Sonnenenergie

Sonnenenergie lässt wie folgt als Energielieferant nutzen: Fotovoltaik = Stromerzeugung und Sonnenkollektor = Wärmeerzeugung.

Sonnenenergie: Definition

Die Sonnenenergie lässt sich auf zwei verschiedene Weisen als Energielieferant nutzen: bei der Stromerzeugung = Photovoltaik und bei der Wärmeerzeugung = Sonnenkollektor. In Deutschland ist es in erster Linie die Photovoltaik (PV), die hohe Effizienz mit mittlerweile günstigen Investitionskosten kombiniert. Rund 45 Gigawatt installierte Leistung im Jahre 2018 machen die Sonnenenergie zum zweitgrößten Energielieferanten im Bereich der Erneuerbaren Energien nach der Windenergie (BMWI, 2018).

Funktionsweise

Der gesamte jährliche Bruttoeintrag an Sonneneinstrahlung liegt im Mittel bei gut 1000 kWh / m2 (Deutscher Wetterdienst, 2020). Verschiedene Schätzungen, zum Beispiel der TU München, des Fraunhofer Institutes und des BMWI, kommen auf unterschiedliche Werte, welche Nettoenergie sich daraus erzielen lässt. Fest steht: Auch wenn auf allen zur Verfügung stehenden Dachflächen der Bundesrepublik Deutschland PV-Anlagen installiert würden, kämen wir nicht auf die erforderlichen 3000 TWh pro Jahr. Für diese sind ca. 15.000 Quadratkilometer installierter PV-Fläche notwendig, ein Wert, der sich nur durch zusätzliche, im landwirtschaftlichen Bereich installierte Panels erreichen lässt (Agro-Photovoltaik). Im Unterschied zu Standard-Anlagen werden diese in größerem Abstand montiert oder bestehen aus halbtransparenten Panels, die genug Licht zu den darunter stehenden Pflanzen durchlassen.

Die einzelnen Solarzellen bestehen aus Halbleitern. Dies sind chemische Elemente, die bei tiefen Temperaturen Eigenschaften wie ein Isolator haben und bei Zufuhr von Wärme oder Licht elektrisch leitfähig werden. Dabei wird weltweit zu über 95% Silizium (SI) eingesetzt, das zum einen umweltfreundlich ist und zum anderen als zweithäufigstes Element der Erde praktisch unendlich zur Verfügung steht. Dieses Material muss nun zum Einsatz in der PV-Zelle „dotiert“ werden, das bedeutet, durch gezieltes Einbringen positiver bzw. negativer Ladungsträger werden zwei Schichten erzeugt, die obere (p-leitende) und die untere (n-leitende). Bei Sonneneinstrahlung entsteht an der Grenzschicht ein p-n-Übergang. Dieser erzeugt ein elektrisches Feld, welches durch Ladungstrennung eine Spannung erzeugt, die dann dem Verbraucher zugeführt oder ins Netz eingespeist werden kann.

Im Wesentlichen gibt es drei verschiedene Typen von Solarpanels, die sich stark im Wirkungsgrad und Preis unterscheiden:

Bei Zellen aus teurem monokristallinem Silizium wird hochreines geschmolzenes Silizium benötigt, das in einkristalline Stäbe gezogen wird. Aus diesen werden dünne Scheiben geschnitten, die in der Praxis einen Wirkungsgrad von 14 bis 17% haben.
Bei Zellen aus polykristallinem Silizium wird geschmolzenes Silizium in Blöcke gegossen, aus denen dann die Scheiben geschnitten werden. Dieses Verfahren ist günstiger und erzeugt Zellen mit einem Wirkungsgrad von 13 bis 15%.
Das günstigste Verfahren ist das Aufbringen einer hauchdünnen Siliziumschicht (weniger als 1 µm) auf eine Trägerschicht wie Glas oder ein anderes Substrat. Der Wirkungsgrad liegt nur noch bei 5 bis 7%, daher kommt es fast nur im Kleingerätebereich (Solaruhren etc.) zum Einsatz.

Bestimmte Faktoren limitieren den theoretisch maximal erreichbaren Wirkungsgrad auf 28%. Dazu gehören Spektralbereiche des Lichtes, die nicht für den Photovoltaikeffekt nutzbar sind, Abschattungen durch die aufgedruckten Schaltkreise, Reflexionsverluste, elektrische Widerstandsverluste und Materialverunreinigungen.

Praktischer Einsatz

Dennoch sollte man sich nach Klärung der technischen Limits nicht davon abbringen lassen, Solartechnik im privaten und gewerblichen Bereich flächendeckend einzusetzen. Die heutigen Systeme bieten eine sehr gutes Preis- / Leistungsverhältnis und amortisieren sich relativ schnell. Garantiezeiten von meist 10 Jahren und eine zu erwartende Lebensdauer von 30 Jahren sprechen für die sehr gute Fertigungsqualität der heutigen Solaranlagen. Außerdem locken staatliche Förderprogramme mit stattlichen Subventionen und Steuererleichterungen.

Solaranlagen können sowohl auf Flachdächern als auch auf Schrägdächern montiert werden. Bei der Flachdach-Montage übernimmt ein Untergestell aus Metall oder Aluminium die Aufgabe, die Panels im optimalen Winkel auszurichten und zu befestigen. Der Winkel variiert in Abhängigkeit vom Breitengrad, während in nördlichen Breiten ein steilerer Winkel empfehlenswert ist, um die flachstehende Sonne optimal zu nutzen, sind im Süden flachere Winkel üblich, da die Sonne einen höheren Einstrahlwinkel besitzt. Als Faustregel kann in Deutschland ein Winkel von etwa 30 bis 35 Grad gelten.

Bei der Schrägdach-Montage gibt es im Wesentlichen zwei verschiedene Typen von Solarmodulen: Aufdach- und Indach-Anlagen. Beim Aufdach-Modell werden die Solarmodule mit Hilfe einer Unterkonstruktion auf der bestehenden Dachhaut montiert, beim Indach-Modell dienen die Solar-Module direkt als Dachhaut und werden anstelle der Dachziegel in der Dachfläche integriert. Sie übernehmen also im letzteren Fall neben der Energieerzeugung auch die Funktion des Schutzes vor Regen und Schnee.

Obwohl es hauptsächlich PV-Solaranlagen sind, die in Deutschland eingesetzt werden, so lohnt sich dennoch durchaus auch eine sogenannte Solarthermie-Anlage zur Erwärmung des Brauchwassers. Vor allen Dingen in Verbindung mit weiteren Erneuerbaren Energien wie Luft- oder Erdwärme, die unterstützend Wärme an bedeckten oder Regentagen liefern, kann man einen Großteil des Warmwasserbedarfs umweltfreundlich decken.

Im Gegensatz zu PV-Modulen handelt es sich bei den Modulen für die Warmwasser-Erzeugung um Kollektoren mit einem integrierten Röhrensystem, durch das ein Wärmeträgermedium fließt, meist eine Mischung aus Wasser und Propylenglycol, der einen Frostschutz bis unter 20 Grad Minus und einen Siedeschutz bis etwa 150 Grad erreicht. Je nach Art und Aufbau der Kollektoren spricht man von

Flachkollektoren
Vakuumröhrenkollektoren mit doppelwandigen Glasröhren, zwischen denen ein Vakuum besteht. Dies verringert Wärmeverluste.
Diese werden gelegentlich mit Reflektoren kombiniert, um die Wirksamkeit zu erhöhen.

Außerdem wird die Sonnenenergie auch in großen Solar-Kraftwerken genutzt. Entweder dezentral (bei der Parabolrinnen- und Fresneltechnologie) oder zentral (bei der Solarturm-Technologie) wird das Sonnenlicht auf einen Punkt gebündelt und die dabei entstehende Hitze zur Energieerzeugung genutzt.

Auswirkungen auf die Umwelt

Bei im Allgemeinen ausgezeichneter Umweltverträglichkeit liegt die größte negative Auswirkung auf die Umwelt in der großen Verschattungszone bei Solar-Kraftwerken. Außerdem können störende Reflektionen über große Entfernungen auftreten. Ferner treten bei der Produktion und bei der Entsorgung im Moment noch schädliche Substanzen auf.

Fazit

Sonnenenergie gehört neben der Windenergie zu den im Moment wichtigsten Erneuerbaren Energieformen und hat sein riesiges Potenzial in der Stromversorgung und Warmwasserversorgung noch lange nicht erreicht. Heutige Systeme haben eine gute Effizienz, erschwingliche Preise und sehr gute Qualität und Haltbarkeit.