Energie

Sonnenenergie

Sun_EarthSonnenenergie

Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die von der Sonne durch Kernfusion erzeugte Energie, die in Teilen als elektromagnetische Strahlung zur Erde gelangt. Die Sonnenenergie ist, seitdem sie gemessen wird, annähernd konstant; es gibt auch keine Hinweise auf deutliche Schwankungen in historischer Zeit. Die Intensität der Sonneneinstrahlung beträgt an der Grenze der Atmosphäre etwa 1,367 kW/m²; dieser Wert wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Ein Teil der eingestrahlten Energie wird von den Bestandteilen der Atmosphäre – festen (z. B. Eiskristallen, Staub), flüssigen oder gasförmigen Schwebeteilchen – reflektiert. Ein weiterer Teil wird von den Bestandteilen der Atmosphäre absorbiert und bereits dort in Wärme umgewandelt. Der dritte Teil geht durch die Atmosphäre hindurch bis zum Erdboden. Dort wird er entweder in Wärme umgewandelt, oder er betreibt zum Beispiel die Photosynthese, die Photothermik oder die Photovoltaik.

Die prozentuale Verteilung der Einstrahlung auf Reflexion, Absorption und Transmission hängt vom jeweiligen Zustand der Atmosphäre ab. Dabei spielen die Luftfeuchtigkeit, die Bewölkung und die Länge des Weges, den die Strahlen durch die Atmosphäre nehmen müssen, eine Rolle. Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlung beträgt weltweit im Tagesdurchschnitt (bezogen auf 24 Stunden) noch ungefähr 165 W/m² (mit erheblichen Schwankungen je nach Breitengrad, Höhenlage und Witterung). Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als fünftausendmal größer als der Energiebedarf der Menschheit. Letztlich wird die gesamte Energie der Sonne in Form von Wärmestrahlung wieder an den Weltraum abgegeben.

Nutzung der Sonnenenergie

Der Menge nach größte Nutzungsbereich der Sonnenenergie ist die Erwärmung der Erde, so dass im oberflächennahen Bereich biologische Existenz in den bekannten Formen möglich ist, gefolgt von der Photosynthese der Pflanzen. Die meisten Organismen, die Menschen eingeschlossen, sind entweder direkt (als Pflanzenfresser) oder indirekt (als Fleischfresser) von der Sonnenenergie abhängig. Brennstoff und Baumaterial stammen ebenfalls daraus. Die Sonnenenergie ist weiterhin dafür verantwortlich, dass es in der Atmosphäre zu Luftdruckunterschieden kommt, die zu Wind führen. Auch der Wasserkreislauf der Erde wird von der Sonnenenergie angetrieben. Neben diesen ’natürlichen‘ Effekten gibt es zunehmend eine technische Nutzung vor allem im Bereich Energieversorgung.

Mit Hilfe der Solartechnik lässt sich die Sonnenenergie auf verschiedene Arten nutzen: Sonnenkollektoren erzeugen Wärme (Solarthermie bzw. Photothermik) Sonnenwärmekraftwerke erzeugen mit Hilfe von Hitze und Wasserdampf elektrischen Strom Pflanzen und pflanzliche Abfälle werden so verarbeitet, dass nutzbare Flüssigkeiten (z. B. Äthanol, Rapsöl) oder Gase (z. B. Biogas, gereinigt wird daraus Methan) entstehen Wind- und Wasserkraftwerke erzeugen elektrischen Strom Solarkocher oder Solaröfen erhitzen Speisen oder sterilisieren medizinisches Material Solarzellen erzeugen elektrischen Gleichstrom (Photovoltaik) Die Sonnenenergie ist regenerative Energie, ihre Nutzung wird in vielen Ländern gefördert, in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Speicherung der Sonnenenergie

Die solare Einstrahlung unterliegt tages- und jahreszeitlichen Schwankungen von Null bis zum Maximalwert der Bestrahlungsstärke von rund 1000 W/m². Um die notwendige Energieversorgungssicherheit zu gewährleisten, sind deshalb immer zusätzlich Maßnahmen wie Energiespeicher, Regelungstechnik oder auch Zusatzsysteme wie zum Beispiel ein mit Brennstoff betriebener Heizkessel notwendig. Thermische Solaranlagen verwenden unterschiedliche Arten von Wärmespeichern. Diese reichen bei Geräten für Warmwasser meist für einige Tage aus, damit – zumindest im Sommerhalbjahr – auch in der Nacht und während einer Schlechtwetterperiode ausreichend Wärme zur Verfügung gestellt werden kann. Langzeitspeicher, die sommerliche Wärme in den Winter übertragen, sind technisch möglich, aber noch relativ teuer. In solarthermischelektrischen Kraftwerken wird durch Spiegel konzentrierte Sonnenstrahlung genutzt, um Flüssigkeiten zu verdampfen und mittels Dampfturbinen Strom zu gewinnen. Wärmespeicher (beispielsweise Flüssigsalztanks) können darüber hinaus einen Teil der Wärme (mit geringen Verlusten) tagsüber speichern, um kurzfristige Bedarfsschwankungen auszugleichen oder die Dampfturbine nachts anzutreiben. In photovoltaischen Kraftwerken wird elektrischer Strom mittels Halbleitereffekten erzeugt. Der dadurch produzierte Gleichstrom wird entweder im Rahmen einer dezentralen Stromerzeugung in einem Inselstromnetz als solcher verwendet (Pufferung zum Beispiel durch Akkumulatoren oder über Wechselrichter in ein vorhandenes Wechselstromnetz eingespeist.

Potenzial der Sonnenenergie

Als die größte Energiequelle liefert die Sonne pro Jahr eine Energiemenge von etwa 3,9 · 1024 J, das entspricht 1,08 · 1018 kWh, auf die Erdoberfläche. Diese Energiemenge entspricht etwa dem 10.000-fachen des Weltprimärenergiebedarfs. Die Zusammensetzung des Sonnenspektrums, die Sonnenscheindauer und der Winkel, unter dem die Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche fallen, sind abhängig von Uhrzeit, Jahreszeit und Breitengrad. Damit unterscheidet sich auch die eingestrahlte Energie. Diese beträgt beispielsweise etwa 1.000 kWh pro Quadratmeter und Jahr in Mitteleuropa und etwa 2.350 kWh pro Quadratmeter und Jahr in der Sahara. Es gibt verschiedene Szenarien, wie eine regenerative Energieversorgung der EU realisiert werden kann, unter anderem auch mittels Energiewandlung in Nordafrika und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. So ergaben zum Beispiel satellitengestützte Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), dass mit weniger als 0,3 Prozent der verfügbaren Wüstengebiete in Nord-Afrika und im Nahen Osten durch Thermische Solarkraftwerke genügend Energie und Wasser für den steigenden Bedarf dieser Länder sowie für Europa erzeugt werden kann. Die TransMediterranean Renewable Energy Cooperation, ein internationales Netzwerk von Wissenschaftlern, Politikern und Experten auf den Gebieten der erneuerbaren Energien und deren Erschließung, setzt sich für eine solche kooperative Nutzung der Solarenergie ein. Eine Veröffentlichung aus den USA namens Solar Grand Plan schlägt eine vergleichbare Nutzung der Sonnenenergie in den USA vor. Es wurde auch darüber nachgedacht, Solarenergie per Satellit einzufangen und auf die Erde zu übermitteln. Der Vorteil läge in einer höheren Energiedichte am Boden und in der Vermeidung von Tag-Nacht-Schwankungen. Auf Grund des großen dafür nötigen Aufwands, weit oberhalb von aller bisherigen Raumfahrttechnik, ist jedoch keines dieser Projekte konkret in Angriff genommen worden.

(Quelle: Wikipedia)