Sonnenenergie

Grundlagen und Bedeutung

Sonnenenergie oder Solarenergie ist die Energie der Sonnenstrahlung, die technisch als elektrischer Strom, Wärme oder chemische Energie genutzt werden kann. Die Strahlung entsteht an der etwa 5500 °C heißen Sonnenoberfläche als Schwarzkörperstrahlung. Ihre Energie geht letztlich auf die Kernfusion im Sonneninneren zurück, insbesondere auf das Wasserstoffbrennen.

Nach menschlichen Zeitmaßstäben ist Sonnenenergie eine unerschöpfliche erneuerbare Energiequelle. Sie kann direkt genutzt werden, etwa durch Photovoltaikanlagen und Sonnenkollektoren, oder indirekt über Wind, Wasserkraft und Biomasse. Auch die Erwärmung der Erde, die Photosynthese, der Wasserkreislauf und die Entstehung von Wind beruhen auf Sonnenenergie. Dadurch bildet sie die Grundlage fast allen Lebens sowie vieler Brenn- und Baumaterialien.

Strahlungsintensität und Einfallswinkel

An der Grenze der Erdatmosphäre beträgt die durchschnittliche Intensität der Sonneneinstrahlung etwa 1361 W/m². Dieser Wert heißt Solarkonstante. Aufgrund der Exzentrizität der Erdbahn schwankt die Einstrahlung im Jahresverlauf um knapp 7 %. In der Atmosphäre wird ein Teil der Strahlung durch Eiskristalle, Staub, Flüssigkeitsteilchen und Gase gestreut oder reflektiert. Ein weiterer Teil wird absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der verbleibende Anteil erreicht die Erdoberfläche, wo er ebenfalls teilweise reflektiert und teilweise aufgenommen wird.

Wie sich die Strahlung auf Reflexion, Absorption und Transmission, also Durchgang durch die Atmosphäre, verteilt, hängt unter anderem von Luftfeuchtigkeit, Bewölkung und Weglänge durch die Atmosphäre ab. An der Erdoberfläche kommen im weltweiten 24-Stunden-Durchschnitt ungefähr 165 W/m² an. Das entspricht jährlich 1445 kWh pro Quadratmeter, wobei Breitengrad, Höhenlage und Wetter große Unterschiede verursachen. Die gesamte eintreffende Energiemenge wird im Artikel als mehr als fünftausendmal größer als der Energiebedarf der Menschheit angegeben. Letztlich gelangt die gesamte Sonnenenergie als reflektiertes Licht oder Wärmestrahlung wieder in den Weltraum.

Die Strahlungsstromdichte ist die Strahlungsenergie pro Fläche und Zeitspanne. Sie hängt vom Einfallswinkel ab: Bei flachem Lichteinfall verteilen sich die Photonen auf eine größere Bodenfläche und erwärmen diese schwächer als bei senkrechtem Einfall. Es gilt J = J₀ · sin(β). Dabei ist J die Strahlungsleistung, J₀ die Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfall und β der Einfallswinkel gegenüber dem Horizont. Bei flachem Einfall wird die Wirkung zusätzlich abgeschwächt, weil das Licht einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegt.

Direkte und indirekte Nutzung

Bei der direkten Nutzung wandeln technische Anlagen die Sonnenstrahlung unmittelbar um. Sonnenkollektoren liefern Wärme; dies wird Solarthermie oder Photothermik genannt. Solarzellen erzeugen durch Photovoltaik elektrischen Gleichstrom. Sonnenwärmekraftwerke konzentrieren Strahlung, erzeugen Wärme und Wasserdampf und treiben damit Turbinen zur Stromproduktion an. Aufwindkraftwerke erwärmen Luft in einem Treibhaus; die aufsteigende Luft strömt durch einen Kamin und erzeugt Strom. Weitere Anwendungen sind Solarballons sowie Solarkocher und Solaröfen, die Speisen erhitzen oder medizinisches Material sterilisieren können.

Indirekt wird Sonnenenergie genutzt, wenn Pflanzen oder pflanzliche Abfälle zu Energieträgern wie Ethanol, Rapsöl, Biogas oder Methan verarbeitet werden. Windkraft beruht auf den durch Sonneneinstrahlung verursachten Luftdruckunterschieden, Wasserkraft auf dem solar angetriebenen Wasserkreislauf. Bei der passiven Sonnenenergienutzung erwärmt ein entsprechend gestaltetes Gebäude die Innenräume durch einfallende Strahlung und benötigt im Winter weniger zusätzliche Heizenergie.

Die technische Nutzung wird in vielen Ländern gefördert, in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Die installierte Photovoltaikleistung in Deutschland stieg laut Artikel von 2,1 GWp im Jahr 2005 über 18,0 GWp im Jahr 2010 und 53,8 GWp im Jahr 2020 auf 99,9 GWp im Jahr 2024.

Speicherung und Versorgungssicherheit

Die solare Einstrahlung schwankt täglich und jahreszeitlich zwischen null und einer maximalen Bestrahlungsstärke von rund 1000 W/m². Ohne Ergänzungen kann sie daher keine gleichmäßige, am jeweiligen Bedarf ausgerichtete Versorgung sichern. Erforderlich sind Energiespeicher, Regelungstechnik oder Zusatzsysteme wie ein mit Brennstoff betriebener Heizkessel.

Wärmespeicher thermischer Solaranlagen können bei Geräten zur Warmwasserbereitung meist Energie für einige Tage bevorraten. Besonders im Sommerhalbjahr steht dadurch auch nachts oder während einer Schlechtwetterperiode Wärme zur Verfügung. Saisonale Langzeitspeicher, die Sommerwärme bis in den Winter bewahren, sind technisch möglich, aber noch relativ teuer. In solarthermischen Kraftwerken können beispielsweise Flüssigsalztanks einen Teil der durch Spiegel konzentrierten Wärme mit geringen Verlusten speichern. So lassen sich kurzfristige Bedarfsschwankungen ausgleichen oder Dampfturbinen nachts betreiben.

Photovoltaikanlagen erzeugen Gleichstrom durch Halbleitereffekte. In einem Inselstromnetz kann dieser direkt verwendet und etwa in Akkumulatoren gepuffert werden. Alternativ wandeln Wechselrichter ihn in Wechselstrom für das Stromnetz um. Dort kommen dezentrale Batterien oder die Umwandlung in Wasserstoff und Methan infrage. Das Methan kann im Erdgasnetz gespeichert werden. Laut Artikel würden die vorhandenen deutschen Erdgasspeicher genügen, um den Speicherbedarf einer überwiegend auf Photovoltaik und Windkraft beruhenden Stromversorgung zu decken. Im März 2011 nahm in der Morbacher Energielandschaft die erste deutsche Solargas-Anlage den Betrieb auf; sie wandelt Sonnenenergie in synthetisches Erdgas um.

Potenzial, Umweltbilanz und Produktionsmarkt

Die Sonne liefert der Erdoberfläche pro Jahr ungefähr 1,5 · 10¹⁸ kWh. Dies entsprach mehr als dem 10.000-Fachen des Weltenergiebedarfs von 2010, der mit 1,4 × 10¹⁴ kWh pro Jahr angegeben wird. Die nutzbare Einstrahlung unterscheidet sich nach Uhrzeit, Jahreszeit, Breitengrad, Sonnenscheindauer, Einfallswinkel und Zusammensetzung des Sonnenspektrums. Sie beträgt etwa 1000 kWh pro Quadratmeter und Jahr in Mitteleuropa und etwa 2350 kWh pro Quadratmeter und Jahr in der Sahara.

Satellitengestützte Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt kamen zu dem Ergebnis, dass thermische Solarkraftwerke auf weniger als 0,3 % der verfügbaren Wüstengebiete Nordafrikas und des Nahen Ostens genug Energie und Wasser für den steigenden Bedarf dieser Regionen sowie Europas erzeugen könnten. Vorgeschlagen wurden dafür unter anderem eine Energieumwandlung in Nordafrika und die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nach Europa. Ähnliche Überlegungen enthält der US-amerikanische „Solar Grand Plan“. Sonnenenergie könnte auch durch Satelliten eingefangen und zur Erde übertragen werden. Höhere Energiedichte am Boden und das Vermeiden des Tag-Nacht-Wechsels wären Vorteile; wegen des extrem hohen technischen Aufwands wurde bis 2022 jedoch kein solches Projekt verwirklicht. Die USA und China betrieben zu diesem Zeitpunkt entsprechende Forschung.

Nach Berechnungen des deutschen Umweltbundesamtes benötigt eine Photovoltaikanlage im relativ sonnenarmen Deutschland ein bis zwei Betriebsjahre, um so viel Energie zu erzeugen, wie Herstellung, Betrieb und Entsorgung verbrauchen. Bei 30 Jahren Nutzungsdauer entstehen rechnerisch 67 g CO₂-Äquivalente pro kWh. Für Steinkohle- und Gaskraftwerke werden 694 g CO₂-Äquivalente pro kWh genannt. Photovoltaik verursacht damit pro Energieeinheit ungefähr ein Zehntel dieser Treibhausgasbelastung.

Ein wirtschaftliches Risiko ist die starke Marktdominanz Chinas. 2024 wurden dort 90 % des weltweiten Polysiliziums, 96 % der Ingots und Wafer, 89 % der Solarzellen und 81 % der Solarmodule produziert. Handelsunterbrechungen könnten deshalb den Ausbau in anderen Teilen der Welt ernsthaft beeinträchtigen. Deutschland und Europa besaßen um 2010 noch eine vollständige Lieferkette. Deutsche Unternehmen sind inzwischen vor allem bei Wechselrichtern und beim Rohsilizium, insbesondere Wacker Chemie, weltweit bedeutend. Als Hauptgrund für den Marktanteilsverlust nennt der Artikel die entschiedene asiatische Industriepolitik mit massiven Investitionen in Produktionskapazitäten. Hohe westliche Lohnkosten seien wegen des hohen Automatisierungsgrades weniger wichtig.

Vorteile und Grenzen

Sonnenenergie ist praktisch unbegrenzt verfügbar und kann steigenden Energiebedarf decken, ohne dass Brennstoffvorräte erschöpft werden. Bei ihrer Nutzung werden keine Luftschadstoffe wie Feinstaub und keine Treibhausgase freigesetzt. Sie verringert außerdem den Bedarf an importierten fossilen oder nuklearen Brennstoffen und damit die Abhängigkeit von Exportstaaten. Da keine Brennstoffkosten entstehen und die Preise der Erzeugungstechnik gefallen sind, liegen ihre Gestehungskosten, also die durchschnittlichen Kosten der Energieerzeugung, inzwischen häufig unter denen von Alternativen.

Dem stehen technische und räumliche Nachteile gegenüber. Wetter sowie Tages- und Jahreszeiten bestimmen die Strom- oder Wärmeerzeugung. Ohne Speicher ist deshalb keine konstante oder jederzeit bedarfsgerechte Versorgung möglich. Aufgrund der geringen Energiedichte benötigen Solaranlagen vergleichsweise große Flächen und können mit der Landwirtschaft um Flächen konkurrieren. Aus demselben Grund ist auch der Bedarf an Metallen relativ hoch.