Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die von der Sonne durch Kernfusion erzeugte Energie, die in Teilen als elektromagnetische Strahlung (Strahlungsenergie) zur Erde gelangt.

Die Photosynthese der Pflanzen ist die auf der Erde am weitesten verbreitete Nutzung der Sonnenenergie. Alle Tiere leben entweder direkt (Pflanzenfresser) oder indirekt (Fleischfresser) von der Sonnenenergie. Auch für den Menschen ist sie eine Grundlage des Lebens.

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 thermische Energie über Solarthermie-Anlagen eingefangen und genutzt. Die Wandlung in thermische Energie durch sogenannte Sonnenkollektoren ist die weltweit meistverbreitete technische Nutzung der Sonnenenergie. Der direkten Wandlung der Strahlung in Wärme bedienen sich auch Solaröfen und Solarkocher. Großtechnisch kann die so gewonnene Wärme in Sonnenwärmekraftwerken zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.

Die Sonnenenergie zählt zu den regenerativen Energien, ihre Nutzung wird in vielen Ländern gefördert.

Faktisch lassen sich auch die Windenergie, die Energie des Wassers, Biomasse und biogene Gase als Formen der Solarenergie bezeichnen, da sie durch natürliche physikalische oder biologische Prozesse umgewandelte Sonnenenergie nutzen.

Solarenergie in Österreich

Fälschlicherweise glauben viele, dass der Energieertrag durch die Sonneneinstrahlung in Österreich zu gering ist, um ein wirtschaftliches Betreiben einer Solaranlage zu garantieren. Dabei strahlt die Sonne binnen drei Stunden (!) die gleiche Menge Energie auf die Erde, wie pro Jahr von der gesamten Erdbevölkerung verbraucht wird. In Österreich liegt die durchschnittliche Sonneneinstrahlung bei rund 1.100 kWh pro Quadratmeter und Jahr. Die höher gelegenen Gebiete Österreichs erreichen sogar Werte über 1.400 kWh. Damit ist genügend Sonneneinstrahlung auch in Österreich vorhanden, um Solaranlagen effizient zu betreiben. 85 Prozent der Einstrahlung erreichen uns zwischen März und Oktober. Wird diese Sonneneinstrahlung eingefangen, erwärmt sie für mindestens 8 Monate im Jahr das Brauchwasser auf 60 °C. In der restlichen Zeit muss z.B. mit der Zentralheizung zugeheizt werden. Immerhin kann damit aber bis zu 70 Prozent des gesamten Warmwasserbedarfs abgedeckt werden.

Bisheriger Einsatz von Solarenergie in Österreich

Die Nutzung der Solarenergie für Warmwasser und Raumheizung in Österreich liegt noch unter 2 Prozent (Kollektorfläche 2006: 3,3 Mio. Quadratmeter inkl. Schwimmbad). Nach einer Studie aus dem Jahr 2005 (Streicher/Wiese/Kaltschmitt: Erneuerbare Energien, 2005) könnte dieser Anteil mit dem heutigen Stand der Solartechnik bei Warmwasser bei 56 Prozent, bei Raumheizung bei 12,5 Prozent und bei Prozesswärme bis 100°C bei 38 Prozent liegen.

Knapp 95 Prozent der in Österreich installierten Kollektorfläche sind derzeit in Ein- und Zweifamilienhäusern installiert und erwärmen das Brauchwasser (üblicherweise 6 bis 8 m² Kollektorfläche, 300 bis 600 Liter Speicher) oder unterstützen die Raumheizung (15 bis 25 m² Kollektorfläche, 1.000 bis 2.000 Liter Pufferspeicher). Insgesamt besitzen über 220.000 Haushalte in Österreich eine thermische Solaranlage und sparen sich dadurch rund 100 Millionen Euro an Energiekosten pro Jahr. Nur 5 Prozent der bisherigen Fläche sind Anlagen in anderen Anwendungsbereichen, wie Mehrfamilienwohnbau (2.000 Anlagen), Tourismus-/Gewerbe-/Industriebetriebe (3.000 Anlagen) oder Unterstützung von Fernwärmenetzen im Sommerbetrieb (ca. 50 Anlagen). Bislang sind 17 Prozent aller Einfamilienhäuser mit einer Solaranlage ausgestattet, in Geschosswohnbauten werden erst zwei von hundert Wohnungen solar versorgt. Im Tourismus nutzen mittlerweile fast 20 Prozent der Betriebe die Sonne.

Die derzeit größten Solaranlagen Österreichs sind die Siedlung am Berlinerring in Graz mit 2.446 m² (seit 2006), das Liebenau Stadion in Graz mit 1.440 m² (seit 2002), die Solar-Biomasse-Nahwärmeanlage in Winklern (Kärnten) mit 1.280 m² (seit 2000) und die Solar-Biomasse-Nahwärmeanlage in Eibiswald (Steiermark) mit 1.246 m² (seit 1997). Die vier größten Solarwärmeanlagen Österreichs mit zusammen mehr als 6.000 m² Kollektorfläche liefern jährlich über 2.000 MWh Wärme, soviel wie 100 Einfamilienhäuser pro Jahr verbrauchen.

Energetische Amortisationszeit von Solaranlagen

In verschiedenen wissenschaftlichen Arbeiten wurde die energetische Amortisationszeit von Solaranlagen untersucht. Dabei wurde in detaillierten Analysen die gesamtePrimärenergie für die Herstellung einer Solaranlage, für deren Transport und für den Pumpstrom im Betrieb berechnet. Dagegen wurde der solare Ertrag der Solaranlage über 20 Jahre gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die energetische Amortisationszeit bei thermischen Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung zwischen 1,9 und 2,3 Jahren liegt. Das bedeutet, dass nach etwa zwei Jahren der Energieverbrauch für Errichtung und Betrieb der Anlage durch den erzielten solaren Ertrag ausgeglichen ist. Danach beginnt die solare Netto-Ernte bis zum Lebensende der Solaranlage.

Speicherung der Solarenergie

Die solare Einstrahlung ist eine unstete Größe. Tag und Nacht, natürliche Bewölkung sowie Kondensstreifen, Abdämpfe und auch Schwebeteilchen in der Luft beeinflussen die lokale 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. Elektrizitätswerke aus anderen Bereichen der regenerativen Energien, beispielsweise Wasserkraftwerke, Windenergieanlagen oder Geothermiekraftwerke können solare Elektrizitätswerke ergänzen. Um kurzfristige Leistungseinbrüche ausgleichen zu können (z.B. wegen schlechten Wetters) sind steuerbare und vor allem dynamische Kraftwerke notwendig. Dieses Kriterium erfüllen beispielsweise Gasturbinenkraftwerke im Gegensatz zu Atomkraftwerken oder Kohlekraftwerken, die nur extrem träge reagieren können.

Eine andere 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. Solarthermisch erzeugte Wärme kann bevorzugt im Sommer in geothermische saisonale Speicher eingebracht und im Winter genutzt werden. Ein anderes Verfahren ist die Umwandlung metallischer Stoffe, beispielsweise das Solzinc-Verfahren. Ein weiteres mögliches Verfahren ist die Wandlung der elektrischen Energie in Rotationsenergie (Schwungrad), wie sie beispielsweise im Straßenbahndepot der Intalliance AG in Hannover-Leinhausen realisiert wurde.

Für die (kurzfristige) Stromspeicherung (nicht nur von Solarenergie) kommen auch Wasserspeicherkraftwerke in Frage. Einige Wasserkraftwerke sind sogenannte Spitzenlastkraftwerke, das bedeutet, dass sie in innerhalb von Minuten ihre Leistung dem Bedarf anpassen können. Wenn wenig Bedarf vorhanden ist, verbleibt das Wasser einfach im Wasserspeicher und staut sich. Es gibt auch Kraftwerke, in denen die Turbinen überschüssige Energie dazu verwenden können, Wasser in das höherliegende Reservoir zu pumpen und so Strom als Höhenenergie für späteren Abruf zu speichern.

Eine weitere denkbare Methode der Stromspeicherung ist chemisch durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wobei der Wasserstoff zu Methanol weiterverarbeitet werden kann. Der Wasserstoff bzw. das Methanol kann dann in Tanks gespeichert (oder transportiert) werden und in einer Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie zurückverwandelt werden. Dies ist auch dezentral möglich.

In solarthermischen Kraftwerken wird durch Spiegel konzentrierte Sonnenenergie genutzt, um Dampfturbinen anzutreiben. Wärmespeicher (z.B. Flüssigsalztanks) können einen Teil der am Tage gewonnenen Wärme mit geringen Verlusten aufnehmen und die Dampfturbine nachts antreiben.

Vorteile der Solarenergienutzung

Als Vorteile der photovoltaischen oder thermischen Nutzung von Sonnenenergie werden folgende Punkte diskutiert:

• Sie ist im Gegensatz zu fossilen Energieträgern oder radioaktiven Isotopen unbegrenzt verfügbar.

• Es kommt zu keiner Freisetzung von Feinstaub, wie z. B. Rußpartikeln, oder Treibhausgasen, wie etwa CO2.

Hinsichtlich der Stromerzeugung durch viele kleine Photovoltaik-Anlagen statt durch Großkraftwerke werden weiter folgende Vorteile gesehen:

• Energieverluste durch Übertragung und Verteilung werden reduziert (übliche Wechselstrom-Hochspannungstrassen verursachen ca. 14 % Leistungsverlust[2]).

• Kosteneinsparungen aufgrund des Umstands, dass die Kosten der Weiterleitung und Verteilung zentral erzeugter Elektrizität etwa so hoch sind wie die Kosten der Energieerzeugung selbst.[3]

• Wegfall von eventuellen Preiskartellen großer Energieerzeuger, was zu freier Preisbildung und damit niedrigeren Energiepreisen führen würde.

• Wegfall der Notwendigkeit großer Reservekapazitäten. Zentrale Großanlagen erfordern diese, um bei Betriebsstörungen einzelner Anlagen großflächige Stromausfälle zu vermeiden. Diese Reserve beträgt für Deutschland im Moment ca. 40 %.[4] Diese Kapazität müsste nicht mehr bereitgehalten werden, da eine Vielzahl kleinerer und dezentraler Energieerzeuger das Ausfallrisiko einzelner Anlagen abfedern würde.

• Reduzierung energiepolitischer Abhängigkeiten von möglichen Krisenherden und internationalen Konflikten, wie etwa in der Nahostregion.

Nachteile der Sonnenenergienutzung

Als nachteilig werden folgende Punkte bewertet:

• Aufgrund der Abhängigkeit von der wetter-, tages- und jahreszeitabhängigen Sonneneinstrahlung ist ohne zusätzliche Speichertechnologie keine konstante Energieversorgung möglich, auf Verbrauchsschwankungen kann ebenfalls nicht reagiert werden. Zudem wird Energie gerade in kalten Gebieten beziehungsweise Jahreszeiten benötigt, wenn solartechnische Energiegewinnung deutlich weniger effektiver ist. Für eine gleichmäßige Verfügbarkeit photovoltaisch erzeugter Energie müssten effektive Speicherkapazitäten etwa auf Wasserstoffbasis aufgebaut werden, was zusätzliche Wirkungsgradverluste und Infrastrukturkosten verursacht. Im Bereich der thermischen Nutzung können bestimmte Kraftwerkstypen den Wärmeeintrag des Tages teilweise in der Nachtzeit weiternutzen.

• Die Energieerzeugung ist nach einer kompletten ökologischen Bilanz betrachtet nicht emissionsfrei, da die Herstellung der Anlagen bedeutende Mengen an Energie, Frischwasser und Chemikalien verbraucht. Allein um die zu ihrer Herstellung benötigte Energiemenge zurückzugewinnen, müssen etwa heutige Photovoltaik-Anlagen nach einer aktuellen Studie der Europäischen Union je nach Bauart rund 1,5 bis 6 Jahre betrieben werden.

• Als derzeit größter Nachteil insbesondere der Photovoltaik werden die immensen Kosten betrachtet. Strom aus Windkraft ist mit 6 bis 8 Cent pro Kilowattstunde bereits deutlich teurer als in herkömmlichen Kraftwerken produzierte Energie, Strom aus Photovoltaik kostet 40 bis 50 Cent.

Technischen und wirtschaftlichen Unzulänglichkeiten stehen allerdings breite Entwicklungsmöglichkeiten gegenüber. Sollte Solarenergie zunehmende Verbreitung finden, werden sich die von der Herstellungsmenge unabhängigen Kosten auf größere Stückzahlen verteilen und bereits dadurch die Kosten pro Kilowattstunde sinken (Fixkostendegression). Darüber hinaus wird im Bereich solartechnischer Energieerzeugung noch ein bedeutsames Entwicklungspotential bei der Steigerung des Wirkungsgrads gesehen.

19.6.2007, Quellen: siehe Pt. Bio-Energie