Definition: Was ist Solarenergie?
Solarenergie ist die Energie der Sonnenstrahlung, die auf die Erde trifft und technisch oder biologisch genutzt werden kann. Die Sonne liefert elektromagnetische Strahlung, die unter anderem als sichtbares Licht und Wärmestrahlung die Erdoberfläche erreicht. Solarenergie gehört zu den erneuerbaren Energiequellen und steht im Gegensatz zu fossilen Energieträgern kontinuierlich durch natürliche Prozesse zur Verfügung.
Technisch wird Solarenergie vor allem auf zwei Arten genutzt: Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um, während solarthermische Anlagen die Strahlungsenergie zur Erzeugung von Wärme verwenden. Darüber hinaus ist Sonnenenergie indirekt die Grundlage zahlreicher weiterer erneuerbarer Energieformen, darunter Windenergie, Wasserkraft und Biomasse.
Ursprung der Solarenergie
Die Energie der Sonne entsteht durch Kernfusion in ihrem Inneren. Dabei verschmelzen Wasserstoffkerne unter extrem hohen Temperaturen und Drücken zu Helium.
Ein kleiner Teil der Masse wird dabei in Energie umgewandelt. Diese Energie gelangt nach komplexen Transportprozessen zur Sonnenoberfläche und wird anschließend als Strahlung in den Weltraum abgegeben.
Sonnenstrahlung auf der Erde
Nur ein sehr kleiner Teil der gesamten Sonnenenergie trifft auf die Erde. Dennoch übersteigt die eingestrahlte Energiemenge den menschlichen Energiebedarf um ein Vielfaches.
Wie viel Strahlung eine bestimmte Fläche erreicht, hängt von geografischer Breite, Tageszeit, Jahreszeit, Bewölkung und Ausrichtung der Fläche ab.
Direkte und diffuse Strahlung
Sonnenstrahlung erreicht die Erdoberfläche sowohl direkt als auch indirekt. Direkte Strahlung kommt ohne größere Ablenkung unmittelbar von der Sonne.
Diffuse Strahlung wird zuvor an Wolken, Luftmolekülen und Aerosolen gestreut. Auch bei bedecktem Himmel steht deshalb noch Solarenergie zur Verfügung.
Globalstrahlung
Die Summe aus direkter und diffuser Sonnenstrahlung wird als Globalstrahlung bezeichnet. Sie ist eine wichtige Größe für die Planung von Solaranlagen.
Regionen mit hoher jährlicher Globalstrahlung können aus derselben Anlagenfläche in der Regel mehr Solarenergie gewinnen.
Photovoltaische Nutzung
Photovoltaik wandelt Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um. Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien, meist Silizium.
Trifft Licht auf die Solarzelle, werden elektrische Ladungsträger angeregt. Ein internes elektrisches Feld ermöglicht anschließend einen Stromfluss.
Solarmodule
Viele einzelne Solarzellen werden zu Modulen zusammengeschaltet. Mehrere Module bilden eine Photovoltaikanlage.
Solche Anlagen können auf Wohngebäuden, Industriehallen, Fassaden, Parkplätzen und Freiflächen installiert werden.
Solarthermie
Solarthermische Anlagen wandeln Sonnenstrahlung nicht in Strom, sondern zunächst in Wärme um. Kollektoren absorbieren die Strahlung und übertragen die Energie auf eine Flüssigkeit.
Die Wärme kann anschließend für Warmwasser, Heizungsunterstützung oder technische Prozesse eingesetzt werden.
Flach- und Vakuumröhrenkollektoren
Flachkollektoren bestehen aus einem flachen Absorber unter einer transparenten Abdeckung. Vakuumröhrenkollektoren reduzieren Wärmeverluste durch einen isolierenden Unterdruck.
Welche Technik geeignet ist, hängt von Temperaturbedarf, Standort und Anwendung ab.
Solarthermische Kraftwerke
In sonnenreichen Regionen kann Sonnenenergie auch in großen solarthermischen Kraftwerken genutzt werden. Spiegel konzentrieren das Sonnenlicht auf einen Absorber.
Die entstehende Hochtemperaturwärme kann Dampf erzeugen und dadurch Turbinen antreiben.
Konzentrierende Solartechnik
Parabolrinnen, Solartürme oder andere Spiegelsysteme bündeln direkte Sonnenstrahlung. Sie funktionieren deshalb besonders gut in Regionen mit hoher direkter Sonneneinstrahlung.
Ein Vorteil besteht darin, dass Wärme teilweise in Speichern zwischengespeichert und später zur Stromproduktion genutzt werden kann.
Passive Solarenergienutzung
Solarenergie kann auch ohne Solarmodule oder technische Kollektoren genutzt werden. Gebäude lassen sich so planen, dass Sonnenlicht und Sonnenwärme möglichst sinnvoll eingesetzt werden.
Große Fensterflächen auf geeigneten Gebäudeseiten können beispielsweise im Winter solare Wärmegewinne ermöglichen.
Gebäudeplanung
Ausrichtung, Verschattung, Wärmespeicherfähigkeit und Dämmung beeinflussen die passive Nutzung von Sonnenenergie.
Gleichzeitig muss sommerliche Überhitzung vermieden werden. Verschattungssysteme und angepasste Fensterflächen spielen dabei eine wichtige Rolle.
Solarenergie im Tagesverlauf
Die verfügbare Sonnenenergie verändert sich im Tagesverlauf. Nachts steht keine direkte Solarstrahlung zur Verfügung, während sie tagsüber mit zunehmendem Sonnenstand steigt.
Die höchste Leistung wird bei klarem Himmel meist um die Mittagszeit erreicht.
Schwankende Energieerzeugung
Photovoltaik und Solarthermie sind deshalb wetter- und tageszeitabhängig. Energiebedarf und Erzeugung stimmen nicht automatisch miteinander überein.
Speicher, Stromnetze und flexible Verbraucher können dazu beitragen, diese Unterschiede auszugleichen.
Solarenergie im Jahresverlauf
In gemäßigten Breiten bestehen starke jahreszeitliche Unterschiede. Im Sommer sind die Tage länger und die Sonne steht höher über dem Horizont.
Im Winter sind Tage kürzer, und die Einstrahlung fällt deutlich geringer aus.
Saisonale Unterschiede
Photovoltaikanlagen erzeugen deshalb einen großen Teil ihres Jahresertrags in den sonnenreicheren Monaten.
Bei solarthermischen Anlagen kann der Wärmebedarf im Winter dagegen besonders hoch sein, obwohl weniger Sonnenenergie verfügbar ist.
Solarenergie und Stromspeicher
Batteriespeicher können überschüssigen Solarstrom aufnehmen und zeitversetzt wieder abgeben. Dadurch lässt sich Strom beispielsweise am Abend nutzen, der tagsüber erzeugt wurde.
Speicher können außerdem Stromnetze stabilisieren und kurzfristige Schwankungen ausgleichen.
Speicherverluste
Bei jeder Speicherung geht ein Teil der Energie verloren. Auch Herstellung und Alterung von Batteriespeichern verursachen Ressourcenbedarf.
Die Größe eines Speichers sollte deshalb an den tatsächlichen Einsatz angepasst sein.
Wärmespeicher
Solarthermische Anlagen können Wärme vergleichsweise einfach in Wasser- oder anderen Wärmespeichern zwischenspeichern.
Dadurch kann tagsüber gewonnene Energie auch später für Warmwasser oder Heizung genutzt werden.
Saisonale Wärmespeicher
Große Wärmespeicher können Energie über längere Zeiträume speichern. In bestimmten Wärmenetzen wird untersucht oder umgesetzt, sommerliche Wärme bis in die Heizperiode aufzubewahren.
Solche Systeme benötigen jedoch große Speichervolumen und eine gute Wärmedämmung.
Solarenergie auf Gebäuden
Dächer und Fassaden bieten große Flächen für die Nutzung von Sonnenenergie, ohne zusätzliche unbebaute Landschaft zu beanspruchen.
Besonders große Industrie- und Gewerbedächer können erhebliche Mengen Strom erzeugen.
Gebäudeintegrierte Solarenergie
Solarmodule können auch direkt Bestandteile von Gebäuden ersetzen, beispielsweise Fassadenelemente oder Dachflächen.
Diese Form wird als gebäudeintegrierte Photovoltaik bezeichnet und verbindet Stromerzeugung mit baulicher Funktion.
Freiflächenanlagen
Große Solarparks werden auf offenen Flächen errichtet und können erhebliche Strommengen bereitstellen.
Sie ermöglichen eine effiziente Installation vieler Module, beanspruchen jedoch zugleich Fläche.
Flächenkonflikte
Freiflächen können gleichzeitig für Landwirtschaft, Naturschutz oder andere Zwecke benötigt werden. Die Standortwahl ist deshalb ökologisch und raumplanerisch relevant.
Bereits belastete Flächen, Deponien oder bestimmte Infrastrukturflächen können Nutzungskonflikte teilweise reduzieren.
Agri-Photovoltaik
Agri-Photovoltaik kombiniert landwirtschaftliche Nutzung und Stromerzeugung auf derselben Fläche. Solarmodule werden beispielsweise erhöht oder mit größeren Reihenabständen installiert.
Darunter oder dazwischen können weiterhin Pflanzen angebaut oder Tiere gehalten werden.
Doppelte Flächennutzung
Die Kombination kann Flächenkonflikte verringern und unter bestimmten Bedingungen auch landwirtschaftliche Vorteile bringen.
Verschattung kann beispielsweise Verdunstung reduzieren, während ungeeignete Anlagen gleichzeitig Erträge bestimmter Kulturen beeinträchtigen können.
Solarenergie und Biodiversität
Die ökologische Wirkung von Solaranlagen hängt stark von Standort und Gestaltung ab. Dachanlagen verursachen meist keine zusätzliche Flächeninanspruchnahme.
Bei Freiflächenanlagen können naturnahe Pflege, extensive Beweidung oder artenreiche Vegetation zusätzliche Lebensräume schaffen.
Solarparks als Lebensraum
Zwischen Modulreihen können Blühpflanzen, Gräser und Kräuter wachsen. Werden Pestizide und intensive Düngung vermieden, können Insekten und andere Tiere profitieren.
Besonders sensible oder bereits wertvolle Lebensräume sollten jedoch möglichst von neuer Bebauung freigehalten werden.
Rohstoffbedarf
Solaranlagen benötigen Glas, Aluminium, Kupfer, Silizium und weitere Materialien. Herstellung und Aufbau verursachen daher Rohstoff- und Energieverbrauch.
Mit zunehmender Nutzung steigt die Bedeutung effizienter Produktion und geschlossener Materialkreisläufe.
Materialeffizienz
Technische Weiterentwicklungen können den Materialbedarf pro erzeugter Energieeinheit reduzieren. Höhere Wirkungsgrade ermöglichen beispielsweise mehr Strom aus derselben Modulfläche.
Auch dünnere Materialien und längere Lebensdauern verbessern die Ressourceneffizienz.
Recycling von Solaranlagen
Solarmodule können am Ende ihrer Lebensdauer zerlegt werden. Besonders Glas und Aluminium lassen sich gut zurückgewinnen.
Auch weitere Materialien können mit geeigneten Verfahren recycelt werden.
Kreislauffähigkeit
Mit zunehmender Zahl alter Solaranlagen gewinnt das Recycling an Bedeutung. Ziel ist es, hochwertige Materialien zurückzugewinnen und für neue Anlagen verfügbar zu machen.
Recyclinggerechtes Design kann die Trennung einzelner Komponenten erleichtern.
Solarenergie und Klimaschutz
Während des Betriebs verursacht Solarenergie keine direkten Kohlendioxidemissionen aus Verbrennung. Dadurch kann sie fossile Strom- und Wärmeerzeugung ersetzen.
Emissionen entstehen jedoch bei Herstellung, Transport, Installation und Entsorgung der Anlagen.
Lebenszyklusemissionen
Für eine vollständige Klimabilanz werden sämtliche Emissionen über den Lebenszyklus betrachtet und auf die erzeugte Energiemenge verteilt.
Da Solaranlagen über viele Jahre Energie liefern, liegen ihre Lebenszyklusemissionen im Allgemeinen deutlich unter denen fossiler Verbrennungssysteme.
Energetische Amortisation
Die Herstellung einer Solaranlage benötigt Energie. Nach ihrer Inbetriebnahme erzeugt die Anlage jedoch fortlaufend neue Energie.
Die energetische Amortisationszeit beschreibt den Zeitraum, nach dem so viel Energie erzeugt wurde, wie zuvor für Herstellung und Aufbau benötigt wurde.
Einfluss des Standorts
In sonnenreichen Regionen wird die zur Herstellung benötigte Energie schneller zurückgewonnen als an Standorten mit geringerer Einstrahlung.
Auch Wirkungsgrad und Herstellungsverfahren beeinflussen die energetische Bilanz.
Solarenergie und Energiewende
Solarenergie ist ein wichtiger Baustein einer Energieversorgung mit hohen Anteilen erneuerbarer Quellen. Photovoltaik lässt sich schnell und in sehr unterschiedlichen Größenordnungen installieren.
Sie reicht von kleinen Dachanlagen bis zu großen Solarparks.
Kombination mit Windenergie
Solar- und Windenergie ergänzen sich teilweise im Jahresverlauf. Während Photovoltaik besonders im Sommer hohe Erträge liefert, kann Windenergie in anderen Jahreszeiten stärker sein.
Ein vielfältiger Erzeugungsmix kann Schwankungen einzelner Technologien verringern.
Netzintegration
Mit wachsendem Anteil von Solarstrom müssen Stromnetze große Schwankungen zwischen sonnigen und sonnenarmen Zeiten ausgleichen können.
Netzausbau, Speicher, flexible Stromtarife und steuerbare Verbraucher gewinnen deshalb an Bedeutung.
Lastverschiebung
Bestimmte Stromverbräuche können zeitlich in Phasen hoher Solarstromerzeugung verschoben werden. Dazu gehören beispielsweise Ladevorgänge, Wärmepumpen oder industrielle Prozesse.
Dadurch kann ein größerer Anteil des erzeugten Solarstroms direkt genutzt werden.
Grenzen der Solarenergie
Solarenergie steht nicht jederzeit in gleicher Menge zur Verfügung. Nacht, Jahreszeiten und Wetter verursachen starke Schwankungen.
Eine vollständig auf erneuerbaren Quellen basierende Energieversorgung benötigt deshalb ergänzende Technologien und flexible Systeme.
Systemische Betrachtung
Die Bewertung von Solarenergie darf nicht nur einzelne Anlagen betrachten. Entscheidend ist ihre Einbindung in Stromnetze, Speicher, Verbrauch und andere Energiequellen.
Ein gut abgestimmtes Gesamtsystem kann die Vorteile der Solarenergie besonders effizient nutzen.
Zusammenfassung
Solarenergie ist die von der Sonne ausgesandte Strahlungsenergie und gehört zu den wichtigsten erneuerbaren Energiequellen. Sie kann durch Photovoltaik direkt in Strom und durch Solarthermie in Wärme umgewandelt werden.
Solarenergie verursacht im Betrieb keine direkten Emissionen aus Verbrennung und kann fossile Energieträger ersetzen. Rohstoffbedarf, Flächennutzung, Speicher und Netzintegration müssen jedoch berücksichtigt werden. In Verbindung mit anderen erneuerbaren Energien, Speichern und effizientem Verbrauch ist Solarenergie ein zentraler Bestandteil einer langfristig klimaverträglichen Energieversorgung.
