Solar­energie

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Was ist Solar­energie?

Sonnen- oder Solar­energie ist die Energie, die in der Sonnen­strah­lung enthalten ist und mittels entspre­chender Techniken in Wärme- oder elektri­sche Energie umgewan­delt wird. Solar­energie wird als größte Energie­quelle bezeichnet, da Sonnen­strahlen scheinbar unend­lich zur Verfü­gung stehen. Somit zählt sie zu den unerschöpf­li­chen, erneu­er­baren Energien.

Nutzung von Solar­energie

Aus der Sonnen­ein­strah­lung kann auf unter­schied­liche Arten Energie (in Form von elektri­scher- oder Wärme­en­ergie) gewonnen werden: Am häufigsten wird die erneu­er­bare Energie der Sonne mittels sogenannter Solar­kraft­werke nutzbar gemacht. Solar­thermie- und Photo­vol­ta­ik­an­lagen sind beides Solar­an­lagen. Der Unter­schied besteht darin, dass mit Solar­ther­mie­an­lagen Wärme­en­ergie und mit Photo­vol­ta­ik­an­lagen Solar­strom produ­ziert wird.

Funkti­ons­weise von Photo­vol­taik

Photo­vol­taik bezeichnet die direkte Umwand­lung von Sonnen­en­ergie in elektri­sche Energie: Eine Solar­zelle fängt Licht­energie in Form von Sonnen­ein­strah­lung ein und wandelt sie in elektri­sche Energie um – in etwa wie ein kleines Kraft­werk, das aber ohne Brenn­stoffe, Turbinen oder Genera­toren auskommt. Die Solar­zellen werden in einer Reihe zu Solar­mo­dulen geschalten und bestehen aus sogenannten Halblei­ter­ma­te­ria­lien wie Silizium, das z.B. in Gestein und Sand steckt. Sobald Licht­energie hinzu­ge­führt wird, kann Silizium elektrisch leitfähig und somit zu einem Ladungs­träger werden. Mit dem Einfall von Sonnen­licht wird über die Ladungs­träger also elektri­sche Energie produ­ziert, die durch Metall­kon­takte einge­fangen wird. Die oberste, bläulich schim­mernde Schicht aus Titan­oxid verrin­gert Refle­xi­ons­ver­luste. Sie sorgt dafür, dass mehr Licht in die Solar­zelle eindringen kann. Die Licht­energie wird zunächst in Gleich­strom umgewan­delt, aber um die elektri­sche Energie nutzbar zu machen, braucht es Wechsel­strom. Der wird vom sogenannten Wechsel­richter erzeugt.

Funkti­ons­weise von Solar­thermie

Solar­thermie erzeugt mittels Solar­kol­lek­toren Wärme durch das Sonnen­licht. Die Sonnen­kol­lek­toren bestehen aus einer Glasscheibe oben und einer dunklen Absorber-Schicht darunter. Diese Art der Solar­an­lage funktio­niert in etwa wie ein in der Sonne liegender Garten­schlauch. Die Wärme­trä­ger­flüs­sig­keit in den Sonnen­kol­lek­toren wird von der Sonne erwärmt und von einer Pumpe in den Solar­spei­cher geleitet. Dort gibt die Träger­flüs­sig­keit die Wärme über einen Wärme­tau­scher an das Wasser im Speicher ab und kühlt folglich ab. Sie wird wieder in den Kollektor zurück­ge­leitet, wo die Sonne sie erneut erwärmen kann.

Funkti­ons­weise eines Sonnen­wär­me­kraft­werks

Ein solches Kraft­werk besteht aus einer Vielzahl an Kollek­toren, in deren Innerem ein dunkles Rohr steckt. Durch die Sonnen­ein­strah­lung bringt es das Wasser in seinem Inneren zum Kochen. Um möglichst viel Sonnen­en­ergie einzu­fangen, wird das Sonnen­licht durch sogenannte Parabol-Spiegel auf das Rohr gebün­delt. Den ganzen Tag verfolgen die Spiegel die Sonne. Die Röhre im Inneren erhitzt sich auf bis zu 400 Grad Celsius und dabei verdampft das Wasser. Der heiße Wasser­dampf strömt in eine Turbine, dehnt sich aus und treibt so die Räder in der Turbine an. Ein Generator erzeugt aus der Bewegungs­en­ergie schließ­lich elektri­sche Energie/Strom.

Funktion eines Aufwind­kraft­werks

Aufwind­kraft­werke nutzen die Eigen­schaft, dass warme Luft nach oben steigt. Unter einem Glasdach wird durch die Sonnen­ein­strah­lung Luft erwärmt, die dann in einem Kamin nach oben strebt. Die Sonnen­ein­strah­lung wird quasi zum “Motor” des Aufwinds im Kamin. Die im Kamin einge­baute Turbine wandelt die Energie des Aufwinds mittels eines Genera­tors in elektri­sche Energie um.

Solar­bal­lons und Solar­ko­cher

Ein Solar­ballon ist ein schwarzer Ballon, der mit Luft gefüllt wird. Durch die dunkle Farbe absor­biert die Hülle das Sonnen­licht und heizt die Luft im Inneren auf. Diese dehnt sich aus und bekommt durch die nun gerin­gere Dichte Auftrieb – ähnlich, wie bei einem Heißluft­ballon.

Solar­ko­cher wandeln die Energie der Sonnen­ein­strah­lung in Wärme um. Die Strahlen werden in der Mitte, im Brenn­punkt, eines Parabol­spie­gels gebün­delt und von einem Behälter absor­biert, dessen Inhalt daraufhin erhitzt wird.

Solar­energie speichern

Um Solar­energie zu jeder Tages- und Nacht­zeit nutzen zu können, braucht es einen Solar­strom­spei­cher. Doch warum überhaupt Solar­strom speichern? Ein Strom­spei­cher kommt vor allem aus wirtschaft­li­chen Gründen in Frage, denn mit einem Speicher kann mehr Strom selbst verbraucht werden und somit eine Unabhän­gig­keit vom Strom­netz und den Strom­preisen erreicht werden. Das Ziel ist es, möglichst viel des Stroms zuhause zu nutzen, denn auch an Tagen mit wenig Sonnen­ein­strah­lung oder bei Nacht wird Strom benötigt. Ist man den ganzen Tag nicht zuhause und es wird dementspre­chend wenig Strom verbraucht, regelt ein sogenannter Laderegler den Strom an aktive Verbrau­cher (z.B. den Kühlschrank) und leitet den restli­chen Strom in den Speicher. Etwaiger Strom­über­schuss kann ins Netz einge­speist und nach dem EEG vergütet werden.

Solar­strom wird in Batte­rie­spei­chern gespei­chert. Die wohl häufigste Batte­rie­tech­no­logie sind Blei-Akkus, einmal in Form von Blei-Säure-Batte­rien und einmal in Form von Blei-Gel Batte­rien. Der Unter­schied besteht darin, dass die in den Batte­rien enthal­tene Schwe­fel­säure, die mit Bleielek­troden reagiert, im letzteren von Gel umschlossen ist. Blei-Akkus haben eine Lebens­dauer von rund 10 Jahren, bedürfen aller­dings aufgrund der chemi­schen Reaktion regel­mä­ßige Wartung.

Eine neuere Speicher­technik sind Lithium-Ionen-Akkus, deren Lebens­dauern noch schwer voraus­zu­sagen ist. Schät­zungen zufolge liegt diese aller­dings bei 20 Jahren. Ebenso besitzen sie einen höheren Wirkungs­grad als Blei-Akkus und gelten daher als die Zukunft der Strom­spei­cher­tech­no­logie.

Um auch den Akkube­darf möglichst klima­freund­lich zu decken, dienen ausran­gierte Lithium-Ionen-Akkus aus Elektro­autos, sogenannte Second-Life Batte­rien, als Solar­strom­spei­cher. Ihr Wirkungs­grad reicht zwar nicht mehr für Elektro­autos, aller­dings genügt er, um den Sonnen­strom zu speichern.

Die Solar­spei­cher­branche ist erst wenige Jahre alt, daher bleibt abzuwarten, ob sich Probleme mit der geringen Speicher­ka­pa­zität der Speicher für Zuhause bald beheben lassen.

Solar­energie: Vor- und Nachteile

Solar­energie: Vorteile

  • Bei der Solar­strom­erzeu­gung wird kein Treibhausgas/CO2 freige­setzt
  • Die Strom­pro­duk­tion ist geräuschlos
  • Wertstei­ge­rung bei Immobi­lien, wenn eine PV-Anlage auf dem Dach ist
  • Rendite 20 Jahre lang staat­lich garan­tiert: Einspei­se­ver­gü­tung, EEG
  • Unabhän­gig­keit von Strom­kon­zernen und Strom­preisen
  • PV-Anlagen sind unkom­pli­zierte Klein­kraft­werke
  • Versor­gungs­si­cher­heit, Strom auch in Versor­gungs­armen Zeiten
  • In Europa recyceln fast alle Solar­mo­dul­her­steller ihre Module selbst

Solar­energie: Nachteile

  • Keine konstante Energie­pro­duk­tion (abhängig von Wetter, Jahres­zeit und Region)
  • Teilweise hohe Anschaf­fungs­kosten (je nach Wirkungs­grad)
  • Um keine Leistungs­min­de­rung zu haben, muss regel­mäßig gerei­nigt werden
  • Für die Herstel­lung einer Solar­an­lage wird Energie benötigt (Aller­dings produ­ziert beispiels­weise eine PV-Anlage inner­halb von 2 Jahren dieselbe Menge an Energie selbst wieder.)
  • Zusätz­li­cher Platz im Haus für Strom- oder Warmwas­ser­spei­cher benötigt

Solar­energie Deutsch­land

Entwick­lung Solar­energie Deutsch­land

Solar­energie, beson­ders Photo­vol­taik, verkör­pert die dezen­trale Energie­wende so stark wie keine andere Form der erneu­er­baren Energien. Seit Einfüh­rung des EEG im Jahr 2000 beispiels­weise durch Einspei­se­ver­gü­tungen geför­dert, hat Photo­vol­taik neben der Windkraft die größte Entwick­lung hinter sich. Aller­dings erlebte die Solar­branche in den letzten Jahren einige Schwan­kungen, was nicht zuletzt an sinkenden Subven­tionen liegt. In den Jahren 2009 bis 2012 erfolgte der größte Zubau in der Solar­branche, gefolgt von einem Tief. Erst im Jahr 2018 konnte die deutsche Solar­branche erstmals wieder einen erhöhten Zubau verzeichnen. Was neuer­dings für Wachstum in der Solar­branche sorgt, sind sinkende Kosten für PV-Anlagen. Doch obwohl Deutsch­land einen Wieder­auf­schwung erlebt hat, nimmt China die Vorrei­ter­rolle im Bereich der Solar­energie ein.

Anteil Solar­energie Deutsch­land

Der Anteil von Solar­strom aus Photo­vol­ta­ik­an­lagen befindet sich seit der Einfüh­rung des EEG in einem stetigen Wachstum. In den Jahren 2014 bis 2017 ist aller­dings nahezu ein Still­stand am PV-Anteil an der Brutto­strom­erzeu­gung (gesamte in Deutsch­land erzeugte elektri­sche Energie) zu beobachten. Erst 2018 zeichnet sich ab, dass Photo­vol­taik eine größere Rolle in der Brutto­strom­erzeu­gung spielen wird.
Anteil PV an Bruttostromerzeugung
Anteil PV an Brutto­strom­erzeu­gung — Quelle: https://de.statista.com/infografik/9606/anteil-photovoltaik-an-der-stromerzeugung-in-deutschland/

Im Vergleich zu anderen erneu­er­baren Energie­quellen befindet sich Solar­energie (PV) mit der Strom­ge­win­nung aus Biomasse auf dem zweiten Platz. Den größten Anteil (41%) des EE-Stroms stellt Windkraft (Onshore).

Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien 2018
Strom­erzeu­gung aus Erneu­er­baren Energien 2018 — Quelle: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/173871/umfrage/stromerzeugung-aus-erneuerbaren-energien-in-deutschland/

Anzahl Solar­ener­gie­an­lagen in Deutsch­land

2018 waren allein in Baden-Württem­berg etwa 350.000 PV-Anlagen instal­liert. In der ganzen Bundes­re­pu­blik sind es rund 1,8 Millionen (Stand Ende 2018). Schät­zungen zufolge gibt es aller­dings nur etwa 120.000 Solar­strom­spei­cher. Solar­ther­mie­an­lagen gibt es etwa 2,4 Millionen. Folglich sind derzeit in ganz Deutsch­land rund vier Millionen Solar­an­lagen zur Erzeu­gung von Strom oder Wärme in Betrieb.

Solar­energie Förde­rung

Wer eine Solar­ther­mie­an­lage unter­stüt­zend zu seiner Heizung instal­liert, kann auf Förde­rungen vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhr­kon­trolle (BAFA) oder von der KfW-Banken­gruppe zählen.

Betreiber von Photo­vol­taik-Anlagen erhalten mit der Inbetrieb­nahme dank des Erneu­er­bare-Energien-Gesetzes (EEG) eine feste Einspei­se­ver­gü­tung. Diese Vergü­tung liegt über dem Markt­preis für Strom und deckt somit die Kosten des Anlagen­be­trei­bers. Diese Einspei­se­ver­gü­tung, oder auch EEG-Vergü­tung genannt, ist vom Staat festge­legt und fördert die Strom­erzeu­gung aus Erneu­er­baren Energien. Der EEG-Vergü­tungs­satz bleibt für Solar­strom 20 Jahre konstant. Aller­dings sinkt der Satz immer mehr, daher ist die Vergü­tung geringer, je später eine PV-Anlage gebaut wird.

Mit der EEG Neuerung von 2012 wurde die Strom Direkt­ver­mark­tung nach dem Markt­prä­mi­en­mo­dell einge­führt: Anlagen­be­treiber verkaufen ihren selbst erzeugten Strom direkt an der Börse an Dritte. Geför­dert wird die Direkt­ver­mark­tung mit der Markt­prämie und der Manage­ment­prämie. Diese garan­tieren dem Anlagen­be­treiber einen Mehrerlös. Ist die PV-Anlage größer als 100 kWp instal­lierter Leistung, so muss sie verpflich­tend in die Direkt­ver­mark­tung.

Solar­energie Zukunft

Was Solar­energie von Windkraft und Wasser­kraft abhebt, ist ihre Vielsei­tig­keit. Sonnen­en­ergie ist überall auf der Welt verfügbar, anders als Wasser- und Windkraft, die an lokale Ressourcen gebunden sind. Des Weiteren kann Solar­energie sowohl bei kleinen als auch bei großen Projekten einge­setzt werden und auch an bestehende Struk­turen angebunden werden. Durch die immer weiter sinkenden Kosten für PV-Anlagen werden diese immer weniger als kostspie­lige Inves­ti­tion gelten. Obwohl die Höhe der Subven­tionen in erneu­er­bare Energien abnehmen, lässt sich in der Solar­branche weiterhin Zuwachs erkennen. Solar­energie und Solar­zellen befinden sich immer noch in der Entwick­lung. Genauso wie Solar­strom­spei­cher. Ein Voran­schreiten beider Techno­lo­gien ist aller­dings absehbar.

Geschichte der Solar­energie

Bereits im Jahr 1839 entdeckte Alexandre Edmond Becquerel den photo­elek­tri­schen Effekt und somit die Grund­lage der Photo­vol­taik. Doch die prakti­sche Nutzung gelang erst viel später in der Raumfahrt­technik: Der Vorreiter für die Solar­strom­erzeu­gung via Photo­vol­taik waren Satel­liten und Raumsta­tionen, die von Solar­zellen mit Strom versorgt wurden. Auch heute noch wird beispiels­weise die inter­na­tio­nale Raumsta­tion ISS durch Solar­zellen mit Strom versorgt. Solar­thermie war bereits in der Antike bekannt: Schon nutzten die Menschen Brenn- und Hohlspiegel, um Sonnen­en­ergie in Wärme umzuwan­deln.
Virtuelles Kraftwerk der EnBW

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