Solarenergie

Solarenergie – Erzeugung und Speicherung

Inhalt des Wiki-Artikels

• Aktive und passive Solarenergieerzeugung
• Erzeugte Solarenergie speichern

Die Sonne sendet Strahlungsenergie aus, die sich der Mensch nutzbar machen kann. Die Quelle des Tageslichts dient bereits seit Jahrtausenden der Wärmegewinnung, heute wird sie darüber hinaus für die Gewinnung elektrischer Energie genutzt. Solarenergie ist fast immer und überall auf der Welt verfügbar. Mit einer Intensität von 1361 Watt pro Quadratmeter kommt die solare Strahlung im jahreszeitlichen Mittel an der Lufthülle der Erde an, gemessen an einer senkrechten Linie zwischen Sonne und Erde. Global gemittelt erreicht die Solarenergie allerdings lediglich eine Dichte von rund 340 Watt pro Quadratmeter. Durch Absorption, Reflexion und Streuung wird die solare Strahlung in der Erdatmosphäre vermindert. Den Boden kann sie direkt erreichen oder indirekt durch Streuung an Wolken, Aerosolen oder Luftmolekülen. Nur die direkte Strahlung erzeugt einen Schattenwurf, sie macht im Jahresmittel etwa die Hälfte der gesamten Sonnenstrahlung aus. Ist der Himmel bewölkt, trifft indirekte Strahlung auf den Erdboden, ist er klar, trifft großteils direkte Strahlung auf den Boden. Die Summe aus beiden wird als Globalstrahlung bezeichnet. Die Größe der Solarenergie, die den Erdboden erreicht, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Zum einen spielt der Laufweg durch die Luft eine entscheidende Rolle bei der Gewinnung von Solarenergie, der je nach Sonnenstand eine andere Länge hat, zum anderen ist der Grad der Wolkendeckung entscheidend. Sind keine Wolken am Himmel, kann die Strahlungsintensität in unseren Breitengraden eine Leistung von circa 1000 Watt pro Quadratmeter erreichen. An trüben Wintertagen in Deutschland kann die Leistung der Solarenergie jedoch auf weniger als 50 Watt pro Quadratmeter absinken. Im Mittel ergibt sich daraus je nach Standort und atmosphärischen Bedingungen eine Energiemenge von 900 bis 1200 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr. Demgegenüber ist zum Beispiel die Sahara zur Nutzung von Solarenergie ein optimales Gebiet, denn dort kann die Einstrahlung eine Leistung von etwa 2200 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr erreichen.¹

Aktive und passive Solarenergieerzeugung

Die Definition von Solarenergieerzeugung besagt grundsätzlich, dass Sonnenstrahlung in eine andere Form der Energie umgewandelt wird. Dazu stehen bereits heute diverse Methoden zur Verfügung. Solarenergie kann mittelbar oder unmittelbar genutzt werden. Indirekt wird die Sonnenenergie bei Biomasse-, Wind- und Wasserkraftanlagen genutzt. Bei diesen Arten der Energieerzeugung ist die Mittelbarkeit durch Zwischenprodukte wie organisches Material, Luftbewegung beziehungsweise die potenzielle und kinetische Energie von Wasser gegeben. Die unmittelbare, also direkte Nutzung der Solarenergie kann aktiv oder passiv erfolgen. Bei der aktiven Solarenergieerzeugung wird das Sonnenlicht entweder mittels Photovoltaik direkt in elektrische Energie umgewandelt oder es wird für die Erzeugung von Wärme mit unterschiedlichen Temperaturen genutzt, wobei zwischen Niedertemperatur- und Hochtemperaturnutzung unterschieden wird. Bei der Erzeugung von elektrischer Energie mittels Photovoltaik wird das gesamte direkt einfallende Licht umgewandelt. Solarthermische Kraftwerke dienen der Solarenergieerzeugung mittels Hochtemperaturnutzung. Sonnenstrahlung wird konzentriert und absorbiert, um Flüssigkeit aufzuheizen, damit diese verdampft. Mit dem Dampf werden Turbinen angetrieben. Bei dieser Art der Solarenergieerzeugung wird lediglich ein Teil der direkten Sonnenstrahlung genutzt, weshalb solarthermische Kraftwerke vor allem für besonders sonnenreiche Gebiete mit direkter Lichteinstrahlung interessant sind. Die Niedertemperaturnutzung umfasst hauptsächlich Solarkollektoren zur Wassererwärmung, wie sie häufig auf Hausdächern installiert sind. Passive Solarenergieerzeugung dient der Erwärmung und Beleuchtung von Gebäuden. Energieeffiziente Häuser werden so geplant, dass sich auf der Südseite, wo die meiste Sonnenstrahlung auftrifft, Verglasungen, Wintergärten oder transparente Wärmedämmungen befinden. Über diese Bauteile wird Wärme aufgenommen und dann über wärmespeichernde Materialien nach und nach ans Gebäudeinnere abgegeben. Dadurch fällt der Heizbedarf insgesamt deutlich geringer aus und die Nebenkosten werden gesenkt. Auch für eine bessere Ausleuchtung der Räumlichkeiten wird die Sonnenstrahlung genutzt, beispielweise werden lichtlenkende Fassadenelemente oder Sonnenschutzsysteme, welche das von außen einstrahlende Tageslicht auffangen und ins Gebäudeinnere reflektieren, eingebracht. Durch die Kombination diverser Methoden kann Solarenergie besonders effektiv genutzt werden.²

Erzeugte Solarenergie speichern

Da die Solarenergieerzeugung jahreszeiten- und wetterabhängig ist, sind Zwischenspeicher für den so erzeugten Strom unabdingbar. Zunächst muss man die Solarenergie speichern, um sie bei Bedarf nutzen zu können. Bislang ist es noch nicht möglich, sehr große Mengen an elektrischer Energie direkt zu speichern. Aus diesem Grund ist ein Ziel im Rahmen der Nutzung regenerativer Energien, die Sektoren Wärme, Mobilität und Elektrizität derart zu verbinden, dass Speichertechnologien möglichst effizient genutzt werden können. Modernisiert und ausgebaut werden sollen die Kraft-Wärme-Kopplung und die Fernwärmeinfrastruktur. Außerdem ist geplant, neue Speicher in das Stromnetz zu integrieren, die unterschiedlichste Anforderungen erfüllen müssen. Zum einen werden Stromspeicher benötigt, die eine große Kapazität aufweisen, um Wind- und Solarenergie speichern und bei Bedarf abgeben zu können. Zum anderen werden Energiespeicher benötigt, die eine kurze Reaktionszeit von teils nur zehn Millisekunden aufweisen. Weiterhin ist geplant, das Erdgasnetz in Deutschland als Speicher zu nutzen. Möglich wäre zum Beispiel, aus Solarenergie und anderen erneuerbaren Energien erzeugten Strom durch Elektrolyse in Wasserstoff umzuwandeln, der zudem anschließend mittels einer chemischen Reaktion mit Kohlendioxid zu Methan umgewandelt werden kann. Wie das durch Biomasse gewonnene Methangas können Wasserstoff und Methan in das Gasnetz eingespeist werden, die Energie könnte auf diese Weise über Wochen und Monate hinweg gespeichert werden. Technische Ursachen bedingen derzeit allerdings eine Obergrenze der Einspeisung von Wasserstoff in das Netz von zwei Prozent des Erdgasvolumens in einem Leitungsrohr, eine Erhöhung des Grenzwerts auf zehn Prozent ist aber bereits beschlossen. Selbst bei nur zwei Prozent ergibt sich aber bereits ein sehr großer Speicher für Solarenergie und andere erneuerbare Energien, die Speicherkapazität überträfe die bislang in Deutschland bestehenden Pumpspeicherkraftwerke um rund das Zwanzigfache.³