Sonnenenergie

Weltweit verfügbare Sonnenenergie. Die Farben in der Karte zeigen die örtliche 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 zur Erde gelangt.

Intensität

Die Sonnenenergie ist, seitdem sie gemessen wird, annähernd konstant; es gibt auch keine Hinweise auf deutliche Schwankungen in historischer Zeit. Die durchschnittliche Intensität der Sonneneinstrahlung beträgt an der Grenze der Erdatmosphäre etwa 1.367 W/m²; dieser Wert wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Ein Teil der eingestrahlten Energie wird von der Atmosphäre – von festen (z. B. Eiskristallen, Staub) oder flüssigen Schwebeteilchen sowie von den gasförmigen Bestandteilen – reflektiert. Ein weiterer Teil wird von der Atmosphäre absorbiert und bereits dort in Wärme umgewandelt. Der dritte Teil geht durch die Atmosphäre hindurch bis zum Erdboden. Dort wird er entweder in Wärme umgewandelt, oder er betreibt zum Beispiel die Photosynthese, die Photothermik oder die Photovoltaik. Die prozentuale Verteilung der Einstrahlung auf Reflexion, Absorption und Transmission hängt vom jeweiligen 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 weltweit im Tagesdurchschnitt (bezogen auf 24 Stunden) noch ungefähr 165 W/m²^[1] (mit erheblichen Schwankungen je nach Breitengrad, Höhenlage und Witterung). Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als fünftausend Mal größer als der Energiebedarf der Menschheit.^[1] Letztlich wird die gesamte Energie der Sonne in Form von Wärmestrahlung wieder an den Weltraum abgegeben.

Sonnenstrahlung Karte - Deutschland

Nutzung der Sonnenenergie

Der Menge nach größter Nutzungsbereich der Sonnenenergie ist die Erwärmung der Erde, so dass im oberflächennahen Bereich biologische Existenz in den bekannten Formen möglich ist, gefolgt von der Photosynthese der Algen und Höheren Pflanzen. Die meisten Organismen, die Menschen eingeschlossen, sind entweder direkt (als Pflanzenfresser) oder indirekt (als Fleischfresser) von der Sonnenenergie abhängig. Brennstoff und Baumaterial stammen ebenfalls daraus. Die Sonnenenergie ist weiterhin dafür verantwortlich, dass es in der Atmosphäre zu Luftdruckunterschieden kommt, die zu Wind führen. Auch der Wasserkreislauf der Erde wird von der Sonnenenergie angetrieben.

Neben diesen „natürlichen“ Effekten gibt es zunehmend eine technische Nutzung vor allem im Bereich Energieversorgung.

Photovoltaikanlage in Berlin-Adlershof

Solarmodul (links) und Sonnenkollektor (rechts oben)

Mit Hilfe der Solartechnik lässt sich die Sonnenenergie auf verschiedene Arten nutzen:

• Sonnenkollektoren erzeugen Wärme (Solarthermie bzw. Photothermik)
• Sonnenwärmekraftwerke erzeugen mit Hilfe von Wärme und Wasserdampf elektrischen Strom
• Pflanzen und pflanzliche Abfälle werden so verarbeitet, dass nutzbare Flüssigkeiten (z. B. Ethanol, Rapsöl) oder Gase (z. B. Biogas, gereinigt wird daraus Methan) entstehen
• Wind- und Wasserkraftwerke erzeugen elektrischen Strom
• Solarkocher oder Solaröfen erhitzen Speisen oder sterilisieren medizinisches Material
• Solarzellen erzeugen elektrischen Gleichstrom (Photovoltaik)

Die Sonnenenergie ist regenerative Energie, ihre Nutzung wird in vielen Ländern gefördert,^[2] in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Speicherung der Sonnenenergie

Die solare Einstrahlung unterliegt tages- und jahreszeitlichen Schwankungen von Null bis zum Maximalwert der Bestrahlungsstärke von rund 1000 W/m². Um die notwendige Energieversorgungssicherheit zu gewährleisten, sind deshalb immer zusätzlich Maßnahmen wie Energiespeicher, Regelungstechnik oder auch Zusatzsysteme wie zum Beispiel ein mit Brennstoff betriebener Heizkessel notwendig.

Im März 2011 ging in der Morbacher Energielandschaft die erste Solargas-Anlage in Deutschland in Betrieb.^[3]. Dabei wird Sonnenenergie in synthetisches Erdgas umgewandelt und in Gasform gespeichert.

Thermische Solaranlagen verwenden unterschiedliche Arten von Wärmespeichern. Diese reichen bei Geräten für Warmwasser meist für einige Tage aus, damit – zumindest im Sommerhalbjahr – auch in der Nacht und während einer Schlechtwetterperiode ausreichend Wärme zur Verfügung gestellt werden kann. Langzeitspeicher, die sommerliche Wärme in den Winter übertragen, sind technisch möglich, aber noch relativ teuer.

In solarthermischen, elektrischen Kraftwerken wird durch Spiegel konzentrierte Sonnenstrahlung genutzt, um Flüssigkeiten zu verdampfen und mittels Dampfturbinen Strom zu gewinnen. Wärmespeicher (beispielsweise Flüssigsalztanks) können darüber hinaus einen Teil der Wärme (mit geringen Verlusten) tagsüber speichern, um kurzfristige Bedarfsschwankungen auszugleichen oder die Dampfturbine nachts anzutreiben.

In photovoltaischen Kraftwerken wird elektrischer Strom mittels Halbleitereffekten erzeugt. Der dadurch produzierte Gleichstrom wird entweder im Rahmen einer dezentralen Stromerzeugung in einem Inselstromnetz als solcher verwendet (Pufferung zum Beispiel durch Akkumulatoren) oder über Wechselrichter in ein vorhandenes Wechselstromnetz eingespeist.

Potenzial der Sonnenenergie

Skizze einer möglichen Infrastruktur für eine nachhaltige Stromversorgung in EUropa, dem Nahen Osten (the Middle-East) und Nord-Afrika (kurz: EUMENA)

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 mehr als dem 7.000-fachen des Weltprimärenergiebedarfs. ^[4]

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 satellitengestützte Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), dass mit weniger als 0,3 Prozent der verfügbaren Wüstengebiete in Nordafrika und im Nahen Osten durch Thermische Solarkraftwerke genügend Energie und Wasser für den steigenden Bedarf dieser Länder sowie für Europa erzeugt werden kann.^[5] Die Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation, 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. Eine Veröffentlichung aus den USA namens Solar Grand Plan schlägt eine vergleichbare Nutzung der Sonnenenergie in den USA vor.

Es wurde auch darüber nachgedacht, Solarenergie per Satellit einzufangen und auf die Erde zu übermitteln.^[6] Der Vorteil läge in einer höheren Energiedichte am Boden und in der Vermeidung von Tag-Nacht-Schwankungen. Auf Grund des großen dafür nötigen Aufwands, weit oberhalb von aller bisherigen Raumfahrttechnik, ist jedoch keines dieser Projekte konkret in Angriff genommen worden.

Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Einfallswinkel

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:

$J = J_0 \cdot \sin (\beta)$

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.

Bewertung der Sonnenenergienutzung

Vorteile

Als Vorteile der Nutzung von Sonnenenergie werden u.a. folgende Punkte gesehen:^[7]

• Sie ist im Gegensatz zu fossilen Energieträgern oder spaltbaren Isotopen nach menschlichem Ermessen unbegrenzt verfügbar.
• Heute arbeiten bereits 60.000 Menschen in der deutschen Solarbranche. Über 100 Unternehmen liefern Solarzellen, Module und Komponenten, weit mehr noch sind mit Planung und Installation von Solaranlagen beschäftigt. Rund 10 Milliarden Euro werden hier jährlich umgesetzt, zwei Drittel der Wertschöpfung verbleiben in Deutschland. Die öffentliche Hand nimmt dadurch 3 Milliarden Euro Steuern ein.
• Außerdem erspart Solarstrom Brennstoffimporte – aktuell etwa 400 Millionen Euro jährlich.
• Solarenergie ist klimaschonend, es entstehen keine Treibhausgase. Sie senkte den CO₂-Ausstoß allein im Jahr 2009 um 3,6 Millionen Tonnen.
• Es kommt zu keiner Freisetzung von Feinstaub, wie z. B. Rußpartikeln.

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

• Kosteneinsparungen aufgrund des Umstands, dass die Kosten der Weiterleitung und Verteilung zentral erzeugter Elektrizität etwa so hoch sind wie die Kosten der Energieerzeugung selbst.^[8]
• 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 %. 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

Als nachteilig werden folgende Punkte bewertet:

• Aufgrund 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 weniger Solarenergie zur Verfügung steht (die erhöhte Effizienz von Solarzellen bei niedrigen Temperaturen kompensiert die im Winter vorherrschende geringere Einstrahlung nur zu Bruchteilen). Für eine gleichmäßige Verfügbarkeit photovoltaisch 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 durch Photovoltaikzellen 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 Photovoltaik-Anlagen nach aktuellen Studie des Energy research Centre of the Netherlands (ECN) je nach Bauart rund 1,5 bis 3,5 Jahre betrieben werden^[9]. Da die Lebensdauer der Solarmodule bei ca. 20 bis 40 Jahren liegt, ist die reine Gesamtenergiebilanz jedoch positiv. Die Gesamtumweltbilanz der Photovoltaik wird jedoch neben den oben beschriebenen Einsatzstoffen auch durch die teilweise Verwendung giftiger Werkstoffe getrübt.
• Bei Stromerzeugung mittels Sonnenenergie entstehen höhere Kosten im Vergleich zu anderen Techniken. Strom aus Windkraft ist mit 6 bis 8 Cent pro Kilowattstunde preisgleich zu der in neuen, herkömmlichen Kraftwerken produzierten Energie; die Erzeugungskosten bei solarthermischen Kraftwerken liegen derzeit je nach Standort bei 9 bis 22 Cent/kWh. Strom aus Photovoltaik wird mit 22 bis 29 Cent/kWh vergütet (ab 1. Januar 2011). In Deutschland trägt die Allgemeinheit der Stromverbraucher diese Kosten, denn das deutsche Erneuerbare-Energien-Gesetz legt fest, dass die Mehrkosten für Solarstrom auf alle Verbraucher verteilt werden. Die Vergütungen werden – gesetzlich festgelegt – jährlich weiter um 5 bis 23 Prozent sinken. Netzparität soll damit bis 2013 erreicht werden. Die neuesten Entwicklungen zeigen, dass die Kosten für Solarenergie doch stärker als gedacht steigen werden. Vor allem die EEG-Umlage wird zukünftig auf die Verbraucher umgelegt. ^[10]

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, Erweiterte Neuauflage 2003, ISBN 3-924038-57-0

Siehe auch

• Strahlungshaushalt der Erde

Weblinks

 Commons: Sonnenenergie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Globalstrahlungskarte der Schweiz
• Tatsächliche Produktion Solar, stündlich aktualisierte Ertragsdaten deutscher Anlagen der European Energy Exchange
  • Visualisierung der SMA Solar Technology
• „Think Big!“: Szenario Energieerzeugung in Afrika und HGÜ, Artikel aus Sonne Wind & Wärme auf volker-quaschning.de vom Mai 2004
• Grüne Wiese, rotes Tuch - Die Solarbranche fürchtet Widerstände gegen Freilandanlagen und müht sich um öffentliche Zustimmung, Die Zeit, im Juni 2004
• Gesamtgeschichte der Sonnenenergie, Buch der Synergie (Achmed Khammas)

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Desertec Whitebook, Clean Power from Deserts (PDF-Datei), Desertec
2. ↑ Zeit: Zu schnell, zu groß
3. ↑ juwi und SolarFuel testen Verfahren zur Speicherung von Windstrom als Erdgas
4. ↑ Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Hanser Verlag München, 6. Auflage 2009, S. 19 u. 34
5. ↑ dlr.de: Der Beitrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt
6. ↑ spiegel.de: PENTAGON-PLAN: Satelliten sollen Sonnenenergie zur Erde beamen
7. ↑ http://www.gruene-bundestag.de/cms/energie/dok/338/338659.html Meldung zur EEG-Novelle vom 5. Mai 2010
8. ↑ Amory B. Lovins: Sanfte Energie. Für einen dauerhaften Frieden, Reinbek 1983, zitiert nach Scheunemann, 1995
9. ↑ Alsema, E.A.; Wild – Scholten, M. J. de; Fthenakis, V. M.: Environmental impacts of PV electricity generation – a critical comparison of energy supply options ECN, September 2006; 7p. Presented at the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany, 4–8 September 2006.
10. ↑ Umlage für erneuerbare Energien steigt, vom 2. Oktober 2011