Solarenergie – Was ist das und wie kann man sie nutzen?

Was ist Solarenergie?

Solarenergie ist eine Energieform, die durch Nutzung der Sonnenstrahlung gewonnen wird. Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdöl und Erdgas handelt es sich bei Solarenergie um eine erneuerbare Energiequelle. Die Sonne strahlt kontinuierlich große Mengen an Energie in Form von Licht und Wärme ab. Mithilfe von Solarzellen und Solarthermie-Anlagen lässt sich ein Teil dieser Energie einfangen und für unterschiedliche Zwecke nutzbar machen.

Da die Sonne noch für mindestens 5 Milliarden Jahre weiter strahlen wird, ist die Solarenergie praktisch unerschöpflich. Anders als endliche Ressourcen wie Erdöl und Erdgas wird die Solarenergie auch in ferner Zukunft direkt vor Ort verfügbar sein. Solarenergienutzung ist daher eine nachhaltige und zukunftsfähige Option, um langfristig eine sichere, saubere und kostengünstige Energieversorgung zu gewährleisten.

Wie viel Solarenergie liefert die Sonne?

Die Sonne ist die größte und wichtigste Energiequelle unseres Planeten. Die enorme Menge an Energie, die sie täglich zur Verfügung stellt, ist kaum vorstellbar.

Laut Schätzungen liefert die Sonne pro Jahr ungefähr 1119 Billionen Kilowattstunden (kWh) Energie zur Erde. Zum Vergleich: Der gesamte jährliche Primärenergieverbrauch der Erde liegt derzeit bei unter 600 Exajoule, was etwa 167.000 Terawattstunden oder 167 Billionen kWh entspricht.

Die Sonne produziert also rund das 7-fache des gesamten globalen Energiebedarfs! Selbst wenn nur ein kleiner Teil dieser Solarenergie genutzt würde, könnte damit der Energiehunger der Menschheit für lange Zeit gestillt werden.

Das enorme Energiepotenzial der Sonne ist praktisch unerschöpflich. Die Sonnenstrahlung trifft tagtäglich auf die Erde und steht uns kostenlos zur Verfügung. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen wird die Solarenergie nicht weniger, solange die Sonne noch scheint.

Wie entsteht Solarenergie?

In der Sonne finden Kernfusionsprozesse statt, bei denen Wasserstoff zu Helium verschmolzen wird. Dabei werden enorme Mengen an Energie freigesetzt. Diese Energie strahlt in Form von Licht und Wärme ins All ab. Ein winziger Teil davon – etwa ein Milliardstel – erreicht die Erde und versorgt unseren Planeten mit Solarenergie.

Die Kernfusionsprozesse in der Sonne können noch sehr lange weiterexistieren. Schätzungen zufolge reicht der Wasserstoffvorrat in der Sonne für die nächsten 5 Milliarden Jahre. Das heißt, die Solarenergie steht der Menschheit mindestens für die nächsten 5 Milliarden Jahre praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Die Sonne ist damit auf absehbare Zeit eine unerschöpfliche Energiequelle.

Kann Solarenergie überall genutzt werden?

Ja, dank der stetigen Weiterentwicklung der Solartechnik in den letzten Jahren ist die Nutzung von Solarenergie inzwischen fast überall auf der Welt möglich. Moderne Solarmodule sind auch bei diffuser Einstrahlung oder Schatten effizient und ermöglichen so den Einsatz von Solarenergie in Regionen mit ungünstigeren klimatischen Bedingungen. Zudem sind die Kosten für Solaranlagen deutlich gesunken, was die Wirtschaftlichkeit auch abseits sonnenverwöhnter Regionen ermöglicht.

Allerdings ist die Effizienz von Solaranlagen nach wie vor von der Sonneneinstrahlung abhängig. Je nach Breitengrad und Wetterbedingungen fällt die Einstrahlung unterschiedlich aus. An sonnigen Standorten lässt sich deutlich mehr Solarenergie gewinnen als in Regionen mit vielen wolkenbedeckten Tagen. Bei der Planung einer Solaranlage müssen die örtlichen Gegebenheiten daher berücksichtigt werden, um die optimale Ausrichtung und passende Technik auszuwählen.

Trotz der Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung ist die Nutzung von Solarenergie heute jedoch in den meisten Regionen der Erde möglich und oft auch wirtschaftlich sinnvoll.

Vor- und Nachteile von Solarenergie

Solarenergie hat einige klare Vorteile, aber auch einige Nachteile, die man kennen sollte.

Vorteile

• Erneuerbar: Solarenergie ist praktisch unerschöpflich und wird uns noch für Milliarden von Jahren zur Verfügung stehen. Anders als fossile Brennstoffe ist sie erneuerbar.

• Unerschöpflich: Die Energiemenge, die von der Sonne auf die Erde strahlt ist gewaltig. Selbst wenn nur ein Bruchteil davon genutzt wird, kann damit der gesamte Energiebedarf der Menschheit gedeckt werden.

• Unabhängigkeit: Solarenergie macht unabhängig von Importen fossiler Brennstoffe aus dem Ausland. Die Solarenergienutzung kann dezentral erfolgen.

Nachteile

• Abhängigkeit von Sonneneinstrahlung: Die Energieausbeute von Solaranlagen hängt von der Sonneneinstrahlung ab. Bei Bewölkung, in der Nacht und im Winter ist die Ausbeute geringer.

• Anschaffungskosten: Die Installation von Solaranlagen verursacht hohe initiale Kosten. Zwar sinken diese auf lange Sicht durch geringere Betriebskosten, aber die Anschaffung ist für viele eine Hürde.

Nutzungsform 1: Photovoltaik

Bei der Photovoltaik, auch Solarzellen genannt, handelt es sich um eine Technik zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Die Photovoltaik nutzt den sogenannten photovoltaischen Effekt, bei dem Photonen aus dem Sonnenlicht Elektronen in einem Halbleitermaterial aus ihrer normalen Bahn werfen. Dadurch entsteht eine Spannung zwischen der Oberfläche, auf die das Licht trifft, und der Rückseite.

In einer Photovoltaikzelle werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten übereinander angeordnet. Die obere Schicht hat eine negative, die untere eine positive Dotierung. An der Grenzschicht zwischen den beiden Halbletern entsteht ein elektrisches Feld. Trifft nun Licht auf die Zelle, werden Elektronen aus ihrer Bindung gelöst und wandern entlang dieses Feldes zur positiven Schicht. Über elektrische Leiter, die an die beiden Schichten angeschlossen sind, können die Elektronen abgeführt und genutzt werden. Somit wandelt die Photovoltaikzelle die Strahlungsenergie des Sonnenlichts direkt in elektrischen Strom um.

Nutzungsform 2: Solarthermie

Bei der Solarthermie, auch Solare Wärmegewinnung genannt, wird die Sonnenenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Im Gegensatz zur Photovoltaik, bei der Strom erzeugt wird, dient die Solarthermie damit direkt der Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung.

Die Umwandlung geschieht mithilfe von Sonnenkollektoren. Das sind meist dunkle Absorber, die die Sonnenstrahlung aufnehmen und in Wärme umwandeln. Über ein Wärmeübertragungsmittel wie Wasser oder Luft wird die Wärme dann abtransportiert und genutzt.

Die Solarthermie kann für verschiedene Anwendungen wie die Warmwasserbereitung, die Beheizung von Gebäuden oder die solare Kühlung eingesetzt werden. Sie ist eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Technologie zur Nutzung der Sonnenenergie. Insbesondere für die Warmwasserbereitung hat sie sich schon weit verbreitet.

Nutzungsform 3: Passive Nutzung

Bei der passiven Nutzung von Solarenergie geht es darum, Sonnenenergie ohne technische Hilfsmittel direkt zum Heizen, Kühlen oder Beleuchten von Gebäuden zu verwenden. Die Sonneneinstrahlung wird über die Architektur und spezielle Bauteile genutzt.

Definition und Funktionsweise

Die passive Solarenergienutzung beruht auf simplen physikalischen Prinzipien:

• Die Fensterflächen im Süden sind groß, um im Winter viel Sonnenwärme ins Haus zu lassen.
• Im Sommer schützen Verschattungen wie Überhänge oder Jalousien vor Überhitzung.
• Spezielle Baumaterialien wie Steine oder Beton speichern Wärme und geben sie zeitverzögert wieder ab.
• Helle Farben reflektieren die Sonnenstrahlung und heizen nicht so stark auf.
• Eine gute Dämmung minimiert ungewollte Wärmeverluste.

Dadurch entsteht ganz natürlich ein angenehmes Raumklima ohne aufwändige Technik.

Nutzung über Architektur und Bauteile

• Südausrichtung der Fensterflächen
• Große Fenster zur Wärmegewinnung, kleine zur Lichtnutzung
• Wärmespeicher aus Stein, Beton oder Wasser
• Überhänge als Verschattungselemente
• Jalousien, Rollläden und Markisen zur Abschirmung
• Lichtlenkende Elemente wie Lichtschächte
• Helle Außenfarben zur Reflexion
• Optimierte Dämmung zur Vermeidung von Wärmeverlusten

Eine durchdachte Architektur nutzt so die Vorteile der Sonneneinstrahlung und sorgt das ganze Jahr für behagliche Temperaturen.

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten:

• Photovoltaik-Module: Diese Module wandeln das Sonnenlicht direkt in elektrischen Gleichstrom um. Sie bestehen aus Solarzellen, die meist aus kristallinem Silizium hergestellt werden.

• Wechselrichter: Der Gleichstrom aus den Solarmodulen wird im Wechselrichter in netztauglichen Wechselstrom gewandelt. So kann der Solarstrom in das Stromnetz eingespeist werden.

• Zähler: Mit einem Zähler wird der erzeugte Solarstrom gemessen. intelligenten Zähler können den Verbrauch und die Einspeisung getrennt messen.

Das Grundprinzip einer Photovoltaikanlage ist, dass in den Solarzellen durch die Sonneneinstrahlung elektrischer Gleichstrom entsteht. Dieser Gleichstrom wird über Kabel zu einem Wechselrichter geleitet, wo er in Wechselstrom umgewandelt wird. Der Wechselstrom kann dann in das Stromnetz eingespeist werden. Damit lässt sich Solarenergie nutzen, um Haushalte mit Strom zu versorgen oder ins Netz einzuspeisen.

Unterschied Photovoltaik und Solarthermie

Ein wichtiger Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie ist, dass Photovoltaikanlagen Strom erzeugen, während Solarthermieanlagen Wärme erzeugen.

Photovoltaik wandelt Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Dabei werden Solarzellen aus Halbleitermaterialien wie Silizium verwendet. Die Solarzellen werden in Photovoltaikmodulen zusammengefasst, die wiederum zu Photovoltaikanlagen zusammengeschaltet werden. Der erzeugte Gleichstrom wird mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und kann direkt genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden.

Solarthermieanlagen bestehen aus Solarkollektoren, in denen über Absorberplatten Sonnenenergie in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme kann zur Warmwasserbereitung, Raumheizung oder Prozesswärme genutzt werden. Häufig werden die Kollektoren auf dem Dach montiert. Als Absorbermedien kommen beispielsweise Thermoöle, Wasserdampf oder direkt Wasser zum Einsatz.

Die Photovoltaik eignet sich zur dezentralen Stromerzeugung und -einspeisung. Solarthermie wird vor allem für die Bereitstellung von Prozess- und Brauchwasserwärme verwendet. Beide Technologien ergänzen sich somit ideal bei einer solaren Vollversorgung.

Lohnt sich Solarenergie in Deutschland?

Ja, Solarenergie lohnt sich in Deutschland immer mehr. Durch technologische Fortschritte und Kostensenkungen bei der Herstellung von Solaranlagen sind die Amortisationszeiten in den letzten Jahren deutlich gesunken. Mittlerweile amortisieren sich viele Solaranlagen bereits nach 10-15 Jahren.

Zusätzlich wird Solarenergie in Deutschland durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz gefördert. Betreiber von Solaranlagen erhalten über die Einspeisevergütung einen festen Betrag pro eingespeister Kilowattstunde Solarstrom für einen Zeitraum von 20 Jahren. Dies sorgt für planbare und sichere Einnahmen.

Insgesamt sinken also die Kosten von Solaranlagen, während die Einspeisevergütung für Solarstrom konstant und sicher bleibt. Solarenergie in Deutschland lohnt sich daher immer mehr, sowohl für Privatpersonen als auch für Gewerbebetriebe. Die Amortisationszeiten werden auch in Zukunft voraussichtlich weiter sinken.

Fazit

Solarenergie hat aufgrund ihrer Eigenschaften als erneuerbare und unerschöpfliche Energiequelle ein sehr großes Potenzial, einen bedeutenden Beitrag zur künftigen Energieversorgung zu leisten. Insbesondere die Photovoltaik, bei der Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird, hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und dürfte in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen.

Trotz der Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung lohnt sich die Nutzung von Solarenergie heute fast überall auf der Welt. Durch technologische Innovationen und Kostensenkungen ist Solarenergie inzwischen auch in Ländern mit relativ wenig Sonnenstunden konkurrenzfähig. In sonnenreichen Regionen ist Strom aus Photovoltaik schon heute die günstigste Stromquelle.

Mit Solarenergie können wir einen großen Teil unseres künftigen Energiebedarfs klimaneutral, sicher und unabhängig decken. Wenn wir das enorme Potenzial dieser unerschöpflichen Energiequelle konsequent nutzen, kann Solarenergie einen entscheidenden Beitrag leisten, um die Klimaziele zu erreichen und die Energiewende voranzubringen.

James

Gründer von Balkonkraftwerk800W. Seit 2019 spezialisiere ich mich auf das Verfassen zahlreicher Solar-PV-Testberichte, PV-Produktvergleiche und Balkonkraftwerk-Ratgeber. Ich behalte stets eine objektive und unabhängige Perspektive bei.