Solarenergienutzung

Die Sonne ist ein gigantischer und quasi unerschöpflicher Energielieferant. Jedes Jahr erreichen rund 1,1 Trillionen Kilowattstunden (kWh) die Erde. Das ist um ein Vielfaches mehr als der Weltenergiebedarf von rund 150 Milliarden Kilowattstunden. Doch neben vielen Vorteilen (Ressourcenschonung, keine Emissionen, keine Verbrennungsrückstände etc.) hat die Solarenergienutzung den Nachteil der geringen Leistungsdichte von maximal 1,3 kW/m², woraus ein relativ hoher Flächenbedarf zur Gewinnung folgt. Außerdem ist die Solarenergie starken tages- und jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Die Zwischenspeicherung ist also ein wichtiger Baustein zu ihrer effizienten Nutzung.

Gallerie

Im Inneren der Sonne finden Kernfusionsprozesse bei Temperaturen von über 5.000 °C statt, bei denen die Kerne von Wasserstoffatomen verschmelzen und Helium bilden. Bei diesem Prozess entstehen elektromagnetische Wellen, die auf die Erde in Form von Sonnenstrahlen treffen. Bis die Sonne ihren Vorrat an Wasserstoff verbraucht hat, werden noch über fünf Milliarden Jahre vergehen. Bis dahin erhalten wir auf der Erde konstant Sonnenenergie. Vor dem Hintergrund der Endlichkeit fossiler Energieträger, ihrer schädlichen Emissionen und somit des Klimaschutzes ist es absolut notwendig, die von der Sonne zur Verfügung gestellte Energie sinnvoll zu nutzen. Dies kann auf drei verschiedene Arten erfolgen: solarthermisch, photovoltaisch oder passiv.

Solarthermische Anlagen

Bei einer solarthermischen Anlage (auch: Solarthermieanlage) wird die Sonnenwärme unmittelbar genutzt. Sie wird über Sonnenkollektoren einer Trägerflüssigkeit (meist Wasser, Öl oder eine spezielle Kühlflüssigkeit) zugeführt, die über Rohrleitungen zu einem Wärmespeicher transportiert und für Heizung und Warmwasser zur Verfügung gestellt wird. Zur Beheizung eines Hauses reicht die Nutzung der solarthermischen Energie im Regelfall allerdings nicht aus, da sich das solare Energieangebot größtenteils anders verhält als der Energiebedarf eines Haushalts. Insbesondere im Winter, wenn die meiste Heizenergie benötigt wird und nur wenig solare Energie zur Verfügung steht, bedarf es also einer Zusatzheizung, etwa einer Wärmepumpe oder eines Blockheizkraftwerks, welche mit Bio-Treibstoff betrieben werden, um die benötigte Energie für Heizung und Warmwasser zur Verfügung stellen zu können. Thermische Solaranlagen können auch zur reinen Unterstützung eingesetzt werden. In den Sommermonaten wiederum kann eine Solarthermieanlage in Kombination mit einem ausreichend großen Pufferspeicher den kompletten Warmwasserbedarf decken. Bei der Auslegung der Anlagen muss jedoch auf die regionalen Verhältnisse Rücksicht genommen werden, da die jährlich zur Verfügung stehende solare Energiemenge beispielsweise in Deutschland pro Quadratmeter zwischen 900 und 1.200 kWh variiert.

Solarthermie-Großanlagen
Auch im größeren Maßstab können Solarthermieanlagen gebaut werden. Hierbei werden etwa einzelne Solarmodule, die im Prinzip denen auf dem Dach eines Hauses ähneln, auf großen Flächen installiert. Bei manchen Anlagen wird das Sonnenlicht von Spiegeln auf einen Punkt gebündelt, wo die Trägerflüssigkeit erhitzt wird. Die derart gewonnene Wärmeenergie wird dann in Wasserdampf-Generatoren zur Erzeugung von Strom eingesetzt.

Photovoltaikanlagen

In einer Photovoltaikanlage (Abkürzung: PV-Anlage) wird das Sonnenlicht durch Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt, die vielfältig einsetz- und verwendbar ist. Der Strom kann entweder direkt im Gebäude verbraucht oder gespeichert werden. Überschüssiger Strom kann außerdem ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom gelingt durch Solarzellen aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien, die bei Einfall des Lichts Ladungen freisetzen, die in Form von Elektronen über einen Leiter abfließen können. In einer Solarzelle wird zunächst Gleichstrom erzeugt, der durch einen Wechselrichter in den üblicherweise eingesetzten Wechselstrom umgewandelt werden kann. Auch bei der Planung von PV-Anlagen muss auf die regional zur Verfügung stehende solare Energiemenge Rücksicht genommen werden.

PV-Anlage im Smart Building
Photovoltaikanlagen sind heute oftmals in ein ganzes Smart-Building-System eingebunden, in dem die verschiedenen Energieströme von der Energiegewinnung bis zu den einzelnen Verbrauchern intelligent bzw. digital gesteuert werden. So kann der Strom bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt und die Verluste können auf einem Minimum reduziert werden.

Passive Nutzung von Solarenergie

Während Solarthermie- und PV-Anlagen die Sonnenenergie aktiv nutzen, um nutzbaren Strom oder Wärme zu erzeugen, kann die Sonneneinstrahlung auch passiv genutzt werden. Nach dem Prinzip eines Gewächshauses kann die Wärme aus der Sonnenenergie in geschlossenen Räumen gespeichert bzw. gesammelt und so zur Beheizung genutzt werden. Passivhäuser etwa speichern die Wärme aus der Solarenergie enorm gut und nahezu verlustfrei. Ein Passivhaus bedarf allerdings einer detaillierten Planung des Gesamtsystems sowie eines bewussten Verhaltens der Nutzerinnen und Nutzer.

Speicherung von Solarenergie

Die Speicherung von solarthermischer Energie in Form von Wärme in einem Pufferspeicher (gefüllt mit Wasser) ist recht simpel. Entsprechende Systeme bieten alle Hersteller von Heizsystemen an. Auch die Speicherung von Solarenergie in Form von Strom in Batterien bzw. Akkumulatoren ist einfach, meist jedoch mit etwas höheren Verlusten verbunden. Stromspeicher sind zudem noch recht groß und teuer. Die Forschung der Stromspeicherung allerdings ist noch längst nicht am Ende angelangt, weswegen in Zukunft mit weiteren, effizienteren Technologien zu rechnen ist. Da Strom außerdem ein sehr vielfältiges Energiemedium ist, kann er zum Beispiel auch im Bereich der Elektro-Mobilität eingesetzt oder dem öffentlichen Stromnetz zur Verfügung gestellt werden. Er gilt als wichtigster Energieträger der Zukunft, weshalb seine Erzeugung aus Solarenergie künftig eine zentrale Rolle einnehmen wird.

Fachwissen zum Thema

Bauwerke zum Thema