Fossile Energieträger wie Kohle, Öl und Gas sind endlich. Und der Energieverbrauch verdoppelt sich alle 15 Jahre. Sonnenenergie ist dagegen unerschöpflich. Die Sonne strahlt bereits seit 5 Milliarden Jahren. Mindestens noch einmal so lange wird es Sonnenenergie zum Nulltarif geben.
Alle zwanzig Minuten bringt die Sonne soviel Energie auf die Erdoberfläche, wie die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht. Selbst auf die Fläche des vermeintlich sonnenarmen Deutschland kommt jährlich 135mal mehr Sonnenenergie an, als wir verbrauchen. Wäre die Sonne mit einem 12 Meter dicken Eispanzer umgeben, hätte sie ihn in weniger als einer Sekunde weggeschmolzen.
Sonnenstrahlung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen. Der eine Anteil – unmittelbar aus Richtung der Sonne kommend – ist intensiv und kann mit Hilfe von Linsen oder Spiegeln konzentriert werden. Der andere Anteil – typisch für trübe Tage – kommt weit verteilt (diffus) aus dem gesamten Himmelbereich. Beide Strahlungsarten können genutzt werden.
Bei der aktiven Sonnenenergienutzung unterscheidet man zwischen Solarwärme und Photovoltaik.
Macht man eine Reise in südliche Länder wie Zypern oder Israel, so fallen einem auf vielen Dächern schwarze Behälter auf. Die Menschen nutzen so die Sonnenenergie zur Erwärmung ihres Brauchwassers. Die Sonne ist ein Wärmespender. So wird Wasser in einem Gartenschlauch, der in der Sonne liegt, erwärmt, und zwar in einem schwarzen Schlauch stärker als in einem hellen. Dieses Grundprinzip wird in der Solartechnik zur direkten Erzeugung von Wärme genutzt. Dabei wird an Stelle des Gartenschlauches eine schwarz gefärbte Empfangsfläche benutzt, die die Sonnenenergie absorbiert und in Wärme umwandelt. Dieser sogenannte Absorber wird von einem Wärmeträger, z.B. Wasser oder Luft, durchströmt, mit dem die Wärme abtransportiert wird. Absorber gibt es in den unterschiedlichsten Bauformen und Materialien. Um die ausbeute an nutzbarer Sonnenenergie zu erhöhen, macht man sich den Treibhauseffekt in Kombination mit einer guten Wärmedämmung zunutze und baut den Absorber in einen gut wärmegedämmten Kasten mit Glasabdeckung ein.
Diese Baueinheit wird als Kollektor bezeichnet. Auch Kollektoren gibt es in den unterschiedlichsten Materialien und Bauformen. Ja nach Bauart wird unterschieden zwischen Flach- und Vakuumkollektoren. Bei Vakuumkollektoren werden die ausgezeichneten Wärmeisolationseigenschaften eines Vakuums – ähnlich wie in einer Thermoskanne – genutzt. Vakuumkollektoren gibt es auch als Flachkollektoren, jedoch meist als Röhrenkollektoren.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der Kollektoren ist die Art des verwendeten Wärmeträgers. Es gibt Flüssigkeits- und Luftkollektoren.
Da Sonnenenergieangebot und Wärmenachfrage nur selten zeitlich übereinstimmen, benötigt man einen Speicher für die von Kollektor gelieferte Solarwärme. Die Kombination Kollektor plus Speicher plus die verbindenden Rohrleitungen wird als thermische Solaranlage bezeichnet. Sie erfüllt drei Funktionen:
· Sammeln von Wärmeenergie durch die Sonnenkollektoren
· Transportieren der Wärme durch Rohrleitungen
· Bevorraten der Wärme durch Speicher
Dieses Bild verdeutlicht die Funktionsweise einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung: Sobald die Sonne scheint, wird im Absorber ein Wärmeträger erwärmt. Die Aufgenommene Wärme wird über einen Wärmetauscher im Speicher an das kältere Wasser abgegeben. Scheint die Sonne im Winter und den Übergangsmonaten weniger, heizt der konventionelle Heizkessel das Brauchwasser zusätzlich auf. Als bester Partner für eine Solaranlage hat sich das Erdgas-Brennwertgerät herausgestellt. Die Kombination erzeugt die geringsten CO2 Emissionen. Gas-Brennwertgeräte arbeiten durch ihre spezielle Konstruktion gerade dann mit optimaler Energieausnutzung, wenn sie nicht voll ausgelastet sind.
Warmes Wasser benötigt jeder im Haushalt ganzjährig. Es stimmen für die Warmwasserbereitung Sonnenenergieangebot und Wärmebedarf zu bestimmten Jahreszeiten überein.
Eine Solarwärmeanlage liefert in Deutschland genug Energie um den Warmwasserbedarf des Haushalts in den Sommermonaten völlig zu decken. Das heißt, man kann seinen Heizkessel im Sommer abschalten. In den Übergangszeiten deckt die Anlage teilweise den Bedarf. Damit ergibt sich ein Jahresnutzungsgrad von 40% bis 60%, d.h.: 40% bis 60% der für die Warmwasserbereitung benötigten Energie wird von der Solaranlage zur Verfügung gestellt. Die Größe von Solaranlagen hängt entscheidend von Bedarf sowie der benötigten Wassertemperatur und damit vom Benutzer ab.
Beispiel:
Man geht von einem durchschnittlichen Bedarf von etwa 40 Litern Warmwasser mit 45°C pro Person pro Tag aus. Hierfür benötigt man etwa 1,5qm Flachkollektoren oder 1 bis 1,2qm Vakuumkollektoren. Der Warmwasserspeicher sollte etwa 80 Liter pro Person groß sein, damit 2-3 Schlechtwettertage im Sommer überbrückt werden können. Eine Familie mit 4 Personen benötigt also etwa 6qm Flach- oder 4 bis 5qm Vakuumröhrenkollektoren sowie einen 300 Liter Solarspeicher. Liegt das Haus in einer Gegend mit geringerer Sonneneinstrahlung oder ist es nicht optimal ausgerichtet, ergibt sich eine etwas größere Fläche.
Den größten Ertrag bringen die Kollektoren, wenn sie in Richtung Süden in einer Neigung zwischen 40° und 50° installiert werden. Stehen sie flacher bzw. steiler oder sind sie nach Südwest oder Südost ausgerichtet, reduziert sich die Energieausbeute nur geringfügig. Selbst bei einer Ausrichtung der Kollektoren nach Westen oder Osten werden immer noch etwa 80% des maximal möglichen Energieertrags erreicht. Es findet sich also immer eine geeignete Fläche für Kollektoren.
Warum nicht auch solare Wärme für die Heizung nutzen? Kombinierte Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung können im Frühjahr und im Herbst das Haus mit Wärme versorgen und im Winter den Heizkessel unterstützen. Ideal ist die Kombination mit Wandflächen- oder Fußbodenheizung, in denen das Heizwasser mit relativ niedrigen Temperaturen fließt. Für solch eine Kombination benötigt man allerdings eine größere Kollektorfläche.
Sonnenkollektoren lassen sich nahezu überall installieren.
Bei der Aufdachmontage werden die Kollektoren über der Dachhaut des Schrägdaches befestigt. Dazu werden beispielsweise beim Ziegeldach einige Ziegel angehoben und Halterungen auf den Sparren oder Latten verschraubt. Die Ziegel werden wieder eingesetzt und schon ist der Eingriff ins Dach erledigt. Die Halterungen tragen eine sogenannte Unterkonstruktion, auf der die Kollektoren festgeschraubt werden. Zwischen Kollektorrückwand und Dachhaut ergibt sich ein Abstand von einigen Zentimetern. Die Kollektoren schweben also regelrecht über dem Dach. Die Aufdachmontage ist die einfachste Montageform.
Bei der Indachmontage auf Schrägdächern werden die Sonnenkollektoren zu einem Teil der Dachhaut. Die Dachziegel unter der Kollektorfläche werden entfernt und die Kollektoren direkt auf die Dachlatten montiert. Ein sogenannter Eindeckrahmen sorgt für den Anschluß an die Dachhaut.
Bei der Montage auf Flachdächern werden die Kollektoren auf stabilen Ständern befestigt. Eine gute Verankerung der Ständer ist notwendig. Die Kollektoren können auf Flachdächern optimal zur Sonne ausgerichtet werden.
Für gute Kollektoren muß man heute pro qm etwa 600 DM bezahlen, wozu noch einige Nebenkosten (Eindeckrahmen, Montagegestelle, etc) kommen, die mit 300 bis 400 DM pro qm zu veranschlagen sind. Für einen Vier-Personen-Haushalt kostet eine komplette Solar-Brauchwasseranlage mit separaten Kollektoren und Speicher zwischen 12 000 und 15 000DM (ohne Mehrwertsteuer). Bei Raumheizanlagen kommen zu den Kollektorkosten noch die Kosten für den Speicher, die mit rund 1000DM pro cbm Speicherinhalt anzusetzen sind; ferner die Kosten für Installation und Regelung, für die bei Teil-Heizanlagen je nach Umfang und Komplexität 4000 bis 6000DM zu veranschlagen sind.
Für die Errichtung von Anlagen zur Solarenergienutzung bestehen bei Bund, Ländern und Gemeinden spezielle finanzielle Förderprogramme.
Historie:
Mit diesem photoelektrischen Element erzeugte der französische Physiker Alexandre-Edmond Becquerel 1839 erstmals Strom aus Licht: Er konstruierte einen Topf der in der Mitte durch eine dünne, für Flüssigkeiten durchlässige, das Licht aber sperrende Membran halbiert war, so dass praktisch zwei Abteilungen entstanden. Auch den Topfdeckel halbierte er, so dass wahlweise die eine oder andere Hälfte über jeweiligen Abteilung aufgeklappt werden konnte. Den Topf füllte er mit einer chemischen Lösung, tauchte in jede der beiden Abteilungen eine Platte aus Platin hinein und verband die beiden Elektroden mit einem empfindlichen Galvanometer. Öffnete man einen Deckel, so entstand unter der Einwirkung des Lichts ein Potentialunterschied zum dunkel bleibenden Teil, der am Galvanometer abgelesen werden konnte. Die heutigen Solarzellen nutzen nicht die Einwirkung des Lichts auf Elektroden in chemischen Lösungen, sondern den Potentialunterschied und Sperrschicht-Effekt, der beim Auftreten der Lichtquanten auf die unterschiedlich dotierten Teile eines Halbleiters entsteht. Im übrigen basieren sie aber genauso auf dem photoelektronischen Effekt.
Photovoltaik ist die einzige erneuerbare Energieform, die sich leicht in städtische Gebiete integrieren läßt. Die Solartechnologie eignet sich ausgezeichnet für Dächer und Gebäudefassaden.
Betrachtet man moderne Parkuhren, Taschenrechner und Armbanduhren, so fallen die schönen blau gefärbten Kristallplatten der sogenannten Solarzellen auf. Sie wandeln das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie um. Solarzellen sind aus einem Halbleiterstoff (im allgemeinen Silizium) gewonnene Scheiben, die zwei Schichten aufweisen: ein relativ dichtes positiv (p-) leitendes Substrat und eine sehr dünne negativ (n-) leitende Schicht.
Durch den inneren photoelektronischen Effekt wird aus Licht Strom erzeugt.
Da die Spannung einer einzelnen Zelle für die meisten Anwendungsfälle zu niedrig ist, schaltet man mehrere zu Modulen zusammen. Wegen der Sprödigkeit der Solarzellen erhält das so entstandene Solarmodul eine weitgehend schlagfeste Schutzschicht aus Glas oder Kunststoff. Diese Schutzschicht verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit.
Wird Strom auch verlangt, wenn die Sonne nicht entsprechend scheint, werden Speicherbatterien gebraucht, die wiederum durch Laderegler geschützt werden müssen.
Da die Spannungsebenen zwischen Solarmodul und den angeschlossenen Geräten meist ungleich sind, gibt es Wechselrichter, die aus dem Gleichstrom Wechselstrom mit 230 Volt machen.
Braucht man Mehr Strom, als man erzeugt, bekommt man diesen wie bisher auch aus dem öffentlichen Netz.
Braucht man weniger Strom, verkauft man den Rest an den Stromversorger. Dieser ist gesetzlich zur Abnahme und Bezahlung des Stroms verpflichtet.