Wie funktioniert Solarenergie?

Solarenergie ist der Inbegriff der erneuerbaren Energien. Das Konzept dahinter ist leicht verständlich. Die Sonne strahlt auf die Erde. Und wir nutzen diese nie endende Quelle für elektrische Geräte, Heizung oder warmes Wasser. Doch wie funktioniert Sonnenenergie genau? Welche Verfahren gibt es? Was passiert, wenn die Sonne nicht scheint? Und was sind die Vor- und Nachteile von Solarenergie?

Wie funktioniert Solarenergie?

Auf der Oberfläche der Sonne herrschen Temperaturen von 5500 Grad Celsius. Diese Wärme wird in Form von elektromagnetischen Strahlen im ganzen Sonnensystem verteilt.

Bild: Sebastian Ganso (Pixabay)

Auf ihrem Weg zur Erdatmosphäre – wir sprechen hier von etwa 150 Millionen Kilometern – wird ein Großteil dieser Energie anderweitig ins All abgegeben. Das ist auch gut so: Denn wenn es noch wärmer als die bisher höchste, offiziell anerkannte Temperatur von 56,8 Grad Celsius im kalifornischen Death Valley wird, lässt es sich hier nicht mehr so gut aushalten.

Der Solaranlage-Ratgeber erklärt, dass die Erdatmosphäre die Intensität der Sonnenstrahlung enorm reduziert. Lediglich ca. 10 bis 20 Prozent der Energie, die oben ankommt, erreicht die Erdoberfläche. Der Rest wird absorbiert bzw. zurück ins All reflektiert.

Wie können wir Solarenergie nutzen?

Stellt sich nur noch die Frage: Wie machen wir jetzt aus der Sonnenstrahlung elektrische Energie? Die Antwort: Photovoltaik! Neben dieser Technik gibt es auch die Solarthermie, auf die ich weiter unten in diesem Beitrag zu sprechen komme.

Photovoltaik – Wie funktioniert eine Solarzelle?

Eine Solarzelle besteht aus Silizium. Das ist nichts anderes als Sand. In diese Moleküle wird Phosphor und Bor oder Arsen gemischt. Und durch diesen Vorgang entstehen innerhalb der Zellen drei Schichten, aus denen sich ein Pluspol und ein Minuspol ergeben. Diese Schichten werden von oben und unten mit einem leitenden Metall umschlossen.

In dem Moment, in dem die Sonne auf die Solarzelle scheint, wandern die Elektronen durch die Zelle. Jetzt funktioniert die Solarzelle bereits wie eine Batterie. Das bedeutet, man könnte damit bereits elektrische Geräte anschließen. Das Problem: Wenn die Sonne nicht scheint, ist auch die Batterie leer.

Das nachfolgende Video von The simple Physics erläutert die Zusammenhänge in einer Solarzelle genauer:

Photovoltaikanlage

Damit wir nun mit der Sonnenenergie nicht nur ein paar Watt elektrischer Energie produzieren können, benötigen wir eine ganze Menge Solarzellen. Diese werden zu einem sogenannten Solarmodul zusammengeschaltet.

Bild: solar-auctions.com

Solarmodul

Das Solarmodul (oder Photovoltaikmodul) ist aber nur einsetzbar, wenn die verbundenen Zellen von einem Kunststoffrahmen und Glas umhüllt werden. Und diese Module kannst Du Dir dann auf Dein Dach montieren lassen.

Solargenerator

Doch auch das Solarmodul ist nur ein Baustein. Denn für eine Solaranlage werden gleich mehrere Solarmodule zu einem Solargenerator zusammengeschaltet.

Photovoltaik-Anlage

Damit die Photovoltaikanlage komplett ist, wird der Solargenerator an einen Wechselrichter angeschlossen. Denn es ist notwendig, dass der Gleichstrom aus der Sonnenenergie in Wechselstrom für die elektrische Energie umgewandelt wird.

So kannst Du Photovoltaik nutzen

Die Frage „Wo findet man Photovoltaik“ beantwortet der zugehörige Wikipedia-Eintrag sehr ausführlich. Ich liste Dir mal die wichtigsten Einsatzmöglichkeiten der Photovoltaik auf:

• Erdsatelliten und Raumstationen
• Taschenrechner und Uhren
• Parkautomaten und automatische Verkehrsschilder
• Belüftungssysteme
• Messstellen für Wasser
• Empfangsstationen für Handys und WLAN-Hotspots
• Pumpenanlagen
• Plug & Play Solaranlagen für private Haushalte (Photovoltaik Balkon)

Bei den hier aufgelisteten Systemen handelt es sich um sogenannte Inselanlagen. Das bedeutet, die Geräte werden unmittelbar durch die verbundenen Solarzellen versorgt.

Netzgekoppelte Anlagen

Die Photovoltaik-Anlagen, die wir beispielsweise auf den Dächern privater Haushalte sehen, sind hingegen an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Das macht Sinn: Denn sonst würde die gute Solarenergie immer dann verschwendet werden, wenn Du gerade weniger Energie in Deinem Haushalt benötigst. Wenn Du Dich also für eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach entscheidest, verkaufst Du den darüber generierten Strom zum Großteil.

Wird aber die Sonnenenergie ins Stromnetz eingespeist, kann sie durchgehend irgendwo anders den Bedarf decken. Das führt wiederum dazu, dass insgesamt umso weniger Energie aus fossilen Brennstoffen benötigt wird.

Solarthermie

Solarthermische Anlagen stellen eine alternative Technik zur Verwendung von Solarenergie dar. Für den Hausgebrauch eignet sich Solarthermie jedoch ausschließlich für Warmwasseraufbereitung und für Deine Heizung.

Quelle: solaranlage-ratgeber.de

Ähnlich wie die Solarmodule verwendet die Solarthermie ebenfalls Sonnenkollektoren, die man beispielsweise am Dach anbringen kann. Die Technik basiert aber nicht auf Solarzellen. Stattdessen beinhaltet der Kollektor eine Trägerflüssigkeit, die durch die Sonne erhitzt wird. Dann leitet eine Pumpe die Flüssigkeit zum Solarspeicher. Irgendwo in Deinem Haushalt musst Du zudem einen Wärmetauscher aufstellen. Dieser sorgt dafür, dass die gespeicherte Wärme an das Wasser abgegeben wird.

Die in diesem Moment sich abkühlende Flüssigkeit fließt wieder in den Sonnenkollektor zurück und kann erneut von der Sonne aufgewärmt werden.

Auch wenn Solarthermie für private Haushalte lediglich als Ergänzung des Gesamtbedarfs anzusehen ist, kann sie durchaus mehr. Das sieht man beispielsweise in Nordafrika. Dort stehen bereits riesige Felder von Sonnenkollektoren. Angeschlossen an HGÜ-Leitungen ist diese Technik zumindest perspektivisch in der Lage, die ganze Welt mit Solarenergie zu versorgen. Mehr darüber erfährst Du in meinem Beitrag „Solarthermie aus der Wüste rettet die Umwelt“.

Wie kann man Solarenergie speichern?

Bei der solarthermischen Anlage ist grundsätzlich ein Speicher integriert. Auf diese Weise ist die benötigte Energie stets nach Bedarf abrufbar.

Bei der Photovoltaik ist das aber anders! Du willst den von Deiner Anlage erzeugten Strom nicht ins Verbundnetz abgeben? Stattdessen möchtest Du auch dann die Energie abrufen, wenn die Sonne gerade nicht scheint? Dann musst Du einen Photovoltaik Batteriespeicher in das System integrieren.

Als mögliche Speicher kommt der  eher altertümliche und günstige, aber durchaus gefährliche Bleisäure-Akku in Frage. Naheliegender ist allerdings die Lithium-Ionen-Technologie. Sie ist zwar teurer, aber auch sicherer und hält mindestens doppelt so lange wie die Bleisäurebatterie.

Leider sind – ähnlich wie bei der Windkraft – wieder einmal die Kosten für eine Photovoltaik Batterie das Hauptproblem. In der Regel wird sich Deine Investition dafür nicht rentieren. Ob sich ein Photovoltaik Akku möglicherweise für Dich doch lohnt, musst Du Dir selbst ausrechnen. Was man bei der Berechnung berücksichtigen muss, kannst Du einem guten Video von Finanztip entnehmen.

Umweltbilanz von Solaranlagen

Durch den Einsatz von Solarenergie verringern wir automatisch den Bedarf an fossilen Brennstoffen und Atomkraft. Um die CO2-Bilanzen der unterschiedlichen Energieträger zu erarbeiten, gibt es verschiedene Berechnungsmethoden. Je nach Sichtweise gibt es auch in der Wissenschaft unterschiedliche Ergebnisse.

Im Verhältnis zu anderen regenerativen Energien können wir die Solarenergie tatsächlich als Umweltsünder bezeichnen. Denn – schaut man sich den gesamten Lebenszyklus einer Solaranlage an – emittiert sie zehnmal so viel CO2 wie Wasserkraft. Der Seite stromauskunft.de zufolge verursacht sogar Atomenergie einen deutlich geringeren CO2-Ausstoß als Solarenergie. Das alles ist aber nichts im Gegensatz zu den fossilen Brennstoffen.

Erdgas, Erdöl und Kohle sind im Gegensatz zur Photovolataik pro erzeugter Kilowattstunde für 4- bis 10-mal so hohe Kohlenstoffdioxidemissionen verantwortlich.

Das Fraunhofer-Institut beantwortet in seinem Bericht aus März 2020 weitere Fragestellungen. Die Antworten gebe ich teilweise mit meinen Worten wider:

Verschlingt die Produktion von Photovoltaik-Modulen mehr Energie als diese im Betrieb liefern können?

Antwort: Nein! Innerhalb von 2,5 bis 2,8 Jahren wird die Energie, die für die Errichtung von Photovoltaik-Anlagen benötigt wurde, wieder eingespielt. Das ist deutlich weniger als das bei Windkraftanlagen der Fall ist.

Arbeiten Photovoltaik-Anlagen in Deutschland effizient?

Antwort: Nein! Nicht besonders. Die Sonne scheint beispielsweise in Spanien häufiger. Als Alternative könnte man die Anlagen in südlichen Regionen weiter ausbauen und über HGÜ-Leitungen (natürlich mit Energieverlust verbunden) nach Deutschland übertragen.

Liefert Photovoltaik relevante Beiträge zum Klimaschutz?

Antwort: Ja! „Man muss die Herstellung der Anlage und ihre Entsorgung berücksichtigen. Betrachtet man den Lebenszyklus einer in Deutschland betriebenen Photovoltaik-Dachanlage, so liegen plausible Schätzungen zwischen ca. 50 und 67 g CO2-Äq./kWh Solarstrom. Mit der Verbreitung neuer Technologien sind die Treibhausgasemissionen bei der PV-Produktion in der
jüngsten Vergangenheit deutlich gesunken.“

Solarenergie Vor- und Nachteile

Sollte man nun also das Thema Solarenergie weiter intensivieren? Solltest Du Dir Sonnenkollektoren auf’s Dach schrauben? Oder ist Solarenergie doch nicht die Lösung aller Probleme? Schauen wir uns die Vor- und Nachteile an:

• Die Stromerzeugung ist nahezu emissionsfrei möglich
• Du kannst durch Photovoltaik und/oder Solarthermie Deine Haushaltskosten reduzieren
• Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle

• Solarenergie ist teilweise nicht oder nur kostenintensiv speicherbar
• Sowohl Photovoltaik- als auch Solarthermieanlagen sind zunächst mit einer beträchtlichen Investition verbunden
• Solarenergie stellt weiterhin nur eine Ergänzung zum Gesamtbedarf dar

Eine Alternative zur Solarenergie ist Windenergie. Erfahre alles über die Funktionsweise sowie die Vor- und Nachteile von Windkraftanlagen in meinem Beitrag „Wie funktioniert eine Windkraftanlage?“