Sonnenenergie

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 bei den Pflanzen ist die auf der Erde am weitesten verbreitete Nutzung der Sonnenenergie. Alle Tiere leben direkt (Pflanzenfresser) oder indirekt (Fleischfresser) von der Sonnenenergie.

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 Wärme in Solarthermie-Anlagen eingefangen und genutzt. Die Wandlung in Wärme durch so genannte Sonnenkollektoren ist die weltweit meistverbreitete 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, in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Faktisch lassen sich auch die Windenergie sowie die Energieträger Biomasse und Biogas 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 Elektrizitätswerke 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 schlechtem Wetter) 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.

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.

Satellitengestütze Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ergaben, 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, plant eine solche kooperative Nutzung der Solarenergie zu verwirklichen.

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:

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.

Vor- und Nachteile der Sonnenenergienutzung

Die direkte Nutzung von Sonnenenergie als Energiequelle hat gegenüber anderen Engergiequellen einige Vorteile:

* Sie ist im Gegensatz zu fossilen und atomaren Energieträgern praktisch unbegrenzt verfügbar.
* Bei der Strom- und Wärmeerzeugung kommt es zu keiner Freisetzung von Feinstaub, wie z. B. Rußpartikeln, oder Treibhausgasen, wie z. B. CO2.

Bei dezentraler Auslegung, d. h. Nutzung vieler kleiner Anlagen statt einiger großer Kraftwerke, kommen noch folgende Vorteile hinzu:

* Es geht kaum noch Energie durch die Übertragung und Verteilung verloren (bei Freilandtrassen hat man ca. 14 % Verlust[1]).
* Die Kosten für die Verteilungssysteme selbst könnten zu einem großen Teil eingespart werden, denn die Kosten der Weiterleitung und Verteilung zentral erzeugter Elektrizität sind etwa so hoch wie die der Erzeugung selbst.[2]
* Die Verbraucher hätten Kostenvorteile, weil die großen Energieproduzenten und -verteiler die Preise nicht mehr relativ ungestört diktieren könnten.
* Es wären kaum noch Reserven nötig. Große, zentrale Anlagen brauchen große Reserven für den Fall, daß eine oder mehrere von ihnen ausfallen. Diese Reserve beträgt für ganz Deutschland ca. 40 %.[3] Bei einer dezentralen Energieversorgung wären so große Reserven überflüssig, weil das Risiko verteilt werden würde. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein beträchtlicher Teil der dezentralen, kleinen Anlagen auf einmal ausfällt, ist extrem gering.
* Wir hätten keine internationalen Abhängigkeiten, wie wir sie heute beim Mineralöl haben, die sicherheits- und friedenspolitisch heikel sind.
* Ein weiterer Vorteil der Solarenergie ist das „Spenden“ oder Freigeben, um bspw. Nachbarn das Benutzen überschüssig produzierten Stroms zu ermöglichen.

Aufgrund der Abhängigkeit von der wetter-, tages- und jahreszeitabhängigen Sonneneinstrahlung ist keine konstante Versorgung mit Energie möglich. Auch wird Energie eher in kalten Gebieten beziehungsweise Jahreszeiten benötigt, während die Energiegewinnung mit Solartechnik in heißen Gegenden mit hoher Sonneneinstrahlung und im Sommer deutlich effektiver ist. Daher hofft man, bald die Sonnenenergie effektiv speichern zu können, beispielsweise durch die Gewinnung von Wasserstoff, um sie dann später beziehungsweise an einem anderen Ort einsetzen zu können. Eine Alternative ist der parallele Einsatz von Techniken zur direkten Sonnennutzung (Solarthermie, Photovoltaik) und zur Energiegewinnung aus Biomasse, die ja auch gespeicherte Sonnenenergie darstellt.

In einer kompletten ökologischen Bilanz ist die Herstellung der Solarzellen zu berücksichtigen. Für den Herstellungsprozess werden entsprechende Mengen an Energie, Frischwasser und Chemikalien benötigt. Nach einer aktuellen Studie der Europäischen Union haben heutige Solarstromanlagen, je nach Bauart, in rund 2 bis 5 Jahren die Energiemenge produziert, die zu ihrer Herstellung notwendig wäre.

Der derzeit größte Nachteil des Solarstroms sind seine immensen Kosten. Strom aus Windkraft kostet 6 bis 8 Cent pro Kilowattstunde, Strom aus Solarenergie 40 bis 50 Cent. In Deutschland tragen diese Kosten die Stromverbraucher, denn das deutsche Erneuerbare-Energien-Gesetz legt fest, dass die Mehrkosten für Solarstrom auf alle Stromverbraucher verteilt werden. 1999 betrugen die Kosten 19 Mio. Euro, 2005 506 Mio. Euro und 2008 werden über eine Milliarde Euro Kosten für die Stromverbraucher erwartet. Und dies, obwohl der Solarstromanteil an der deutschen Stromproduktion dann immer noch weniger als 0,5 Prozent beträgt.

Die Kosten des Solarstroms pro Kilowattstunde sind allerdings keine feste Größe, vielmehr hängen sie von der Verbreitung der Solarenergie ab, denn je mehr fotovoltaische Zellen produziert werden, um so größer ist die Fixkostendegression. Das heißt, dass sich die Kosten, die von der Herstellungsmenge unabhängig sind, auf eine größere Stückzahl verteilen (Gesetz der Massenproduktion) und dadurch die Kosten pro Kilowattstunde sinken. Darüber hinaus wird die Fotovoltaik laufend technisch weiterentwickelt und ihre Effizienz gesteigert.

 

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