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 annähernd konstant, seitdem sie gemessen wird; es gibt auch keine Hinweise auf deutliche Schwankungen in historischer Zeit. 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 - festen (z. B. Eiskristallen, Staub), flüssigen oder gasförmigen Schwebeteilchen -
reflektiert. Ein weiterer Teil wird von den Bestandteilen der Atmosphäre
absorbiert und bereits dort in Wärme umgewandelt. Der dritte - und insgesamt überwiegende - 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 auf eine senkrecht dazu stehende Fläche noch ungefähr 0,8–1 kW/m² (je nach Breitengrad, Höhenlage und Witterung). Auf schräg zur einfallenden Strahlung aufgestellte Flächen trifft weniger Strahlung auf. Letztlich wird die gesamte Energie der Sonne in Form von Wärmestrahlung wieder an den Weltraum abgegeben.
Inhaltsverzeichnis[
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1 Nutzung der Sonnenenergie
2 Speicherung der Sonnenenergie
3 Potenzial der Sonnenenergie
4 Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Einfallswinkel
5 Vorteile der Sonnenenergienutzung
6 Nachteile der Sonnenenergienutzung
7 Siehe auch
8 Literatur
9 Weblinks
10 Quellen
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Nutzung der Sonnenenergie
Der mengenmäßig größte Nutzungsbereich ist die Erwärmung des Planeten, so dass im oberflächennahen Bereich biologische Existenz in den bekannten Formen möglich ist. Die
Photosynthese der
Pflanzen ist die am zweitmeisten verbreitete Nutzung. Die meisten Organismen (die Menschen eingeschlossen) leben entweder direkt (Pflanzenfresser) oder indirekt (Fleischfresser) von der Sonnenenergie. Brennstoff und Baumaterial stammen ebenfalls daraus. Weitere wichtige Nutzungen sind die Erzeugung von Luftdruckunterschieden, die zu Wind führen. 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 und Hitze (
Solarthermie bzw.
Photothermik)
Sonnenwärmekraftwerke erzeugen mit Hilfe von Hitze und Wasserdampf elektrischen Strom
Pflanzen und pflanzliche Abfälle werden so verarbeitet, dass nutzbare Flüssigkeiten (z. B.
Äthanol,
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
[1], 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 ca. 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.
Thermische_Solaranlagen verwenden unterschiedliche Arten von
Wärmespeicher. 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 solarthermischlektrischen Kraftwerken wird durch Spiegel konzentrierte
Sonnenstrahlung genutzt, um Hitze zu erzeugen und
Dampfturbinen anzutreiben. Wärmespeicher (beispielsweise Flüssigsalztanks) können darüber hinaus einen Teil der Wärme (mit geringen Verlusten) tagsüber aufnehmen, 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: EU-MENA)
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 10.000-fachen des Welt
primärenergiebedarfs.
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 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.
[2] 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 ähnliche Studie der USA namens
Grand Solar Plan sieht die Nutzung in den USA vor.
Es wird auch darüber nachgedacht, Solarenergie per Satellit einzufangen und auf die Erde zu übermitteln.
[3]
Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Einfallswinkel
Aktuell wird in Deutschland nach Berechnungen des Verbandes der Deutschen Elektrizitätswirtschaft VDEW 0,25 Prozent des Stromverbrauchs aus Solarenergie gedeckt, aus Windenergie rund dreißigmal mehr.
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:
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.
Vorteile der Sonnenenergienutzung
Als Vorteile der photovoltaischen oder thermischen Nutzung von Sonnenenergie werden folgende Punkte diskutiert:
Sie ist im Gegensatz zu fossilen Energieträgern oder radioaktiven Isotopen unbegrenzt verfügbar.
Es kommt zu keiner Freisetzung von Feinstaub, wie z. B. Rußpartikeln, oder
Treibhausgasen, wie etwa
CO2.
Hinsichtlich der Stromerzeugung durch viele kleine Photovoltaik-Anlagen statt durch Großkraftwerke werden weiter folgende Vorteile gesehen:
Energieverluste durch Übertragung und Verteilung werden reduziert (übliche Wechselstrom-Hochspannungstrassen verursachen ca. 14 % Leistungsverlust
[4]).
Kosteneinsparungen aufgrund des Umstands, dass die Kosten der Weiterleitung und Verteilung zentral erzeugter Elektrizität etwa so hoch sind wie die Kosten der Energieerzeugung selbst.
[5]
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 %.
[6] 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 der Sonnenenergienutzung
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 solartechnische Energiegewinnung deutlich weniger effektiv ist. 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 einer aktuellen Studie der Europäischen Union je nach Bauart rund 1,5 bis 6 Jahre betrieben werden. Da die Lebensdauer der
Solarmodule bei ca. 20-40 Jahren liegt, ist die Gesamtenergiebilanz positiv.
Als derzeit größter Nachteil insbesondere der Photovoltaik werden die immensen Kosten betrachtet. Strom aus Windkraft ist mit 6 bis 8 Cent pro Kilowattstunde bereits deutlich teurer als in herkömmlichen Kraftwerken produzierte Energie; die Erzeugungskosten bei solarthermischen Kraftwerken liegen derzeit je nach Standort bei 9-22 Cent. Strom aus Photovoltaik kostet dagegen 40 bis 50 Cent. In Deutschland trägt diese Kosten die Allgemeinheit der Stromverbraucher, denn das deutsche Erneuerbare-Energien-Gesetz legt fest, dass die Mehrkosten für Solarstrom auf alle Verbraucher verteilt werden. 1999 betrugen die Kosten 19 Mio. Euro, 2005 506 Mio. Euro und 2008 werden über eine Milliarde Euro an Zusatzkosten für die Stromverbraucher erwartet. Hier ist zu beachten, dass der Solarstromanteil an der deutschen Stromproduktion dann immer noch weniger als 0,5 Prozent betragen wird. Ob die derzeitige Förderungspraxis den gewünschten Lenkungseffekt - nämlich die mittelfristige Entwicklung einer Energieinfrastruktur mit "volkswirtschaftlich" wettbewerbsfähigen Preisen - erscheint problematisch. Bei langfristiger Abnahmepreisgrantie wie z. B. im deutschen Erneuerbare-Energien-Gesetz vorgesehen, ist insbesondere die Solarstromproduktion jedem Wettbewerb enthoben; die Solarstromproduzenten und die dahinterstehenden Hersteller unterliegen keinem "Änderungsdruck" in Richtung auch betriebswirtschaftlich bezahlbarer - d. h. "marktgebildeter" - Solarstrompreise. Die hohen Gewinne der Photovoltaiktechnikhersteller und die Kursenwicklung der Aktien dieser Unternehmen sind dafür bezeichnend. Durch steuerliche Vorteile und Querfinanzierung
subventionierte Gewinne und Wertsteigerungen erweisen sich mittel- und langfristig nicht als zielführend.
Technischen und wirtschaftlichen Unzulänglichkeiten stehen allerdings breite Entwicklungsmöglichkeiten gegenüber. Sollte Solarenergie zunehmende Verbreitung finden, wird erwartet, dass sich die von der Herstellungsmenge unabhängigen Kosten auf größere Stückzahlen verteilen und bereits dadurch die Kosten pro Kilowattstunde sinken (
Fixkostendegression). Darüber hinaus wird im Bereich solartechnischer Energieerzeugung noch ein bedeutsames Entwicklungspotential bei der Steigerung des Wirkungsgrads gesehen.
Quelle: Wikipedia LastUpdate 06.07.08
