Solarenergie: Was Sonnenenergie ist und wie sie wirkt

Was ist Solarenergie?

Solarenergie ist die Energie, die die Sonne als Strahlung zur Erde schickt und die der Mensch technisch nutzt. Das Wort Sonnenenergie bedeutet dasselbe. Die Strahlung entsteht im Inneren der Sonne, wo Wasserstoff zu Helium verschmilzt. Auf der Erde kommt sie als Licht und Wärme an.

Oft wird Solarenergie mit Photovoltaik gleichgesetzt. Genau genommen ist Solarenergie der Oberbegriff, und Photovoltaik ist eine von mehreren Techniken, sie zu nutzen. Das US-Energieministerium unterscheidet zwei Hauptwege: Photovoltaik, die Licht direkt in Strom umwandelt, und Solarkraftwerke, die das Licht mit Spiegeln bündeln und als Wärme nutzen. Für Wohnhäuser kommt als dritter Weg die Solarthermie hinzu, die Wasser erwärmt.

Solarenergie zählt zu den erneuerbaren Energien. Anders als Kohle, Öl oder Gas wird sie durch die Nutzung nicht weniger.

Wie viel Energie liefert die Sonne?

Am Rand der Erdatmosphäre kommt die Sonnenstrahlung mit 1.361 Watt pro Quadratmeter an. Diesen Wert nennt die NASA, er heißt Solarkonstante. Auf dem Weg zum Boden geht ein Teil verloren, weil Luft, Wolken, Wasser und Staub die Strahlung streuen und zurückwerfen.

Was am Boden ankommt, heißt Globalstrahlung. Sie besteht aus zwei Teilen: der direkten Strahlung, die Schatten wirft, und der diffusen Strahlung, die gestreut aus dem ganzen Himmel kommt. Laut Deutschem Wetterdienst macht die direkte Strahlung bei hohem Sonnenstand und wolkenlosem Himmel etwa 75 Prozent aus, bei tiefem Sonnenstand nur noch rund 33 Prozent.

In Deutschland treffen im langjährigen Mittel 1.086 Kilowattstunden pro Jahr auf einen Quadratmeter waagerechte Fläche. Der Norden und Nordwesten liegen bei knapp über 1.000 Kilowattstunden. Im Süden kommen fast 200 Kilowattstunden mehr an. Die höchsten Werte misst der Wetterdienst vom Bodensee über das Alpenvorland bis zu Inn und Salzach sowie am Oberrhein und am Neckar.

Der große Unterschied zwischen Sommer und Winter

Wichtiger als der Unterschied zwischen Nord und Süd ist der zwischen den Jahreszeiten. Im Dezember liegt die mittlere Monatssumme laut Wetterdienst unter 20 Kilowattstunden pro Quadratmeter, im Juni und Juli über 160. Das ist mehr als das Achtfache.

Dieser Jahresgang erklärt, warum eine Solaranlage im Sommer mehr Strom liefert, als ein Haushalt braucht, und im Winter zu wenig. Wie viel Strahlung an Ihrer Adresse ankommt, zeigt ein Solarkataster.

Wie wird Solarenergie genutzt?

Solarenergie wird auf vier Wegen genutzt: mit Photovoltaik für Strom, mit Solarthermie für Wärme, mit Solarkraftwerken für Strom im großen Maßstab und passiv durch die Bauweise von Gebäuden. Für Hausbesitzer sind vor allem die ersten beiden wichtig.

Photovoltaik

Photovoltaik ist die Technik, die in Solarmodulen steckt. Fällt Sonnenlicht auf ein Modul, nehmen die Solarzellen die Energie auf und erzeugen Strom. Die Technik lässt sich fast beliebig vergrößern oder verkleinern: vom Steckermodul am Balkon über die Aufdachanlage bis zur Freiflächenanlage.

Solarthermie

Solarthermie macht aus Sonnenstrahlung Wärme. Auf dem Dach liegen Kollektoren, durch die eine Flüssigkeit fließt. Die Sonne erwärmt sie, und ein Speicher im Keller gibt die Wärme an Trinkwasser oder Heizung ab. Den physikalischen Hintergrund erklärt der Beitrag zur Photothermie, die Auslegung der Solarthermie-Rechner.

Solarkraftwerke mit Spiegeln

Solarkraftwerke mit Spiegeln heißen im Fachjargon CSP, kurz für Concentrating Solar Power. Laut US-Energieministerium bündeln Spiegel das Sonnenlicht auf einen Empfänger, in dem eine Flüssigkeit stark erhitzt wird. Die Wärme treibt eine Turbine an oder wird für später gespeichert. Es gibt Anlagen mit einem zentralen Turm, mit langen Spiegelreihen und mit einzelnen Parabolschüsseln, die je 5 bis 25 Kilowatt leisten. Eingesetzt wird die Technik fast nur in sehr großen Kraftwerken.

Passive Nutzung

Passive Nutzung braucht keine Technik. Große Fenster nach Süden lassen im Winter die tief stehende Sonne ins Haus und sparen Heizenergie. Im Sommer muss dieselbe Fläche beschattet werden, sonst wird es zu warm.

Wie wird aus Sonnenlicht Strom?

Aus Sonnenlicht wird Strom, wenn es in einer Solarzelle elektrische Ladungen freisetzt und ein eingebautes elektrisches Feld diese Ladungen in eine Richtung lenkt. So beschreibt es das US-Energieministerium. Die Zelle besteht aus einem Halbleiter, fast immer Silizium. Den Vorgang im Inneren nennt man Photoeffekt.

Solarmodule liefern Gleichstrom, im Haus fließt Wechselstrom. Deshalb gehört zu jeder Anlage ein Wechselrichter. Das Energieministerium weist darauf hin, dass die Module nur eines von vielen Teilen einer Solaranlage sind. Wie eine Zelle aufgebaut ist, steht im Beitrag zu Solarzellen.

Welche Vor- und Nachteile hat Solarenergie?

Der größte Vorteil der Solarenergie ist, dass die Sonne keine Rechnung schickt und im Betrieb keine Abgase entstehen. Der größte Nachteil ist, dass sie nicht dann liefert, wenn man sie am meisten braucht: abends und im Winter.

Wie klimafreundlich ist Solarenergie?

Solarstrom verursacht über die gesamte Lebensdauer einer Anlage 43 bis 63 Gramm Treibhausgase pro Kilowattstunde. Diesen Wert nennt das Umweltbundesamt für monokristalline Module bei 30 Jahren Betrieb. Die Emissionen stammen fast vollständig aus der Herstellung der Module und dem späteren Recycling.

Daraus folgt eine einfache Regel, die das Umweltbundesamt so formuliert: Je länger eine Anlage läuft, desto geringer sind die Umweltwirkungen pro erzeugter Kilowattstunde. Die Energie, die in der Herstellung steckt, hat eine Photovoltaikanlage in Deutschland nach durchschnittlich ein bis zwei Jahren wieder erzeugt. Mehr dazu steht im Beitrag zur energetischen Amortisation.

Wie lässt sich Solarenergie speichern?

Solarenergie lässt sich als Strom in Batterien, als Wärme in Wassertanks oder umgewandelt in Wasserstoff speichern. Speicher lösen das Grundproblem der Solarenergie nur zum Teil: Sie verschieben Strom vom Mittag in den Abend, aber nicht vom Sommer in den Winter.

• Batteriespeicher: Für Wohnhäuser die übliche Lösung. Der Batteriespeicher nimmt mittags den Überschuss auf und gibt ihn abends ab.
• Wärmespeicher: Ein gedämmter Wassertank hält die Wärme der Solarthermie für einige Tage. Solarkraftwerke nutzen dafür Tanks mit geschmolzenem Salz.
• Wasserstoff: Überschüssiger Strom spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff aus Photovoltaik lässt sich lange lagern, der Umweg kostet aber viel Energie.

Wie können Sie Solarenergie selbst nutzen?

Selbst nutzen können Sie Solarenergie mit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach, mit einem Steckermodul am Balkon oder mit Solarthermie für warmes Wasser. Welcher Weg passt, hängt von Dach, Verbrauch und Budget ab. Die folgenden Schritte helfen bei der Entscheidung.

1. Dach einschätzen: Fläche, Ausrichtung und Schatten bestimmen, was möglich ist. Mit der Dachflächen-Berechnung sehen Sie, wie viele Module passen.
2. Ertrag abschätzen: Der PV-Ertragsrechner zeigt, wie viel Strom Ihr Dach im Jahr liefern kann.
3. Verbrauch dagegenhalten: Je mehr Solarstrom Sie selbst verbrauchen, desto besser rechnet sich die Anlage. Das beschreibt der Eigenverbrauch.
4. Kosten und Erlöse prüfen: Überblick geben die Beiträge zu Photovoltaik-Kosten und Einspeisevergütung.
5. Angebote vergleichen: Holen Sie mehrere Angebote ein und vergleichen Sie Module, Wechselrichter und Montage.

Häufige Fragen zur Solarenergie

Fazit

Solarenergie ist die einfachste Art, Energie selbst zu erzeugen: Die Quelle ist kostenlos, die Technik ausgereift, und im Betrieb entstehen keine Abgase. In Deutschland kommt dafür genug Sonnenstrahlung an, auch im Norden.

Ihre Schwäche ist der Winter. Wer das weiß, plant richtig: mit einer Anlage, die zum eigenen Verbrauch passt, und ohne die Erwartung, das ganze Jahr vom Netz unabhängig zu sein. Der erste Schritt ist ein Blick aufs eigene Dach.

Quellen und Methodik

Die Strahlungswerte für Deutschland stammen vom Deutschen Wetterdienst und beziehen sich auf waagerechte Flächen im langjährigen Mittel, die Solarkonstante von der NASA. Angaben zu Klimawirkung und Lebensdauer stammen vom Umweltbundesamt, die Beschreibung der Techniken vom US-Energieministerium. Der Stromertrag pro Quadratmeter in den häufigen Fragen ist eine eigene Rechnung mit angenommenen 20 Prozent Modulwirkungsgrad.

1. Deutscher Wetterdienst: Energieinput von oben - Globalstrahlung in Deutschland, Jahresgang, Unterschied zwischen Nord und Süd
2. NASA: Earth Fact Sheet - Solarkonstante
3. Umweltbundesamt: Photovoltaik - Treibhausgase, energetische Amortisation, Lebensdauer, Umweltwirkungen
4. US-Energieministerium: How Does Solar Work? - Photovoltaik und Solarkraftwerke im Überblick
5. US-Energieministerium: Concentrating Solar-Thermal Power Basics - Bauarten von Solarkraftwerken, Wärmespeicher