Sonnenenergie

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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 sein Warmwasser mit Solarenergie erhitzt

Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die Energie der Sonnenstrahlung, die in Form von elektrischem Strom, Wärme oder chemischer Energie technisch genutzt werden kann. Sonnenstrahlung ist dabei die elektromagnetische Strahlung, die auf der Sonnenoberfläche wegen ihrer Temperatur von ca. 5500 °C als Schwarzkörperstrahlung entsteht, was letztlich auf Kernfusionsprozessen im Sonneninneren (dem Wasserstoffbrennen) zurückgeht.

Die Sonnenenergie lässt sich sowohl direkt (z. B. mit Photovoltaikanlagen oder Sonnenkollektoren) als auch indirekt (z. B. mittels Wasserkraftwerken, Windkraftanlagen und in Form von Biomasse) nutzen. Die Nutzung der Solarenergie ist ein Beispiel für eine moderne Backstop-Technologie.[1]

Intensität

Die die Erde erreichende Sonnenstrahlung 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 kW/; 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 gestreut und reflektiert. Ein weiterer Teil wird von der Atmosphäre absorbiert und bereits dort in Wärme umgewandelt. Der Rest geht durch die Atmosphäre hindurch und erreicht die Erdoberfläche. Dort wird er wiederum zum Teil reflektiert, zum Teil wird er absorbiert und in Wärme umgewandelt. Unter anderem in der Photosynthese, Photothermik und der Photovoltaik wird diese nutzbar gemacht. 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[2] (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.[2] 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. Da die Sonnenenergie eine regenerative Energiequelle ist, wird ihre Nutzung in vielen Ländern gefördert, in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).[3]

Solarmodul (links) und Sonnenkollektor (rechts oben)

Mit Hilfe der Solartechnik lässt sich die Sonnenenergie auf verschiedene Arten sowohl direkt als auch indirekt nutzen:

Direkte Nutzungsformen umfassen:

Indirekt wird Sonnenenergie genutzt:

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.[4] 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. Dort ist die Speicherung über dezentrale Batterien und die Umwandlung in Wasserstoff und Methan und der anschließenden Speicherung im Erdgasnetz möglich. Die bereits bestehenden Erdgasspeicher in Deutschland würden ausreichen, um hier den Speicherbedarf einer Stromversorgung zu decken, die überwiegend auf der Erzeugung durch Photovoltaik- und Windkraftanlagen basiert.[5]

Potenzial der Sonnenenergie

DESERTEC: Skizze einer möglichen Infrastruktur für eine nachhaltige Stromversorgung in Europa, dem Nahen Osten und Nord-Afrika

Als die größte Energiequelle liefert die Sonne pro Jahr eine Energiemenge von etwa 1,5 · 1018 kWh[6] auf die Erdoberfläche. Diese Energiemenge entspricht mehr als dem 10.000-fachen des Weltenergiebedarfs der Menschheit im Jahre 2010 (1,4 × 1014 kWh/Jahr).

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.[7] 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.[8] 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, J_0 die Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel und \beta 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:[9]

  • 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 nur bei der Produktion der Anlage Treibhausgase – der Betrieb ist emissionsfrei. Sonnenenergie 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.[10]
  • 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

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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 zur Herstellung der kompletten Photovoltaikanlage Energie, Frischwasser und Chemikalien benötigt werden. Die zur Herstellung einer heutigen Photovoltaik-Anlage benötigte Energiemenge hat sich nach einer aktuellen Studie des Energy research Centre of the Netherlands (ECN) je nach Bauart in Europa innerhalb von rund 1,5 bis 3,5 Jahren wieder amortisiert.[11] 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 in Deutschland mit 6 bis 8 Cent pro Kilowattstunde preisgleich zu der in neuen, herkömmlichen Kraftwerken produzierten Energie; die Erzeugungskosten bei solarthermischen Kraftwerken liegen derzeit in Deutschland je nach Standort bei 9 bis 22 Cent/kWh. Strom aus Photovoltaik wird mit 13,5 bis 19,5 Cent/kWh vergütet (ab 1. April 2012). 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. Die Netzparität in Deutschland wurde damit bereits im Jahr 2012 erreicht.[12] Die Oil-Parity, also die Konkurrenzfähigkeit zu Erdöl für Heizzwecke wird ebenfalls als erreichbar angesehen.[13] Das jüngst stark abgesunkene Preisniveau am Weltmarkt für Solarmodule sowie technische Neuerungen bei anderen Systemkomponenten wie Modulwechselrichtern[14] und die durch sie mögliche Gesamtkostenreduzierung von Photovoltaikanlagen (kostspielige Gleichstromkabel können durch preiswerte Kabel zur Zusammenschaltung ersetzt werden) lassen diese Ziel in erreichbare Nähe rücken. Neuere Entwicklungen zeigen, dass die Kosten für Solarenergie doch stärker als gedacht steigen werden. Vor allem die EEG-Umlage wird zukünftig auf die Verbraucher umgelegt.[15]
  • Die Aufstellung von Solarmodulen in großem Stil verbraucht erhebliche Flächen, die sonst u.a. auch landwirtschaftlich zur Erzeugung von Lebensmitteln genutzt werden können oder bereits genutzt wurden.

Literatur

  • Ursula Eicker: Solare Technologien für Gebäude. Grundlagen und Praxisbeispiele, 2., vollständig überarbeitete Auflage, Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-1281-0.
  • Bernward Janzing: Solare Zeiten – Die Karriere der Sonnenenergie. Eine Geschichte von Menschen mit Visionen und Fortschritten der Technik. Picea Verlag, Freiburg 2011, ISBN 978-3-9814265-0-2.
  • Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher, Andreas Wiese (Hrsg.): Erneuerbare Energien. Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte. Springer Vieweg, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-03248-6.
  • Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. 8. Auflage. Hanser, München 2013, ISBN 978-3-446-43526-1.
  • Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich: Photovoltaik – Solarstrahlung und Halbleitereigenschaften, Solarzellenkonzepte und Aufgaben. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 2010, ISBN 978-3-8348-0637-6.

Siehe auch

Weblinks

 Commons: Sonnenenergie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Robert C. Allen, The British Industrial Revolution in Global Perspective, Cambridge University Press, 2009, S. 88..
  2. a b DESERTEC Whitebook, Clean Power from Deserts (PDF-Datei; 3,0 MB), DESERTEC
  3. Zeit: Zu schnell, zu groß
  4. juwi und SolarFuel testen Verfahren zur Speicherung von Windstrom als Erdgas
  5. Volker Quaschning: Würde da nicht das Licht ausgehen? In: Sonne Wind & Wärme. 07/2012, S. 10–12.
  6. Grundlagen der Sonnenenergieeinstrahlung. Institut für Wärmetechnik, TU Graz, abgerufen am 2. Dezember 2014.
  7. dlr.de: Der Beitrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt
  8. spiegel.de: PENTAGON-PLAN: Satelliten sollen Sonnenenergie zur Erde beamen
  9. http://www.gruene-bundestag.de/cms/energie/dok/338/338659.html Meldung zur EEG-Novelle vom 5. Mai 2010
  10. Amory B. Lovins: Sanfte Energie. Für einen dauerhaften Frieden, Reinbek 1983, zitiert nach Scheunemann, 1995
  11. 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; 7 S. Presented at the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany, 4–8 September 2006.
  12. Bloomberg New Energy Finance: Solarstromerzeugung mit Photovoltaik ist in vielen Ländern bereits günstiger als Elektrizitätspreis für Endkunden. In: Bloomberg. 16. Mai 2012, abgerufen am 21. Mai 2012.
  13. Interview mit Peter Grassmann und Volker Quaschning: Droht im Energiebereich schon wieder ein Ausstieg aus dem Ausstieg? In: VDI nachrichten. 30. März 2012, S. 2.
  14. Miniwind- und Solartechnologien: In Europa entwickelte Modulwechselrichter helfen Kosten senken abgerufen 23. März 2012
  15. Umlage für erneuerbare Energien steigt, vom 2. Oktober 2011