Lexikon: Sonnenenergie

 

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Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die von der durch erzeugte Energie, die in Teilen als Elektromagnetische Welle|elektromagnetische Strahlung (Strahlungsenergie) zur Erde gelangt. Die Sonnenenergie ist über Hunderte von Jahren praktisch konstant. Die Intensität der Sonneneinstrahlung beträgt an der Grenze der etwa 1,367 Watt (Einheit)|kW/m²; dieser Wert wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Ein Teil der eingestrahlten Energie wird von den Bestandteilen der Atmosphäre Absorption|absorbiert und in Wärme (Bewegungsenergie) umgewandelt. Ein weiterer Teil entkommt durch die Emission (Physik)|Emission eines Teils der absorbierten Energie in Richtung Weltall der Erde und zuletzt führt die Reflexion (Physik)|Reflexion an Schwebeteilchen wie Eiskristallen und Staub in der Luft zu einer weiteren Verringerung der aufgenommenen Energie. Die Größe dieser Verluste hängt vom Zustand der Atmosphäre ab. Dabei spielen die , die Wolke|Bewölkung und die Länge des Weges, den die Strahlen durch die Atmosphäre nehmen müssen, eine Rolle. Die auf die auftreffende Strahlung beträgt auf eine senkrecht dazu stehende Fläche noch ungefähr 1000 W/m². Auf schräg zur einfallenden Strahlung aufgestellte Flächen trifft weniger Energie auf.

Im 19. Jahrhundert nahm man an, die Sonne bestünde aus und würde diese verbrennen; allerdings könnte die Sonne unter dieser Annahme nur für etwa 6.000 Jahre leuchten.

Nutzung der Sonnenenergie

Die auf der Erde am weitesten verbreitete Nutzung der Sonnenenergie ist die bei den . Alle Tiere leben direkt (Pflanzenfresser) oder indirekt (Fleischfresser) von der Sonnenenergie.

Bild: Photovoltaik_adlershof.jpg-Adlershof]] Die Solartechnik beschäftigt sich mit der Nutzung der Sonnenenergie. Sie wird mit Hilfe der Photovoltaik in elektrische Energie (Solarstrom) umgewandelt oder die Infrarot-Strahlung wird als Wärme in Solarthermie-Anlagen eingefangen und genutzt. Die Wandlung in Wärme durch so genannte Sonnenkollektoren ist die weltweit verbreitetste Nutzung der Sonnenenergie. Der direkten Wandlung der Strahlung in Wärme bedienen sich auch Solarofen|Solaröfen und Solarkocher. Großtechnisch kann die so gewonnene Wärme in Sonnenwärmekraftwerken zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.

Die Sonnenenergie zählt zu den regenerative Energie|regenerativen Energien, ihre Nutzung wird in vielen Ländern gefördert, in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz|Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Faktisch lassen sich auch die Windenergie sowie die Energieträger Biomasse und Biogas als Formen der Solarenergie bezeichnen, da sie durch natürliche physikalische oder biologische Prozesse umgewandelte Sonnenenergie nutzen.

Speicherung der Sonnenenergie

Die solare Einstrahlung ist eine unstete Größe. Tag und Nacht, natürliche Bewölkung und sowie Kondensstreifen, Abdämpfe und auch Schwebeteilchen in der Luft beeinflussen die lokalen Bestrahlungsstärke. Um die notwendige Energieversorgungssicherheit zu gewährleisten sind deshalb beim Betrieb solarer Kraftwerke immer Zusatzmaßnahmen notwendig. Das vorhandene Stromnetz kann zum Ausgleich lokaler Schwankungen dienen. Kraftwerke aus anderen Bereichen der Regenerativen Energien, beispielsweise Wasserkraftwerke und Windenergieanlagen können solare Kraftwerke ergänzen. Außerdem ist auch auf längere Sicht der parallele Betrieb konventioneller Kraftwerke notwendig, um kurzfristige Schwankungen auszugleichen. Eine weitere Möglichkeit ist die Energiespeicherung, so dass Schwankungen aus diesen Speichern ausgeglichen werden können. Verschiedene Ansätze dazu sind möglich, bei kleinen Anlagen sowie Inselanlagen werden häufig Solarbatterien eingesetzt. Hierbei handelt es sich um einen chemischen Energiespeicher. Auch Speicherung in großtechnischen chemischen Speichern ist möglich, zur Zeit erzielte Wirkungsgrade für die daraus wieder verwendbare Energie liegen bei etwa 50 Prozent. Ein anderes Verfahren ist die Umwandlung metallischer Stoffe, beispielsweise das Solzinc-Verfahren. Ein weiteres mögliches Verfahren ist die Wandlung der elektrischen Energie in Rotationsenergie, wie sie beispielsweise im Straßenbahn-Depot der Intalliance AG in Hannover-Leinhausen realisiert wurde.

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 in etwa dem 10.000fachen des Weltprimärenergiebedarfs und übertrifft damit auch alle auf der Erde verfügbaren Energiereserven.

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 und etwa 2.350 kWh pro Quadratmeter und Jahr in der . Es gibt verschiedene Szenarien, wie eine regenerative Energieversorgung der EU realisiert werden kann, unter anderem auch mittels Energiewandlung in Nordafrika und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung.

Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Einfallswinkel

Die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche ist die Haupteinflussgröße des Wettergeschehens und des regionalen wie globalen s. Die Bestrahlungsstärke|Strahlungstromdichte (Englische Sprache|engl. heat flux density, irradiation), also die Strahlunsgenergie pro Fläche- und Zeiteinheit, hängt vom Winkel der Sonneneinstrahlung ab. Bei flachem Winkel treffen weniger Photonen pro Flächeneinheit auf dem Boden auf und erwärmen ihn weniger stark als bei einem senkrechten Einfall. Dies kommt durch folgende Formel zum Ausdruck:

J = J_0 \cdot \cos (\beta)

Hierbei bezeichnet J die Strahlungsleistung, J_0 die Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel sowie \beta den Einfallswinkel.

Verstärkt wird der Effekt durch den verlängerten Weg, den das Licht bei flachen Winkeln durch die Atmosphäre zurücklegen muss.

Vor- und Nachteile der Sonnenenergie

Die direkte Nutzung von Sonnenenergie als Energiequelle bietet gegenüber klassischen Energiequellen einige Vorteile. So ist sie unabhängig von fossilen und atomaren Energieträgern und im Gegensatz zu diesen praktisch unbegrenzt. Auch werden bei der Strom- und Wärmeerzeugung keine klimaschädlichen Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid|CO2 freigesetzt. Bei dezentraler Auslegung fallen zudem keine Energieverluste durch den Transport an und die Abhängigkeit von einzelnen großen Energieversorgungsunternehmen nimmt ab.

Nachteilhaft ist allerdings, dass wegen der Abhängigkeit von der wetter-, tages- und jahreszeitabhängigen Sonneneinstrahlung keine konstante Versorgung mit Energie möglich ist. Auch wird Energie eher in kalten Gebieten beziehungsweise Jahreszeiten benötigt, während die Energiegewinnung mit Solartechnik in heißen Gegenden mit hoher Sonneneinstrahlung und im Sommer deutlich effektiver ist. Daher hofft man, bald die Sonnenenergie effektiv speichern zu können, beispielsweise durch die Gewinnung von , um sie dann später beziehungsweise an einem anderen Ort einsetzen zu können. Eine Alternative ist der parallele Einsatz von Techniken zur direkten Sonnennutzung (Solarthermie,Photovoltaik) und zur Energiegewinnung aus Biomasse, die ja auch gespeicherte Sonnenenergie darstellt.

Siehe auch: Klimaschutz, ökologisches Bauen.

Weblinks

  • http://www.thema-energie.de – Informationen zu Solarwärme, Solarstrom, und eine Solarförderberatung
  • http://volker-quaschning.de/artikel/thinkbig/index.html Szenario Energieerzeugung in Afrika und HGÜ
  • Grüne Wiese, rotes Tuch – Die Solarbranche fürchtet Widerstände gegen Freilandanlagen und müht sich um öffentliche Zustimmung (aus Die Zeit 25/04)


Kategorie:Solarenergie Kategorie:Umweltschutz

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