Was ist Solarenergie?

Die Geschichte der Solarenergie reicht bis in die frühesten Zivilisationen zurück. Schon damals wurden Linsen zur Bündelung der Sonnenstrahlen und zum Entfachen von Feuer verwendet. Im heutigen Kontext wird die Solarenergie jedoch oft auf die Entdeckung des photovoltaischen Effekts zurückgeführt, der erstmals 1839 vom französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel beobachtet wurde.

Becquerel entdeckte, dass ein elektrischer Strom entsteht, wenn ein Halbleitermaterial wie Platin oder Silber Sonnenstrahlung ausgesetzt wird. In den 1880er Jahren baute Charles Fritts auf Becquerels Arbeit auf und entwickelte die erste Solarzelle. Mehrere Wissenschaftler setzten sich für die Solarenergie ein, bis 1954 ein Durchbruch gelang, als die Bell Labs die erste Silizium-Photovoltaikzelle entwickelten. Heute ist die Photovoltaik die gängigste Methode zur Nutzung der Sonnenenergie.

Solarenergie wird durch nukleare Reaktionen im Kern der Sonne ermöglicht. Wasserstoffprotonen kollidieren heftig und verschmelzen miteinander, um Helium zu erzeugen, wobei enorme Energiemengen freigesetzt werden. Diese Energie strahlt von der Sonne durch ein Spektrum elektromagnetischer Wellen, auch bekannt als elektromagnetische Strahlung, in das Sonnensystem.

Bei der Entstehung und Erhaltung des Lebens auf der Erde spielt die Sonnenenergie eine entscheidende Rolle. Der Treibhauseffekt ist beispielsweise ein Phänomen, bei dem Sonnenenergie von der Erdoberfläche absorbiert und in die Atmosphäre zurückgestrahlt wird. Treibhausgase wie Wasserdampf und Kohlendioxid schließen die Wärme ein und bilden eine Isolierschicht, die den Planeten warm und bewohnbar hält. Nahezu alle Lebewesen sind auf Sonnenenergie angewiesen, sei es direkt durch Prozesse wie die Photosynthese oder indirekt als Mitglieder der Nahrungskette.

Auf der Erde werden Photovoltaiksysteme (PV) und Systeme mit konzentrierter Solarenergie (auch Solarwärmekraftwerke) eingesetzt, um Sonnenlicht in andere Energieformen wie Elektrizität und thermische Energie umzuwandeln.

Solar-PV nutzt den photovoltaischen Effekt, die Erzeugung von Spannung bei Lichteinfall, um Elektrizität zu erzeugen. Ein Solarmodul ist ein gängiges Beispiel für eine Photovoltaikanlage, da es eine Reihe von Photovoltaikzellen (oder Solarzellen) enthalten kann. Die Anzahl der PV-Zellen kann von einer bis zu Hunderten auf einem einzigen PV-Modul reichen.

Jede PV-Zelle enthält einen Halbleiter aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes verwendet werden. Wenn Sonnenlicht absorbiert wird, werden Elektronen aus dem Halbleiter herausgeschlagen und in einem elektrischen Strom mitgerissen, der sich in Richtung eines externen Geräts bewegt. Dieser Energiefluss wird als Gleichstrom (DC) bezeichnet und erzeugt Elektrizität proportional zur Menge des empfangenen Sonnenlichts. Der Gleichstrom kann durch Solarwechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden, wodurch Wechselstrom mit einer festgelegten Spannung erzeugt werden kann.

Der von einer Solaranlage erzeugte Strom kann sofort genutzt werden. Überschüssige Energie kann in einer Solarbatterie gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden. Hauseigentümer können im Gegenzug für ihr Solaranlagensystem eine Gutschrift auf ihrer Stromrechnung erhalten. Dies wird durch die sogenannte „Net Metering“-Methode ermöglicht. PV-Systeme sind die gängigste Umwandlungsmethode für kleinere Anwendungen und können für so einfache Dinge wie die Stromversorgung eines Taschenrechners verwendet werden. Sie können jedoch auch für eine größere Stromerzeugung skaliert werden. Einige PV-Kraftwerke können ganze Städte mit Energie versorgen.

Bei der konzentrierten Solarenergie wird Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln auf flüssigkeitsgefüllte Empfänger reflektiert und gebündelt. Durch die Erwärmung der Flüssigkeit wird Wärmeenergie in Form von heißem Wasser erzeugt. Die Energie wird zum Antrieb von Motoren oder zum Drehen von Turbinen verwendet, die dann Strom erzeugen, der in Kraftwerke fließt oder zur Ergänzung von Stromnetzen dient.

Die konzentrierte Solarenergie wird in der Regel für groß angelegte Versorgungs- und Industrieanwendungen eingesetzt. Solarkraftwerke können beispielsweise mithilfe von Systemen zur konzentrierten Solarenergie jedes Jahr Hunderte Megawatt (MW) an elektrischer Energie erzeugen. Die konzentrierte Solarenergie kann jedoch auch in kleinerem Maßstab für Geräte wie Solarkocher genutzt werden.

Sowohl Photovoltaik- als auch solarthermische Anlagen gelten als aktive Solarsysteme, da sie Solartechnologien zur direkten Energieerzeugung nutzen.

Passive Energiesysteme nutzen stattdessen nachhaltige Designansätze wie die Solararchitektur, um die natürliche Erwärmung und Abkühlung der Erde zu nutzen. Während die Sonne die Erde im Laufe des Tages erwärmt, absorbieren Baumaterialien wie Holz, Metall und Glas die Sonnenenergie. Wenn die Sonne untergeht und die Atmosphäre abkühlt, geben die Baumaterialien ihre gespeicherte Wärme durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung ab.

Architekten und Ingenieure können diesen Wärmeaustausch nutzen, um effiziente und kostengünstige Lösungen für die Beheizung und Kühlung von Gebäuden zu entwickeln. Beispielsweise können sie ein Dach zur Reflexion der Sonnenenergie weiß streichen oder ein Sonnendach installieren, um Teile eines Gebäudes auf natürliche Weise zu beheizen.

In der internationalen Regulierungs-, Geschäfts- und Technologielandschaft nehmen mehrere Fortschritte im Bereich der Solarenergie Gestalt an. In den Vereinigten Staaten arbeitet das Energieministerium eng mit der Biden-Regierung zusammen, um Hürden für die Energiespeicherung abzubauen und die Maßnahmen zur Dekarbonisierung zu intensivieren. Dies geschieht zu einer Zeit, in der Staaten wie Kalifornien und Nevada – wo Steuergutschriften Hausbesitzer für die Nutzung von Solarenergie belohnen – mit einem einzigartigen Problem konfrontiert sind: Die Anzahl der Solaranlagen übersteigt den Energiebedarf der Solarunternehmen. 

In Indien nahm Adani Green Energy im Solarpark Khavda im Bundesstaat Gujarat eine Solarstromanlage mit einer Leistung von 1 Gigawatt (GW) in Betrieb – ein entscheidender Schritt auf dem Weg zum Aufbau einer Kapazität von 30 GW.² In der Zwischenzeit entwickelt das britische Unternehmen Lightsource in Griechenland einen 560-MW-Solarpark, der zum zweitgrößten Solarpark Europas werden soll. Diesen Titel hält derzeit der Solarpark Witnitz in Ostdeutschland.³

Solarbetriebene Kühlschränke helfen bei der Bekämpfung von Malariaausbrüchen in Afrika, indem sie eine sichere Lagertemperatur für Impfstoffe gewährleisten.⁴ In Japan gibt es Pläne, bis 2025 Solarenergie direkt aus dem Weltraum auf die Erde zu beamen.⁵ Diese Innovationen werden durch die fallenden Kosten für Solarenergie, die in den letzten zehn Jahren um 90 % sanken, und die Entwicklungen bei Energiespeichersystemen ermöglicht.⁶