienz mit der Entfernung zum Äquator abnimmt.

Als Privatnutzer hat die Installation von Photovoltaik und Solaranlagen viele Vorteile. Zwar kostet dies einmalig einen nicht gerade geringen Betrag. Dafür versorgt die installierte Technik dann Ihren Haushalt mit nutzungsunabhängig kostenloser Energie, z. B. als Strom oder Warmwasser. Somit haben Sie weniger oder gar keine Energiekosten mehr, die bei den monatlichen Kosten für den Unterhalt eines Hauses einen nicht zu vernachlässigenden Anteil ausmachen. Diesen können Sie so reduzieren oder mit einem ausgeklügelten Konzept komplett auf null herunterfahren. Denn mit Akku-Technologie lässt sich die an sonnigen Tagen gewonnene Energie für die Nacht und bewölkte Tage, an denen nicht so viel Energie gewonnen wird, speichern.

Zudem können Sie auch noch Geld mit dem Verkauf von Solarenergie verdienen, indem Sie die überschüssige Energie ins Netz einspeisen. So senken Sie nicht nur die monatlichen Kosten für Energie, sondern verdienen sich sogar noch etwas zum Haushaltseinkommen dazu. Dies wiederum kann die Raten für die Anschaffung der erforderlichen Technik, wenn Sie diese finanzieren, reduzieren. Letztendlich ist es eine Frage der Kalkulation, ab wann sich der Kauf und Bau von Photovoltaik und Stromspeicher bzw. Solarthermie rentiert. Auch zu diesem Thema finden Sie viele interessante Informationen auf dieser Webseite.

Nachteile der Solarenergie

Zu einer ganzheitlichen Betrachtung der Sonnenenergie gehören natürlich nicht nur die Vorteile, denen wir uns im vorherigen Abschnitt gewidmet haben, sondern auch die Nachteile. Diese sind aber überschaubar, auch wenn sie nicht unter den Teppich zu kehren sind.

Der größte Nachteil ist die geringe Leistungsdichte und einen daraus resultierender hoher Flächenbedarf. Dies bedeutet, dass große Flächen erforderlich sind, um eine überschaubare Menge Energie zu erzeugen. Daher trägt die direkte Sonnenenergienutzung aktuell auch weniger als 0,5 Prozent zur Energiebedarfsdeckung bei – und das, obwohl Sie wie oben geschildert gegenüber fossilen Energiequellen viele Vorteile bietet (emissionsfreie Nutzung und keine Verbrennungsrückstände, Ressourcenschonung, homogene Verteilung). Bereits heute sind viele Dächer und Felder mit Photovoltaik bebaut, um Energie zu gewinnen. Dies wird sicherlich in den nächsten Jahren noch deutlich zunehmen. Theoretisch würde eine gigantische Solarfarm mit einem Wirkungsgrad von nur 10 Prozent und einer Fläche von ca. 700 x 700 Kilometern in der sonnenreichen Sahara ausreichen, um den Energiebedarf des gesamten Globus zu decken. Dies ist wie gesagt nur ein theoretisches Beispiel, das aber das enorme Potential und die gigantischen Möglichkeiten der Nutzung der Sonnenenergie aufzeigt.

Weitere Nachteile sind die witterungsbedingten sowie die tages-, jahreszeitlichen und regionalen Schwankungen. Diese gelten vor allem für weit im Norden oder Süden liegende Länder, die per se weniger Sonneneinstrahlung haben und diese somit auch nur geringer nutzen können. Wenn der Himmel bewölkt ist und somit keine direkte Sonneneinstrahlung auf die Solartechnik einfällt, ist die Energiegewinnung zwar nicht komplett gen null heruntergefahren, aber deutlich weniger effizient als bei prallem Sonnenschein und damit direkter Sonneneinstrahlung.

Nachteil, den zumindest einige an der Nutzung von Photovoltaik bemängeln, ist die Optik. Auch hierzulande sprießen immer mehr Solarfarmen aus dem Boden. Da diese aber in der Regel auf freien Flächen irgendwo an Autobahnen und Co herumstehen, ist dieser Aspekt unserer Meinung nach durchaus zu vernachlässigen. Dieser negative Aspekt wird auch den Windrädern, die die Energie des Windes nutzen, attestiert. Am Ende überwiegen auf jeden Fall die Vorteile der sauberen Energie, vor allem langfristig und bezüglich der Umweltbelastungen durch die alternativen Energiequellen, die heutzutage noch überwiegend verwendet werden, auf jeden Fall.

Die Marktentwicklung der Solarenergie

Abschließend möchten wir Ihnen einen Überblick über die Marktentwicklung der Solarenergie in der Welt und speziell in Österreich geben. Zunächst gilt es hierfür zu wissen, dass die jährliche mittlere Sonneneinstrahlung hierzulande in Österreich bei rund 1.000 kWh pro Quadratmeter liegt. Dieser Wert entspricht mehr als die Hälfte der Intensität, die in der Sahara gemessen wird und dort auf die Erdoberfläche trifft. Umgerechnet entspricht der Energiegehalt von einem Quadratmeter der Landesfläche jährlich rund 100 l Öl. Somit wäre es kein Problem, um die Solarenergie zur tragenden Säule der österreichischen Energieversorgung auszubauen.

Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg, auch wenn die ersten Schritte bereits erfolgreich absolviert wurden. Denn die Solarenergie wird heutzutage in verschiedenen Bereichen der Energiegewinnung in Österreich genutzt. Die wichtigsten Anwendungen sind hierbei die Photovoltaik und die Solarthermie. 2016 wurden rund 1.000 MW durch Photovoltaik in Österreich erzeugt. Insgesamt macht dies aber nur rund einen Prozent des Stromerzeugungsmix für 2016 aus. Damit liegt die Solarenergie deutlich hinter alternativen umweltfreundlichen und erneuerbaren Energiequellen wie Wind (8 Prozent) und Biogene sowie sonstige (7 Prozent). Allerdings ist der Anteil der durch Photovoltaik gewonnenen Energie stetig am Steigen. Weltmarktführer bei der Energiegewinnung sowie der Photovoltaik-Produktion ist seit einigen Jahren China, gefolgt von Japan und Deutschland. Auch bei der Solarthermie liegt China vorne, gefolgt von einem der größten Flachkollektorhhersteller weltweit in Österreich.