Erneuerbare Energien: Sonnenenergie

Theoretisch könnte der weltweite Energiebedarf durch die Nutzung von Sonnenenergie auf einer 700 km2 großen Fläche in der Sahara gedeckt werden. Das Problem hierbei sind vor allem die weiten Transportwege. Aber auch wenn man das bei einem Blick aus dem Fenster an manchen Tagen nicht vermuten würde: sogar in Deutschland kann Sonnenenergie zur Gewinnung von Wärme und Strom genutzt werden.

Autor RESET , 11.01.12

Die Sonne fungiert als ein riesiges Kernfusionsraftwerk, in dem Wasserstoff zu Helium verschmolzen wird. Dabei wird Energie freigesetzt, die auf die Erde trifft und sich nutzen lässt. An der Erdoberfläche kommen ungefähr 165 W/m2 an.

Sonnenenergie, auch Solarenergie genannt, kann sowohl zur Gewinnung von Wärme, mithilfe der Solarthermie, als auch von Strom, mittels der Photovoltaik, genutzt werden. Anlagen zur Nutzung von Solarenergie lassen sich einfach und dezentral zur Energieversorgung einsetzen, da sie nahezu überall auf Häuserdächern oder an Fassaden integriert werden können.

Nur 10 m2 Photovoltaikanlagen erzeugen pro Jahr etwa 900 Kilowattstunden Strom, was circa 25 % des Strombedarfs eines Durchschnittshaushaltes deckt. Bei den Solarkollektoren zur Wärmegewinnung per Solarthermie kann die gleiche Fläche pro Jahr etwa 3.700 Kilowattstunden Wärme erzeugen und so etwa 20 % des Wärmebedarfs eines Durchschnittshaushalts decken (Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien (AEE)).

Von Solarzelle und Sonnenkollektor zu Strom und Wärme – Wie funktioniert das?

Selbst in Deutschland liefert die Sonne eine tägliche Energiemenge, die den Bedarf um das 80-fache übersteigt (Quelle: AEE). Diese Energie wird mittels der Photovoltaik und Solarthermie nutzbar gemacht, indem Sonnenenergie für den Menschen umgewandelt wird.

In einer Solarzelle wird Sonnenenergie mithilfe der Photovoltaik in Strom umgewandelt. Dabei wird der sogenannte photoelektrische Effekt genutzt. Er besteht darin, dass eine metallische Oberfläche Elektronen aussendet, wenn sie mit Licht bestrahlt wird. Der wichtigste Teil dabei ist der Halbleiter; meistens wird hier Silizium eingesetzt, das metallische Eigenschaften aufweist. Silizium kann aus Quarzsand gewonnen werden. In der Solarzelle wird mittels der Sonnenstrahlung zwischen den Siliziumschichten ein elektrisches Feld und somit der Strom erzeugt – entweder direkt verwendbarer Gleichstrom oder Wechselstrom, der in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann (Quelle: Solaranlagenportal).

Einzelne Solarzellen werden in Photovoltaik-Modulen zusammen gefasst um die Effizienz zu erhöhen. Neuste Forschungen setzen anstelle des herkömmlichen Siliziums sogenanntes amorphes Silizium ein, was kostengünstiger ist und sich direkt auf Glas aufdampfen lässt (Quelle: AEE; Enerpoint). (1)

Sonnenenergie kann mittels der Solarthermie auch zur Gewinnung von Wärme eingesetzt werden. Dafür werden Sonnenkollektoren beispielsweise auf Häuserdächern installiert. In ihnen erwärmen die Sonnenstrahlen eine Wärmeträgerflüssigkeit auf bis zu 90°C. Diese Flüssigkeit zirkuliert zwischen Kollektor und einem Pufferspeicher. Darin sorgt ein Wärmetauscher dafür, dass die Wärme der Flüssigkeit an Wasser im Pufferspeicher abgegeben wird. Hiermit kann nun geheizt oder Wasser für den Gebrauch erhitzt werden. Wenn die Wärme nicht gebraucht wird stellt der Speicher sie auch an kalten Tagen oder nachts zur Verfügung (Quelle: AEE).

Solarthermie kann auch zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden. Dann werden Sonnenstrahlen über Reflektoren gebündelt und lassen Wasser zu Dampf werden, der einen Stromgenerator betreibt. Diese Art der Stromerzeugung nimmt in Deutschland derzeit allerdings noch ein Nischendasein ein (Quelle: AEE).

Nutzung in Deutschland

Mehr als 3,1 Millionen Photovoltaikanlagen und Solarkollektoren zur Strom- und Wärmegewinnung waren 2012 in Deutschland installiert. Photovoltaikanlagen deckten 2012 4,7 % des Gesamtstromverbrauchs und Solarthermieanlagen trugen etwa 1 % zur Deckung des Wärmebedarfs deutscher Haushalte bei (Quelle: AEE). (2)

Laut der „Leitstudie 2010“ des Bundesumweltministeriums kann Solarenergie langfristig etwa 50 % des Wärmebedarfs in Deutschland decken. Weiterhin könnte der gesamte heutige Strombedarf in Deutschland durch Solarenergie gedeckt werden, wenn nur auf 10 % aller Dach- und Fassadenflächen sowie versiegelten Siedlungsflächen Photovoltaikanlagen installiert würden. Prognosen gehen davon aus, dass im Jahre 2020 bereits 39,5 Gigawatt Solarstrom produziert werden können (Quelle: AEE, Stand 2011).

Kritik

Man könnte vermuten, dass schwankende Wetterbedingungen ein Problem für die Gewinnung von Solarenergie darstellen. Verlässliche nationale Wettervorhersagen und die dezentrale Struktur der Solarenergiegewinnung schließen problematische Schwankungen in der Stromerzeugung jedoch praktisch aus (Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme).

Insbesondere eine Kombination der Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie bietet sich an, da sich diese Energiegewinnungsformen optimal ergänzen. Bei hohen Windstärken ist die Sonneneinstrahlung meist gering, bei hoher Sonneneinstrahlung ist es hingegen eher windstill.

Auch ein Verschmutzen der Solaranlagen stellt keine ernsthafte Gefahr für die solare Energiegewinnung dar. Wenn der Aufstellungswinkel der Anlagen steil genug ist und sie keiner intensiven Staub- oder Laubquelle ausgesetzt sind, reicht der nächste Regenguss als Reinigungskraft völlig aus (Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme).

Freiflächen-Photovoltaikanlagen, also solche Anlagen, die nicht auf Gebäuden installiert sind sondern eigene Flächen einnehmen, stellen natürlich einen Flächenverbrauch dar und damit einen Eingriff in den Naturhaushalt. Standortentscheidungen sollten also auf nachhaltigen Kriterien basieren und einen möglichst geringen Eingriff in die Naturlandschaft bedeuten, beispielsweise sollte die Bodenversiegelung minimal sein.

Der Naturschutzbund (NABU) hat im Jahr 2005 zusammen mit dem Bundesverband Solarwirtschaft (BSW) zentrale Kriterien für naturverträgliche Photovoltaik-Freiflächenanlagen festgelegt. Diese Kriterien sind als entscheidende Richtlinien anerkannt (Quelle: AEE).

Ein Problem für die deutsche Solarindustrie ist die starke Konkurrenz aus dem Ausland, insbesondere aus Asien. Vor einigen Jahren war die Solarindustrie noch eine boomende Industrie. Seit 2008 verlieren die deutschen Hersteller immer mehr an Marktanteilen. Viele Anbieter geben auf, da sie mit im Ausland gefertigten Modulen, die viel günstiger angeboten werden, nicht konkurrieren können. Es wird allerdings vermutet, dass langfristig sinkende Herstellungskosten auf deutscher Seite und steigende Frachtkosten und Lieferzeiten aus dem Ausland, die Lage der Photovoltaikindustrie in Deutschland wieder verbessern (Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme).

Solarenergie für’s Smartphone

Das Besondere an der Solarenergie unter den Erneuerbaren Energien ist, dass sie auch im Kleinen genutzt werden kann. Zahlreiche elektrische Geräte lassen sich mit Hilfe von Solarpanels betreiben und aufladen. Das Praktische daran: man ist unterwegs nicht auf eine Steckdose angewiesen und auch das Austauschen von Batterien entfällt. Immer bessere Akkus sorgen für ausreichend portablen Strom – auch wenn die Sonne mal nicht scheint. Zuhause spart man ebenfalls Batterien und den Strom aus der Steckdose und kann für den Solartaschenrechner oder den Milchaufschäumer Sonnenenergie nutzen.

Informationen und eine große Auswahl an Solar-Produkten präsentiert der Avocado-Store. Die Solar-Business-Bag, das vielseitige Solarmodul oder das iPhone Solar-Ladegerät sind interessante und vor allem nützliche Produktbeispiele. Ein weiterer Onlineshop mit solarbetriebenen Produkten ist 1aSolar.

Eine Studie zu solarbetriebenen Produkten hat das Öko-Institut herausgebracht: „Solarbetriebene Produkte – Entwicklung der Vergabekriterien für ein klimaschutzbezogenes Umweltzeichen“ verfügbar als PDF. Weitere Infos zu solarbetriebenen Produkten liefer das Umweltbundesamt.

Quellen und Links

Ariane Kujau/ RESET-Redaktion, 2013

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In Anpassung an sich verändernde Gegebenheiten und Anforderungen hat die Menschheit der westlichen Welt schon mehrfach ihre Energiequellen gewechselt. Vom Holz bis hinein ins 18. Jahrhundert zur Kohle während der Industrialisierung bis hin zu Öl und Gas im 20. Jahrhundert. Die Frage ist nun, wie schnell wir den Sprung ins Zeitalter erneuerbarer Energien schaffen.

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