Solarenergie

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.