Sonnenkraft – verwertet durch Solarthermie und Fotovoltaik

22.04.2015 |  Von  |  Klima
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Die Energie der Sonne wird seit jeher genutzt, um menschliche Behausungen zu heizen. Baumeister stützten sich auf ihr Können und ihre Erfahrung, um möglichst viel der täglichen Sonnenwärme in einem Gebäude einzufangen, etwa durch die Ausrichtung der Fensterflächen und Türen nach Süden.

Dank des technischen Fortschritts ist es heute möglich, die Sonnenenergie nicht nur passiv, sondern auch aktiv zu nutzen, sowohl als Wärme wie auch in Form von Elektrizität.

Der Wechsel von der passiven Nutzung der Sonnenenergie hin zu einer aktiven ist allerdings nicht nur eine Frage der technischen Machbarkeit, sondern vielmehr auch eine nach einer nachhaltigen und zukunftsorientierten Energieversorgung. Und diese bedeutet, wie wir heute wissen, eine endgültige Abkehr von Verbrennungsprozessen wie der Verheizung oder Verstromung von fossilen Brennstoffen und eine Zuwendung zu erneuerbaren Energieformen.

Fotovoltaik wandelt Sonnenlicht in Strom

Bei der Nutzung der Sonnenenergie stehen zwei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Das Sonnenlicht kann mittels so genannter Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt und dann direkt an elektrische Verbraucher weitergeleitet werden. Alternativ kann die gewonnene Energie auch in Batterien gespeichert und zu anderen Zeiten abgerufen oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden, um andere elektrische Verbraucher zu versorgen.

Möglich wird dieses durch Halbleiter wie Silizium, das in den Solarzellen verwendet wird. Sobald Licht darauf trifft, entsteht eine elektrische Spannung zwischen der dem Licht zugewandten und der dem Licht abgewandten Seite. Wenn dieser Stromkreis geschlossen wird, fliesst elektrischer Strom. Dieses wird in der Physik als photovoltaischer Effekt bezeichnet (nach dem griechischen Wort für Licht, „Photos“ und der Einheit für elektrische Spannung, „Volt“).

Eine einzelne Solarzelle weist eine Spannung von etwa 0,5 V auf, die durch eine Reihenschaltung von zahlreichen Modulen zu einer Gesamtspannung addiert wird. Die maximale Systemspannung war anfänglich noch auf 110 V begrenzt, damit die Systeme hohen Sicherheitsanforderungen entsprachen. Heute werden moderne Solarmodule nach Schutzklasse II geprüft, damit sind Betriebsspannungen von bis zu 1.000 V möglich, eine Erhöhung auf 1.500 V ist in Arbeit. Damit eignet sich Solarstrom inzwischen sogar für den Betrieb von technischen Anlagen und die weitgehend autarke Stromversorgung auch von Betrieben mittlerer Grösse.

Einzelne Solarzellen werden standardmässig in Glas und Kunststoff gekapselt und mit einem Aluminiumrahmen zu einem kompletten Modul zusammengefasst. Die Solarzellen selber sind heute sehr dünn ausgeführt (weniger als ein Zentimeter oder dünner) und können elektrischen Strom nicht nur aus direkt einstrahlendem Licht (gerichtete Einstrahlung), sondern auch aus diffusem Licht erzeugen. Dennoch ist der Wirkungsgrad vergleichsweise schwach, weniger als 20 % der Sonnenenergie können genutzt und umgewandelt werden, das entspricht einer Energieernte pro Quadratmeter und Jahr von 120-150 kWh/m²a.

Solarthermie nutzt die Wärmeenergie der Sonne

Eine deutlich höhere Energieausbeute und damit eine effizientere Nutzung der Sonnenenergie bieten Sonnenkollektoren, die direkt die Wärme der Sonnenstrahlen einfangen und aufbereiten. Moderne Kollektoren können etwa 75-85 % der einstrahlenden Sonnenenergie als Wärme aufnehmen und zur Bereitung von Warm- und Heisswasser und für die Heizung nutzen.


Fotovoltaik wandelt Sonnenlicht in Strom (Bild: © asharkyu - shutterstock.com)

Fotovoltaik wandelt Sonnenlicht in Strom (Bild: © asharkyu – shutterstock.com)


Die Sonne ist – physikalisch betrachtet – ein Kernfusionsreaktor, der seine Energie als elektromagnetische Wellen in den Weltraum abstrahlt. Durch das dort herrschende Vakuum wird die Energie nahezu verlustfrei transportiert, so dass an der Grenze der Erdatmosphäre etwa eine Energie von 1.370 W/m² ankommt. Allerdings reduziert sich das Energieniveau der Strahlen auf dem Weg durch die Atmosphäre deutlich, so dass in unseren Breitengraden bei Idealbedingungen (hoher Sonnenstand, klare Luft, wolkenloser Himmel) nur maximal etwa 1.000 W/m² zur Verfügung stehen. Das bedeutet je nach Region pro Jahr eine Energieausbeute von 1.000 bis 1.200 kWh/m²a im Mittel, entsprechend einem Heizwert von 100-120 l Heizöl. Zum Vergleich: Sonnenkollektoren in der Sahara oder vergleichbaren Gebieten am Äquator erreichen als Jahressumme etwa 2.500 kWh/m²a. Dennoch reicht die Sonnenenergie an warmen Tagen aus, um das Raumklima im Büro so deutlich zu erhöhen, dass nur eine Klimaanlage für erträgliche Temperaturen sorgt.

Treffen die elektromagnetischen Wellen der Sonne auf Materie, wird ein Teil ihrer Energie bei der Durchdringung absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Dabei erwärmt sich das bestrahlte Material bis zu der Temperatur, bei der sich die absorbierte und die abgegebene Energiemenge die Waage halten, die Physiker sprechen von der Stagnationstemperatur des Körpers. Dunkle Körper können mehr Energie absorbieren als helle, daher werden sie wärmer, wandeln also mehr Strahlungsenergie in Wärme um.

Sonnenkollektoren machen sich diesen Effekt zu Nutze, indem die Absorberbleche schwarz lackiert werden. Dahinter befinden sich dünne Rohrleitungen, die in Schlangenlinien unter dem Absorber geführt werden, um eine möglichst grosse Oberfläche zu erhalten. Das Sonnenlicht, genauer die elektromagnetische Strahlung, trifft auf den Absorber, verwandelt sich dabei teilweise in Wärmeenergie, die in den Rohrleitungen durchfliessendes Wasser erwärmt. Dieses kann dann über Pumpen befördert und verteilt werden, etwa an einen Wärmetauscher, der wiederum an einen Warmwasserspeicher angeschlossen ist. So steht auch zu Nachtzeiten warmes Wasser zur Verfügung, auch wenn eine komplette Autarkie mit einem Sonnenkollektor nur mit einem hohen technischen Aufwand zu realisieren ist.

Eine Glasabdeckung über dem Kollektor stellt sicher, dass Wärmeverluste durch Transmission (Erwärmung des umgebenden Mediums, etwa Luft) und Konvektion (Abtransport der Wärme durch Luftströmung) verringert werden, so dass die Temperatur innerhalb des Kollektors deutlich über der Umgebungstemperatur liegt und sich das Wasser in den Röhren schnell erhitzt.

Systeme können passiv, aktiv oder hybrid arbeiten

Die Nutzung der Sonne zur Wärmegewinnung ist kein neuer Ansatz, auch wenn sie ohne technische Unterstützung nur passiv genutzt werden konnte, etwa indem Bauten nach Süden ausgerichtet und ausreichend gedämmt wurden. Mit Solarwärmeanlagen kann die Sonnenenergie auch aktiv genutzt werden, oft in Verbindung mit moderner Haustechnik, die Transport und Verteilung der Wärmeenergie überwachen und steuern. Hybride Systeme stellen eine technische Erweiterung der passiven Nutzung dar, die oft auf Luft statt Wasser als Wärmeträger setzen und den Wärmetransport über kleine Ventilatoren sicherstellen. Solche Anlagen sind vor allem in Industrie, Gewerbe und Landwirtschaft verbreitet, etwa zur Trocknung von Gütern oder Produkten.



Fazit: Sonnenenergie ist eine wichtige Säule für die Energieversorgung der Zukunft. Ihre Verwendung ist klimaneutral und abgesehen von den notwendigen Investitionen und Instandhaltungsaufwendungen auch kostenfrei. Zudem werden Kollektoren und Photovoltaik-Anlagen immer leistungsfähiger und energieeffizienter, während die Kosten für fossile Brennstoffe in Zukunft weiter ansteigen werden. Der Umstieg lohnt sich also aus ökologischen und ökonomischen Gründen gleichermassen.

 

Oberstes Bild: © Toniflap – shutterstock.com

Über Christian Praetorius

Christian Praetorius, Jahrgang 1969, gelernter Controller und Logistiker mit jahrelanger Berufserfahrung. Seit 2012 gemeinsam mit seiner Frau Christine als freier Texter und Autor selbständig, erfolgreich und glücklich. Seine Kunden schätzen ihn für klare Worte, originelle Slogans und kreative Wortspiele ebenso wie für seine absolute Zuverlässigkeit und Kundenorientierung. Schreibt aus Berufung und mit Leidenschaft für die Sprache, die Botschaft und den Leser.


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