Sonnenenergie

Die Quelle der Solarenergie: die Sonne ⓘ

Solarenergie ist die von der Sonne ausgehende Licht- und Wärmestrahlung, die mit einer Reihe von Technologien wie Solarenergie zur Stromerzeugung, Solarthermie (einschließlich solarer Warmwasserbereitung) und Solararchitektur nutzbar gemacht wird. ⓘ

Sie ist eine wesentliche Quelle erneuerbarer Energie, und ihre Technologien werden allgemein als passive oder aktive Solartechniken bezeichnet, je nachdem, wie sie die Sonnenenergie einfangen und verteilen oder sie in Sonnenenergie umwandeln. Aktive Solartechniken umfassen den Einsatz von Photovoltaiksystemen, konzentrierter Solarenergie und solarer Warmwasserbereitung, um die Energie nutzbar zu machen. Passive Solartechniken umfassen die Ausrichtung eines Gebäudes zur Sonne, die Auswahl von Materialien mit günstiger thermischer Masse oder lichtstreuenden Eigenschaften und die Gestaltung von Räumen mit natürlicher Luftzirkulation. ⓘ

Die große Menge an verfügbarer Sonnenenergie macht sie zu einer äußerst attraktiven Stromquelle. Solarenergie ist seit 2021 billiger als fossile Brennstoffe. ⓘ

Im Jahr 2011 erklärte die Internationale Energieagentur, dass "die Entwicklung erschwinglicher, unerschöpflicher und sauberer Solarenergietechnologien langfristig enorme Vorteile mit sich bringen wird. Sie wird die Energiesicherheit der Länder durch die Abhängigkeit von einer einheimischen, unerschöpflichen und weitgehend importunabhängigen Ressource erhöhen, die Nachhaltigkeit verbessern, die Umweltverschmutzung verringern und die Kosten für die Eindämmung der globalen Erwärmung senken .... Diese Vorteile sind global.". ⓘ

Weltweit verfügbare Sonnenenergie. Die Farben in der Karte zeigen die örtliche Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche gemittelt über die Jahre 1991–1993 (24 Stunden am Tag, unter Berücksichtigung der von Wettersatelliten ermittelten Wolkenabdeckung).
Zur Deckung des derzeitigen Weltbedarfs an Primärenergie allein durch Solarstrom wären die durch dunkle Scheiben gekennzeichneten Flächen ausreichend (bei einem Wirkungsgrad von 8 %). ⓘ

Ein Waschsalon in Kalifornien, USA, der sein Warmwasser mit Solarenergie erhitzt ⓘ

Sonnenstrahlung Karte – Deutschland ⓘ

Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die Energie der Sonnenstrahlung, die in Form von elektrischem Strom, Wärme oder chemischer Energie technisch genutzt werden kann. Sonnenstrahlung ist dabei die elektromagnetische Strahlung, die auf der Sonnenoberfläche wegen ihrer Temperatur von ca. 5500 °C als Schwarzkörperstrahlung entsteht, was letztlich auf Kernfusionsprozesse im Sonneninneren (das Wasserstoffbrennen) zurückgeht. ⓘ

Die Sonnenenergie ist eine nach menschlichen Maßstäben unerschöpfliche erneuerbare Energiequelle und lässt sich sowohl direkt (z. B. mit Photovoltaikanlagen oder Sonnenkollektoren) als auch indirekt (z. B. mittels Wasserkraftwerken, Windkraftanlagen und in Form von Biomasse) nutzen. Die Nutzung der Solarenergie ist ein Beispiel für eine moderne Backstop-Technologie. ⓘ

Potenzial

Etwa die Hälfte der einfallenden Sonnenenergie erreicht die Erdoberfläche.

Durchschnittliche Sonneneinstrahlung. Die theoretische Fläche der kleinen schwarzen Punkte reicht aus, um den Gesamtenergiebedarf der Welt von 18 TW mit Sonnenenergie zu decken.

Die Erde empfängt 174 Petawatt (PW) an einfallender Sonnenstrahlung (Sonneneinstrahlung) in der oberen Atmosphäre. Etwa 30 % werden in den Weltraum zurückgeworfen, während der Rest, 122 PW, von Wolken, Ozeanen und Landmassen absorbiert wird. Das Spektrum des Sonnenlichts an der Erdoberfläche erstreckt sich hauptsächlich über den sichtbaren und den nahen Infrarotbereich mit einem kleinen Anteil im nahen Ultraviolett. Der größte Teil der Weltbevölkerung lebt in Gebieten mit einer Sonneneinstrahlung von 150-300 Watt/m² bzw. 3,5-7,0 kWh/m² pro Tag. ⓘ

Die Sonnenstrahlung wird von der Landoberfläche der Erde, den Ozeanen - die etwa 71 % der Erde bedecken - und der Atmosphäre absorbiert. Warme Luft, die verdunstetes Wasser aus den Ozeanen enthält, steigt auf und verursacht eine atmosphärische Zirkulation oder Konvektion. Wenn die Luft eine große Höhe erreicht, in der die Temperatur niedrig ist, kondensiert der Wasserdampf zu Wolken, die auf die Erdoberfläche regnen und den Wasserkreislauf vervollständigen. Die latente Wärme der Wasserkondensation verstärkt die Konvektion, wodurch atmosphärische Phänomene wie Wind, Wirbelstürme und Antizyklone entstehen. Das von den Ozeanen und Landmassen absorbierte Sonnenlicht hält die Oberfläche auf einer Durchschnittstemperatur von 14 °C. Grüne Pflanzen wandeln die Sonnenenergie durch Photosynthese in chemisch gespeicherte Energie um, wodurch Nahrungsmittel, Holz und die Biomasse entstehen, aus der fossile Brennstoffe gewonnen werden. ⓘ

Die gesamte Sonnenenergie, die von der Erdatmosphäre, den Ozeanen und den Landmassen absorbiert wird, beträgt etwa 122 PW-Jahre = 3.850.000 Exajoule (EJ) pro Jahr. Im Jahr 2002 (2019) war dies mehr Energie in einer Stunde (eine Stunde und 25 Minuten), als die Welt in einem Jahr verbraucht. Durch die Photosynthese werden etwa 3.000 EJ pro Jahr in Biomasse gebunden. ⓘ

Jährliche solare Flüsse und menschlicher Verbrauch1 ⓘ
Solarenergie	3,850,000
Wind	2,250
Biomasse-Potenzial	~200
Primärenergienutzung2	633
Elektrizität2	~86
1 Energieangabe in Exajoule (EJ) = 1018 J = 278 TWh  2 Verbrauch ab dem Jahr 2019

Die potenzielle Solarenergie, die von den Menschen genutzt werden könnte, unterscheidet sich von der Menge an Solarenergie, die in der Nähe der Erdoberfläche vorhanden ist, da Faktoren wie Geografie, zeitliche Schwankungen, Wolkenbedeckung und die den Menschen zur Verfügung stehende Fläche die Menge an Solarenergie, die wir gewinnen können, begrenzen. Im Jahr 2021 schätzte die Carbon Tracker Initiative die Landfläche, die benötigt wird, um unsere gesamte Energie allein aus Sonnenenergie zu gewinnen, auf 450.000 km² - das entspricht etwa der Fläche Schwedens, Marokkos oder Kaliforniens (0,3 % der gesamten Landfläche der Erde). ⓘ

Die Geografie wirkt sich auf das Solarenergiepotenzial aus, da Gebiete, die näher am Äquator liegen, eine höhere Sonneneinstrahlung aufweisen. Durch den Einsatz von Photovoltaikanlagen, die dem Stand der Sonne folgen können, kann das Solarenergiepotenzial in Gebieten, die weiter vom Äquator entfernt sind, jedoch erheblich gesteigert werden. Zeitliche Schwankungen wirken sich auf das Potenzial der Solarenergie aus, da nachts nur wenig Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche trifft, die von den Solarzellen absorbiert werden kann. Dies schränkt die Energiemenge ein, die Sonnenkollektoren an einem Tag absorbieren können. Die Bewölkung kann das Potenzial von Solarmodulen beeinträchtigen, da Wolken das einfallende Sonnenlicht blockieren und das für Solarzellen verfügbare Licht reduzieren. ⓘ

Außerdem hat die Verfügbarkeit von Land einen großen Einfluss auf die verfügbare Solarenergie, da Solarmodule nur auf ungenutztem Land aufgestellt werden können, das sich für Solarmodule eignet. Dächer sind ein geeigneter Ort für Solarzellen, da viele Menschen entdeckt haben, dass sie auf diese Weise Energie direkt von ihren Häusern sammeln können. Andere Flächen, die sich für Solarzellen eignen, sind Grundstücke, die nicht gewerblich genutzt werden und auf denen Solaranlagen errichtet werden können. ⓘ

Solartechnologien werden je nach der Art und Weise, wie sie das Sonnenlicht einfangen, umwandeln und verteilen, als passiv oder aktiv bezeichnet und ermöglichen die Nutzung der Solarenergie auf der ganzen Welt in unterschiedlichem Maße, meist in Abhängigkeit von der Entfernung vom Äquator. Obwohl sich die Solarenergie in erster Linie auf die Nutzung der Sonnenstrahlung für praktische Zwecke bezieht, beziehen alle erneuerbaren Energien mit Ausnahme der Geothermie und der Gezeitenkraft ihre Energie entweder direkt oder indirekt von der Sonne. ⓘ

Aktive Solartechniken nutzen Photovoltaik, konzentrierte Solarenergie, solarthermische Kollektoren, Pumpen und Ventilatoren, um Sonnenlicht in nützliche Ergebnisse umzuwandeln. Passive Solartechniken umfassen die Auswahl von Materialien mit günstigen thermischen Eigenschaften, die Gestaltung von Räumen mit natürlicher Luftzirkulation und die Ausrichtung eines Gebäudes zur Sonne. Aktive Solartechnologien erhöhen das Energieangebot und werden als angebotsseitige Technologien betrachtet, während passive Solartechnologien den Bedarf an alternativen Ressourcen verringern und im Allgemeinen als nachfrageseitige Technologien betrachtet werden. ⓘ

Im Jahr 2000 veröffentlichten das Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen, die Abteilung für wirtschaftliche und soziale Angelegenheiten der Vereinten Nationen und der Weltenergierat eine Schätzung der potenziellen Solarenergie, die jährlich von der Menschheit genutzt werden könnte, wobei Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Bewölkung und die von Menschen nutzbare Fläche berücksichtigt wurden. Die Schätzung ergab, dass die Solarenergie weltweit ein Potenzial von 1.600 bis 49.800 Exajoule (4,4×10¹⁴ bis 1,4×10¹⁶ kWh) pro Jahr hat (siehe Tabelle unten). ⓘ

Jährliches Solarenergiepotenzial nach Regionen (Exajoule)

Region	Nord-Amerika	Lateinamerika und Karibik	Westeuropa	Mittel- und Osteuropa	Ehemalige Sowjetunion	Naher Osten und Nordafrika	Afrika südlich der Sahara	Pazifisches Asien	Südasien	Asien mit zentraler Planung	Pazifik OECD ⓘ
Minimum	181.1	112.6	25.1	4.5	199.3	412.4	371.9	41.0	38.8	115.5	72.6
Maximum	7,410	3,385	914	154	8,655	11,060	9,528	994	1,339	4,135	2,263
Anmerkung: Das gesamte weltweite jährliche Solarenergiepotenzial beläuft sich auf 1.575 EJ (Minimum) bis 49.837 EJ (Maximum) Die Daten beruhen auf Annahmen über die jährliche Bestrahlungsstärke bei klarem Himmel, die durchschnittliche jährliche Himmelshelligkeit und die verfügbare Landfläche. Alle Zahlen sind in Exajoule angegeben. Quantitatives Verhältnis zwischen dem globalen Solarpotenzial und dem weltweiten Primärenergieverbrauch: Verhältnis des Potenzials zum derzeitigen Verbrauch (402 EJ) ab dem Jahr: 3,9 (Minimum) bis 124 (Maximum) Verhältnis des Potenzials zum prognostizierten Verbrauch bis 2050 (590-1.050 EJ): 1,5-2,7 (Minimum) bis 47-84 (Maximum) Verhältnis des Potenzials zum prognostizierten Verbrauch bis 2100 (880-1.900 EJ): 0,8-1,8 (Minimum) bis 26-57 (Maximum) Quelle: Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen - World Energy Assessment (2000)

Thermische Energie

Solarthermische Technologien können für die Warmwasserbereitung, Raumheizung, Raumkühlung und Prozesswärmeerzeugung eingesetzt werden. ⓘ

Frühe kommerzielle Anpassung

1878 führte Augustin Mouchot auf der Weltausstellung in Paris erfolgreich eine Solardampfmaschine vor, konnte die Entwicklung aber wegen der billigen Kohle und anderer Faktoren nicht weiterführen. ⓘ

1917 Patentzeichnung des Sonnenkollektors von Shuman ⓘ

1897 baute Frank Shuman, ein US-amerikanischer Erfinder, Ingenieur und Pionier der Solarenergie, eine kleine Demonstrations-Solarmaschine, die durch Reflexion der Sonnenenergie auf quadratische Kästen funktionierte, die mit Äther gefüllt waren, der einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser hat, und im Inneren mit schwarzen Rohren versehen waren, die wiederum eine Dampfmaschine antrieben. Im Jahr 1908 gründete Shuman die Sun Power Company mit dem Ziel, größere Solarkraftwerke zu bauen. Zusammen mit seinem technischen Berater A.S.E. Ackermann und dem britischen Physiker Sir Charles Vernon Boys entwickelte er ein verbessertes System, bei dem die Sonnenenergie mit Hilfe von Spiegeln auf Kollektorkästen reflektiert wurde, wodurch die Heizleistung so weit erhöht werden konnte, dass nun Wasser anstelle von Äther verwendet werden konnte. Shuman konstruierte daraufhin eine mit Niederdruckwasser betriebene Dampfmaschine in Originalgröße, was ihm 1912 die Patentierung des gesamten Solarmotorsystems ermöglichte. ⓘ

Zwischen 1912 und 1913 baute Shuman in Maadi, Ägypten, das erste solarthermische Kraftwerk der Welt. Seine Anlage nutzte Parabolrinnen, um einen 45-52 Kilowatt (60-70 PS) starken Motor anzutreiben, der mehr als 22.000 Liter Wasser pro Minute aus dem Nil zu den angrenzenden Baumwollfeldern pumpte. Obwohl der Ausbruch des Ersten Weltkriegs und die Entdeckung von billigem Erdöl in den 1930er Jahren den Fortschritt der Solarenergie bremsten, wurden Shumans Vision und seine grundlegende Konstruktion in den 1970er Jahren mit einer neuen Welle des Interesses an der Solarthermie wiederbelebt. Im Jahr 1916 wurde Shuman in den Medien mit den Worten zitiert, dass er die Nutzung der Solarenergie befürworte:

Wir haben den kommerziellen Nutzen der Sonnenenergie in den Tropen bewiesen, und wir haben insbesondere bewiesen, dass die Menschheit, nachdem unsere Vorräte an Öl und Kohle erschöpft sind, unbegrenzt Energie aus den Strahlen der Sonne beziehen kann.

- Frank Shuman, New York Times, 2. Juli 1916 ⓘ

Warmwasserbereitung

Solare Warmwasserbereiter sind der Sonne zugewandt, um den Gewinn zu maximieren ⓘ

Solare Warmwassersysteme nutzen das Sonnenlicht zur Erwärmung von Wasser. In mittleren geografischen Breiten (zwischen 40 Grad nördlicher und 40 Grad südlicher Breite) können 60 bis 70 % des Warmwasserverbrauchs im Haushalt mit Wassertemperaturen von bis zu 60 °C (140 °F) durch Solaranlagen gedeckt werden. Die gebräuchlichsten Typen von Solarwärmeanlagen sind Vakuumröhrenkollektoren (44 %) und verglaste Flachkollektoren (34 %), die im Allgemeinen für die Warmwasserbereitung verwendet werden, sowie unverglaste Kunststoffkollektoren (21 %), die hauptsächlich zur Beheizung von Schwimmbädern eingesetzt werden. ⓘ

Im Jahr 2015 belief sich die installierte Gesamtkapazität von solaren Warmwassersystemen auf etwa 436 thermische Gigawatt (GWth), und China ist mit 309 GWth weltweit führend, was 71 % des Marktes ausmacht. Israel und Zypern sind führend bei der Nutzung von solaren Warmwassersystemen, die in über 90 % der Haushalte zum Einsatz kommen. In den Vereinigten Staaten, Kanada und Australien ist die Beheizung von Schwimmbädern mit einer installierten Kapazität von 18 GWth (Stand 2005) die wichtigste Anwendung für solare Warmwasserbereitung. ⓘ

Heizung, Kühlung und Lüftung

In den Vereinigten Staaten entfallen 30 % (4,65 EJ/Jahr) des Energieverbrauchs in gewerblichen Gebäuden und fast 50 % (10,1 EJ/Jahr) des Energieverbrauchs in Wohngebäuden auf Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC). Solare Heiz-, Kühl- und Lüftungstechnologien können einen Teil dieser Energie ausgleichen. Die Nutzung von Solarenergie zum Heizen kann grob in passive und aktive Solarkonzepte unterteilt werden, je nachdem, ob aktive Elemente wie Sonnennachführung und Solarkonzentratoroptik verwendet werden. ⓘ

Das 1939 in den USA errichtete Solar House #1 des MIT nutzte saisonale Wärmespeicher für die ganzjährige Beheizung. ⓘ

Thermische Masse ist jedes Material, das zur Speicherung von Wärme - im Falle von Solarenergie von der Sonne - verwendet werden kann. Zu den gängigen Materialien für thermische Masse gehören Stein, Zement und Wasser. In der Vergangenheit wurden sie in trockenen Klimazonen oder warmen, gemäßigten Regionen verwendet, um Gebäude kühl zu halten, indem sie tagsüber die Sonnenenergie absorbieren und die gespeicherte Wärme nachts an die kühlere Atmosphäre abstrahlen. Sie können jedoch auch in kalten, gemäßigten Gebieten eingesetzt werden, um die Wärme zu erhalten. Größe und Platzierung der thermischen Masse hängen von verschiedenen Faktoren wie Klima, Tageslicht und Beschattung ab. Bei ordnungsgemäßem Einbau hält die thermische Masse die Raumtemperatur in einem angenehmen Bereich und reduziert den Bedarf an zusätzlichen Heiz- und Kühlgeräten. ⓘ

Ein Solarschornstein (oder in diesem Zusammenhang ein thermischer Schornstein) ist ein passives solares Belüftungssystem, das aus einem vertikalen Schacht besteht, der das Innere und Äußere eines Gebäudes verbindet. Wenn sich der Schornstein erwärmt, wird die Luft im Inneren erwärmt, wodurch ein Aufwind entsteht, der die Luft durch das Gebäude zieht. Die Leistung kann durch die Verwendung von Verglasungen und Materialien mit thermischer Masse in einer Weise verbessert werden, die Gewächshäuser imitiert. ⓘ

Laubbäume und Pflanzen wurden als Mittel zur Steuerung der solaren Erwärmung und Kühlung gefördert. Wenn sie auf der Südseite eines Gebäudes in der nördlichen Hemisphäre oder auf der Nordseite in der südlichen Hemisphäre gepflanzt werden, spenden ihre Blätter im Sommer Schatten, während die kahlen Äste im Winter Licht durchlassen. Da kahle, blattlose Bäume 1/3 bis 1/2 der einfallenden Sonnenstrahlung abschirmen, besteht ein Gleichgewicht zwischen den Vorteilen der Sommerbeschattung und dem entsprechenden Verlust an Winterwärme. In Klimazonen mit hohen Heizlasten sollten Laubbäume nicht auf der dem Äquator zugewandten Seite eines Gebäudes gepflanzt werden, da sie die Sonneneinstrahlung im Winter beeinträchtigen. Sie können jedoch an der Ost- und Westseite gepflanzt werden, um im Sommer einen gewissen Schatten zu spenden, ohne die Sonneneinstrahlung im Winter nennenswert zu beeinträchtigen. ⓘ

Kochen

Parabolschüssel erzeugt Dampf zum Kochen, in Auroville, Indien ⓘ

Solarkocher nutzen das Sonnenlicht zum Kochen, Trocknen und Pasteurisieren. Sie können in drei große Kategorien eingeteilt werden: Kastenkocher, Plattenkocher und Reflektorkocher. Der einfachste Solarkocher ist der Kastenkocher, den Horace de Saussure 1767 erstmals konstruierte. Ein einfacher Kastenkocher besteht aus einem isolierten Behälter mit einem transparenten Deckel. Er kann auch bei teilweise bedecktem Himmel effektiv eingesetzt werden und erreicht in der Regel Temperaturen von 90-150 °C (194-302 °F). Paneelkocher verwenden ein reflektierendes Paneel, um das Sonnenlicht auf einen isolierten Behälter zu lenken, und erreichen Temperaturen, die mit denen von Kastenkochern vergleichbar sind. Reflektorkocher verwenden verschiedene konzentrierende Geometrien (Schale, Rinne, Fresnel-Spiegel), um das Licht auf einen Kochbehälter zu fokussieren. Diese Kocher erreichen Temperaturen von 315 °C (599 °F) und mehr, benötigen aber direktes Licht, um richtig zu funktionieren, und müssen der Sonne nachgeführt werden. ⓘ

Prozesswärme

Konzentrierende Solartechnologien wie Parabolrinnen-, Rinnen- und Scheffler-Reflektoren können Prozesswärme für gewerbliche und industrielle Anwendungen liefern. Das erste kommerzielle System war das Solar Total Energy Project (STEP) in Shenandoah im US-Bundesstaat Georgia, wo ein Feld von 114 Parabolrinnen 50 % der Prozesswärme, der Klimaanlage und des Strombedarfs einer Bekleidungsfabrik lieferte. Dieses netzgekoppelte Kraft-Wärme-Kopplungssystem lieferte 400 kW Strom sowie thermische Energie in Form von 401 kW Dampf und 468 kW Kaltwasser und verfügte über einen einstündigen Wärmespeicher für Spitzenlasten. Verdunstungsteiche sind flache Becken, in denen gelöste Feststoffe durch Verdunstung konzentriert werden. Die Verwendung von Verdunstungsteichen zur Gewinnung von Salz aus Meerwasser ist eine der ältesten Anwendungen der Solarenergie. Zu den modernen Anwendungen gehören die Aufkonzentrierung von Salzlösungen, die im Laugungsbergbau verwendet werden, und die Entfernung gelöster Feststoffe aus Abfallströmen. ⓘ

Wäscheleinen, Wäscheständer und Wäscheständer trocknen Kleidung durch Verdunstung mit Hilfe von Wind und Sonnenlicht, ohne Strom oder Gas zu verbrauchen. In einigen US-Bundesstaaten ist das "Recht auf Wäschetrocknen" gesetzlich geschützt. Unverglaste transpirierte Kollektoren (UTC) sind perforierte, der Sonne zugewandte Wände, die zur Vorwärmung der Lüftungsluft verwendet werden. UTCs können die Temperatur der einströmenden Luft auf bis zu 22 °C (40 °F) anheben und Auslasstemperaturen von 45-60 °C (113-140 °F) liefern. Aufgrund der kurzen Amortisationszeit (3 bis 12 Jahre) sind transpirierte Kollektoren eine kostengünstigere Alternative als verglaste Kollektorsysteme. Bis 2003 wurden weltweit über 80 Systeme mit einer Gesamtkollektorfläche von 35.000 Quadratmetern installiert, darunter ein 860 m² großer Kollektor in Costa Rica zur Trocknung von Kaffeebohnen und ein 1.300 m² großer Kollektor in Coimbatore, Indien, zur Trocknung von Ringelblumen. ⓘ

Wasseraufbereitung

Solare Wasserdesinfektion in Indonesien ⓘ

Mit Hilfe der solaren Destillation kann salzhaltiges oder brackiges Wasser trinkbar gemacht werden. Das erste aufgezeichnete Beispiel hierfür stammt von arabischen Alchemisten aus dem 16. Jahrhundert. Ein groß angelegtes solares Destillationsprojekt wurde erstmals 1872 in der chilenischen Bergbaustadt Las Salinas errichtet. Die Anlage mit einer Sonnenkollektorfläche von 4.700 m² konnte bis zu 22.700 l pro Tag produzieren und 40 Jahre lang betrieben werden. Zu den einzelnen Destillierapparaten gehören Single-Slope-, Double-Slope- (oder Gewächshaus-), Vertikal-, Konus-, Inverted-Absorber-, Multi-Dick- und Multiple-Effekt-Destillierapparate. Diese Destillierapparate können in passiver, aktiver oder hybrider Betriebsweise arbeiten. Doppelt geneigte Destillierapparate sind für dezentrale häusliche Zwecke am wirtschaftlichsten, während aktive Mehrfacheffekt-Geräte eher für groß angelegte Anwendungen geeignet sind. ⓘ

Bei der solaren Wasserdesinfektion (SODIS) werden mit Wasser gefüllte Kunststoffflaschen aus Polyethylenterephthalat (PET) mehrere Stunden lang dem Sonnenlicht ausgesetzt. Die Belichtungszeiten variieren je nach Wetter und Klima von mindestens sechs Stunden bis zu zwei Tagen bei völliger Bewölkung. Es wird von der Weltgesundheitsorganisation als praktikable Methode für die Wasseraufbereitung und sichere Lagerung im Haushalt empfohlen. Mehr als zwei Millionen Menschen in Entwicklungsländern nutzen diese Methode für ihr tägliches Trinkwasser. ⓘ

Solarenergie kann in einem Wasserstabilisierungsteich genutzt werden, um Abwasser ohne Chemikalien oder Strom zu behandeln. Ein weiterer Umweltvorteil besteht darin, dass Algen in solchen Teichen wachsen und bei der Photosynthese Kohlendioxid verbrauchen, obwohl die Algen giftige Chemikalien produzieren können, die das Wasser unbrauchbar machen. ⓘ

Technologie der Salzschmelze

Geschmolzenes Salz kann als thermische Energiespeichermethode eingesetzt werden, um die von einem Solarturm oder einer Solarrinne eines konzentrierten Solarkraftwerks gesammelte Wärmeenergie zu speichern, so dass sie bei schlechtem Wetter oder in der Nacht zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Es wurde im Rahmen des Projekts Solar Two von 1995 bis 1999 demonstriert. Dem System wird ein Jahreswirkungsgrad von 99 % vorausgesagt, was sich auf die Energie bezieht, die durch die Speicherung von Wärme vor der Umwandlung in Strom erhalten bleibt, im Gegensatz zur direkten Umwandlung von Wärme in Strom. Die Mischungen der Salzschmelzen sind unterschiedlich. Die am weitesten verbreitete Mischung enthält Natriumnitrat, Kaliumnitrat und Kalziumnitrat. Es ist nicht brennbar und ungiftig und wurde bereits in der Chemie- und Metallindustrie als Wärmeträgerflüssigkeit verwendet. Daher gibt es Erfahrungen mit solchen Systemen in nicht-solaren Anwendungen. ⓘ

Das Salz schmilzt bei 131 °C (268 °F). In einem isolierten "kalten" Lagertank wird es bei 288 °C (550 °F) flüssig gehalten. Das flüssige Salz wird durch Paneele in einem Sonnenkollektor gepumpt, wo es durch die gebündelte Strahlung auf 566 °C (1.051 °F) erhitzt wird. Anschließend wird es in einen heißen Speichertank geleitet. Dieser ist so gut isoliert, dass die Wärmeenergie bis zu einer Woche lang sinnvoll gespeichert werden kann. ⓘ

Wenn Strom benötigt wird, wird das heiße Salz in einen herkömmlichen Dampfgenerator gepumpt, um überhitzten Dampf für eine Turbine/einen Generator zu erzeugen, wie er in jedem herkömmlichen Kohle-, Öl- oder Kernkraftwerk verwendet wird. Eine 100-Megawatt-Turbine bräuchte einen Tank mit einer Höhe von etwa 9,1 Metern und einem Durchmesser von 24 Metern, um sie vier Stunden lang mit dieser Konstruktion zu betreiben. ⓘ

Mehrere Parabolrinnen-Kraftwerke in Spanien und der Solarstromturm-Entwickler SolarReserve nutzen dieses thermische Energiespeicherkonzept. Das Solana-Kraftwerk in den USA verfügt über einen sechsstündigen Speicher aus geschmolzenem Salz. Die Anlage María Elena ist ein 400-MW-Thermosolarkomplex in der nordchilenischen Region Antofagasta, bei dem die Schmelzsalztechnologie zum Einsatz kommt. ⓘ

Elektrizitätserzeugung

Konzentrierende Solarenergie

Konzentrierende Solarenergiesysteme (Concentrating Solar Power, CSP) verwenden Linsen oder Spiegel und Nachführsysteme, um eine große Fläche des Sonnenlichts auf einen kleinen Strahl zu konzentrieren. Die konzentrierte Wärme wird dann als Wärmequelle für ein konventionelles Kraftwerk genutzt. Es gibt ein breites Spektrum an konzentrierenden Technologien; die am weitesten entwickelten sind die Parabolrinne, die Solarturmkollektoren, der konzentrierende lineare Fresnel-Reflektor und die Stirling-Schüssel. Es werden verschiedene Techniken zur Nachführung der Sonne und zur Fokussierung des Lichts eingesetzt. Bei all diesen Systemen wird ein Arbeitsmedium durch das konzentrierte Sonnenlicht erhitzt und dann zur Stromerzeugung oder Energiespeicherung genutzt. Bei der Konstruktion muss das Risiko eines Staubsturms, Hagels oder eines anderen extremen Wetterereignisses berücksichtigt werden, das die feinen Glasoberflächen von Solarkraftwerken beschädigen kann. Metallgitter würden einen hohen Prozentsatz des Sonnenlichts in die Spiegel und Solarzellen eindringen lassen und gleichzeitig die meisten Schäden verhindern. ⓘ

Architektur und Stadtplanung

Die Technische Universität Darmstadt, Deutschland, gewann den Solar Decathlon 2007 in Washington, DC, mit diesem Passivhaus, das für feuchtes und heißes subtropisches Klima konzipiert wurde. ⓘ

Seit Beginn der Architekturgeschichte hat das Sonnenlicht die Gestaltung von Gebäuden beeinflusst. Fortschrittliche Methoden der Solararchitektur und Stadtplanung wurden erstmals von den Griechen und Chinesen angewandt, die ihre Gebäude nach Süden ausrichteten, um Licht und Wärme zu erhalten. ⓘ

Die gemeinsamen Merkmale der passiven Solararchitektur sind die Ausrichtung zur Sonne, kompakte Proportionen (ein geringes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen), selektive Beschattung (Überhänge) und thermische Masse. Wenn diese Merkmale auf das örtliche Klima und die Umgebung zugeschnitten sind, können sie gut beleuchtete Räume schaffen, die sich in einem angenehmen Temperaturbereich bewegen. Das Megaron-Haus von Sokrates ist ein klassisches Beispiel für passives Solardesign. Bei den neuesten Ansätzen zur solaren Planung werden Computermodelle verwendet, die Solarbeleuchtungs-, Heizungs- und Belüftungssysteme in einem integrierten Solarplanungspaket zusammenfassen. Aktive Solaranlagen wie Pumpen, Ventilatoren und schaltbare Fenster können das passive Design ergänzen und die Systemleistung verbessern. ⓘ

Urbane Wärmeinseln (UHI) sind städtische Gebiete, in denen die Temperaturen höher sind als in der Umgebung. Die höheren Temperaturen resultieren aus der verstärkten Absorption von Sonnenenergie durch städtische Materialien wie Asphalt und Beton, die eine geringere Albedo und eine höhere Wärmekapazität als in der natürlichen Umgebung aufweisen. Eine einfache Methode, dem UHI-Effekt entgegenzuwirken, besteht darin, Gebäude und Straßen weiß zu streichen und in der Umgebung Bäume zu pflanzen. Ein hypothetisches "Cool Communities"-Programm in Los Angeles hat ergeben, dass die Temperaturen in der Stadt mit geschätzten Kosten von 1 Milliarde US-Dollar um etwa 3 °C gesenkt werden könnten, was zu einem geschätzten jährlichen Gesamtnutzen von 530 Millionen US-Dollar durch geringere Klimatisierungskosten und Einsparungen im Gesundheitswesen führen würde. ⓘ

Landwirtschaft und Gartenbau

In Gewächshäusern wie diesen in der Gemeinde Westland in den Niederlanden werden Gemüse, Obst und Blumen angebaut. ⓘ

In der Landwirtschaft und im Gartenbau wird versucht, die Nutzung der Sonnenenergie zu optimieren, um die Produktivität der Pflanzen zu steigern. Techniken wie zeitlich abgestimmte Pflanzzyklen, maßgeschneiderte Reihenausrichtung, versetzte Höhen zwischen den Reihen und die Mischung von Pflanzensorten können die Ernteerträge verbessern. Während Sonnenlicht im Allgemeinen als reichlich vorhandene Ressource betrachtet wird, verdeutlichen die Ausnahmen die Bedeutung der Sonnenenergie für die Landwirtschaft. Während der kurzen Wachstumsperioden der Kleinen Eiszeit setzten französische und englische Landwirte Obstmauern ein, um die Sammlung von Sonnenenergie zu maximieren. Diese Mauern wirkten wie thermische Massen und beschleunigten die Reifung, indem sie die Pflanzen warm hielten. Frühe Obstmauern wurden senkrecht zum Boden und nach Süden ausgerichtet gebaut, aber im Laufe der Zeit wurden schräge Mauern entwickelt, um das Sonnenlicht besser zu nutzen. Im Jahr 1699 schlug Nicolas Fatio de Duillier sogar einen Nachführmechanismus vor, der sich nach der Sonne ausrichten konnte. Zu den Anwendungen der Solarenergie in der Landwirtschaft gehören neben dem Anbau von Nutzpflanzen auch das Pumpen von Wasser, das Trocknen von Nutzpflanzen, das Ausbrüten von Küken und das Trocknen von Hühnermist. Seit kurzem wird die Technologie auch von Winzern genutzt, die die von Sonnenkollektoren erzeugte Energie zum Antrieb von Traubenpressen verwenden. ⓘ

Gewächshäuser wandeln Sonnenlicht in Wärme um und ermöglichen so die ganzjährige Produktion und das Wachstum (in einer geschlossenen Umgebung) von Spezialkulturen und anderen Pflanzen, die von Natur aus nicht für das lokale Klima geeignet sind. Primitive Gewächshäuser wurden erstmals in der Römerzeit verwendet, um das ganze Jahr über Gurken für den römischen Kaiser Tiberius zu produzieren. Die ersten modernen Gewächshäuser wurden im 16. Jahrhundert in Europa gebaut, um exotische Pflanzen zu halten, die von Entdeckungsreisen ins Ausland mitgebracht wurden. Gewächshäuser sind auch heute noch ein wichtiger Bestandteil des Gartenbaus. Transparente Kunststoffmaterialien wurden auch in Polytunneln und Reihenabdeckungen mit ähnlicher Wirkung verwendet. ⓘ

Transport

Gewinner der World Solar Challenge 2013 in Australien

Solarelektrisches Flugzeug, das 2015 die Welt umrundet

Die Entwicklung eines mit Solarenergie betriebenen Autos ist seit den 1980er Jahren ein Ziel der Ingenieure. Die World Solar Challenge ist ein alle zwei Jahre stattfindendes Rennen für solarbetriebene Autos, bei dem Teams von Universitäten und Unternehmen auf einer Strecke von 3.021 Kilometern quer durch Zentralaustralien von Darwin nach Adelaide gegeneinander antreten. Im Jahr 1987, als das Rennen ins Leben gerufen wurde, lag die Durchschnittsgeschwindigkeit des Siegers bei 67 Kilometern pro Stunde (42 mph), und bis 2007 hatte sich die Durchschnittsgeschwindigkeit des Siegers auf 90,87 Kilometer pro Stunde (56,46 mph) verbessert. Die North American Solar Challenge und die geplante South African Solar Challenge sind vergleichbare Wettbewerbe, die ein internationales Interesse an der Konstruktion und Entwicklung solarbetriebener Fahrzeuge widerspiegeln. ⓘ

Einige Fahrzeuge nutzen Solarpaneele als Hilfsenergie, z. B. für die Klimaanlage, um den Innenraum kühl zu halten und so den Kraftstoffverbrauch zu senken. ⓘ

Im Jahr 1975 wurde in England das erste praktische Solarboot gebaut. Ab 1995 wurden Passagierboote mit PV-Paneelen gebaut, die heute in großem Umfang eingesetzt werden. Im Jahr 1996 gelang Kenichi Horie die erste Überquerung des Pazifiks mit Solarenergie, und der Katamaran Sun21 überquerte im Winter 2006-2007 zum ersten Mal den Atlantik mit Solarenergie. Für das Jahr 2010 war eine Weltumrundung geplant. ⓘ

Im Jahr 1974 unternahm das unbemannte Flugzeug AstroFlight Sunrise den ersten Solarflug. Am 29. April 1979 unternahm der Solar Riser den ersten Flug mit einem solarbetriebenen, vollständig gesteuerten, von einem Menschen getragenen Fluggerät und erreichte eine Höhe von 12 m (40 Fuß). Im Jahr 1980 unternahm der Gossamer Penguin die ersten Pilotflüge, die ausschließlich von der Photovoltaik angetrieben wurden. Bald darauf folgte die Solar Challenger, die im Juli 1981 den Ärmelkanal überquerte. Im Jahr 1990 flog Eric Scott Raymond in 21 Sprüngen mit Solarenergie von Kalifornien nach North Carolina. Mit dem Pathfinder (1997) und nachfolgenden Entwürfen wandte sich die Entwicklung dann wieder unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) zu. Den Höhepunkt bildete der Helios, der 2001 mit 29.524 Metern den Höhenrekord für ein nicht raketengetriebenes Flugzeug aufstellte. Der Zephyr, entwickelt von BAE Systems, ist das jüngste in einer Reihe von rekordverdächtigen Solarflugzeugen, die 2007 einen 54-Stunden-Flug absolvierten, und für 2010 waren monatelange Flüge geplant. Seit 2016 umrundet Solar Impulse, ein Elektroflugzeug, den Globus. Es handelt sich um ein einsitziges Flugzeug, das mit Solarzellen betrieben wird und aus eigener Kraft starten kann. Die Konstruktion ermöglicht es dem Flugzeug, mehrere Tage in der Luft zu bleiben. ⓘ

Ein Solarballon ist ein schwarzer Ballon, der mit normaler Luft gefüllt ist. Wenn das Sonnenlicht auf den Ballon scheint, wird die Luft im Inneren erhitzt und dehnt sich aus, wodurch ein Auftrieb entsteht, ähnlich wie bei einem künstlich beheizten Heißluftballon. Einige Solarballons sind groß genug für den Flug von Menschen, aber die Verwendung ist im Allgemeinen auf den Spielzeugmarkt beschränkt, da das Verhältnis von Oberfläche zu Nutzlast relativ hoch ist. ⓘ

Kraftstoffproduktion

Konzentrierte Solarzellen erhalten einen Leistungsschub. Das Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) wird ein neues System für konzentrierte Solarenergie testen, mit dessen Hilfe Erdgaskraftwerke ihren Brennstoffverbrauch um bis zu 20 Prozent senken können. ⓘ

Solarchemische Prozesse nutzen die Sonnenenergie, um chemische Reaktionen anzutreiben. Diese Prozesse gleichen Energie aus, die sonst aus einer fossilen Brennstoffquelle stammen würde, und können auch Sonnenenergie in speicherbare und transportierbare Brennstoffe umwandeln. Solarinduzierte chemische Reaktionen können in thermochemische und photochemische unterteilt werden. Durch künstliche Photosynthese kann eine Vielzahl von Brennstoffen hergestellt werden. Die katalytische Mehrelektronenchemie, die bei der Herstellung von kohlenstoffbasierten Kraftstoffen (wie Methanol) durch Reduktion von Kohlendioxid zum Tragen kommt, ist eine Herausforderung; eine machbare Alternative ist die Erzeugung von Wasserstoff aus Protonen, obwohl die Verwendung von Wasser als Elektronenquelle (wie bei Pflanzen) die Beherrschung der Mehrelektronenoxidation von zwei Wassermolekülen zu molekularem Sauerstoff erfordert. Einige haben für 2050 funktionierende Solartreibstoffanlagen in küstennahen Großstädten ins Auge gefasst - die Aufspaltung von Meerwasser liefert Wasserstoff, der durch benachbarte Brennstoffzellen-Elektrizitätswerke geleitet wird, und das reine Wasser als Nebenprodukt wird direkt in das städtische Wassersystem eingespeist. ⓘ

Technologien zur Wasserstofferzeugung sind seit den 1970er Jahren ein wichtiger Bereich der solarchemischen Forschung. Neben der Elektrolyse, die durch photovoltaische oder photochemische Zellen angetrieben wird, wurden auch mehrere thermochemische Verfahren erforscht. Bei einem dieser Verfahren wird Wasser mit Hilfe von Konzentratoren bei hohen Temperaturen (2.300-2.600 °C oder 4.200-4.700 °F) in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Ein anderer Ansatz nutzt die Wärme von Solarkonzentratoren, um die Dampfreformierung von Erdgas voranzutreiben und so die Gesamtwasserstoffausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Reformierungsverfahren zu erhöhen. Thermochemische Zyklen, die durch die Zersetzung und Regenerierung von Reaktanten gekennzeichnet sind, stellen eine weitere Möglichkeit der Wasserstofferzeugung dar. Das Solzinc-Verfahren, das am Weizmann Institute of Science entwickelt wird, nutzt einen 1-MW-Sonnenofen, um Zinkoxid (ZnO) bei Temperaturen von über 1.200 °C zu zersetzen. Bei dieser ersten Reaktion entsteht reines Zink, das anschließend mit Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff umgesetzt werden kann. ⓘ

Methoden der Energiespeicherung

Thermische Energiespeicherung. Die CSP-Anlage von Andasol verwendet Tanks mit geschmolzenem Salz zur Speicherung von Sonnenenergie. ⓘ

Thermische Massensysteme können Sonnenenergie in Form von Wärme bei haushaltsüblichen Temperaturen über einen Tag oder eine Jahreszeit hinweg speichern. Thermische Speichersysteme verwenden im Allgemeinen leicht verfügbare Materialien mit hoher spezifischer Wärmekapazität wie Wasser, Erde und Stein. Gut konzipierte Systeme können die Nachfragespitzen senken, die Nutzungszeiten in die Schwachlastzeiten verlagern und den gesamten Heiz- und Kühlbedarf reduzieren. ⓘ

Ein weiteres Wärmespeichermedium sind Phasenwechselmaterialien wie Paraffinwachs und Glaubersalz. Diese Materialien sind kostengünstig, leicht erhältlich und können Temperaturen liefern, die für den Hausgebrauch geeignet sind (ca. 64 °C oder 147 °F). Das "Dover House" (in Dover, Massachusetts) war 1948 das erste Haus, das ein Heizsystem mit Glaubersalz verwendete. Mit geschmolzenen Salzen kann Sonnenenergie auch bei hohen Temperaturen gespeichert werden. Salze sind ein effektives Speichermedium, da sie kostengünstig sind, eine hohe spezifische Wärmekapazität haben und Wärme bei Temperaturen liefern können, die mit herkömmlichen Energiesystemen kompatibel sind. Das Projekt Solar Two nutzte diese Methode der Energiespeicherung und konnte so 1,44 Terajoule (400.000 kWh) in seinem 68 m³ fassenden Speichertank mit einer jährlichen Speichereffizienz von etwa 99 % speichern. ⓘ

Bei netzunabhängigen PV-Anlagen werden traditionell wiederaufladbare Batterien verwendet, um überschüssigen Strom zu speichern. Bei netzgekoppelten Anlagen kann überschüssiger Strom in das Übertragungsnetz eingespeist werden, während Strom aus dem normalen Netz zur Deckung von Defiziten verwendet werden kann. Im Rahmen von Net-Metering-Programmen erhalten Haushalte eine Gutschrift für den Strom, den sie ins Netz einspeisen. Dazu wird der Zähler zurückgeschaltet, wenn der Haushalt mehr Strom produziert als er verbraucht. Wenn der Nettostromverbrauch unter Null liegt, schreibt das Versorgungsunternehmen die Kilowattstunden auf den nächsten Monat gut. Andere Ansätze beinhalten die Verwendung von zwei Zählern, um den verbrauchten und den erzeugten Strom zu messen. Dies ist wegen der höheren Installationskosten für den zweiten Zähler weniger verbreitet. Die meisten Standardzähler messen genau in beide Richtungen, so dass ein zweiter Zähler nicht erforderlich ist. ⓘ

Bei Pumpspeicherkraftwerken wird Energie in Form von Wasser gespeichert, das, wenn Energie verfügbar ist, aus einem tiefer gelegenen Stausee in einen höher gelegenen gepumpt wird. Bei hohem Bedarf wird die Energie durch Ablassen des Wassers zurückgewonnen, wobei die Pumpe zu einem Wasserkraftgenerator wird. ⓘ

Entwicklung, Einsatz und Wirtschaftlichkeit

Teilnehmer eines Workshops über nachhaltige Entwicklung inspizieren Solarmodule auf einem Gebäude des Monterrey Institute of Technology and Higher Education, Mexiko-Stadt, auf dem Campus. ⓘ

Kostenentwicklung von PV-Solarmodulen pro Watt ⓘ

Seit dem sprunghaften Anstieg des Kohleverbrauchs, der mit der industriellen Revolution einherging, hat sich der Energieverbrauch kontinuierlich von Holz und Biomasse auf fossile Brennstoffe verlagert. Die frühe Entwicklung von Solartechnologien ab den 1860er Jahren wurde von der Erwartung angetrieben, dass die Kohle bald knapp werden würde. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stagnierte die Entwicklung von Solartechnologien jedoch angesichts der zunehmenden Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Nützlichkeit von Kohle und Erdöl. ⓘ

Das Ölembargo von 1973 und die Energiekrise von 1979 führten weltweit zu einer Neuausrichtung der Energiepolitik. Dadurch wurde die Entwicklung von Solartechnologien erneut in den Blickpunkt gerückt. Die Einführungsstrategien konzentrierten sich auf Anreizprogramme wie das Federal Photovoltaic Utilization Program in den USA und das Sunshine Program in Japan. Zu den weiteren Bemühungen gehörte die Gründung von Forschungseinrichtungen in den USA (SERI, jetzt NREL), Japan (NEDO) und Deutschland (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE). ⓘ

Kommerzielle solare Warmwasserbereiter kamen in den Vereinigten Staaten in den 1890er Jahren auf den Markt. Diese Systeme wurden bis in die 1920er Jahre immer häufiger eingesetzt, wurden dann aber allmählich durch billigere und zuverlässigere Heizstoffe ersetzt. Wie bei der Photovoltaik erregte die solare Warmwasserbereitung infolge der Ölkrisen in den 1970er Jahren erneut Aufmerksamkeit, doch das Interesse ließ in den 1980er Jahren aufgrund der sinkenden Erdölpreise nach. Die Entwicklung im Bereich der solaren Warmwasserbereitung schritt in den 1990er Jahren stetig voran, und die jährlichen Wachstumsraten liegen seit 1999 bei durchschnittlich 20 %. Obwohl sie im Allgemeinen unterschätzt wird, ist die solare Warmwasserbereitung und Kühlung mit einer geschätzten Kapazität von 154 GW (Stand 2007) die bei weitem am häufigsten eingesetzte Solartechnologie. ⓘ

Die Internationale Energieagentur hat erklärt, dass die Solarenergie einen erheblichen Beitrag zur Lösung einiger der dringendsten Probleme leisten kann, mit denen die Welt heute konfrontiert ist:

Die Entwicklung erschwinglicher, unerschöpflicher und sauberer Solarenergietechnologien wird längerfristig enorme Vorteile mit sich bringen. Sie wird die Energiesicherheit der Länder durch die Abhängigkeit von einer einheimischen, unerschöpflichen und weitgehend importunabhängigen Ressource erhöhen, die Nachhaltigkeit verbessern, die Umweltverschmutzung verringern, die Kosten für die Eindämmung des Klimawandels senken und die Preise für fossile Brennstoffe niedriger halten als sonst. Diese Vorteile sind global. Daher sollten die zusätzlichen Kosten für die Anreize für eine frühzeitige Nutzung als Lerninvestitionen betrachtet werden; sie müssen klug eingesetzt und auf breiter Basis verteilt werden. ⓘ

Im Jahr 2011 stellte ein Bericht der Internationalen Energieagentur fest, dass Solarenergietechnologien wie Photovoltaik, solare Warmwasserbereitung und konzentrierte Solarenergie bis 2060 ein Drittel des weltweiten Energiebedarfs decken könnten, wenn sich die Politiker dazu verpflichten, den Klimawandel zu begrenzen und auf erneuerbare Energien umzusteigen. Die Energie der Sonne könnte neben der Verbesserung der Energieeffizienz und der Verhängung von Kosten für die Verursacher von Treibhausgasemissionen eine Schlüsselrolle bei der Entkarbonisierung der Weltwirtschaft spielen. "Die Stärke der Solarenergie ist die unglaubliche Vielfalt und Flexibilität der Anwendungen, von kleinen bis hin zu großen Anlagen". ⓘ

Wir haben bewiesen ... dass die Menschheit, nachdem unsere Öl- und Kohlevorräte erschöpft sind, unbegrenzt Energie aus den Strahlen der Sonne beziehen kann.

- Frank Shuman, The New York Times, 2. Juli 1916.

Im Jahr 2021 schätzte Lazard die Kosten für neu gebauten, nicht subventionierten Solarstrom auf weniger als 37 Dollar pro MWh, während die Kosten für bestehenden Kohlestrom über diesem Betrag lagen. Der Bericht von 2021 besagt auch, dass neue Solaranlagen billiger sind als neue Gaskraftwerke, aber nicht generell als bestehende Gaskraftwerke. ⓘ

Aufkommende Technologien

Experimentelle Solarenergie

Bei der konzentrierten Photovoltaik (CPV) wird das Sonnenlicht zur Stromerzeugung auf photovoltaische Oberflächen konzentriert. Thermoelektrische oder "thermovoltaische" Geräte wandeln einen Temperaturunterschied zwischen unterschiedlichen Materialien in elektrischen Strom um. ⓘ

Schwimmende Solaranlagen

Schwimmende Solaranlagen sind PV-Systeme, die auf der Oberfläche von Trinkwasserreservoirs, Steinbruchseen, Bewässerungskanälen oder Sanierungs- und Absetzteichen schwimmen. Eine kleine Anzahl solcher Systeme gibt es in Frankreich, Indien, Japan, Südkorea, dem Vereinigten Königreich, Singapur und den Vereinigten Staaten. Die Systeme sollen Vorteile gegenüber der Photovoltaik an Land haben. Die Landkosten sind teurer, und es gibt weniger Vorschriften und Regelungen für Anlagen auf Gewässern, die nicht zur Erholung genutzt werden. Im Gegensatz zu den meisten landgestützten Solaranlagen können schwimmende Anlagen unauffällig sein, da sie nicht von der Öffentlichkeit gesehen werden. Sie erreichen einen höheren Wirkungsgrad als PV-Paneele an Land, da das Wasser die Paneele kühlt. Die Paneele sind mit einer speziellen Beschichtung versehen, die Rost und Korrosion verhindert. Im Mai 2008 leistete das Weingut Far Niente in Oakville, Kalifornien, mit der Installation von 994 PV-Solarmodulen mit einer Gesamtleistung von 477 kW auf 130 Pontons, die auf dem Bewässerungsteich des Weinguts schwammen, Pionierarbeit für das weltweit erste schwimmende Photovoltaiksystem. Der Bau von schwimmenden PV-Farmen im Versorgungsmaßstab hat begonnen. Kyocera wird den weltweit größten schwimmenden Solarpark mit einer Leistung von 13,4 MW auf dem Stausee oberhalb des Yamakura-Damms in der Präfektur Chiba mit 50.000 Solarmodulen errichten. Es werden auch salzwasserbeständige schwimmende Anlagen für den Einsatz im Meer gebaut. Das größte bisher angekündigte Floating-Photovoltaik-Projekt ist ein 350-MW-Kraftwerk im brasilianischen Amazonasgebiet. ⓘ

Solarunterstützte Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das Wärmeenergie von einer Wärmequelle zu einem als "Wärmesenke" bezeichneten Zielort transportiert. Wärmepumpen sind so konzipiert, dass sie thermische Energie entgegen der Richtung des spontanen Wärmeflusses bewegen, indem sie Wärme aus einem kalten Raum aufnehmen und an einen wärmeren Raum abgeben. Eine solarunterstützte Wärmepumpe ist die Integration einer Wärmepumpe und thermischer Sonnenkollektoren in ein einziges integriertes System. Normalerweise werden diese beiden Technologien getrennt (oder nur parallel) für die Warmwasserbereitung eingesetzt. In diesem System übernimmt die thermische Solaranlage die Funktion der Niedertemperatur-Wärmequelle und die erzeugte Wärme wird zur Speisung des Verdampfers der Wärmepumpe verwendet. Das Ziel dieses Systems ist es, einen hohen COP zu erreichen und Energie auf effizientere und kostengünstigere Weise zu erzeugen. ⓘ

In Kombination mit der Wärmepumpe können alle Arten von Solarmodulen (Platten und Röhren, Rollbond, Wärmerohre, Thermoplatten) oder Hybridmodule (mono-/polykristallin, Dünnschicht) verwendet werden. Die Verwendung eines Hybridpaneels ist vorzuziehen, da es einen Teil des Strombedarfs der Wärmepumpe abdecken kann und den Stromverbrauch und damit die variablen Kosten des Systems senkt. ⓘ

Solarflugzeug

Solar Impulse 2 war 2016 das erste solarbetriebene Flugzeug, das die Welt umrundet hat. ⓘ

Ein Elektroflugzeug ist ein Flugzeug, das nicht mit Verbrennungsmotoren, sondern mit Elektromotoren betrieben wird, wobei der Strom aus Brennstoffzellen, Solarzellen, Ultrakondensatoren, Power Beaming oder Batterien stammt. ⓘ

Gegenwärtig sind bemannte Elektroflugzeuge meist experimentelle Vorführflugzeuge, aber auch viele kleine unbemannte Luftfahrzeuge werden mit Batterien betrieben. Elektrisch betriebene Modellflugzeuge werden seit den 1970er Jahren geflogen, ein Bericht stammt aus dem Jahr 1957. Die ersten manntragenden elektrisch angetriebenen Flüge wurden 1973 durchgeführt. Zwischen 2015 und 2016 umrundete ein bemanntes Solarflugzeug, Solar Impulse 2, die Erde. ⓘ

Intensität

Die an der Erdoberfläche eintreffende Sonnenstrahlung hängt stark vom Wetter und vom Sonnenstand ab. Sie schwankt wegen der Exzentrizität der Erdbahn im Jahreslauf um knapp 7 %. Die durchschnittliche Intensität der Sonneneinstrahlung beträgt an der Grenze der Erdatmosphäre etwa 1367 W/m². Dieser Wert wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Ein Teil der eingestrahlten Energie wird von der Atmosphäre von festen (z. B. Eiskristallen, Staub) oder flüssigen Schwebeteilchen sowie von den gasförmigen Bestandteilen gestreut und reflektiert. Ein weiterer Teil wird von der Atmosphäre absorbiert und bereits dort in Wärme umgewandelt. Der Rest geht durch die Atmosphäre hindurch und erreicht die Erdoberfläche. Dort wird er wiederum zum Teil reflektiert und zum Teil absorbiert und in Wärme umgewandelt. Unter anderem in der Photosynthese, der Photothermik und der Photovoltaik wird diese Energie nutzbar gemacht. Die prozentuale Verteilung der Einstrahlung auf Reflexion, Absorption und Transmission hängt vom jeweiligen Zustand der Atmosphäre ab. Dabei spielen die Luftfeuchtigkeit, die Bewölkung und die Länge des Weges, den die Strahlen durch die Atmosphäre zurücklegen, eine Rolle. Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlung beträgt weltweit im Tagesdurchschnitt (bezogen auf 24 Stunden) noch ungefähr 165 W/m² (mit erheblichen Schwankungen je nach Breitengrad, Höhenlage und Witterung). Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als fünftausend Mal größer als der Energiebedarf der Menschheit. Letztlich wird die gesamte Energie der Sonne in Form von reflektiertem Licht und Wärmestrahlung wieder an den Weltraum abgegeben. ⓘ

Nutzung der Sonnenenergie

Solarenergieanlagen in Deutschland

Jahr	Installierte Leistung (MW Peak) ⓘ
2005	02.056
2006	02.899
2007	04.170
2008	06.120
2009	10.566
2010	18.006
2011	25.916
2012	34.077
2013	36.710
2014	37.900
2015	39.224
2016	40.679
2017	42.293
2018	45.158
2019	49.047
2020	53.848

Der Menge nach größter Nutzungsbereich der Sonnenenergie ist die Erwärmung der Erde, so dass im oberflächennahen Bereich biologische Existenz in den bekannten Formen möglich ist, gefolgt von der Photosynthese der Algen und Höheren Pflanzen. Die meisten Organismen, die Menschen eingeschlossen, sind entweder direkt (als Pflanzenfresser) oder indirekt (als Fleischfresser) von der Sonnenenergie abhängig. Brennstoff und Baumaterial stammen ebenfalls daraus. Die Sonnenenergie ist weiterhin dafür verantwortlich, dass es in der Atmosphäre zu Luftdruckunterschieden kommt, die zu Wind führen. Auch der Wasserkreislauf der Erde wird von der Sonnenenergie angetrieben. ⓘ

Neben diesen „natürlichen“ Effekten gibt es zunehmend eine technische Nutzung vor allem im Bereich Energieversorgung. Da die Sonnenenergie eine regenerative Energiequelle ist, wird ihre Nutzung in vielen Ländern gefördert, in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). ⓘ

Mit Hilfe der Solartechnik lässt sich die Sonnenenergie auf verschiedene Arten sowohl direkt als auch indirekt nutzen: Direkte Nutzungsformen umfassen:

• Sonnenkollektoren gewinnen Wärme (Solarthermie bzw. Photothermik)
• Solarzellen erzeugen elektrischen Gleichstrom (Photovoltaik)
• Sonnenwärmekraftwerke erzeugen mit Hilfe von Wärme und Wasserdampf elektrischen Strom
• Aufwindkraftwerke erzeugen in einem Treibhaus heiße Luft, die durch einen Kamin aufsteigt und Strom erzeugt
• Solarballons können durch die heiße Luft in ihrem Innern fliegen
• Solarkocher oder Solaröfen erhitzen Speisen oder sterilisieren medizinisches Material ⓘ

Indirekt wird Sonnenenergie genutzt:

• Pflanzen und pflanzliche Abfälle werden so verarbeitet, dass nutzbare Flüssigkeiten (z. B. Ethanol, Rapsöl) oder Gase (z. B. Biogas, gereinigt wird daraus Methan) entstehen
• Wind- und Wasserkraftwerke erzeugen elektrischen Strom
• Passive Sonnenenergienutzung wärmt Häuser auf, was den Energiebedarf während der kalten Jahreszeit senkt ⓘ

Solarenergieanlagen Deutschland Diagramm ⓘ

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  Sonnenwärmekraftwerk Ivanpah, USA

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  Aufwindkraftwerk in Manzanares, Spanien

• 

  Solarkocher in Betrieb

• 

  Windkraftanlage

• 

  Laufwasserkraftwerk

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  Photovoltaikanlage in Berlin-Adlershof

• 

  Solarmodul (links) und Sonnenkollektor (rechts oben) ⓘ

Speicherung der Sonnenenergie

Die solare Einstrahlung unterliegt tages- und jahreszeitlichen Schwankungen von Null bis zum Maximalwert der Bestrahlungsstärke von rund 1000 W/m². Um die notwendige Energieversorgungssicherheit zu gewährleisten, sind deshalb immer zusätzlich Maßnahmen wie Energiespeicher, Regelungstechnik oder auch Zusatzsysteme wie zum Beispiel ein mit Brennstoff betriebener Heizkessel notwendig. ⓘ

Im März 2011 ging in der Morbacher Energielandschaft die erste Solargas-Anlage in Deutschland in Betrieb. Dabei wird Sonnenenergie in synthetisches Erdgas umgewandelt und in Gasform gespeichert. ⓘ

Thermische Solaranlagen verwenden unterschiedliche Arten von Wärmespeichern. Diese reichen bei Geräten für Warmwasser meist für einige Tage aus, damit – zumindest im Sommerhalbjahr – auch in der Nacht und während einer Schlechtwetterperiode ausreichend Wärme zur Verfügung gestellt werden kann. Langzeitspeicher, die sommerliche Wärme in den Winter übertragen, sind technisch möglich, aber noch relativ teuer. ⓘ

In solarthermischen, elektrischen Kraftwerken wird durch Spiegel konzentrierte Sonnenstrahlung genutzt, um Flüssigkeiten zu verdampfen und mittels Dampfturbinen Strom zu gewinnen. Wärmespeicher (beispielsweise Flüssigsalztanks) können darüber hinaus einen Teil der Wärme (mit geringen Verlusten) tagsüber speichern, um kurzfristige Bedarfsschwankungen auszugleichen oder die Dampfturbine nachts anzutreiben. ⓘ

In photovoltaischen Kraftwerken wird elektrischer Strom mittels Halbleitereffekten erzeugt. Der dadurch produzierte Gleichstrom wird entweder im Rahmen einer dezentralen Stromerzeugung in einem Inselstromnetz als solcher verwendet (Pufferung zum Beispiel durch Akkumulatoren) oder über Wechselrichter in ein vorhandenes Wechselstromnetz eingespeist. Dort ist die Speicherung über dezentrale Batterien und die Umwandlung in Wasserstoff und Methan und der anschließenden Speicherung im Erdgasnetz möglich. Die bereits bestehenden Erdgasspeicher in Deutschland würden ausreichen, um hier den Speicherbedarf einer Stromversorgung zu decken, die überwiegend auf der Erzeugung durch Photovoltaik- und Windkraftanlagen basiert. ⓘ

Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom Einfallswinkel

Die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche ist die Haupteinflussgröße des Wettergeschehens und des regionalen wie globalen Klimas. Die Strahlungsstromdichte (engl. heat flux density, irradiation), also die Strahlungsenergie pro Fläche und Zeitspanne, hängt vom Winkel der Sonneneinstrahlung ab. Bei flachem Winkel treffen weniger Photonen pro Fläche auf dem Boden auf und erwärmen ihn weniger stark als bei senkrechtem Einfall. Dies kommt durch folgende Formel zum Ausdruck:

$J=J_{0}\cdot \sin(\beta )$ ⓘ

Hierbei bezeichnet $J$ die Strahlungsleistung, $J_{0}$ die Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel und $\beta$ den Einfallswinkel gegenüber dem Horizont. ⓘ

Verstärkt wird der Effekt durch den verlängerten Weg, den das Licht bei flachen Winkeln durch die Atmosphäre zurücklegen muss. ⓘ

Umweltbilanz

Nach Berechnungen des deutschen Umweltbundesamtes amortisieren sich Photovoltaikanlagen energetisch auch im verhältnismäßig sonnenarmen Deutschland nach ein bis zwei Jahren Betriebsdauer. D. h. nach dieser Zeit hat eine Anlage soviel Energie erzeugt, wie für ihre Herstellung, den Betrieb und die Entsorgung aufgewendet werden müssen. Hinsichtlich der Treibhausgas-Emissionen entstehen durch die Herstellung, den Betrieb und die Entsorgung einer Photovoltaikanlage bei einer Nutzungsdauer von 30 Jahren rechnerische Emissionen in Höhe von 67 Gramm CO₂-Äquivalenten / kWh. Bei Steinkohle- und Gaskraftwerken wird dieser Wert auf 694 Gramm CO₂-Äquivalente / kWh geschätzt. Photovoltaikanlagen verursachen pro produzierter Energieeinheit also nur etwa ein Zehntel der Treibhausgasbelastung von Steinkohle- und Gaskraftwerken. ⓘ

Bewertung der Sonnenenergienutzung

Die Nutzung der Sonnenenergie bietet spezifische Vorteile, weist aber auch (potentielle) Nachteile auf. ⓘ

Vorteile

• Sonnenenergienutzung setzt keine Luftschadstoffe frei, wie z. B. Feinstaub
• Sonnenenergienutzung setzt vergleichsweise geringe Treibhausgase frei und ist damit klimaschonend
• Sonnenenergienutzung erspart Importe fossiler oder nuklearer Brennstoffe und reduziert damit die Abhängigkeit von Exportstaaten
• Sonnenenergie ist praktisch unbegrenzt verfügbar und kann so auch steigende Energiebedarfe abdecken ohne dass Erschöpfung der Vorräte an Energieträgern droht
• Sonnenenergie kommt ohne Brennstoffkosten aus und bietet damit nach Preisverfall der Erzeugungstechnologien inzwischen häufig niedrigere Gestehungskosten als Alternativen ⓘ

Nachteile

• Sonnenenergie ermöglicht aufgrund der wetter-, tages- und jahreszeitabhängigen Sonneneinstrahlung ohne zusätzliche Speicher keine konstante bzw. bedarfsgerechte Energieversorgung
• Sonnenenergienutzung hat aufgrund der geringen Energiedichte einen relativ hohen Flächenbedarf und kann in Konkurrenz zur landwirtschaftlichen Nutzung von Flächen treten
• Anlagen zur Nutzung von Sonnenenergie haben aufgrund der geringen Energiedichte einen vergleichsweise hohen Bedarf an Metallen ⓘ