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Wenn von Solarenergie die Rede ist, denken die meisten wahrscheinlich zuerst an Solarzellen und Stromerzeugung. Aber was steckt genau dahinter? Und gibt es noch andere Möglichkeiten, Solarenergie zu nutzen? Hier erfährst Du von unserer Community, welche Bedeutung die Energie der Sonne für uns Menschen hat und auf welche Arten wir sie nutzen können.
Als Solarenergie oder auch Sonnenenergie bezeichnet man ganz allgemein die gesamte Energie, welche von der Sonne in Form von elektromagnetischer Strahlung auf die Erdoberfläche gesendet wird. Sie entsteht im inneren der Sonne durch die ständige Fusion von Wasserstoff zu Helium, wobei unvorstellbare Energiemengen in Form von sichtbarem Licht und Wärmestrahlung freigesetzt werden. Seit ihrer Entstehung vor etwa 4,5 Milliarden Jahren hat sie dabei gerade mal die Hälfte ihres Wasserstoffvorrates verbraucht, er wird also noch mindestens für weitere 4,5 Milliarden Jahre ausreichen.
Sonnenenergie ist die regenerative Energiequelle schlechthin. Sie erreicht die Erdoberfläche in Form von sichtbarem Licht und unsichtbarer, aber fühlbarer Wärmestrahlung. Sie ist vor Geothermie und Gezeitenkraft die mit Abstand wichtigste regenerative Energiequelle und steht in menschlichen Zeithorizonten praktisch unendlich lange zur Verfügung.
Die Nutzung der Sonnenenergie begann natürlich nicht erst mit Erfindung der ersten Solarzellen durch den Menschen, sie begann bereits vor 2-3 Milliarden Jahren, als die ersten Algen und später Pflanzen die Fähigkeit entwickelten, Photosynthese zu betreiben und damit bis heute die Nahrungsgrundlage für Menschen und Tiere zu schaffen. Erst dadurch wurde das Leben - so wie wir es kennen - auf diesem Planeten möglich.
Der allergrößte Teil der Strahlungsenergie - auch des sichtbaren Lichts - wird in der Atmosphäre und auf der Erdoberfläche jedoch in Wärme umgewandelt. Diese Wärme macht den Planeten erst bewohnbar, lässt das Wasser der Ozeane verdunsten und treibt Wind und Wettersysteme an, welche es über dem Festland und in Gebirgen wieder regnen lassen. Somit greift man übrigens auch bei der Nutzung von Wind- und Wasserkraft indirekt auf die Energie der Sonne zurück.
Die Energie der Sonne bildet also nicht nur die Grundlage allen Lebens auf der Erde, indem sie für erträgliche Temperaturen sorgt und die Pflanzen wachsen lässt - sie ist gleichzeitig auch der Ursprung nahezu aller technisch nutzbaren Energieformen auf diesem Planeten.
Bei der direkten Nutzung des Sonnenlichtes als Energiequelle kannst Du grob zwischen drei Methoden unterscheiden.
Photovoltaik zur direkten Gewinnung elektrischer Energie
Solarthermie zur Gewinnung von Wärme
Sowie solarthermische Kraftwerke, welche die Wärmeenergie nutzen, um daraus indirekt elektrische Energie zu erzeugen.
Photovoltaik ist ein Verfahren, mit dessen Hilfe die Energie des Sonnenlichts direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die dazu verwendeten Solarzellen bestehen aus sehr dünnen und meistens etwa 15x15cm großen Siliziumscheiben (Wafer). Da Silizium ein sogenannter Halbleiter ist, findet hier ein besonderer Effekt statt, den Du dir vereinfacht so vorstellen kannst:
Trifft Sonnenlicht auf einen solchen Halbleiterkristall, werden von den Lichtteilchen (Photonen) negative Ladungen (Elektronen) aus den Atomen des Kristallgitters “herausgeschossen”. Da die Elektronen aber sozusagen sofort wieder zurück in ihre “Löcher” wollen, muss durch einen technischen Trick (n/p-Dotierung) dafür gesorgt werden, dass die Elektronen nach oben (n-Schicht) und die entstandenen positiv geladenen “Löcher” in der Solarzelle nach unten (p-Schicht) gedrängt werden. Der direkte Rückweg ist aber durch eine Grenzschicht in der Mitte der Zelle versperrt, es entsteht also eine elektrische Spannung zwischen der Ober- und Unterseite der Solarzelle. Wird der Stromkreis nun mit Leitungen auf beiden Seiten geschlossen, müssen die Elektronen den Umweg nehmen: Es fließt Strom, welcher auf seinem Weg eine Lampe zum leuchten bringen oder einen Motor antreiben kann. Moderne Solarzellen können auf diese Weise etwa 25% bis maximal 40% der eintreffenden Lichtenergie in elektrische Leistung umwandeln.
Eine einzelne Solarzelle kommt allerdings nur auf eine Spannung von etwa einem halben Volt, damit lässt sich noch nicht viel anfangen. Deshalb werden mehrere Solarzellen zunächst in Reihen- und Parallelschaltung zu einem Solarmodul (oder Solarpanel)kombiniert und - je nach Bedarf - mehrere Solarmodule so verschaltet, so dass man die für den jeweiligen Zweck geeignete Spannung erhält.
Für die weitere Nutzung des Stromes aus den Solarmodulen hast Du nun verschiedene Möglichkeiten: Da Solarmodule Gleichspannung produzieren, kannst Du diese schon direkt nutzen, um mit Hilfe eines geeigneten Ladereglers Batterien aller Art zu laden. Die meisten elektrischen Geräte sowie das öffentliche Stromnetz benötigen allerdings Wechselspannung, deshalb ist für die Einspeisung in das Stromnetz, oder wenn Du solche Geräte mit Solarstrom betreiben möchtest, noch ein sogenannter Wechselrichter nötig. Dieser wandelt die Gleichspannung in eine Wechselspannung um.
Die weltweit wohl am weitesten verbreitete Methode, Sonnenenergie zu Hause zu nutzen, ist mit Hilfe von Solarkollektoren oder thermischen Kollektoren, um das Wasser für den alltäglichen Gebrauch oder sogar zum Heizen zu erwärmen. Solarkollektoren für das Hausdach gibt es in verschiedenen Bauformen, grundsätzlich bestehen sie aber aus einer dunklen Metalloberfläche (Absorber), die gut wärmeleitend mit einem Rohrsystem verbunden ist. Das eintreffende Sonnenlicht einschließlich der Wärmestrahlung wird auf der dunklen Oberfläche absorbiert und in Wärme umgewandelt, dabei können Temperaturen von bis zu 90°C erreicht werden. Diese Wärme wird dann mit Hilfe einer Wärmeträgerflüssigkeit (welche im Grunde aus Wasser mit Frostschutzmittel besteht) über Rohrleitungen und einen Wärmetauscher in den Warmwasserspeicher geleitet.
Je nach Größe und Ausführung kannst Du hierzulande mit so einer Solarthermieanlage in deinem Haushalt grob geschätzt etwa 10-20% deines jährlichen Wärmebedarfs decken. Im Sommer und in den Übergangsmonaten kann der Bedarf an Warmwasser sogar mit einer relativ kleinen Anlage vollständig gedeckt werden.
Im Winter wird es allerdings schon problematischer, denn naturgemäß ist der Bedarf an Wärme eben genau dann am größten, wenn das Angebot an Wärmestrahlung durch die Sonne am geringsten ist. Wärmespeicher wären also eine gute Lösung, weil diese aber sehr groß sein müssen, wenn sie die Wärme länger als ein paar Tage speichern sollen, sind sie für einzelne Gebäude und Privathaushalte nur schwer realisierbar. Große Solarthermieanlagen mit mehreren tausend Quadratmetern Kollektorfläche, die für ganze Wohnviertel oder kleine Dörfer geplant werden, können allerdings auch mit entsprechend großen Wärmespeichern ausgestattet werden. Dadurch wird es möglich, die im Sommer überschüssig produzierte Wärme bis in den Winter zu speichern und in Kombination mit Wärmepumpen den Wärmebedarf sogar bis zu 100% über Solarenergie zu decken.
Eine weitere Möglichkeit der solaren Energiegewinnung sind solarthermische Kraftwerke, welche das Sonnenlicht - nicht wie die Photovoltaik - direkt in elektrische Energie umwandeln, sondern die Wärmeenergie der Sonne nutzen, um damit Dampfturbinen und Generatoren anzutreiben.
Hierfür sind allerdings auch deutlich höhere Temperaturen nötig, als mit den oben beschriebenen Solarkollektoren erreicht werden können. Deshalb werden die Sonnenstrahlen einer großen Fläche mit Spiegeln auf einen Punkt oder eine Linie gebündelt, um spezielle Thermoöle auf Temperaturen bis zu 400°C oder sogar Salz-Schmelzen auf über 1000°C zu erhitzen, um die Wärmeenergie vorübergehend zu speichern.
Darin besteht auch einer der großen Vorteile dieser Kraftwerke, nämlich dass Wärme besser gespeichert werden kann als elektrische Energie. Die gespeicherte Wärme kann dann genutzt werden, um abends und sogar nachts Strom zu produzieren, wenn keine Sonne scheint. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie in sehr sonnenreichen Gebieten deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen können als Photovoltaik (bis über 70%), dafür ist aber direkte Sonneneinstrahlung nötig. Mit diffusem Licht unter bewölktem Himmel können diese Anlagen praktisch keine Leistung mehr erzielen.
Aktualisiert am: 25. September 2019
Für diesen Text wurden verschiedene Nutzer-Antworten und Erfahrungsberichte aus der gutefrage-Community gesammelt, redaktionell geprüft und aufbereitet.
Simon Klaffl hat in Freiburg Geowissenschaften mit Hauptfach Hydrologie studiert und u.a. in den Bereichen Umweltmonitoring, Geostatistik und Gewässerökologie gearbeitet. Er schreibt seit 2019 für die gutefrage Redaktion und kennt sich neben diesen Bereichen noch besonders gut mit technischen Themen wie Elektronik, Tontechnik und sehr großen Lautsprechern aus.
Informationsportal Erneuerbare Energien - Solarenergie
Dr. Rüdiger Paschotta: RP-Energie-Lexikon
sms.ckw.ch: Solaranlagen einfach erklärt
rahmann-solarstrom.de: Theoretische Grundlagen
solarstromerzeugung.de: Vor- und Nachteile von Solaranlagen
Wissenschaft aktuell: Ohne Pause: Solarkraftwerk liefert erstmals 24 Stunden lang Strom
planet-wissen.de: Solarenergie
zukunfterde: Strom aus der Wüste (Interview mit Harald Lesch)
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