Solarkraftwerk in Almeria

Strahlungsenergie der Sonne

Die Energie der Sonne ist nahezu immer und überall verfügbar, seit Jahrtausenden nutzen wir ihre Wärmestrahlung. Heute arbeiten Physiker, Ingenieure und viele andere Forscher daran, auch die solare Strahlungsenergie nutzbar zu machen.

Was kommt vom Himmel bei uns an?

Die Strahlung der Sonne kommt an der Lufthülle der Erde mit einer Intensität von 1340 Watt pro Quadratmeter an. Sie wird in der Atmosphäre durch Absorption, Reflexion und Streuung abgeschwächt und erreicht den Erdboden entweder als direkte Strahlung oder indirekt durch Streuung an Luftmolekülen, Aerosolen oder Wolken. Letzteres wird als diffuses Licht wahrgenommen, das anders als die Direktstrahlung keinen Schatten wirft. Die direkte Strahlung beträgt im Jahresmittel etwa 50 Prozent der gesamten Strahlung. Die Summe aus direkter und indirekter Strahlung wird als Globalstrahlung bezeichnet. Bei klarem Himmel besteht die Globalstrahlung weit überwiegend aus direkter, bei bewölktem Himmel nahezu ausschließlich aus diffuser Strahlung. Im Jahresmittel sind in Deutschland beide Anteile etwa gleich hoch.

Gebogene Spiegel umrahmen eine Röhre, die an Streben über ihnen angebracht ist.
Solarthermische Kraftwerke in Almeria

Wie groß die Strahlungsenergie ist, die letztlich bei uns am Erdboden ankommt, hängt sowohl von der Länge des Laufweges durch die Luft ab, also vom Sonnenstand, als auch vom Umfang der Wolkenbedeckung. Bei wolkenlosem Himmel erreicht die Intensität der Strahlung eine Leistung von etwa 1000 Watt pro Quadratmeter. Bei einem trüben Tag im Winter kann sie jedoch bis auf 50 Watt pro Quadratmeter oder weniger absinken.

Diese Strahlungsleistung kann in Deutschland je nach Standort und atmosphärischen Bedingungen eine Energiemenge von bis zu 900 bis 1200 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr liefern. Anders sieht es zum Beispiel in der Sahara aus, wo die Einstrahlung rund 2200 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr erzeugen kann.

Die Strahlungsenergie der Sonne ist nicht nur jahreszeitlich verschieden sondern unterliegt vor allem dem Tag-Nacht-Rhythmus. Energiesysteme mit direkter Nutzung der Sonnenenergie, wenn sie für 24 Stunden Energie liefern sollen, sind deshalb auf Energiespeicher als Puffer angewiesen.

Direkte Nutzung des Sonnenlichtes: aktiv und passiv

Die Grafik zeigt den Zuwachs an Kollektorflächen für Solarthermie und den Anstieg ihrer Leistung für die vergangenen Jahre.
Entwicklung der Solarthermie

Biomasse, Wind und Wasserkraft nutzen die Sonnenergie in mehr indirekter Weise über Zwischenprodukte wie organisches Material, Luftbewegung oder kinetische- und potenzielle Energie von Wasser. Die Strahlungsenergie der Sonne kann aber auch unmittelbar direkt genutzt werden. Dies erfolgt auf zwei unterschiedliche Weisen: aktiv und passiv.

Aktive Nutzung

Bei der aktiven Nutzung wird das Sonnenlicht entweder direkt mit Fotovoltaik-Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt oder es wird dazu eingesetzt, um Wärme unterschiedlicher Temperaturen zu erzeugen. Man unterscheidet dabei zwischen Hochtemperatur- und Niedertemperaturnutzung.

Hochtemperaturnutzung liegt im Fall solarthermischer Kraftwerke vor. Bei ihnen wird mit Hilfe von Spiegeln die Sonnenstrahlung auf Absorberaggregate konzentriert (siehe Abbildung Solaranlage Almeria, Spanien), um die in ihnen befindlichen Flüssigkeiten auf mehrere 100 Grad Celsius zu erhitzen. Diese Hitze wird dann in Dampf umgewandelt, mit dem Turbinen zur Stromerzeugung angetrieben werden. Anders als im Fall der Fotovoltaik, bei der das gesamte einfallende Licht zur Stromerzeugung beiträgt, wird hier lediglich der Anteil der direkten Sonnenstrahlung genutzt. Deshalb sind solarthermische Kraftwerke besonders für sonnenreiche Regionen der Erde interessant, mit ihrem großen Anteil an Direkteinstrahlung des Sonnenlichtes. Die hohen Temperaturen, die mit solchen Anlagen erzeugt werden, können aber auch für chemische- oder andere Industrieprozesse verwendet werden.

Schemazeichnung: Inhalt siehe Bildbeschreibung
Solarwärme kann man speichern

Bei der Niedertemperaturnutzung handelt es sich vor allem um den Einsatz von Solarkollektoren für die Warmwasserbereitstellung, wie sie vielfach auf Hausdächern zu beobachten sind. In Deutschland waren nach Angaben des Bundesumweltministeriums im Jahr 2012 Anlagen zur Erwärmung von Brauch- und Heizungswasser mit einer Gesamtfläche von etwa 16 Millionen Quadratmetern in Betrieb. Sie produzierten eine Wärmemenge von sechs Milliarden Kilowattstunden oder 22 Petajoule. Das entsprach knapp ein Prozent des gesamten Raumwärmeverbrauchs in Deutschland im selben Jahr. Wie die Abbildung zeigt, haben sich die Flächen für Solarkollektoren in Deutschland über die Jahre stetig vergrößert.

Passive Nutzung

Bei der passiven Nutzung der Solarenergie geht es zum einen um die Erwärmung und zum anderen um die Beleuchtung von Gebäuden. Bei Gebäuden sammeln Fenster und Fassaden Strahlungsenergie in besonders geeigneten Bauteilen vorwiegend auf der Südseite (zum Beispiel Verglasung, Wintergärten, transparente Wärmedämmung) und geben dann die Wärme über wärmespeichernde Materialien langsam an das Innere des Hauses ab. Dadurch kann der Wärmebedarf, der durch konventionelle Heizungen gedeckt werden muss, erheblich gesenkt werden. Diese Art der der Wärmebereitstellung spielt auch bei Niedrigenergie- und Passivhäusern eine wichtige Rolle.  Solarenergienutzung in Gebäuden bedeutet jedoch nicht nur Wärmebereitstellung sondern auch eine bessere Ausleuchtung von Räumen etwa durch Licht lenkende Fassadenelemente, die von außen eintretendes Licht an die Decke umlenken und es damit in Verbindung mit einer weißen Decke tief in den Raum bringen. Diese Systeme sind besonders für den Einsatz in tiefen Büroräumen mit ständigem Aufenthalt und Bildschirmarbeitsplätzen geeignet. Andere Arten der verbesserten Tageslichtnutzung bestehen z.B. aus Sonnenschutzsystemen, die teilweise direkte Sonnenstrahlung auffangen und in die Räume reflektieren, aber auch diffuses Licht durchlassen. Sie weisen eine besondere Transparenz und Durchsichtigkeit auf und sind gut geeignet für großflächige Verglasungen in Dächern und Fassaden.