Solarenergie

Sonne über der Allgäuer Landschaft

Energie

Solarenergie

Von Philip Häusser, Alfried Schmitz, Lothar Nickels und Ute Goerke

Die Industrialisierung, der Wohlstand und die wachsenden Bevölkerungszahlen lassen den Energiebedarf weltweit stetig steigen. Bisher deckten vor allem Öl und Kohle den Energiehunger – inzwischen wächst die Zahl der Solar-Anlagen.

Die Kraft der Sonne

Ein Ende der fossilen Ressourcen ist absehbar und auch der Klimawandel erfordert ein Umdenken. Die Energieerzeugung aus regenerativen Quellen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Hierzu gehört auch die Sonnenenergie, die sowohl für die Wärme- als auch die Stromerzeugung genutzt wird. Bei der Stromerzeugung lag der Anteil der erneuerbaren Energien in Deutschland für 2018 bei 40 Prozent.

Lange bevor die Erde entstand, begann das Kraftwerk Sonne zu arbeiten. Unablässig wird dort durch Kernfusion Energie erzeugt – ein Prozess, der noch viele Milliarden Jahre anhalten wird. Während dieser Kernfusion verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium und setzen dabei enorme Energiemengen frei.

In Form von Sonnenstrahlung erreicht ein Teil dieser Energie auch die Erde und kann hier genutzt werden. Nach Schätzungen liefert die Sonne umgerechnet täglich den weltweiten Energiebedarf von acht Jahren. Ein gewaltiges Potenzial: Vor allem in Äquatornähe ist die Sonneneinstrahlung so hoch, dass mit heutigen Technologien eine intensive Nutzung sinnvoll erscheint.

Ein Solarkraftwerk in Sachsen

Solaranlagen: Nutzung der Wärme

Man kann die Sonnenenergie zum Heizen nutzen oder um sie in elektrischen Strom umzuwandeln. Dafür sind verschiedene Anlagentypen notwendig. Der Vorteil ist, dass kein CO2, Ruß oder Feinstaub entstehen wie etwa in Kohlekraftwerken oder bei der Verbrennung von Erdöl. Das macht die Nutzung der Solarenergie sehr umweltfreundlich.

Thermische Solaranlagen fangen das Sonnenlicht mit so genannten Solarkollektoren ein und nutzen die Wärmeenergie, um zum Beispiel im Haus das Wasser zu erwärmen oder die Heizung zu unterstützen. Voraussetzung ist, dass man die Energie in Wärmespeichern für die Nutzung in der Nacht oder zu sonnenarmen Zeiten zwischenspeichern kann.

Im größerem Maßstab arbeiten Solarkraftwerke. Parabolrinnen, Parabolspiegel oder Heliostate bündeln die Lichteinstrahlung auf einen Absorber, in dem extrem hohe Temperaturen entstehen und eine Flüssigkeit als Wärmeträger stark erhitzt wird. Die Wärme wird in einem nachgeschalteten Kraftwerk in elektrischen Strom verwandelt oder in ein Wärmenetz eingespeist. Solarkraftwerke können je nach Kapazität der Anlage ganze Regionen mit umweltfreundlicher Energie versorgen.

Im spanischen Almeria ist dies schon erfolgreich umgesetzt worden. Auf einem mehr als 100 Hektar großen Gelände wurde eine Spiegelfläche von 20.000 Quadratmetern installiert. In dieser Versuchsanlage werden verschiedene Möglichkeiten für die Umwandlung von Solarenergie in Strom erprobt und optimiert. Inzwischen gibt es kommerzielle Solarkraftwerke.

Auch in anderen Regionen der Welt wird an der Nutzung von Sonnenenergie und ihrer Umsetzung geforscht. Solarturmkraftwerke erzeugen Dampf und lassen durch eine besonders starke Konzentration der Sonnenenergie eine Temperatur von mehr als 1000 Grad Celsius entstehen. Ein Beispiel ist das Solarkraftwerk in Sevilla in Spanien.

 bei Sevilla

Solarturmkraftwerk in Andalusien

Photovoltaik: Solarmodule für die Stromerzeugung

Photovoltaikanlagen eignen sich für die private, dezentrale Stromerzeugung. Eine Photovoltaikanlage besteht aus vielen miteinander verkoppelten Solarzellen. Über Halbleiterschichten wird in den Solarzellen Sonnenlicht in elektrischen Strom verwandelt. Dieser kann direkt genutzt werden, in Solarbatterien gespeichert oder auch ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Photovoltaikanlagen werden ständig verbessert. Es gibt sie mittlerweile in unterschiedlichen Formen und Ausstattungen, je nach Bedarf. Die Wirkungsgrade, das heißt die Effizienz der Energienutzung, variieren je nach Typ der Anlage. In der Praxis wurden schon Wirkungsgrade von mehr als 40 Prozent erzielt.

Die Wirtschaftlichkeit der Anlagen verbessert sich ständig. Beeinflusst wird der Energieertrag natürlich auch von Faktoren wie den örtlichen Wetterbedingungen sowie der Art, der Ausrichtung und der Neigung der Anlage zur Sonne.

Das Potenzial in Deutschland weist je nach Region große Unterschiede auf. So ist die solare Strahlung in Süddeutschland im Durchschnitt höher. Aber auch in anderen Regionen wie auf Rügen und Fehmarn scheint die Sonne so oft und so lange, dass die Nutzung der Sonnenenergie besonders ergiebig ist.

Zukünftig werden für die Nutzung der Photovoltaik Flächen wie Gebäudefassaden, Industriebrachen und bedachte Parkplätze stärker in den Fokus rücken. Schon heute kann der Photovoltaik-Strom an einzelnen sonnigen Werktagen bis zu 45 Prozent, an Sonn- und Feiertagen sogar bis zu 60 Prozent unseres Stromverbrauchs im Haushalt abdecken.

Hausbesitzer können verschiedene Anlagentypen gleichzeitig einsetzen.  Photovoltaik und Solarthermie zusammen können in manchen Gebieten Deutschlands ein Haus schon unabhängig von der öffentlichen Energieversorgung machen. Die Kombination beider Technologien in einer Anlage, Photothermie oder Hybridkollektor genannt, ist bereits möglich, weist aber noch Probleme auf. Für die globale Ökobilanz sind zwei getrennte Anlagen am Gebäude jedoch die bessere Lösung.

Vor mehr als 15 Jahren startete das Projekt "Desertec", das zum Ziel hatte, bis zum Jahr 2050 ganz Europa zentral mit Strom aus der Wüste zu versorgen. "Desertec" sollte die politischen und technischen Voraussetzungen für diese ambitionierten Ziele schaffen, was jedoch politisch nicht gelang.

Das Projekt benötigte mehrere Anläufe und plant heute, Solarstrom für die Länder des Mittleren Osten zu erzeugen. Inzwischen bauen die nordafrikanischen Länder selbst große Solarparks, um sich aus erneuerbaren Energien zu versorgen.

Solaranlage in der Wüste

Solaranlage in der Wüste

Ist Solarstrom zu teuer?

Zu Zeiten der ersten Photovoltaikanlagen hieß es, Sonnenstrom sei teuer. Die Herstellungskosten von Solarstrom sind aber inzwischen deutlich gesunken. Ein Kostenvergleich mit anderen Formen, insbesondere mit Strom aus fossiler und nuklearer Erzeugung, ist ohnehin schwierig – weil in eine solche Rechnung auch die Kosten durch Umwelt-, Klima- und Gesundheitsschäden sowie Entsorgung eingerechnet werden müssten.

Um den Ausbau des Solarstroms und auch des Stroms anderer erneuerbarer Energiequellen zu fördern, wurde in Deutschland die Einspeisevergütung geschaffen, die einen Preis für den erzeugten Strom für die Produzenten garantieren soll.

Die Sonne unterstützt das effiziente Bauen

Das energieeffiziente Bauen ist zur Pflicht geworden. Neben einer sehr guten Dämmung ist die Nutzung erneuerbarer Energien notwenig. Das ist häufig die solare Unterstützung für Warmwasser und Wärme. An manchen Standorten wie in Bayern oder auf der Ostseeinsel Rügen ist die Sonneneinstrahlung hoch genug, um sich schon jetzt unabhängig von externer Energieversorgung zu machen.

Privat realisiert wurde in Regensburg das sogenannte "Sonnenhaus". Die Hausbewohner kommen ohne externe Energieversorgung aus – unter anderem, weil sie das Gebäude nach Süden ausgerichtet und es perfekt wärmegedämmt haben.

Außerdem besitzt das Sonnenhaus eine Solarthermieanlage sowie eine Photovoltaikanlage. Kern des Konzeptes ist ein gewaltiger, 40.000 Liter fassender Wasserspeichertank, um den das Haus konstruiert wurde. Er ist mit der Solarthermieanlage gekoppelt und kann so viel Wärmeenergie speichern, dass die vierköpfige Familie problemlos über den Winter kommt.

Einfamilienhaus mit Solarzellen

Ein Einfamilienhaus mit Solarzellen

Je nach realisiertem Energie-Standard werden die Gebäude als Niedrigenergiehäuser, Passivhäuser oder Energieplushäuser gebaut. Mit den Energieplushäusern produzieren die Bewohner mehr Wärme und vor mehr allem Strom, als sie selbst benötigen. Allen ist gemeinsam, dass die Solarenergie meistens eine bedeutende Rolle spielt.

Wer sich für die Nutzung von Sonnenenergie interessiert, sollte sich auf jeden Fall von verschiedenen Anlagenanbietern umfassend beraten lassen und unabhängige Energieberatungsangebote nutzen. Die persönlichen Voraussetzungen sind entscheidend für die erfolgreiche Nutzung von Sonnenenergie.

Sonnenenergie für die Mobilität der Zukunft

Auch im Verkehrswesen könnten alternative Energieressourcen wie die Solarenergie sinnvoll genutzt werden. Elektroautos gelten als einer der wichtigsten Bausteine der klimaneutralen Mobilität. Bis 2020 sollten eine Million Elektroautos auf deutschen Straßen fahren.

Bis Ende 2018 waren allerdings nur knapp 100.000 Elektro- und Hybridautos in Deutschland angemeldet. In anderen Ländern liegt die Quote der elektrischen Neuzulassungen bereits bei rund 50 Prozent (Norwegen) oder bei zehn Prozent (Niederlande).

Einen richtiggehenden Boom erleben die Fahrradhersteller. Die Zahl der Fahrräder und Roller mit Elektromotor auf den Straßen wächst. Entscheidend wird allerdings sein, ob der Strom für die Elektrofahrzeuge umweltfreundlich produziert wird oder über Atom- oder Kohlekraftwerke. Und: Je weniger Strom ein Fahrzeug benötigt, desto umweltschonender ist dieses unterwegs.

Die Energiewende macht auch vor dem Luftraum nicht Halt. Wie weit man mit einem ausschließlich mit Solarenergie betriebenen Flugzeug kommen kann, zeigte der Schweizer Solarpionier Bertrand Piccard im Jahre 2016. Mit seinem Solarflugzeug gelang es ihm damals, die Welt zu umfliegen.

Das Solarflugzeug Solar Impulse

Mit dem Solarflugzeug einmal rund um den Globus

Stand: 18.02.2020, 14:40

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