Sonnenenergie

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Weltweit verfügbare Sonnenenergie. Die Farben in der Karte zeigen die lokale Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche gemittelt über die Jahre 1991-1993 (24 Stunden am Tag, unter Berücksichtigung der von Wettersatelliten ermittelten Wolkenabdeckung).
Zur Deckung des derzeitigen Weltbedarfs an Primärenergie allein durch Solarstrom wären die durch dunkle Scheiben gekennzeichneten Flächen ausreichend (bei einem Wirkungsgrad von 8%).

Ein Waschsalon in Kalifornien, USA, der mit Solarenergie betrieben wird

Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die von der Sonne durch Kernfusion erzeugte Energie, die in Teilen als elektromagnetische Strahlung (Strahlungsenergie) zur Erde gelangt. Die Sonnenenergie ist über Hunderte von Jahren annähernd konstant. Die Intensität der Sonneneinstrahlung beträgt an der Grenze der Atmosphäre etwa 1,367 kW/m²; dieser Wert wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Ein Teil der eingestrahlten Energie wird von den Bestandteilen der Atmosphäre absorbiert und in Wärme umgewandelt. Ein weiterer Teil entkommt durch die Emission eines Teils der absorbierten Energie in Richtung Weltall der Erde und zuletzt führt die Reflexion an Schwebeteilchen wie Eiskristallen und Staub in der Luft zu einer weiteren Verringerung der aufgenommenen Energie. Die Größe dieser Verluste hängt vom Zustand der Atmosphäre ab. Dabei spielen die Luftfeuchtigkeit, die Bewölkung und die Länge des Weges, den die Strahlen durch die Atmosphäre nehmen müssen, eine Rolle. Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlung beträgt auf eine senkrecht dazu stehende Fläche noch ungefähr 1 kW/m². Auf schräg zur einfallenden Strahlung aufgestellte Flächen trifft weniger Strahlung auf.

Im 19. Jahrhundert nahm man an, die Sonne bestünde aus Kohle und würde diese verbrennen; allerdings könnte die Sonne unter Annahme dieser Theorie nur für etwa 6.000 Jahre leuchten.

Nutzung der Sonnenenergie

Die Photosynthese der Pflanzen ist die auf der Erde am weitesten verbreitete Nutzung der Sonnenenergie. Alle Tiere leben entweder direkt (Pflanzenfresser) oder indirekt (Fleischfresser) von der Sonnenenergie. Auch für den Menschen ist sie eine Grundlage des Lebens.

Fotovoltaikanlage in Berlin-Adlershof

Solarmodul (links) und Sonnenkollektor (rechts oben)

Die Solartechnik beschäftigt sich mit der Nutzung der Sonnenenergie. Sie wird mit Hilfe der Fotovoltaik in elektrische Energie (Solarstrom) umgewandelt oder die Infrarot-Strahlung wird als thermische Energie über Solarthermie-Anlagen eingefangen und genutzt. Die Wandlung in thermische Energie durch sogenannte Sonnenkollektoren ist die weltweit meistverbreitete technische Nutzung der Sonnenenergie. Der direkten Wandlung der Strahlung in Wärme bedienen sich auch Solaröfen und Solarkocher. Großtechnisch kann die so gewonnene Wärme in Sonnenwärmekraftwerken zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.

Die Sonnenenergie zählt zu den regenerativen Energien, ihre Nutzung wird in vielen Ländern gefördert ^[1], in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Faktisch lassen sich auch die Windenergie, die Energie des Wassers, Biomasse und biogene Gase als Formen der Solarenergie bezeichnen, da sie durch natürliche physikalische oder biologische Prozesse umgewandelte Sonnenenergie nutzen.

Speicherung der Sonnenenergie

Die solare Einstrahlung ist eine unstete Größe. Tag und Nacht, natürliche Bewölkung sowie Kondensstreifen, Abdämpfe und auch Schwebeteilchen in der Luft beeinflussen die lokale Bestrahlungsstärke. Um die notwendige Energieversorgungssicherheit zu gewährleisten, sind deshalb beim Betrieb solarer Kraftwerke immer Zusatzmaßnahmen notwendig.

Das vorhandene Stromnetz kann zum Ausgleich lokaler Schwankungen dienen. Elektrizitätswerke aus anderen Bereichen der regenerativen Energien, beispielsweise Wasserkraftwerke, Windenergieanlagen oder Geothermiekraftwerke können solare Elektrizitätswerke ergänzen. Um kurzfristige Leistungseinbrüche ausgleichen zu können (z.B. wegen schlechten Wetters) sind steuerbare und vor allem dynamische Kraftwerke notwendig. Dieses Kriterium erfüllen beispielsweise Gasturbinenkraftwerke im Gegensatz zu Atomkraftwerken oder Kohlekraftwerken, die nur extrem träge reagieren können.

Eine andere Möglichkeit ist die Energiespeicherung, so dass Schwankungen aus diesen Speichern ausgeglichen werden können. Verschiedene Ansätze dazu sind möglich, bei kleinen Anlagen sowie Inselanlagen werden häufig Solarbatterien eingesetzt. Hierbei handelt es sich um einen chemischen Energiespeicher. Auch Speicherung in großtechnischen chemischen Speichern ist möglich, zur Zeit erzielte Wirkungsgrade für die daraus wieder verwendbare Energie liegen bei etwa 50 Prozent. Solarthermisch erzeugte Wärme kann bevorzugt im Sommer in geothermische saisonale Speicher eingebracht und im Winter genutzt werden. Ein anderes Verfahren ist die Umwandlung metallischer Stoffe, beispielsweise das Solzinc-Verfahren. Ein weiteres mögliches Verfahren ist die Wandlung der elektrischen Energie in Rotationsenergie (Schwungrad), wie sie beispielsweise im Straßenbahndepot der Intalliance AG in Hannover-Leinhausen realisiert wurde.

Für die (kurzfristige) Stromspeicherung (nicht nur von Solarenergie) kommen auch Wasserspeicherkraftwerke in Frage. Einige Wasserkraftwerke (wie z.B. das Walchenseekraftwerk) sind sogenannte Spitzenlastkraftwerke, das bedeutet, dass sie in innerhalb von Minuten ihre Leistung dem Bedarf anpassen können. Wenn wenig Bedarf vorhanden ist, verbleibt das Wasser einfach im Wasserspeicher und staut sich. Es gibt auch Kraftwerke, in denen die Turbinen überschüssige Energie dazu verwenden können, Wasser in das höherliegende Reservoir zu pumpen und so Strom als Höhenenergie für späteren Abruf zu speichern.

Eine weitere denkbare Methode der Stromspeicherung ist chemisch durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wobei der Wasserstoff zu Methanol weiterverarbeitet werden kann. Der Wasserstoff bzw. das Methanol kann dann in Tanks gespeichert (oder transportiert) werden und in einer Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie zurückverwandelt werden. Dies ist auch dezentral möglich.

In Solarthermischen Kraftwerken wird durch Spiegel konzentrierte Sonnenenergie genutzt, um Dampfturbinen anzutreiben. Wärmespeicher (z.B. Flüssigsalztanks) können einen Teil der am Tage gewonnenen Wärme mit geringen Verlusten aufnehmen und die Dampfturbine nachts antreiben.

Potenzial der Sonnenenergie

Als die größte Energiequelle liefert die Sonne pro Jahr eine Energiemenge von etwa 3,9 · 10²⁴ J, das entspricht 1,08 · 10¹⁸ kWh, auf die Erdoberfläche. Diese Energiemenge entspricht etwa dem 10.000fachen des Weltprimärenergiebedarfs.

Die Zusammensetzung des Sonnenspektrums, die Sonnenscheindauer und der Winkel, unter dem die Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche fallen sind abhängig von Uhrzeit, Jahreszeit und Breitengrad. Damit unterscheidet sich auch die eingestrahlte Energie. Diese beträgt beispielsweise etwa 1.000 kWh pro Quadratmeter und Jahr in Mitteleuropa und etwa 2.350 kWh pro Quadratmeter und Jahr in der Sahara. Es gibt verschiedene Szenarien, wie eine regenerative Energieversorgung der EU realisiert werden kann, unter anderem auch mittels Energiewandlung in Nordafrika und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. So ergaben zum Beispiel satellitengestütze Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), dass mit weniger als 0,3 Prozent der verfügbaren Wüstengebiete in Nord-Afrika und im Nahen Osten durch Thermische Solarkraftwerke genügend Energie und Wasser für den steigenden Bedarf dieser Länder sowie für Europa erzeugt werden kann. TREC, ein internationales Netzwerk von Wissenschaftlern, Politikern und Experten auf den Gebieten der erneuerbaren Energien und deren Erschließung, setzt sich für eine solche kooperative Nutzung der Solarenergie ein.

Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Einfallswinkel

Aktuell wird in Deutschland nach Berechnungen des Verbandes der Deutschen Elektrizitätswirtschaft VDEW erst 0,25 Prozent des Stromverbrauchs aus Solarenergie gedeckt. Aus Windenergie wird hierzulande bereits rund dreißigmal soviel Energie gewonnen.

Die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche ist die Haupteinflussgröße des Wettergeschehens und des regionalen wie globalen Klimas. Die Strahlungsstromdichte (engl. heat flux density, irradiation), also die Strahlungsenergie pro Flächen- und Zeiteinheit, hängt vom Winkel der Sonneneinstrahlung ab. Bei flachem Winkel treffen weniger Photonen pro Flächeneinheit auf dem Boden auf und erwärmen ihn weniger stark als bei senkrechtem Einfall. Dies kommt durch folgende Formel zum Ausdruck:

Hierbei bezeichnet J die Strahlungsleistung, J₀ die Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel und β den Einfallswinkel gegenüber dem Horizont.

Verstärkt wird der Effekt durch den verlängerten Weg, den das Licht bei flachen Winkeln durch die Atmosphäre zurücklegen muss.

Vorteile der Sonnenenergienutzung

Als Vorteile der fotovoltaischen oder thermischen Nutzung von Sonnenenergie werden folgende Punkte diskutiert:

• Sie ist im Gegensatz zu fossilen Energieträgern oder radioaktiven Isotopen unbegrenzt verfügbar.
• Es kommt zu keiner Freisetzung von Feinstaub, wie z. B. Rußpartikeln, oder Treibhausgasen, wie etwa CO₂.

Hinsichtlich der Stromerzeugung durch viele kleine Fotovoltaik-Anlagen statt durch Großkraftwerke werden weiter folgende Vorteile gesehen:

• Energieverluste durch Übertragung und Verteilung werden reduziert (übliche Wechselstrom-Hochspannungstrassen verursachen ca. 14 % Leistungsverlust^[2]).
• Kosteneinsparungen aufgrund des Umstands, dass die Kosten der Weiterleitung und Verteilung zentral erzeugter Elektrizität etwa so hoch sind wie die Kosten der Energieerzeugung selbst.^[3]
• Wegfall von eventuellen Preiskartellen großer Energieerzeuger, was zu freier Preisbildung und damit niedrigeren Energiepreisen führen würde.
• Wegfall der Notwendigkeit großer Reservekapazitäten. Zentrale Großanlagen erfordern diese, um bei Betriebsstörungen einzelner Anlagen großflächige Stromausfälle zu vermeiden. Diese Reserve beträgt für Deutschland im Moment ca. 40 %.^[4] Diese Kapazität müsste nicht mehr bereitgehalten werden, da eine Vielzahl kleinerer und dezentraler Energieerzeuger das Ausfallrisiko einzelner Anlagen abfedern würde.
• Reduzierung energiepolitischer Abhängigkeiten von möglichen Krisenherden und internationalen Konflikten, wie etwa in der Nahostregion.

Nachteile der Sonnenenergienutzung

Als nachteilig werden folgende Punkte bewertet:

• Aufgrund der Abhängigkeit von der wetter-, tages- und jahreszeitabhängigen Sonneneinstrahlung ist ohne zusätzliche Speichertechnologie keine konstante Energieversorgung möglich, auf Verbrauchsschwankungen kann ebenfalls nicht reagiert werden. Zudem wird Energie gerade in kalten Gebieten beziehungsweise Jahreszeiten benötigt, wenn solartechnische Energiegewinnung deutlich weniger effektiver ist. Für eine gleichmäßige Verfügbarkeit fotovoltaisch erzeugter Energie müssten effektive Speicherkapazitäten etwa auf Wasserstoffbasis aufgebaut werden, was zusätzliche Wirkungsgradverluste und Infrastrukturkosten verursacht. Im Bereich der thermischen Nutzung können bestimmte Kraftwerkstypen den Wärmeeintrag des Tages teilweise in der Nachtzeit weiternutzen.

• Die Energieerzeugung ist nach einer kompletten ökologischen Bilanz betrachtet nicht emissionsfrei, da die Herstellung der Anlagen bedeutende Mengen an Energie, Frischwasser und Chemikalien verbraucht. Allein um die zu ihrer Herstellung benötigte Energiemenge zurückzugewinnen, müssen etwa heutige Fotovoltaik-Anlagen nach einer aktuellen Studie der Europäischen Union je nach Bauart rund 1,5 bis 6 Jahre betrieben werden.

• Als derzeit größter Nachteil insbesondere der Fotovoltaik werden die immensen Kosten betrachtet. Strom aus Windkraft ist mit 6 bis 8 Cent pro Kilowattstunde bereits deutlich teurer als in herkömmlichen Kraftwerken produzierte Energie, Strom aus Fotovoltaik kostet 40 bis 50 Cent. In Deutschland trägt diese Kosten die Allgemeinheit der Stromverbraucher, denn das deutsche Erneuerbare-Energien-Gesetz legt fest, dass die Mehrkosten für Solarstrom auf alle Verbraucher verteilt werden. 1999 betrugen die Kosten 19 Mio. Euro, 2005 506 Mio. Euro und 2008 werden über eine Milliarde Euro an Zusatzkosten für die Stromverbraucher erwartet. Hier ist zu beachten, dass der Solarstromanteil an der deutschen Stromproduktion dann immer noch weniger als 0,5 Prozent betragen wird.

Technischen und wirtschaftlichen Unzulänglichkeiten stehen allerdings breite Entwicklungsmöglichkeiten gegenüber. Sollte Solarenegie zunehmende Verbreitung finden, werden sich die von der Herstellungsmenge unabhängigen Kosten auf größere Stückzahlen verteilen und bereits dadurch die Kosten pro Kilowattstunde sinken (Fixkostendegression). Darüber hinaus wird im Bereich solartechnischer Energieerzeugung noch ein bedeutsames Entwicklungspotential bei der Steigerung des Wirkungsgrads gesehen.

Siehe auch

Portal:Energie

• Klimaschutz, Solararchitektur
• Fotovoltaik
• Sonnenwärmekraftwerk
• Dezentrale Energieerzeugung
• Solaraktien

Literatur

• Christian Kuhtz, Georg Böhmeke: Aus der Reihe: Einfälle statt Abfälle, Einfache Nutzung der Sonnenwärme. 12 Bauanleitungen für viele Zwecke. Ausführliche Anleitung für gute, billige Warmwasser-Anlagen. Mit grossem Basteltrick-Verzeichnis, Selbstverlag "Einfälle statt Abfälle", Erweiterte Neuauflage 2003, ISBN 3-924038-57-0

Weblinks

Commons: Sonnenenergie – Bilder, Videos und/oder Audiodateien

• www.bine.info Portal zum Thema Energieeffizienz
• www.vdn-berlin.de/eeg_prognose_2006.asp - Die Menge an gesetzlich geförderten Strom aus erneuerbaren Energien einschließlich extra Ausweis Anteil Solar.
• www.thema-energie.de - dena-Portal für Energiesparen und Erneuerbare Energien: Informationen zu Solarwärme, Solarstrom und eine Solarförderberatung
• www.sfv.de - Informationen zur Energiewende, Argumente für eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien.
• volker-quaschning.de - "Think Big!": Szenario Energieerzeugung in Afrika und HGÜ
• www.zeit.de - "Grüne Wiese, rotes Tuch - Die Solarbranche fürchtet Widerstände gegen Freilandanlagen und müht sich um öffentliche Zustimmung" (aus Die Zeit 25/04)
• www.iset.uni-kassel.de - Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e.V.

Quellen

1. ↑ Zeit: Zu schnell, zu groß
2. ↑ Bürgerinitiative Vorsicht Hochspannung
3. ↑ Amory B. Lovins: Sanfte Energie. Für einen dauerhaften Frieden, Reinbek 1983, zitiert nach Scheunemann, 1995
4. ↑ Egbert Scheunemann: Ökologisch-humane Wirtschaftsdemokratie, Teil C: Ökologische Kritik am Industrialismus und sozialökologische Alternativen. LIT, Münster 1995, ISBN 3-8258-2612-0