Erneuerbare Energien

Sonnenenergie

Die Sonne ist die größte Energiequelle, die der Menschheit zur Verfügung steht. Sie kann genutzt werden, um Wärme und Strom zu erzeugen.

Von Annika Franck

Die Sonne: unser größter Energielieferant

Eigentlich gehen alle unsere Energieträger auf die Energie aus der Sonne zurück, sowohl die fossilen Brennstoffe als auch Energie aus Wind, Wasser, Wärme aus der Erde oder aus Biomasse. Denn durch das Licht der Sonne können Pflanzen wachsen.

Die Fotosynthese, also die Umwandlung von Sonnenlicht und Wasser in Nährstoffe, bildet die Grundlage dieser Wachstumsprozesse. In vielen Millionen Jahren wurden Pflanzen zu den fossilen Energieträgern Gas, Öl und Kohle.

Die Sonne ist außerdem Motor für die so genannte planetarische Zirkulation. Durch die Energie der Sonne entstehen Hoch- und Tiefdruckgebiete und damit Wind. Und die Sonne ist Antrieb für den Wasserkreislauf der Erde – wenn etwa Wasser verdunstet und als Niederschlag auf die Erdoberfläche zurückkommt.

Die Strahlungsenergie, die innerhalb von 90 Minuten auf die Erde trifft, entspricht in etwa dem Weltenergieverbrauch eines Jahres. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, Energie direkt aus der Sonne zu gewinnen: über Photovoltaikanlagen und über solarthermische Kraftwerke.

So funktioniert Photovoltaik

Photovoltaikanlagen wandeln die Energie der Sonne in elektrische Energie um, die wir dann als Strom nutzen können. Dazu nutzen sie Solarzellen, die aus Schichten aus Halbleitermaterial bestehen. Fällt Sonnenlicht auf diese Solarzellen, baut sich zwischen den Schichten eine Spannung auf, die Elektronen setzen sich in Bewegung und es entsteht Strom.

Dabei entsteht Gleichstrom, der über ein spezielles Gerät, einen Wechselrichter, in Wechselstrom umgewandelt wird. Er kann dann direkt im Haushalt genutzt oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Seit einigen Jahren wird der Strom auch in Batterien zwischengespeichert.

Solarzellen werden in so genannten Photovoltaikmodulen zusammengeschaltet. Diese Module gibt es in verschiedenen Varianten. Die Module können dort angebracht werden, wo der Strom aus der Sonne gewonnen werden soll – beispielsweise auf dem Dach eines Hauses oder auch als Fassade.

Die Kosten für Photovoltaikanlagen sinken seit Jahren; zudem sind die Module leistungsstärker und damit effektiver geworden. Grund dafür ist, dass sich der Wirkungsgrad verbessert hat. Der Wirkungsgrad beschreibt bei Modulen das Verhältnis von der als Strom genutzten Energie zur von der Sonne eingestrahlten Energie. Mit der gleichen Anzahl von Modulen und Anlagen entsteht inzwischen deutlich mehr Strom.

So funktioniert Solarthermie

Hinter dem Konzept der Solarthermie steckt, dass Sonnenlicht in Wärme umgewandelt wird. Dazu werden Solarkollektoren benutzt. In der Regel handelt es sich dabei um schwarz beschichtete Metall-Flächen, sogenannte Absorber. Diese nehmen die Strahlungsenergie der Sonne auf, werden dadurch heiß und geben die Wärme an eine Flüssigkeit ab.

Über einen Wärmetauscher wird diese Wärme an einen Speicher abgegeben. Das warme Wasser aus diesem Speicher kann dann im Haushalt genutzt werden, beispielsweise zum Duschen oder Waschen oder um die Heizung in einem Gebäude zu unterstützen. Auch bei der Erwärmung von Schwimmbadwasser kommt diese Technik zum Einsatz.

Kraftwerke, die die Wärme der Sonne nutzen

Ein Sonderfall sind solarthermische Kraftwerke. In diesen Anlagen wird die Sonnenstrahlung mit Spiegeln so stark konzentriert, dass eine Trägersubstanz auf mehrere hundert Grad Celsius erhitzt werden kann. Damit wird Wasser so stark erhitzt, dass Dampf entsteht. Dieser wird dann genutzt, um Turbinen anzutreiben, die Strom erzeugen.

Eine Variante sind so genannte Parabolrinnenkraftwerke. In diesen Anlagen sind mehrere Parabolspiegel rinnenförmig angeordnet. Diese Spiegel reflektieren und konzentrieren das Licht auf die Brennlinie in der Mitte der Rinne. Dort wird die Strahlungsenergie aufgenommen und erhitzt ein Öl in einer dünnen Röhre. Wie oben beschrieben, entsteht über Turbinen elektrische Energie.

Ein Nachteil: Der Dampf muss wieder heruntergekühlt werden, damit neue Wärme aufgenommen werden kann. Dazu wird Wasser verwendet – was in sonnenreichen Gegenden, für die Solarthermie-Kraftwerke besonders geeignet sind, oft ein Problem darstellt.

Solarthermie-Kraftwerke gibt es vor allem in Südspanien und den USA. In Deutschland stehen allenfalls Testanlagen, zum Beispiel am Forschungszentrum in Jülich, wo ein Solarturmkraftwerk betrieben wird.

In Deutschland sind Solarzellen vor allem auf Dächern

Ein Teil der Photovoltaik-Anlagen in Deutschland ist auf Dächern installiert, ein Teil auf sogenannten Freiflächenanlagen. Grundsätzlich hält es das Umweltbundesamt für "wünschenswert, auch weiterhin einen möglichst großen Anteil der benötigten Photovoltaikanlagen auf Dächern zu installieren", damit keine weiteren Wiesen oder Flächen mit Anlagen bebaut werden müssen.

Auch Manfred Fischedieck vom Wuppertal Institut für Klima, Umwelt und Energie hält das Potenzial für noch längst nicht ausgeschöpft: "Gewerbliche Dachflächen, Parkplätze, die man überdacht und dann mit Photovoltaik nutzt, Randstreifen an Autobahnen – das sind Möglichkeiten, die immer noch besser sind, als komplett freie Flächen zu nutzen", sagt er.

Bei freien Flächen sei eine Art Doppelnutzung denkbar: Landwirtschaftlicher Anbau am Boden, darüber – in entsprechendem Winkel – Photovoltaik-Module.

Photovoltaikanlagen haben nach ein bis zwei Jahren eine ausgeglichene Energiebilanz, das haben Berechnungen des Umweltbundesamtes ergeben. Dann hat eine solche Anlage so viel Energie produziert, wie für Herstellung, Betrieb und Entsorgung aufgewendet werden musste.

Volker Quaschning, Professor für Regenerative Energiesysteme an der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin, hält Photovoltaik daher auch für eine "sehr elegante Methode", um klimafreundliche Energie zu erzeugen. Und die Module seien inzwischen deutlich preiswerter geworden als bei ihrer Einführung: "Solarstrom ist derzeit die billigste Art der Stromerzeugung in Deutschland".

Das liegt einerseits an technischen Weiterentwicklungen, aber auch an Massenproduktion beispielsweise in China. Diese Entwicklungen hätten Experten wie Quaschning und Fischedieck noch vor einigen Jahren nicht für möglich gehalten.

Quaschning geht davon aus, dass rund ein Drittel des Strombedarfs in Deutschland durch Photovoltaik gedeckt werden kann. Auch Manfred Fischedieck hält das Potenzial für riesig – das liegt auch daran, dass die Widerstände gegen die Nutzung vergleichsweise gering sind.

(Erstveröffentlichung 2021. Letzte Aktualisierung 01.03.2021)