Potenzial der Sonnenenergie direkt und indirekt nutzen
Die Sonne ist ein gigantischer Energiespender. Was jährlich auf der Erde ankommt, könnte den Weltenergiebedarf von 150 Milliarden Kilowattstunden millionenfach decken. Dass die direkte Solarenergienutzung nur einen kleinen Teil dazu beiträgt, liegt an der relativ geringen Leistungsdichte. Auf der anderen Seite schenkt uns die Sonne eine ganze Liste von Vorteilen – von der Gratisenergie bis zur guten Atemluft. Lernen Sie die vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten der kostenlosen und gesunden Solarenergie kennen. Wir haben sie in aktive und passive, direkte und indirekte Nutzungsformen unterteilt.
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Nutzbarmachung der Sonnenenergie
Genau genommen, entstehen auch fossile Energieträger durch Sonnenenergie. Noch genauer genommen, ist die vor Jahrmillionen auf die Erde gelangte Sonnenenergie in fossilen Energieträgern gespeichert. Dementsprechend hoch ist deren Energiedichte – bei Kohle beträgt sie beispielsweise 500 kW je Quadratmeter. Im Vergleich dazu: Die Leistungsdichte von Sonnenstrahlung liegt unter 1,37 kW je Quadratmeter (Solarkonstante).
Hinzu kommen die regionalen sowie die tages- und jahreszeitlichen Schwankungen, die einem konstanten Energiefluss im Wege stehen. Damit die stete Versorgung dennoch gewährleistet werden kann, muss die Sonnenenergie nicht nur nutzbar gemacht, sondern auch vorgehalten werden. Hierbei werden zwei Nutzungsformen unterschieden: direkte und indirekte Nutzung der Solarenergie.
Direkte Nutzung von Solarenergie
Unter die direkte Nutzung von Solarenergie fallen folgende Nutzungsformen:
- Photovoltaikanlagen
- Solarthermieanlagen
- Sonnenwärmekraftwerke
- Aufwindkraftwerke
- Solarkocher und Solaröfen
- Solarballons
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Direkte Sonnenenergienutzung mit Photovoltaik-Anlagen
Solarzellen fangen das Sonnenlicht praktisch ein. Das in den Solarmodulen verbaute Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, wird dadurch elektrisch leitfähig und produziert elektrische Energie in Form von Wechselstrom. Der Wechselrichter wandelt diesen in nutzbaren Gleichstrom um. Das heißt: Photovoltaische Anlagen erzeugen aus Sonnenenergie elektrische Energie.
Diese Energie kann an Ort und Stelle verbraucht oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Empfehlenswert ist immer, den erzeugten Strom soweit es geht, selbst zu verbrauchen. Die zweitbeste Alternative heißt Solarstromspeicher. Dieser nimmt überschüssige elektrische Energie auf und hält sie zum späteren Gebrauch bereit. Bisher funktioniert dieses System meist nur über wenige Stunden. Aber es gibt Hoffnung: Einerseits hat die zunehmende Serienproduktion die Anschaffungskosten schon stark verringert. Andererseits wird weltweit an der Verbesserung der Speichertechnik und der Speicherdauer gearbeitet.
Direkte Sonnenenergienutzung mit Solarthermie-Anlagen
Sonnenkollektoren funktionieren völlig anders. Sie enthalten eine Wärmeträgerflüssigkeit, die sich in der Sonne erwärmt. Dann beginnt ein Kreislauf: Eine Pumpe leitet die erwärmte Flüssigkeit zum Pufferspeicher, wo ein Wärmetauscher die Wärme abgibt, und die abgekühlte Flüssigkeit wieder zurück in den Kollektor. Das heißt: Sonnenenergie wird durch Solarkollektoren in Wärmeenergie umgewandelt.
Auch ein weiterer Aspekt ist anders als bei der Photovoltaik: Ohne Speicher funktioniert das System im Prinzip nicht. Denn um Wasser zu erwärmen, braucht das Fluid eine gewisse Zeit. Es muss also immer Brauchwasser zum Erwärmen bereitstehen (Pufferspeicher) und nachfließen (Wasseranschluss).
Großanlagen zur Erzeugung von Solarwärme können Wärmenetze speisen und dabei Wohnquartiere über Nah- oder Fernwärmenetz mit Wärme versorgen.
Auch in Industrie und Gewerbe kann Solarthermie eingesetzte werden, beispielsweise bei der Bereitstellung von Prozesswärme.
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Weitere direkte Sonnenenergienutzung
Photovoltaik und Solarthermie sind vielleicht die wichtigsten Nutzungsmöglichkeiten, wenn es um solare Energie geht. Das Potenzial der Sonne ist damit aber noch lange nicht ausgeschöpft. Im Folgenden möchten wir die Liste der direkten Nutzungsformen gerne noch etwas erweitern:
- Sonnenwärmekraftwerke: Diese Kraftwerke wandeln Wärme in Strom um. Mit Hilfe von Parabolspiegeln, die das Sonnenlicht bündeln, wird dafür Wasser im Inneren von Kollektoren zum Kochen gebracht. Der heiße Wasserdampf treibt die Räder einer Turbine an, aus der Bewegungsenergie erzeugt ein Generator elektrische Energie. Sonnenkraftwerke sind nur in sonnenreichen Regionen wirtschaftlich.
- Aufwindkraftwerke: Aufwind ist warme Luft, die nach oben steigt. Bei einem Aufwindkraftwerk verstärkt ein Glasdach die Erwärmung von Luft bei Sonneneinstrahlung. Die warme Luft steigt in einem Kamin nach oben und setzt eine eingebaute Turbine in Bewegung. Wie beim Sonnenkraftwerk wird auch hier ein Generator zu Stromerzeugung angetrieben.
- Solarkocher: Anders als die Kraftwerke erzeugen Kocher keine elektrische, sondern Wärmeenergie. Dafür setzt man ein schwarzes Kochgefäß in die Mitte eines Parabolspiegels. Dieser konzentriert die Sonnenstrahlen und bringt die eingefüllten Speisen zum Kochen. Geeignet auch zum Braten, Grillen, Backen und sogar Frittieren unter freiem Himmel, ohne Strom- oder Gasanschluss.
- Solaröfen: Sonnenöfen nutzen das Prinzip einer Erfindung von Horace-Bénédict de Saussure im Jahr 1767. Glasscheiben verstärken die Wärmewirkung der auf einen dunkel ausgelegten Kasten auftreffenden Sonnenstrahlen. Solaröfen dienen ebenfalls dem Erhitzen von Speisen, werden aber auch zum Sterilisieren von medizinischem Material oder bei Experimenten zu Alterung und Belastung neuer Materialien genutzt.
- Solarballons: Klingt nicht nur wie ein Heißluftballon, sondern funktioniert auch so ähnlich. Allerdings wird der Auftrieb nicht mit einer Gasflamme, sondern mit Sonnenenergie erzeugt. Das Prinzip ist denkbar einfach: Erwärmen Sonnenstrahlen den schwarz umhüllten Solarballon, wird die eingefüllte Luft leichter als die Umgebungsluft – und der Ballon beginnt zu schweben.
Indirekte Nutzung solarer Energie
Die indirekte Nutzung ist eine passive Nutzung. Das heißt die Sonnenstrahlung wird nicht direkt verwertet, sondern erst sekundär.
- Passivhäuser: Dank ausgeklügelter Solarenergienutzung können Passivhäuser bis zu 75 Prozent ihres Wärmebedarfs ohne Heizungsanlage decken. Die durch Fenster in das Gebäude gelangenden Sonnenstrahlen erwärmen die Raumluft. Die Gebäudehülle speichert die Wärme und gibt sie zeitverzögert wieder ab. Voraussetzung für ein gutes Funktionieren sind große Südfenster und eine lange Sonnenscheindauer in der Heizperiode. In gewissem Sinne ähnelt dies der Solarenergienutzung in Gewächshäusern.
- Windkraftwerke: Wir alle wissen: In Windkraftanlagen wird die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist. Doch was hat die Sonne damit zu tun? Ohne Sonne gäbe es keinen Wind. Über erwärmtem Boden steigt die Luft nach oben (Tiefdruck). Ist sie in einer anderen Region kälter (Hochdruck), strömt diese kältere Luft in die wärmere Region, um den Druckunterschied auszugleichen. Je größer der Temperaturunterschied ist, desto schneller der Luftstrom, desto stärker der Wind.
- Wasserkraftwerke: Auch Wasserkraftanlagen wären ohne Sonne undenkbar, da sie der Motor des Wasserkreislaufs ist. Durch die Sonneneinstrahlung verdunstet Wasser und kondensiert zu Wolken. Kommt es zu Niederschlag, gelangt das Wasser wieder zurück zum Boden. Diesen sich ständig erneuernden Wasserkreislauf macht sich auch die Wasserkraft zunutze. Voraussetzung ist strömendes Wasser durch ein ausreichend starkes Gefälle.
- Treibstoff und Elektroenergie aus Biomasse: Biotreibstoff und Biogas sind zwei Formen von Energietechnik aus der Stoffmasse von Lebewesen. In den häufigsten Fällen kommen Pflanzen, Pflanzenabfälle und Exkremente zum Einsatz. Das in Biogasanlagen produzierte Biogas entsteht durch Vergärung. Biodiesel wird häufig herkömmlichem Dieselkraftstoff beigemischt.
- Holzheizungen: Holzschnitzel, Pellets, Kaminholz etc. Holz braucht Sonne, um zu wachsen. Je langsamer dies geschieht, desto dichter und energiereicher ist das Material. Ist langsam wachendes Holz selten, wird als zu wertvoll zum Verfeuern betrachtet.
Mit welcher Sonneneinstrahlung wir in unseren Breitengraden rechnen können, erfahren Sie in unserem Beitrag Was ist Solarenergie?
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Wir haben die wichtigsten Informationen zur Nutzung und zu den Potenzialen der Solarenergie in einer Infografiken für Sie visualisiert. Sie können das Poster hier ansehen und herunterladen. Zum Vergrößern der Darstellung bitte auf das Poster klicken.
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