Was ist Solarenergie?
Solarenergie ist die Energie, die von der Sonne kommt. Genauer gesagt, handelt es sich um die elektromagnetische Strahlung der Sonne, die auf die Erde trifft.
Diese Strahlungsenergie kann mit Hilfe von Solarzellen oder Solarthermie-Anlagen in elektrischen Strom oder Wärme umgewandelt werden. Solarenergie ist damit eine Form der erneuerbaren Energie, da die Energie der Sonne praktisch unerschöpflich ist. Die Sonne wird noch für mehrere Milliarden Jahre weiter strahlen.
Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdöl und Erdgas handelt es sich bei Solarenergie um eine saubere, emissionsfreie Energiequelle. Wird Solarenergie genutzt, entstehen keine Treibhausgase oder andere Schadstoffe. Aus diesem Grund gilt Solarenergie als eine der umweltfreundlichsten Energieformen.
Die Nutzung von Solarenergie ist zudem unabhängig von Rohstoffen oder Importen. Solarenergie kann überall auf der Welt gewonnen werden, wo die Sonne scheint. Dies macht sie politisch unabhängig und versorgungssicher.
Wie viel Energie liefert die Sonne?
Die Sonne ist die größte Energiequelle unseres Planeten. Pro Sekunde strahlt sie etwa 4 Millionen Tonnen Materie in Form von Licht und Wärme ins All ab. Die gesamte jährliche Energieleistung der Sonne beträgt unvorstellbare 1119 Trillionen Kilowattstunden (kWh).
Zum Vergleich: Der gesamte Energieverbrauch der Menschheit im Jahr 2020 lag bei etwa 600 Milliarden kWh. Das heißt, die Sonne produziert rund 2 Millionen Mal mehr Energie, als die Menschheit derzeit verbraucht.
Allerdings erreicht nur ein winziger Bruchteil dieser Energie auch die Erde. Aufgrund der großen Entfernung zwischen Sonne und Erde geht ein Großteil der Strahlungsenergie bereits auf dem Weg verloren. Dennoch beträgt die Energiemenge, die jährlich auf die Erdoberfläche trifft, immer noch das 15.000-fache des globalen Energiebedarfs.
Die enorme Energieleistung der Sonne ist praktisch unerschöpflich. Selbst wenn wir einen vielfach höheren Energiebedarf hätten, könnte die Sonne diesen problemlos decken.
Wie entsteht die Energie der Sonne?
Die Energie der Sonne entsteht durch Kernfusionsprozesse in ihrem Inneren. Bei der Kernfusion werden Wasserstoffkerne zu Helium verschmolzen.
Genauer gesagt werden in der Sonne vier Protonen (Wasserstoffkerne) zu einem Heliumkern fusioniert. Dabei wird ein Teil der Masse in Energie umgewandelt. Dies geschieht kontinuierlich und erzeugt die enorme Energie, die von der Sonne ausgestrahlt wird.
Die Sonne hat einen Durchmesser von etwa 1,4 Millionen Kilometern. In ihrem Zentrum herrschen Temperaturen von rund 15 Millionen Grad Celsius. Bei diesen extremen Bedingungen können die Kernfusionsprozesse ablaufen, bei denen Wasserstoff zu Helium fusioniert und dabei große Mengen an Energie freigesetzt werden.
Die Kernfusion in der Sonne ist der Grund, warum sie seit Milliarden von Jahren scheint und Leben auf der Erde möglich macht. Solarenergie ist demnach Kernfusionsenergie, die durch die Umwandlung von Wasserstoff zu Helium in der Sonne entsteht.
Potenzial der Solarenergie
Das Potenzial der Solarenergie ist nahezu unerschöpflich. Theoretisch liefert die Sonne jedes Jahr mehr als 7500-mal so viel Energie, wie die gesamte Menschheit verbraucht. Praktisch lässt sich natürlich nur ein Bruchteil dieser Energie nutzen, aber auch dieses praktisch nutzbare Potenzial ist enorm.
Laut Schätzungen könnten allein in Wüstenregionen der Erde jährlich Strom im Umfang von bis zu 7000 Terawattstunden erzeugt werden. Zum Vergleich: Der gesamte weltweite Stromverbrauch lag im Jahr 2018 bei etwa 26.700 Terawattstunden. Rein rechnerisch könnten also allein in den Wüsten fast 30% des globalen Strombedarfs durch Solarenergie gedeckt werden.
In Deutschland ist das Potenzial für Solarenergie ebenfalls beträchtlich. Eine Studie des Umweltbundesamts kam zu dem Ergebnis, dass bis 2050 etwa 25 bis 30 Prozent des deutschen Bruttostromverbrauchs durch Photovoltaikanlagen auf Dächern und versiegelten Flächen erzeugt werden könnten.
Die Sonnenergie hat also das Potenzial, einen sehr großen Teil des künftigen Energiebedarfs zu decken. Sowohl global als auch in einzelnen Ländern wie Deutschland ist die Solarenergie eine der wichtigsten erneuerbaren Ressourcen für eine nachhaltige und klimafreundliche Energieversorgung.
Standortunabhängigkeit
Solarenergie kann grundsätzlich überall auf der Welt genutzt werden, auch an Standorten mit relativ wenig direkter Sonneneinstrahlung. Moderne Solarmodule sind inzwischen so leistungsfähig, dass selbst bei diffuser Einstrahlung oder Wolken ein nutzbarer Ertrag erzielt werden kann.
In Regionen abseits des Äquators kommen oft Hybridsysteme zum Einsatz, die Solarenergie mit anderen erneuerbaren Energien kombinieren. Besonders die Kombination von Solar- und Windenergie hat sich bewährt. Während die Solarenergie tagsüber Strom liefert, übernehmen Windturbinen die Stromproduktion bei Nacht und in windreichen Gebieten auch tagsüber.
Auch in Polargebieten lassen sich Solarkraftwerke betreiben, wenn sie mit Energiespeichern und Windturbinen ergänzt werden. Die noch junge Technologie der schwimmenden Solarparks auf Seen oder Meeren eröffnet zudem Potenzial für sonnenreiche, aber flächenknappe Regionen.
Mit smarter Steuerung und Speicherung kann Solarenergie somit an den meisten Orten der Erde einen substanziellen Anteil am Energiemix liefern. Die solare Standortgunst ist kein limitierender Faktor mehr für die Energiewende.
Vor- und Nachteile der Solarenergie
Die Nutzung von Solarenergie hat einige wichtige Vor- und Nachteile, die man kennen sollte.
Vorteile
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Erneuerbar und unerschöpflich: Die Energie der Sonne steht praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Solarenergie ist eine erneuerbare Energiequelle, die niemals versiegen wird.
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Umweltfreundlich: Bei der Umwandlung in nutzbare Energie entstehen keine Treibhausgase oder andere Schadstoffe. Solarenergie ist sauber und hilft, den Klimawandel zu verlangsamen.
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Unabhängigkeit: Solarenergie macht unabhängig von Öl, Gas und anderen fossilen Brennstoffen. Die Sonne schickt keine Rechnung für ihre Energie.
Nachteile
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Nur tagsüber verfügbar: Die Sonne scheint nicht rund um die Uhr. Deshalb ist Solarenergie nur am Tag direkt nutzbar, nachts und bei Bewölkung fällt die Energieproduktion aus.
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Kosten: Für Solaranlagen sind hohe Investitionen in die Technik notwendig. Allerdings sinken die Kosten immer weiter und Amortisierung ist oft nach wenigen Jahren erreicht.
Photovoltaik
Photovoltaik wandelt die Energie des Sonnenlichts direkt in elektrischen Strom um. Dies geschieht mithilfe von Solarzellen, die meist aus Silizium bestehen.
Funktionsweise
Die Solarzellen nutzen den photovoltaischen Effekt, bei dem Photonen des Sonnenlichts Elektronen im Material anregen und dadurch eine Spannung erzeugen. Über elektrische Leitungen werden die Elektronen abgeführt und es fließt elektrischer Strom. Mehrere Solarzellen werden zu Solarmodulen zusammengeschaltet.
Vorteile
- Direkte Umwandlung in elektrischen Strom
- Modulare und skalierbare Bauweise
- Geringer Wartungsaufwand
- Lange Lebensdauer
- Kann dezentral eingesetzt werden
Nachteile
- Vergleichsweise geringer Wirkungsgrad
- Hohe Investitionskosten
- Leistung hängt von Sonneneinstrahlung ab
- Platzbedarf
Solarthermie
Solarthermie ist die Nutzung der Sonnenenergie zur Wärmeerzeugung. Dabei wird die Wärmestrahlung der Sonne aufgefangen und in Wärme umgewandelt.
Funktionsweise
Die Funktionsweise von solarthermischen Anlagen beruht darauf, dass Sonnenstrahlung von einem Absorber aufgefangen wird. Der Absorber ist meist aus Metall gefertigt und besitzt eine selektive Beschichtung, die die Sonnenstrahlung optimal aufnimmt. In den Absorber sind in der Regel Rohre eingelassen, durch die ein Wärmeträgermedium wie Wasser oder eine Frostschutzlösung fließt. Die Sonnenstrahlung erwärmt den Absorber, der die Wärme an das Medium weitergibt. Von dort wird die Wärme entweder direkt genutzt oder in einem Speicher zwischengelagert.
Die simply auch Collectoren genannten solarthermischen Anlagenteile können flach auf Dächern montiert sein oder als Röhrenkollektoren ausgeführt sein, die der Sonne nachgeführt werden. Letztere erreichen höhere Temperaturen.
Anwendungsbereiche
Typische Anwendungen von Solarthermie sind:
- Warmwasserbereitung
- Heizungsunterstützung
- Prozesswärme für die Industrie
- solares Kühlen
Mit Solarthermie lassen sich je nach Kollektortyp Temperaturen zwischen 60 und über 100 Grad Celsius erreichen. Damit eignet sie sich ideal für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. In südlichen Ländern kann Solarenergie auch einen Großteil der benötigten Heizwärme liefern.
Passive Nutzung
Die passive Nutzung von Solarenergie bezieht sich auf Architektur und technische Lösungen, welche die Sonnenenergie ohne Umwandlung in Strom oder Wärme nutzen.
Solare Architektur
Bei der solaren Architektur geht es darum, Gebäude so auszurichten und zu gestalten, dass sie möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen und speichern. Durch die richtige Orientierung und besondere Bauelemente wie große Südfenster kann Solarenergie zum Heizen, Belüften und Beleuchten von Häusern genutzt werden. Oft werden auch solaraktive Baustoffe wie Beton verwendet, die Wärme speichern.
Solaranlagen ohne Umwandlung
Es gibt auch Solaranlagen, die die Energie der Sonne direkt nutzen, ohne sie in Strom oder Wärme umzuwandeln. Ein Beispiel sind solarbetriebene Ventilatoren und Lüfter, die mit der Sonnenenergie angetrieben werden. Auch die natürliche Trocknung von Lebensmitteln und anderen Materialien mit Sonnenenergie zählt zur passiven Nutzung.
Die passive Solarenergienutzung ist oft sehr kostengünstig und effizient. Durch geschickte Integration in die Architektur lassen sich im Vergleich zu aktiven Solarsystemen mitunter ähnlich gute Ergebnisse erzielen.
Verbreitung der Solarenergie
Die Solarenergie hat in den letzten Jahren eine rasante Verbreitung erfahren. Weltweit ist die installierte Leistung von Photovoltaikanlagen von unter 5 Gigawatt im Jahr 2000 auf über 500 Gigawatt im Jahr 2018 gestiegen. Allein zwischen 2017 und 2018 kamen rund 100 Gigawatt an neuen Solaranlagen hinzu.
In Deutschland betrug die installierte Photovoltaikleistung Ende 2018 rund 45 Gigawatt. Damit liegt Deutschland gemessen an der installierten Leistung weltweit auf Platz vier nach China, Japan und den USA. Die jährlichen Zubauraten in Deutschland lagen in den vergangenen Jahren deutlich niedriger als im Solarboom zwischen 2010 und 2012 mit über 7 Gigawatt jährlich. Doch auch in den letzten Jahren stieg die in Deutschland installierte Solarleistung noch um 1,5 bis 2 Gigawatt pro Jahr.
Das enorme Wachstum der Solarenergie in den letzten Jahren zeigt, dass die Technologie wettbewerbsfähig geworden ist. Bei guten Standortbedingungen kann Solarenergie schon heute günstiger Strom erzeugen als fossile Kraftwerke.
Kosten
Die Nutzung von Solarenergie erfordert Investitionen in die Solaranlagen. Die Investitionskosten für Photovoltaikanlagen liegen derzeit bei etwa 1000 € pro Kilowatt Peak installierter Leistung. Allerdings sinken die Kosten aufgrund von technologischen Fortschritten und Skaleneffekten kontinuierlich.
Die laufenden Kosten über die Betriebszeit sind gering, da Sonnenenergie kostenlos ist. Es fallen lediglich Wartungskosten an. Die Stromgestehungskosten aus Photovoltaik liegen derzeit bei ca. 10 Cent pro Kilowattstunde. Durch die sinkenden Investitionskosten werden Photovoltaikanlagen immer rentabler.
Mit verschiedenen Förderprogrammen auf Bundes- und Landesebene werden Investitionen in Photovoltaik unterstützt. Dadurch lassen sich die Amortisationszeiträume deutlich verkürzen.
Förderung von Solarenergie in Deutschland
Der Ausbau von Solarenergie in Deutschland wird durch verschiedene Fördermaßnahmen unterstützt.
EEG
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) regelt die bevorzugte Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien. Betreiber von Photovoltaikanlagen erhalten über 20 Jahre eine feste Einspeisevergütung für den ins Netz eingespeisten Solarstrom. Die Höhe der Vergütung ist abhängig von der Leistung und dem Inbetriebnahmedatum der Anlage.
KfW-Förderprogramme
Über die staatliche KfW-Bank gibt es zinsgünstige Kredite und Tilgungszuschüsse für Photovoltaikanlagen und Solarwärmeanlagen. Gefördert wird sowohl der Bau privater Anlagen als auch der Bau von Solaranlagen durch Kommunen und Unternehmen.
Steuervorteile
Für Photovoltaikanlagen gibt es Steuervergünstigungen. Die Anschaffungs- und Installationskosten können zu einem bestimmten Prozentsatz von der Steuer abgesetzt werden. Auch laufende Kosten wie Wartung und Versicherung sind teilweise steuerlich absetzbar.
Zukunft der Solarenergie
Die Zukunft der Solarenergie sieht vielversprechend aus. Laut Prognosen könnte Solarenergie bis 2050 einen Anteil von 20-50% am globalen Strommix erreichen.
In Deutschland gehen Experten davon aus, dass der Solarausbau weiter vorangetrieben wird. Bis 2030 könnten über 100 GW Solarkapazität installiert sein, der Großteil davon Photovoltaik. Langfristig ist in Deutschland ein Anteil von 30-40% Solarstrom am Strommix möglich.
Forscher arbeiten weiter an Effizienzsteigerungen bei Solarzellen. Dadurch könnten die Kosten für Solarstrom weiter sinken. Zudem gibt es Visionen für neuartige Anwendungen wie schwimmende Solarparks oder Solardächer aus Photovoltaik-Ziegeln. Mithilfe künstlicher Photosynthese aus Solarenergie könnten in Zukunft auch Kraftstoffe und Chemikalien produziert werden.
Insgesamt ist die Solarenergie eine Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige, kohlenstoffarme Energieversorgung. Ihr Potenzial ist nahezu unerschöpflich. Mit stetigen Innovationen und Kostensenkungen kann die Solarenergie langfristig einen Großteil des globalen Energiebedarfs decken.
