Die Sonnenenerige – eine Energiequelle von beispiellosen Ausmaßen befindet sich im Zentrum des Planetensystems, in dem auch die Erde auf Umlaufbahn ist. Physikalisch gesehen ist die Sonne ein Kernfusionsreaktor mit einem Durchmesser von 1,4 Millionen Kilometer, der Temperaturen bis zu 15 Millionen Grad Celsius erzeugen kann. Im Prinzip genügt das, um den gesamten Energiebedarf der Menschheit auf alle Zeiten zu decken – zumindest, bis der Kernreaktor in einigen Milliarden Jahren erlischt.
Die Herausforderung beginnt bei der Aufgabe, die Sonnenenergie auf der Erde aufzufangen und in Elektrizität oder nutzbare Wärme umzuwandeln. Das gelingt derzeit nur mit einem Bruchteil der eintreffenden Sonnenenergie. Für die Umsetzung stehen derzeit diese Verfahren zur Verfügung:
- Photovoltaik
- Solarthermie
Inhaltsverzeichnis
Das Kraftwerk auf dem Dach: Photovoltaik
Die bekannteste Ausprägung der Energiegewinnung durch Photovoltaik ist die Solaranlage auf dem Dach des eigenen Hauses. Zunehmend an Bedeutung gewinnen auch Großanlagen, wie sie in Spanien und einigen afrikanischen Ländern entstehen.
Obwohl die Solartechnik in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht hat – insbesondere bei der Steigerung des Wirkungsgrads – beträgt der Anteil des durch Photovoltaik erzeugten Stroms in Deutschland derzeit nur rund ein Prozent.
Wie Photovoltaik funktioniert
Die Grundlage einer Solaranlage bildet das aus zahlreichen Zellen zusammengesetzte Solarmodul. Je nach Bauart, Wirkungsgrad und Größe liefert ein Modul zwischen 50 und 300 Watt – natürlich nur bei direkter Sonneneinstrahlung.
Der auf diesem Weg erzeugte Gleichstrom durchläuft einen Wechselrichter und steht dann als gebrauchsfertiger Wechselstrom für die Eigennutzung oder die Einspeisung ins Stromnetz zur Verfügung.
Zwei Modultypen dominieren derzeit den Markt: Siliziummodule in monokristalliner und polykristalliner Struktur, und Dünnschichtmodule, bei denen ein photoaktives Halbleitermaterial auf einen Träger aus Metall, Glas oder flexible Kunststoffe aufgebracht wird. Beide Varianten bieten Vor- und Nachteile: Während Dünnschichtmodule geringere Herstellungskosten verursachen, ist der Wirkungsgrad und damit die gelieferte Strommenge bei Siliziummodulen in der Regel höher.
Beim Wirkungsgrad ist noch viel Raum nach oben
Auch fortschrittliche Solarmodule weisen derzeit noch einen relativ geringen Wirkungsgrad auf. Gemessen an den theoretisch möglichen Leistungsdaten beträgt er aktuell zwischen 14 und 18 Prozent, wobei monokristalline Module die Spitzenposition einnehmen.
Großen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat auch die Ausrichtung der Solarmodule. Beste Werte bei der Installation auf der nördlichen Halbkugel erzielen Anlagen bei einer möglichst exakten Ausrichtung nach Süden, in Mitteleuropa mit einer Neigung von rund 30 Grad.
Auch die Frage der Verschattung spielt beim endgültigen Wirkungsgrad eine wesentliche Rolle. Dabei kommt es nicht nur auf die Situation zum Zeitpunkt der Montage an. Soll die Anlage optimale Leistung erbringen, geht es um die gesamte Sonnenbahn von Aufgang bis Untergang. Je weniger Schatten im Laufe des Tages auf die Anlage fällt, desto besser ist die Energiebilanz.
Von Bedeutung für die Machbarkeit der Photovoltaikanlage ist auch die Statik vor Ort. Nicht jedes Dach ist geeignet, eine Solaranlage zu tragen. Dennoch gibt es auch für diesen Fall Abhilfe – in der Regel mittels einer Verstärkung durch Dachsparren.
So nutzen Sie Sonnenenergie direkt: Solarthermie
Nicht über den Umweg der Stromerzeugung, sondern über die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme funktioniert das Verfahren der Solarthermie. Reflektierende Solarkollektoren fangen die Sonnenenergie ein und geben sie an eine thermische Trägerflüssigkeit ab.
Eine Pumpe befördert die aufgeheizte Flüssigkeit dann in den Wärmetauscher, wo die aufgefangene Wärme an das isoliert aufbewahrte Wasser übertragen wird. Das Wasser steht dann zur Beheizung von Bauwerken zur Verfügung.
Der Bundesverband Solarwirtschaft schreibt der Solarthermie großes Potenzial zu. So ließen sich bis zu 60 Prozent des benötigten Warmwassers mittels Solarthermie erzeugen. Selbst die Sonneneinstrahlung in der nördlichen Hälfte Deutschland soll ausreichen, um diesen Wert zu erreichen.
So funktioniert Solarthermie
Neben den Großanlagen, bei denen Tausende von Spiegeln einen zentral angeordneten Wärmetauscher beliefern, eignen sich kleinere Solarthermieanlagen auch für die Installation auf dem eigenen Dach. Die häufigsten Bautypen für den privaten Einsatz sind Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren.
Beiden Bautypen ist der Energiegewinnungsprozess gemeinsam: Die eingefangene Sonnenwärme gelangt über eine Trägerflüssigkeit zum Wärmetauscher und von dort in den Wasserkreislauf zur Versorgung mit Heizkraft und Warmwasser.
Bei der Energiebilanz überlegen
Solarthermieanlagen weisen gegenüber Photovoltaikanlagen einen deutlich höheren Wirkungsgrad auf – er liegt zwischen 70 und 90 Prozent. Allerdings hängt der Wirkungsgrad bei Solarthermie auch wesentlich vom Temperaturunterschied zwischen Absorber und Umgebungsluft ab.
Bei der Positionierung bieten Solarthermieanlagen mehr Spielraum als Photovoltaikanlagen. Die Südausrichtung darf mehr zwischen Südwest und Südost abweichen. Auch beim Dachwinkel gibt es mehr Toleranz – er darf zwischen 20 und 60 Grad betragen.
In vielen Fällen rechnet sich der spürbar höher Preis von Vakuumröhrenkollektoren gegenüber Flachkollektoren. Da Vakuumröhrenkollektoren deutlich weniger Fläche benötigen, genügt in der Regel eine kleinere Anlage, um auf den gewünschten Energieertrag zum kommen. In der Regel sind pro Person maximal 1,5 Quadratmeter Dachfläche erforderlich.
Noch wichtiger als bei der Photovoltaik ist die verschattungsfreie Positionierung der Solarthermieanlage. Selbst kurze Zeitabschnitte, in denen Schatten auf die Anlage fällt, führen zu massiven Verlusten beim Wirkungsgrad.
