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Solarenergie: Potenzial und technische Nutzungsmöglichkeiten

Solarenergie ist eine unerschöpfliche Energiequelle und kann in vielfältigster Form zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt werden

Die Solarenergie ist die größte Energiequelle. Die jedes Jahr auf die Erde einstrahlende Solarenergie ist mehr als 10.000-fach so groß wie der Weltenergiebedarf der Menschheit. Da sich die Zusammensetzung des Sonnenspektrums, die Sonnenscheindauer und der Winkel, unter dem die Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche fallen, regional unterscheiden, ist auch die eingestrahlte Energie in Europa geringer als in der Sahara. Daher sind natürlich solche Gebiete für die Nutzung der Solarenergie sehr attraktiv. Aber auch in unseren Breitengraden lohnt sich die Nutzung der Solarenergie zur Wärme- als auch Stromerzeugung.

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Photosynthese: Von der Solarenergie zur Biomasse

Solarenergie dient grundsätzlich als Energiequelle der Photosynthese. Dabei wird Wasser (H2O) gespalten und Kohlendioxid (CO2) in Biomoleküle überführt, zum Beispiel in Kohlenhydrate ([CH2O]n). Vor etwa 3 Milliarden Jahren begann die Entwicklung der biologischen Photosynthese ausgehend von Bakterien bis hin zur Ausbildung von Chloroplasten in höheren Lebewesen wie Algen und Pflanzen.

In der Bioenergiefassade werden mittels Solarenergie in von einer Nährstofflösung durchströmten Glasfassadenelementen Mikroalgen kultiviert und so Wärme und Biomasse gewonnen. (Grafik: Arup Deutschland GmbH)
In der Bioenergiefassade werden mittels Solarenergie in von einer Nährstofflösung durchströmten Glasfassadenelementen Mikroalgen kultiviert und so Wärme und Biomasse gewonnen. (Grafik: Arup Deutschland GmbH)

Die Effizienz der Umwandlung von eingestrahltem Solarenergie in Biomasse beträgt bei der biologischen Photosynthese unter 1 Prozent. Bei einem Wirkungsgrad von 0,7 Prozent können über das Jahr gemittelt durch biologische Photosynthese in Deutschland etwa 7 kWh Solarenergie pro m2 netto konserviert werden. Auf der gesamten landwirtschaftlichen Nutzfläche Deutschlands (167.000 km2) werden also weniger als 1.200 Milliarden kWh pro Jahr in Biomasse konserviert; dies entspricht etwa 30 Prozent des deutschen Primärenergieverbrauchs von 3.750 Milliarden kWh pro Jahr.

Die älteste und einfachste Art der energetischen Nutzung von Biomasse ist die Verfeuerung. In Deutschland wird Biomasse überwiegend in Kleinanlagen wie Kaminen, Öfen aber auch Holzscheit- und Pelletheizungen unter 15 Kilowatt verfeuert. Auch die Verstromung von Biomasse hat sich in den letzten Jahren vervielfacht. Biomasse-Kraftwerke und Heizkraftwerke nutzen vor allem Altholz, aber auch Industrieresthölzer, Sägenebenprodukte und Waldrestholz. Eine wichtige Bedeutung nimmt auch die Vergärung von Biomasse in Biogasanlagen ein. Bei der Zersetzung von organischer Materie durch spezielle Methanbakterien entsteht Biogas, das dann in Blockheizkraftwerken (BHKW) zu Strom- und Wärme gewandelt wird oder als Gas zunächst zwischengespeichert wird. Immer häufiger werden biogene Stoffe auch als Biokraftstoffe im Verkehr eingesetzt.

Technische Möglichkeiten zur direkten Nutzung der Solarenergie

Neben der energetischen Nutzung von Biomasse lässt sich Solarenergie auch technisch auf viele verschiedene Arten direkt in Strom und Wärme umwandeln und so vielfältig nutzbar machen:

  • Solarkollektoren nutzen Solarenergie direkt zur Wärmegewinnung für Einfamilienhäuser als auch große Immobilien und industrielle Wärmeanwendungen
In Vakuum-Röhrenkollektoren fangen hochselektiv beschichtete Absorber Solarenergie ein. (Foto: energie-experten.org)
In Vakuum-Röhrenkollektoren fangen im Vergleich zu Flachkollektoren hochselektiv beschichtete Absorber Solarenergie ein. Eine Wärmedämmung ist dabei durch das Vakuum in den Röhren gewährleistet. (Foto: energie-experten.org)
  • Solarzellen produzieren elektrischen Gleichstrom, der über Wechselrichter umgewandelt wird, um diesen Solarstrom direkt zu verbrauchen oder in das Stromnetz einzuspeisen (Photovoltaik)
Solarenergie wird heute in Deutschland von mehr als 1,5 Millionen PV-Anlagen genutzt, um seinen eigenen Strom umweltfreundlich zu produzieren. (Foto: energie-experten.org)
Solarenergie wird heute in Deutschland von mehr als 1,5 Millionen PV-Anlagen genutzt, um seinen eigenen Strom umweltfreundlich zu produzieren. (Foto: energie-experten.org)
  • Viele Gebäude werden so geplant, dass Solarenergie gezielt zur Wärmegewinnung genutzt wird. Diese passive Sonnenenergie bezeichnet die Nutzung von Wärme durch Sonneneinfall in Passivhäusern
Passivhaus St. Pauli (Foto: energie-experten.org)
Die passive Solarenergienutzung basiert auf der Absorption der kurzwelligen Solarstrahlung entweder im Inneren eines Gebäudes nach dem Durchgang durch eine transparente Außenfläche oder an den Außenbauteilen von Gebäuden. Die absorbierte Solarenergie erwärmt die entsprechenden Bauteile, welche die Energie wiederum über Konvektion und langwellige Strahlung an die Umgebung abgeben. (Foto: energie-experten.org)
  • Solarthermiekraftwerke erhitzen mit Hilfe von Solarenergie spezielles Thermoöl oder überhitzten Wasserdampf, deren Energie dann über eine Turbine verstromt wird
DLR-Solarturm-Kraftwerk (Foto: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR))
Bei Solarturmkraftwerken (DLR-Solarturm) wird die Solarenergie mit vielen einzelnen Spiegeln gebündelt, auf einen Punkt an der Spitze eines Turmes gelenkt (Receiver) und dort ein zirkulierendes Wärmespeichermedium auf über 500 °C erhitzt. Diese Wärme erzeugt dann Wasserdampf, der Turbinen antreibt und CO2-freien Strom produziert. (Foto: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR))

Vorteile Solarenergienutzung

Vorteile Solarenergie (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)
Solarenergie reduziert die Abhängigkeit von Energieimporten und schafft Arbeitsplätze (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)

Die Nutzung von Solarenergie hat viele Vorteile:

  • Solarenergie ist im Gegensatz zu fossilen oder atomaren Energieträgern nach menschlichem Ermessen unbegrenzt verfügbar
  • Die Nutzung der Solarenergie verringert die Importabhängigkeit von Gas und Öl
  • Solarenergie hat in den letzten Jahren immer mehr Arbeitsplätze geschaffen. Rund 10 Milliarden Euro wurden in 2011 im Bereich der Solarenergie umgesetzt, zwei Drittel der Wertschöpfung verblieben davon in Deutschland
  • Solarenergie ist klimaschonend. Es entstehen nur bei der Produktion der Solaranlagen Treibhausgase. Der Betrieb ist emissionsfrei
  • Die Umwandlung von Solarenergie in Strom und Wärme verursacht keine Emissionen wie Feinstaub oder Rußpartikel
  • Dezentral genutzte Solarenergie spart Kosten der Weiterleitung und Verteilung zentral erzeugter Elektrizität und Wärme

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"Technische Möglichkeiten zur Nutzung von Solarenergie" wurde am 16.08.2019 das letzte Mal aktualisiert.