Sonnenenergie
von Hannes Wedemeier und Sebastian Apel
Warum Sonnenenergie?
Jedem Land der Erde, ob im Westen, Osten, im Süden oder Norden, ob am Äquator oder den gemäßigten Zonen - jedem Land wird Sonnenenergie der einen oder anderen Form zuteil. Alle solaren Energieformen gehen unmittelbar auf die Sonnenstrahlung zurück, welche sich auf dreierlei Weise in nützliche Sekundärenergie umwandeln lassen:
1. thermische Energieumwandlung: Umwandlung der Energie der Sonnenstrahlen in Wärme durch Absorption in der Atmosphäre der Erde, im Boden und in den Gewässern;
2. solarchemische/solarbiologische Energieumwandlung: Nutzung der Sonnenenergie zum Aufbau von chemischen Energieträgern und Biomasse von Pflanzen durch Photosynthese;
3. solar-photovoltaische Energieumwandlung: Erzeugen von Strom in halbleitenden Solarzellen.
Thermische Energieumwandlung und Photosynthese geschehen natürlich aber die Photovoltaik kommt in der Natur nicht vor, so daß die Menschen den Halbleiter erfinden mußten.
Die Strommenge, die durch eine Solarzelle erzeugt wird, ist verglichen mit einer chemischen Batterie natürlich gering. Das Besondere an der Solarzelle aber ist, daß sie ohne Flüssigkeit, aggressive Chemikalien oder bewegliche Bauteile Strom erzeugt, solange sie der Sonne ausgesetzt ist.
Der US-Satellit Vanguard I war der erste seiner Art mit einer photovoltaischen Zelle, die dazu diente, die Funksignale des Satelliten zu verstärken. Noch nach etlichen Jahren konnten diese Signale auf der Erde empfangen werden.
Der Energiegehalt des Sonnenlichts, das während eines Jahres in einer relativ sonnigen Zone auf eine Fläche von der Größe eines Hektars niedergeht, liegt bei 3,8 Millionen Kilowattstunden. Wenn man in den Wüstenregionen der Erde, z. B. im kalifornischen Death Valley, der Wüste Gobi oder in der Sahara, beträchtliche Flächen mit Solarzellen eindecken würde, ließe sich damit der Strombedarf der Menschheit auf unbegrenzte Zeit decken.
Bei den ganzen Visionen gibt es nur ein Problem. Die Sonne scheint nicht immer und überall, um diese Menge zu erreichen. Ist der Himmel voller Wolken, scheinen die Strahlen nur verstreut und geschwächt durch und haben nicht die volle Leistung. Und die Wirtschaft hat das Prinzip, das Energie zu jedem Zeitpunkt und in ausreichendem Maße verfügbar sein muß. Das schaffen leider nur die großen Kraftwerke, wie zur Zeit die Kernkraftwerke. Es wird also, wie man es auch dreht, nie eine komplett saubere Energieversorgung geben können. Solange man sich dieser Tatsache bewußt ist, kann man versuchen, eine Harmonie zwischen den Energien zu finden.
Solarthermie
Als ,,Solarthermie" bezeichnet man die energetische Nutzung von Sonnenlicht mittels Abzug und Umwandlung in Wärme.
Grundsätzlich werden dabei zwei Bereiche unterschieden, nämlich der Niedrig- und der Hochtemperaturbereich.
- Im Niedrigtemperaturbereich wird die Strahlung der Sonne direkt oder über einen Wärmeaustauscher für die Erwärmung von Wasser oder anderen Wärmeträgermediums verwendet.
- Im Hochtemperaturbereich geht es hauptsächlich um die Umwandlung der Sonnenwärme in elektrischen Strom. Es können aber auch extrem hohe Temperaturen für Forschungszwecke erzeugt werden.
Die Umwandlung von Sonnenlich in elektrische Energie mittels Solarzellen gehört nicht zur Solarthermie.
Physikalisch gesehen besteht Sonnenlicht aus elektromagnetischen Wellen, deren Länge zwischen, 0,3 und 2,5 millionstel Metern liegt. Treffen diese Strahlen auf Materie, so werden sie absorbiert. Schwarze Materialien eignen sich besser zur Energiegewinnung, weil sie das Licht vollständig aufnehmen.
Thermische Solarkraftwerke
Thermische Solarkraftwerke nutzen die Energie der Sonne, um Wärmeenergie zu erzeugen, die später in elektrische Energie umgewandelt wird. Auch hierbei gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei nur die drei wichtigsten genannt werden.
- Bei Farmkraftwerken werden Parabolspiegel so eingestellt, daß dessen Brennpunkt auf ein durchsichtiges Rohr gerichtet ist. In diesen Rohren fließt Öl. Öl wird wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit genommen. Das Öl fließt durch einen Verdampfer und bringt dadurch Wasser zum verdampfen. Dieses treibt so eine Turbine an. Dieser treibt wiederum einen Generator an, der Strom erzeugt.
- Das Turmkraftwerk arbeitet fast genauso wie das Farmkraftwerk. Auch hierbei wird Öl erhitzt. Eine Vielzahl von Spiegeln auf die Spitze eines Turms gerichtet, der durch die Sonnenenergie sehr stark erhitzt wird. Das innere des Turmes wird mit vewrschiedenen Flüssigkeiten durchflossen, die erhitzt werden.
- Nach einem ganz anderem Prinzip funktioniert das Aufwindkraftwerk. Unter einer großen Glasfläche wird Luft erwärmt. Die warme Luft steigt in einem Turm auf und treibt eine Turbine an. Auch die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage ist sehr groß. Laut Prof. Dr. Schlaich würde bei einem 100 Megakraftwerk mit 80 Jahren Nutzdauer die Kilowattstunde nur 6 Pfennig kosten.
Solarchemie
Die Solarchemie läßt sich in die Bereiche Photochemie, Hochtemperaturchemie und Elektrochemie auf der Basis von Solarelektrizität unterteilen. Langfristig ist vor allem an die Herstellung synthetischer Energieträger als Ablösung fossiler zu denken. Meistens wird Wasserstoff in den Vordergrund gestellt, doch sind auch organische Verbindungen oder Metalle, z. B. Aluminium, mögliche Träger. Eine wichtige Möglichkeit bietet die Methanolproduktion als Kombination von Solarchemie und Nutzung von Biomasse - vor allem im Blick auf die Langzeitspeicherung und den leitungslosen Transport. Das sind Vorteile, die heute ausschließlich die fossilen Energieträger bieten.
Aufbau der Photovoltaik
Das Ausgangsmatrial der heute für Photovoltaik-Anlagen verwendeten Solarzellen ist einfacher Quarzsand. Aus dem Quarzsand wird unter hohem Energieaufwand eine Schmelze mit glasbildenden Oxiden hergestellt; am Ende bekommt man Glaswolle. Durch Auslaugen mit heißer Salzsäure entsteht hochreines Siliziumdioxid, das im Kohle-Lichtbogenofen zu Rohsilizium reduziert wird. Dabei entsteht das Gas Kohlenmonoxid, das verbrannt und als ,,Treibhausgas" Kohlendioxid an die Umwelt abgegeben wird.
Bei der weiteren Verarbeitung zu Reinstsilizium fallen Säuren an, die zwar neutralisisert, aber in Form von Salzen in einen Vorfluter geleitet werden. Wiederum unter hohem Energieaufwand wird das Reinstsilizium bei einer Schmelztemperatur von 1410°C umgeschmolzen und zu runden Barren gezogen (monokristalline Zellen) bzw. zu Blöcken gegossen (polykristalline Zellen). Die Endfertigung der Zellen erfolgt je nach Typ mit unterschiedlichen Verfahren. Trotz der aufwendigen Herstellung ist die Energiebilanz von Solarzellen insgesamt positiv: Die energetische Tilgung erfolgt abhängig vom Aufstellungsort etwa nach drei bis fünf Jahren Betriebszeit. Als Ernefaktor wird für Solarzellen aus heutiger Fertigung bis zu 10 genannt, wobei man von einer Lebensdauer des kompletten Solarmoduls von 30 Jahren ausgeht.
Prinzip der Photovoltaik
Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial. Die Lichteinstrahlung schießt quasi Elektronen aus ihren angestammten Bahnen in dem Silizium-Molkül (photoelektrischer Effekt), so das ,,Löcher" und freie Elektronen entstehen. Die freigesetzten Elektronen wandern zum Pluspol, die ,,Löcher" zum Minuspol - so kommt ein Gleichstrom zustande. Der photoelektrische Effekt läßt sich bei einer Vielzahl von Materialien beobachten, in der technischen Anwendung kommt aber fast ausschließlich Silizium zur Anwendung.
Dieses kommt als polykristallines und als monokristallines Silizium zum Einsatz.
Monokristallines Silizium hat eine höhere Stromausbeute pro Flächeneinheit und wird deswegen heutzutage bevorzugt verwandt.
Bei Wohnhäusern ist der sogenannte Netzparallelbetrieb die erste Wahl; in den Sommermonaten wird der überflüssige Strom an das Stromnetz des örtlichen Energieversorgers abgegeben, in den Wintermonaten wird Strom eingekauft. So werden etwa 70% des Solarstroms selbst verbraucht und 30% verkauft bei einer angenommenen Solaranlage von 10 Quadratmetern (Schätzwert).
Eine gute Anlage mit qualitativ hochwertigen Komponenten erzeugt in Süddeutschland ca. 900 - 1.100 kWh. Um den gesamten Jahresstrombedarf eines energiebewußten 4-Personen- Haushalts von ca. 2.700 kWh mit Solarstrom zu decken, reicht also eine PV-Anlage mit einer Leistung von ca. 3 kWp aus.
Bei einer Abweichung von der idealen Südausrichtung um bis zu 45° liegt der Energieverlust bei ca. 5%. Selbst bei Ost- bzw. West-Dächern ist die Energieeinbuße nur ca. 20%. Das heißt: Auch nicht optimal südorientierte Dachflächen sind problemlos für die Solarenergiegewinnung zu nutzen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Wirtschaftlichkeit und Zukunftsvisionen
Zum Abschluß sollte man noch die ökonomischen und ökologischen Aspekte von Solaranlagen betrachten. Um die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage zu berechnen, bietet sich die Methode von Ravel an. Hierbei werden die Investitionskosten, der Zinssatz und die Lebensdauer der Anlage mit einberechnet. Hieraus kann man erkennen (siehe Tabelle), das derzeit selbst bei günstigen Bedingungen, der Preis für 1 Kilowattstunde nicht unter 1 DM sinken kann.
Im Vergleich dazu ist der Preis für Netzstrom mit derzeit ca. 0,25 DM pro Kilowattstunde um einiges billiger.
Dennoch sollte man hier die ökologischen Aspekte nicht vernachlässigen. Aber auch hier darf man nicht nur an den Betrieb der Anlage denken, sondern muß auch den Energeaufwand für die Produktion von Solarzellen mit berechnen. Dazu dient der kumultierte Energieverbrauch (eine Summe der gesamten für die Herstellung benötigten Energie), die energetische Amortisationszeit (der Zeitraum, bis die Anlage soviel Energie produziert hat, wie zu ihrer Herstellung nötig war), und der Erntefaktor (das Verhältnis des kumultierten Energieverbrauchs zur gesamten produzierten Energie). Durch diese Größen (s. Tabelle) kann man sehen, daß zwar ca. 20 bis 30% der Umweltfreundlichen Energie praktisch verloren gehen, aber der restliche Anteil sollte zum Denken anregen, ob uns das finanzielle Opfer von ca. 75 Pfennig pro Kilowattstunde für die Umwelt wert ist.
Wenn wir alle dieses kleine Opfer in Kauf nehmen und der Staat gleichzeitig mit Projekten wie dem 100.000-Dächer-Programm fördert, dann sehe ich für den umweltfreundlichen Solarstrom in Deutschland eine große Zukunft. Denn die Solarenergie wird dem Menschen, im Gegensatz zu den fossilen Energien, wohl nie ausgehen.
Häufig gestellte Fragen zu Sonnenenergie
Warum ist Sonnenenergie wichtig?
Sonnenenergie ist in irgendeiner Form in jedem Land der Erde verfügbar. Sie kann in thermische Energie, solarchemische/solarbiologische Energie (Photosynthese) und solar-photovoltaische Energie (Stromerzeugung mit Solarzellen) umgewandelt werden.
Was sind die drei Arten der solaren Energieumwandlung?
Die drei Arten der solaren Energieumwandlung sind:
- Thermische Energieumwandlung: Umwandlung von Sonnenstrahlen in Wärme.
- Solarchemische/solarbiologische Energieumwandlung: Nutzung der Sonnenenergie zum Aufbau von chemischen Energieträgern und Biomasse durch Photosynthese.
- Solar-photovoltaische Energieumwandlung: Erzeugung von Strom in Solarzellen.
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Eine Solarzelle erzeugt Strom ohne Flüssigkeit, Chemikalien oder bewegliche Teile, solange sie der Sonne ausgesetzt ist. Sie ist zwar nicht so leistungsstark wie eine Batterie, aber sehr zuverlässig.
Welches Potenzial hat die Sonnenenergie weltweit?
Die Sonnenenergie, die jährlich in sonnenreichen Gebieten auf einen Hektar Land fällt, beträgt etwa 3,8 Millionen Kilowattstunden. Die Nutzung großer Wüstenflächen mit Solarzellen könnte den Strombedarf der Menschheit decken.
Was sind die Herausforderungen bei der Nutzung von Solarenergie?
Die Hauptprobleme sind die unregelmäßige Verfügbarkeit der Sonne (z. B. bei Bewölkung) und die Notwendigkeit einer jederzeit verfügbaren Energieversorgung. Dies macht es schwierig, ausschließlich auf Solarenergie zu setzen.
Was ist Solarthermie?
Solarthermie bezeichnet die Nutzung von Sonnenlicht zur Wärmegewinnung. Sie wird in Niedrig- und Hochtemperaturbereiche unterteilt.
Was sind die Unterschiede zwischen Niedrig- und Hochtemperatur-Solarthermie?
Im Niedrigtemperaturbereich wird die Sonnenstrahlung direkt oder über einen Wärmetauscher zur Erwärmung von Wasser verwendet. Im Hochtemperaturbereich geht es um die Umwandlung von Sonnenwärme in elektrischen Strom oder die Erzeugung extrem hoher Temperaturen für Forschungszwecke.
Wie funktionieren thermische Solarkraftwerke?
Thermische Solarkraftwerke nutzen die Sonnenenergie, um Wärme zu erzeugen, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Es gibt verschiedene Typen, darunter Farmkraftwerke (Parabolspiegel), Turmkraftwerke und Aufwindkraftwerke.
Was ist Solarchemie?
Die Solarchemie umfasst Photochemie, Hochtemperaturchemie und Elektrochemie auf Basis von Solarelektrizität. Ein langfristiges Ziel ist die Herstellung synthetischer Energieträger (z.B. Wasserstoff, Methanol) als Ersatz für fossile Brennstoffe.
Wie werden Solarzellen hergestellt?
Solarzellen werden aus Quarzsand hergestellt, der in einem energieintensiven Prozess zu Reinstsilizium verarbeitet wird. Dabei entstehen auch Nebenprodukte wie Kohlenmonoxid und Salze.
Wie funktioniert das Prinzip der Photovoltaik?
Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial (meist Silizium). Lichteinstrahlung löst Elektronen aus ihren Bahnen, wodurch ein Gleichstrom entsteht (photoelektrischer Effekt).
Was ist der Unterschied zwischen monokristallinem und polykristallinem Silizium?
Monokristallines Silizium hat eine höhere Stromausbeute pro Flächeneinheit und wird daher bevorzugt verwendet.
Wie funktioniert der Netzparallelbetrieb bei Solaranlagen?
Bei Wohnhäusern wird überschüssiger Strom im Sommer ins öffentliche Netz eingespeist und im Winter Strom bezogen. Dies ermöglicht eine hohe Eigenverbrauchsquote des Solarstroms.
Wie viel Strom kann eine Solaranlage erzeugen?
Eine gute Anlage in Süddeutschland kann ca. 900 - 1.100 kWh pro Jahr erzeugen. Eine 3 kWp Anlage reicht aus, um den Jahresstrombedarf eines energiebewussten 4-Personen-Haushalts zu decken.
Wie wirkt sich die Ausrichtung des Daches auf die Stromerzeugung aus?
Auch bei nicht optimaler Südausrichtung des Daches ist die Solarenergiegewinnung möglich. Selbst Ost- bzw. Westdächer können noch ca. 80% der maximalen Leistung erzielen.
Wie wirtschaftlich sind Solaranlagen?
Die Kosten für Solarstrom sind derzeit höher als für Netzstrom. Es gibt jedoch einen finanziellen Aspekt des Klimaschutzes der beachtet werden sollte.
Welche ökologischen Aspekte sind bei Solaranlagen zu berücksichtigen?
Neben dem Betrieb der Anlage muss auch der Energieaufwand für die Produktion der Solarzellen berücksichtigt werden. Trotzdem ist die Umweltbilanz insgesamt positiv. Die Solarenergie hat im Gegensatz zu fossilen Energien eine große Zukunft.
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- Hannes Wedemeier (Author), Sebastian Apel (Author), 1999, Sonnenenergie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/96237
