Strahlungsenergie der Sonne
Hermann-Friedrich Wagner
Die Energie der Sonne ist nahezu immer und überall verfügbar. Seit Jahrtausenden nutzen wir ihre Strahlung für die Wärmegewinnung oder indirekt für die Nutzung von Wind- oder Wasserkraft. Sie ist die Quelle des Tageslichts und damit die Triebkraft für die Erzeugung von Biomasse. Heute arbeiten Physiker, Ingenieure und viele andere Forscher daran, die solare Strahlungsenergie darüber hinaus auch direkt für die Erzeugung von elektrischem Strom oder durch biotechnologische Prozesse für die Kraftstoffbereitstellung nutzbar zu machen.
Was kommt vom Himmel bei uns an?
Die jahreszeitlich gemittelte Strahlung der Sonne kommt an unserer Lufthülle, senkrecht zur direkten Linie Sonne – Erde gemessen, mit einer Intensität von 1361 Watt pro Quadratmeter an. Im globalen Mittel beträgt die solare Energieflussdichte am oberen Rand der Atmosphäre jedoch nur etwa 340 Watt pro Quadratmeter.
Die Strahlung der Sonne 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 fünfzig 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.
Solarthermische Kraftwerke in Almeria
Wie groß die Strahlungsenergie ist, die am Erdboden ankommt, hängt von der Länge des Laufweges durch die Luft – also vom Sonnenstand – und vom Grad der Wolkenbedeckung ab. Bei wolkenlosem Himmel kann die Intensität der Strahlung eine Leistung von etwa 1000 Watt pro Quadratmeter erreichen. An 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 betragen. Anders sieht es zum Beispiel in der Sahara aus, wo die Einstrahlung rund 2200 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr erreichen kann.
Die Strahlungsenergie der Sonne ist nicht nur von den Jahreszeiten abhängig, sondern unterliegt vor allem dem Rhythmus von Tag und Nacht. Energiesysteme, die direkt die Sonnenenergie nutzen, sind deshalb auf Energiespeicher angewiesen, wenn sie ununterbrochen Energie liefern sollen.
Direkte Nutzung des Sonnenlichtes: aktiv und passiv
Entwicklung der Solarthermie
Biomasse, Wind und Wasserkraft nutzen die Sonnenenergie in mehr indirekter Weise über Zwischenprodukte wie organisches Material, Luftbewegung oder kinetische- und potenzielle Energie von Wasser. Die Sonnenenergie 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 Photovoltaik-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, die über einen großen Anteil an Direkteinstrahlung des Sonnenlichtes verfügen. Die hohen Temperaturen, die mit solchen Anlagen erzeugt werden, können aber auch für chemische- oder andere Industrieprozesse verwendet werden.
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 verwendet werden. In Deutschland waren nach Angaben des Bundesverbands Solarwirtschaft im Jahr 2016 insgesamt 2,15 Millionen Anlagen zur Erwärmung von Brauch- und Heizungswasser mit einer Gesamtfläche von etwa 19,1 Millionen Quadratmetern in Betrieb. Das entsprach einer installierten Leistung von 13,4 Gigawatt (thermisch). Sie produzierten eine Wärmemenge von 7,794 Milliarden Kilowattstunden beziehungsweise 28,1 Petajoule. Das entsprach etwa 1,2 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 durch Verglasung, Wintergärten und 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 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 lichtlenkende Fassadenelemente, die von außen eintretendes Licht an die Decke umlenken und es damit in Verbindung mit einer weißen Decke in den Raum bringen. Diese Systeme sind besonders für den Einsatz in tiefen Büroräumen und Bildschirmarbeitsplätzen geeignet. Andere Arten der verbesserten Tageslichtnutzung bestehen zum Beispiel aus Sonnenschutzsystemen, die teilweise direkte Sonnenstrahlung auffangen und in die Räume reflektieren, aber auch diffuses Licht hindurch lassen. Sie weisen eine besondere Transparenz auf und sind gut für großflächige Verglasungen in Dächern und Fassaden geeignet.
Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/energie/solarenergie/sonnenenergie/
