Sonnenenergiegewinnung

Weltweit verfügbare Sonnenenergie. Die Farben in der Karte zeigen die lokale 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 mit Solarenergie betrieben wird.

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.

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 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. 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]. Dass der dabei entstehende Energiestrahl sowohl unbeabsichtigte Schäden verursachen kann, als auch zu politischem Missbrauch verführt, steht auf einem anderen Blatt.

Im übrigen verschenken alle zentralistischen Zahlenspielereien und Szenarien den zentralen Vorteil der Solarenergienutzung: Sonnenenergie gibt es in bereits verteilter Form (dezentral) in fast allen Siedlungsgebieten der Menschheit in ausreichender Menge. Die Konzentration der Windenergienutzung im Norden und Nordosten Deutschlands hat bereits dafür gesorgt, dass es Probleme mit dem Energietransport nach Süden und Südwesten gibt. Es nutzt nur bestimmten (wenigen) Leuten, wenn zentrale Strukturen geschaffen werden.

Aktuell (2008) wird in Deutschland nach Berechnungen des Verbandes der Deutschen Elektrizitätswirtschaft VDEW 0,83 Prozent des Stromverbrauchs aus Solarenergie gedeckt (4.134 von 497.934 GWh), aus Windenergie rund zehnmal mehr (41.143 GWh, 8,26 %). 2005 lag der Beitrag noch bei 0,12 % (571 von 475.507 GWh). Siehe VDN-Angaben für 2008^[4], 2007^[5], 2006^[6], 2005^[7].

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, 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^[8]).
• Kosteneinsparungen aufgrund des Umstands, dass die Kosten der Weiterleitung und Verteilung zentral erzeugter Elektrizität etwa so hoch sind wie die Kosten der Energieerzeugung selbst.^[9]
• 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 der Sonnenenergienutzung

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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 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 aktuellen Studie des Energy research Centre of the Netherlands (ECN) je nach Bauart rund 1,5 bis 3,5 Jahre betrieben werden ^[10]. Da die Lebensdauer der Solarmodule bei ca. 20 – 40 Jahren liegt, ist die Gesamtenergiebilanz jedoch positiv.

• Als derzeit größter Nachteil insbesondere der Photovoltaik werden die Kosten betrachtet. Strom aus Windkraft ist mit 6 bis 8 Cent pro Kilowattstunde bereits deutlich teurer als in alten 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 ein Prozent betragen wird. Ob die derzeitige Förderungspraxis den gewünschten Lenkungseffekt – nämlich die mittelfristige Entwicklung einer Energieinfrastruktur mit "volkswirtschaftlich" wettbewerbsfähigen Preisen – erscheint wegen dieser relativ hohen Beträge problematisch. Andererseits ist durch die vom Gesetz gegebenene jährliche Absenkung Vergütung (eine jetzt in Betrieb genommene Anlage bekommt 5 % weniger Vergütung als eine im Vorjahr in Betrieb genommene) das Hauptargument gegen Subventionen – die langfristige Marktverzerrung – hinfällig, da die Hersteller einem vorgegebenen "Änderungsdruck" in Richtung auch kostengünstigerer Anlagen unterliegen. Die hohen Gewinne der Photovoltaiktechnikhersteller und die Kursenwicklung der Aktien dieser Unternehmen sind ein starker Kritikpunkt hinsichtlich der Marktangemessenheit der gegebenen Vergütungen, sollten allerdings auch in Relation zu den "marktwirtschaftlich" (sofern man bei einem faktisch gegebenen Oligopol vierer großer Anbieter von einem Markt reden kann) erwirtschafteten Gewinnen der großen konventionellen Stromerzeuger gesehen werden.

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.

Siehe auch

 Portal: Energie – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Energie

• Klimaschutz, Solararchitektur
• Dezentrale Stromerzeugung
• Solarsimulation

Literatur

• Christian Kuhtz, Georg Böhmeke: Aus der Reihe: Einfälle statt Abfälle, Einfache Nutzung der Sonnenwärme. 12 Bauanleitungen für viele Zwecke. Ausführliche Anleitung für gute, billige Warmwasser-Anlagen. Mit großem Basteltrick-Verzeichnis, Selbstverlag "Einfälle statt Abfälle", Erweiterte Neuauflage 2003, ISBN 3-924038-57-0

Weblinks

• www.bine.info Portal zum Thema Energieeffizienz
• www.vdn-berlin.de/eeg_prognose_2008.asp – Die Menge an gesetzlich geförderten Strom aus erneuerbaren Energien einschließlich extra Ausweis Anteil Solar, Angaben für das Jahr 2008.
• volker-quaschning.de – "Think Big!": Szenario Energieerzeugung in Afrika und HGÜ
• www.zeit.de – "Grüne Wiese, rotes Tuch - Die Solarbranche fürchtet Widerstände gegen Freilandanlagen und müht sich um öffentliche Zustimmung" (aus Die Zeit 25/04)

Quellen

1. ↑ Zeit: Zu schnell, zu groß
2. ↑ nano.de: video: Spanien baut eines der weltgrößten Solarkraftwerke. Auch mit Informationen zu möglicher Energieerzeugung in Nordafrika.
3. ↑ spiegel.de: PENTAGON-PLAN: Satelliten sollen Sonnenenergie zur Erde beamen
4. ↑ EEG-Einspeisung Deutschland 2008
5. ↑ EEG-Einspeisung Deutschland 2007
6. ↑ EEG-Einspeisung Deutschland 2006
7. ↑ EEG-Einspeisung Deutschland 2005
8. ↑ Bürgerinitiative Vorsicht Hochspannung
9. ↑ Amory B. Lovins: Sanfte Energie. Für einen dauerhaften Frieden, Reinbek 1983, zitiert nach Scheunemann, 1995
10. ↑ 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; 7p. Presented at the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany, 4-8 September 2006.