Solarenergie

Täglich strahlt die Sonne so viel Energie auf die Erde herab, dass der Strombedarf für Jahre hinaus gedeckt werden könnte. Die Sonnenstrahlung ist ein unerschöpflicher Energiequell. Gerade wenn es um die Energiewende geht, ist die Nutzung von Wind-, Wasser- und Solarenergie als erneuerbare Energien zur Erzeugung von Strom und Wärme unabdingbar. Hier erfahren Sie, was Solarenergie ist, wie sie sich nutzen lässt, aus welchen unterschiedlichen Modulen Solaranlagen bestehen können und welche Arten von Solaranlagen es gibt.

Was ist Solarenergie einfach erklärt?

Unsere Sonne sorgt nicht nur dafür, dass es jeden Tag wieder hell wird, sie erzeugt auch in ihrem Inneren eine unvorstellbare Menge an Sonnenenergie. Jährlich strahlt die Sonne so viel Energie zur Erde, dass diese – mit dem Stromverbrauch von heute – rund 7.000 Jahre lang ausreichend mit elektrischem Strom versorgt wäre. Damit so viel Solarenergie wie möglich genutzt werden kann, arbeiten Forscher an der Verbesserung der Photovoltaik und anderer Möglichkeiten, diese Energie in tatsächlich nutzbaren Strom umzuwandeln. Plan der Energiewende ist es, immer mehr erneuerbare Energien zu nutzen und langfristig auf umweltschädliche Kohle- und Ölkraftwerke zu verzichten. Das Wort „solar“ hat seinen Ursprung im lateinischen „solaris“ und heißt „die Sonne betreffend“. Damit meint das Wort „Solarenergie“ einfach nur die Energie aus der Sonne. Diese wird durch Solarzellen in elektrische Energie gewandelt. Für die Herstellung von Solarzellen wird Silizium genutzt, ein Material, das beispielsweise in ganz normalem Sand vorkommt. Werden die darin befindlichen Elektronen von den Sonnenstrahlen getroffen, bewegen sie sich und erzeugen durch diese Bewegung elektrische Energie. Weil die Umwandlung von Licht in Strom auch als „Photoeffekt“ bezeichnet wird, werden die Solaranlagen auch Photovoltaikanlagen genannt.

Wie kann Solarenergie genutzt werden?

Die Energie der Sonne lässt sich auf zwei Weisen nutzen: Einmal als Solarthermie und einmal als Photovoltaik.

Solarthermie:

Die Strahlungswärme der Sonne heizt die Trägerflüssigkeit in Kollektoren auf. Mit dieser Energie wird entweder Warmwasser bereitet oder die Heizung unterstützt. Damit wird die Solarenergie als Wärmeenergie genutzt. Auf einem Einfamilienhaus werden dafür entweder Vakuumröhrenkollektoren oder Flachkollektoren genutzt. Die Wärme selbst wird via Trägerflüssigkeit ins Gebäude geleitet und kommt dort in einen Wärmespeicher. Für die Versorgung mit Warmwasser im Sommer reicht eine solche private Anlage zur Solarthermie aus, im Winter unterstützt sie dazu noch die Heizung. Große solarthermische Kraftwerke werden dagegen in heißen Regionen und Wüsten gebaut. Hier strahlt die Sonne ungehindert auf große Flächen. Effiziente Kraftwerke konzentrieren dabei die Solarenergie mit Spiegeln als Parabolrinnenkraftwerke. Eine weitere Möglichkeit sind Solarturmkraftwerke.

Photovoltaik:

Die Sonnenstrahlung wird in elektrische Energie umgewandelt. Weil einzelne Solarzellen nur geringe Stromstärken erzeugen können, entstehen technisch nutzbare Ströme und Spannungen erst, wenn die Zellen zu Modulen verbunden und mehrere Module zusammengeschaltet werden. Die Solarzellen bestehen aus Silizium oder anderen Halbleitern. Werden bei Lichteinfall Elektronen frei, können diese über einen Leiter abfließen. Dabei erzeugt die Solarenergie zunächst Gleichstrom. Ein Wechselrichter wandelt diesen in nutzbaren Wechselstrom, so dass die elektrische Energie entweder direkt genutzt oder ins Netz gespeist werden kann. Ihren Anfang nahm die Photovoltaik in der Raumfahrt. Inzwischen ist die Technologie so weit ausgereift, dass sich Dächer und andere Flächen von Wohnhäusern zur Stromerzeugung nutzen lassen. Auch große Freiflächen werden zur Energieerzeugung genutzt und liefern damit lokal produzierten Ökostrom ohne Emissionen von Kohlendioxid. Damit können Photovoltaikanlagen zur Energiewende beitragen. Je günstiger die Solarzellen in der Herstellung werden, desto günstiger wird auch der mit ihnen produzierte Solarstrom. Während vor einigen Jahren die Kilowattstunde erzeugter Solarenergie noch teurer als konventioneller Strom war, ist dieser längst so preiswert, dass sich der Eigenverbrauch lohnt. Von großen Anlagen auf Freiflächen neben Autobahnen bis zu kleinsten Anwendungen beispielsweise beim Camping lässt sich die Technologie heute nutzen. Je mehr elektrische Energie zu Heizzwecken oder für Elektroautos genutzt wird, desto mehr erneuerbare Energien müssen genutzt werden. Daher spielt die Photovoltaik im gesamten Energiemix eine wesentliche Rolle.

Passive Nutzung der Sonnenenergie: 

Solarenergie kann auch passiv zur Erwärmung und damit zur Heizung genutzt werden. Ein Beispiel dafür ist das Gewächshaus oder der Wintergarten. Dringen die Sonnenstrahlen durch die Glasscheiben, erwärmen sie den geschlossenen Raum und bleiben als Wärmestrahlen innen. Ein ähnliches Prinzip nutzen die Passivhäuser. Sie sammeln die Sonnenenergie und speichern sie im Gebäude.

Solarpark Solarenergie

Welche Arten von Solaranlagen gibt es?

Solaranlagen gibt es inzwischen in einer großen Vielfalt an unterschiedlichen Ausführungen. Dabei kommt es auf unterschiedliche Aspekte an, zu denen beispielsweise der Standort, die Ausrichtung, die Art des Einbaus und der Anschluss an das örtliche Stromnetz zählt.

Auf den Standort der Solaranlagen kommt es an

Geht es um den Aspekt des Standortes, können Anlagen auf Freiflächen, an Fassaden und auf Dächern errichtet werden. Fassadenanlagen werden an den Hauswänden, Dachanlagen auf dem Dach montiert. Diese versorgen als Anlagen für Einfamilienhäuser entweder ein einzelnes Haus mit Solarstrom oder – bei größeren Dächern beispielsweise auf kommunalen Gebäuden – auch mehrere Verbraucher. Es gibt Solaranlagen, die gleichzeitig als Überdachung einer Terrasse dienen oder das Dach des Carports darstellen. Freiflächenanlagen stehen ohne extra errichtete Gebäude auf in der Erde verankerten Ständern. Sie erzeugen kommerzielle Solarenergie und erwirtschaften Gewinne. Schwimmende Anlagen auf Gewässern oder Agrar-Photovoltaikanlagen sind weitere spezielle Anlagen zur Erzeugung von Solarenergie. Neben diesen an einen bestimmten Standort gebundenen festen Photovoltaikanlagen gibt es auch mobile Anlagen, die sich auf einem Boot oder dem Wohnwagen nutzen lassen.

Aufdach- und Indach-Anlagen zur Gewinnung von Solarenergie

Photovoltaikanlagen auf dem Dach können als Aufdach- oder Indach-Anlage montiert werden. Während die Aufdach-Anlage auf einem Trägersystem befestigt und damit über der eigentlichen Dachkonstruktion sitzt, ist die Indach-Anlage Teil des Daches selbst. Da Aufdach-Anlagen hinterlüftet werden, ist ihr Wirkungsgrad und damit ihre Leistung etwas größer. Dafür passen sich Indach-Anlagen ästhetisch in das Dach ein. Solardachziegel sind eine spezielle Art von Indach-Anlagen. Allerdings werden sie vor allem bei der Sanierung denkmalgeschützter Häuser verbaut.

Die Ausrichtung der Photovoltaikanlagen

In Mitteleuropa und damit in Deutschland werden Häuser hauptsächlich mit Schrägdächern abgeschlossen. Das hat seine Ursache in den klimatischen Bedingungen hierzulande: Im Winter bleibt der Schnee nicht auf dem Dach liegen und auch der Regen fließt besser ab. Weil eine Photovoltaikanlage am effektivsten arbeitet, wenn die Solarenergie senkrecht auf die Solarzellen fällt, sind ca. 30 Grad die optimale Neigung. Auf einem Flachdach lässt sich die Photovoltaikanlage daher mit einer Unterkonstruktion verwenden und die Module können optimal ausgerichtet werden. Ist das Dach ein Schrägdach, ist die Ausrichtung der Photovoltaik-Anlage bereits festgelegt. Wenn Sie einen Neubau planen und auf dem Dach Solarenergie zur Stromerzeugung nutzen wollen, sollten Sie darauf achten, dass sich eine Dachfläche nach Süden neigt. Auch eine Dachneigung von Südost bis Südwest kann für die Installation einer Photovoltaik-Anlage genutzt werden. Selbst auf Dachflächen, die nach West oder Ost zeigen, lässt sich Solarenergie erzeugen.

Mobile Inselanlagen

Die meisten Anlagen zur Erzeugung von Solarenergie sind fest montiert und damit auch fest mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Aber es gibt auch mobile Anlagen, sogenannte Inselanlagen. Diese können sowohl mobil als auch stationär sein. Überall dort, wo kein öffentliches Stromnetz vorhanden ist, kann eine solche Inselanlage die Sonnenstrahlung nutzen und Solarenergie erzeugen. Das gilt für Gartenhäuser, aber auch für Häuser, die sich weit entfernt von Ortschaften befinden. Es gibt übrigens keine Pflicht, die nicht selbst benötigte Solarenergie in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Damit Sie diesen jedoch selbst nutzen können, ist es sinnvoll, einen Speicher zu installieren. Wird eine mobile Inselanlage mit anderen erneuerbaren Energien kombiniert, ist die Versorgung mit Strom auch an trüben Tagen sicher.

Aus diesen unterschiedlichen Solarzellen können Solarmodule bestehen

Jede Photovoltaikanlage besteht aus vielen einzelnen Solarzellen. Für welche Art Sie sich entscheiden, bestimmt neben dem Preis der Anlage auch die Leistung. Für die Erzeugung von Strom auf privaten Dächern können vier unterschiedliche Arten von Solarzellen zum Einsatz kommen, jede mit ihren ganz spezifischen Vor- und Nachteilen.

Monokristalline Solarzellen:

Diese werden die Wafer aus jeweils einem einzigen Siliziumkristall gefertigt. Diese bilden wiederum die Grundlage für die Solarzellen. Die einheitlich dunkelblau bis fast schwarz gefärbten Solarzellen sind sehr homogen. Das erhöht den Wirkungsgrad, macht sie aber in der Herstellung teurer und aufwändiger.

Polykristalline Solarzellen:

Polykristalline Solarzellen werden aus quadratischen Blöcken Silizium gefertigt. Sie sind an ihrer markanten Eisblumenstruktur leicht zu erkennen. Werden die Blöcke gefertigt, bilden sich in ihnen viele Kristalle und sorgen für eben diesen eisblumenartigen Effekt. Im Gegensatz zu den monokristallinen Solarzellen haben die polykristallinen Solarzellen einen geringeren Wirkungsgrad. Dafür ist ihre Produktion bedeutend günstiger.

Dünnschichtmodule:

Dünnschichtmodule sind amorphe Solarzellen: Eine hauchdünne Schicht Silizium wird auf einen Träger gesprüht oder aufgedampft, zusammen mit anderen Stoffen. Weil die Schicht sehr viel feiner ausfällt, wird auch deutlich weniger Silizium benötigt. Da diese Module bei geringeren Temperaturen gefertigt werden, ist die Produktion ebenfalls günstiger. Da sich diese Module einfacher in unterschiedliche Formen bringen lassen und sie zudem viel leichter sind, können sie auch an den Stellen montiert werden, an denen sich kristalline Solarzellen nicht anbringen lassen. Dafür ist der Wirkungsgrad der Dünnschichtmodule geringer.

CIGS Module:

Diese Module sind ganz spezielle Dünnschichtmodule aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid. Der Wirkungsgrad ist bei diesen deutlich höher, dafür sind die Kosten für die Produktion allerdings auch höher.

Was ist Solarenergie?

Sonnenenergie, auch als Solarenergie bezeichnet, ist die Energie, die in der Strahlung der Sonne vorhanden ist. Diese kann mit der entsprechenden Technologie entweder in Wärme oder in elektrischen Strom gewandelt werden. Weil viel mehr Sonnenenergie zur Verfügung steht, als überhaupt genutzt werden kann, gehört die Solarenergie neben Wind- und Wasserkraft zu den erneuerbaren Energien. Doch die Solarenergie steht zunächst nur dann zur Verfügung, wenn die Sonne tatsächlich scheint. Soll der daraus gewonnene Strom auch in den sonnenarmen Zeiten genutzt werden, ist ein Solarstromspeicher nötig. Das lohnt sich vor allem dort, wo die Solarenergie nicht in das öffentliche Stromnetz eingespeist, sondern so viel wie möglich selbst genutzt werden soll. Damit wird eine größere Unabhängigkeit von den Strompreisen und vom örtlichen Stromnetz erreicht. Weil schließlich auch in der Nacht oder an Tagen mit vielen Wolken und damit nur wenig Sonneneinstrahlung genügend Strom gespeichert ist, kann mehr davon selbst genutzt werden und muss nichts ins Netz eingespeist werden. Ein Laderegler achtet darauf, dass alle aktiven Verbraucher wie Kühltruhe oder Kühlschrank die benötigte Energie bekommen und speist den überschüssigen Rest der Solarenergie im Speicher. Erst wenn wirklich Solarstrom im Überfluss vorhanden ist, wird er ins öffentliche Stromnetz eingespeist und nach den Richtlinien des EEG vergütet.

Batteriespeicher für Solarenergie und Energie der Sonne

Solarenergie kann in sogenannten Batteriespeichern gespeichert werden. Es gibt die Speicher als Blei-Säure-Batterien, als Blei-Gel-Batterien und als Lithium-Ionen-Akkus. Während die Blei-Akkus über eine Lebensdauer von gut zehn Jahren verfügen, ist die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Akkus noch nicht so vorhersagbar. Doch Experten vermuten, dass sie mindestens über eine doppelt so lange Lebensdauer verfügen. Außerdem verfügen sie über einen höheren Wirkungsgrad und sind daher in der Speichertechnologie eine mögliche Zukunft. Wenn Sie klimafreundlich Ihre Solarenergie speichern wollen, können Sie nicht mehr genutzte Lithium-Ionen-Akkus aus Elektrofahrzeugen als Stromspeicher nutzen. Auch wenn der Wirkungsgrad nicht mehr sehr hoch ist und für die Elektrofahrzeuge nicht ausreicht, ist er für Solarenergie immer noch brauchbar.

Solarenergie und Sonnenenergie als erneuerbare Energien

Im Jahr 2.000 wurde durch die Bundesregierung das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) eingeführt. Das Gesetz garantierte zunächst eine relativ hohe Vergütung für die Einspeisung von Solarstrom ins Stromnetz. Daraufhin sorgten deutsche Unternehmen mit ihrer Innovation für den Boom der Solaranlagen und auch dafür, dass die Technologie international wettbewerbsfähig wurde. Die erste Novelle des EEG führte 2004 zu einem raschen Ausbau der Photovoltaik hierzulande. Leider verschlechterten die folgenden Novellen des EEG nach 2012 die Rahmenbedingungen für Photovoltaik, so dass die Nachfrage stark zurückging. Zwar plante die Bundesregierung pro Jahr Ausbauziele von 2,5 Gigawatt, doch diese wurden mehrfach nicht erreicht. Beispielsweise sollten 2015 und 2016 je rund 2,5 Gigawatt neue Photovoltaikanlagen errichtet werden, tatsächlich entstanden jedoch nur Anlagen mit je 1,5 Gigawatt. Erst ab 2018 wurden wieder Anlagen mit mehr Leistung errichtet. Die genaue Höhe der Vergütung für die Einspeisung von Solarenergie in das öffentliche Stromnetz richtet sich nach der Leistungsfähigkeit der Photovoltaikanlagen und ihrem Entstehungsdatum. Wer nach dem EEG eine Photovoltaikanlage betreibt, bekommt insgesamt zwanzig Jahre lang eine Vergütung für eingespeiste Solarenergie in das öffentliche Stromnetz. 🌱

Bildquellen

  • Solarkraftwerk: iStock/jotily
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