Solarenergie nutzen: Wie funktioniert Sonnenenergie?

Die Sonne, Zentrum unserer Galaxie, ein heißer Stern, der gigantische Mengen Energie freisetzt. Die Quelle dieser Energie ist die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Diese Sonnen- oder Solarenergie erreicht unseren Planeten in Form von elektromagnetischer Strahlung. Wir nutzen sie als Wärme, als chemische Energie und indem wir sie in elektrischen Strom umwandeln.

Die Aufwärmung von Stoffen geschieht dadurch, dass die Strahlungsenergie der Sonne die Atome zu Schwingungen anregt. Die Solarenergie wird absorbiert.

Die bekannteste Umwandlung von solarer in chemische Energie ist die Photosynthese. Auch hier spielt die Anregung der Atome und Moleküle durch die Sonnenstrahlung eine zentrale Rolle. Potentiell reaktiven Verbindungen muss erst so viel Energie zugeführt werden, dass die Reaktion in Gang kommen kann. Diese Aufgabe übernimmt die Sonne, weswegen man auch von Photokatalyse spricht. Bei der Photosynthese stellen die Farbstoffe im Chlorophyll im angeregten Zustand die Elektronen für die folgende chemische Reaktion zur Verfügung.

Für die Umwandlung von Solarenergie in elektrischen Strom sind im allgemeinen technische Einrichtungen wie Solarzellen notwendig. Deren Funktion beruht auf dem photoelektrischen Effekt, bei dem unter Lichteinfall eine Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden erzeugt wird.

Solarenergie hat viele Vorteile: sie ist frei und quasi unbegrenzt verfügbar und sie kostet nichts. Und sie ist besonders umweltfreundlich. Einer der wichtigsten Nachteile der Solarenergie ist jedoch ihre Volatilität. Das heiß, es ist nicht exakt vorhersagbar, wie viel Energie die Sonne zu einem bestimmten Zeitpunkt zur Verfügung stellt. Nachts und im Winter kann die Solarenergie den aktuellen Bedarf nicht oder nur teilweise decken. Die Nutzung der Solarenergie muss daher unbedingt mit Verfahren zur Speicherung dieser Energie verbunden sein.

Solarenergie spielt für uns Menschen schon immer eine zentrale Rolle. Schon frühe Kulturen erkannten, dass das Wachstum der Pflanzen vom Sonnenlicht abhängig ist, auch wenn sie die dafür verantwortlichen Prozesse nicht verstanden. Heute wissen wir, dass in den grünen Blättern Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Sonnenenergie zu komplexen organischen Verbindungen umgewandelt werden. Die Photosynthese der Pflanzen ist die Basis aller Nahrungsketten und damit des Lebens auf der Erde.

Frühzeitig waren sich die Menschen auch des wärmenden Effektes der Sonne bewusst. Zu mehr als zum Aufwärmen oder zum Trocknen von Fellen oder Nahrungsmitteln wurde dieser aber lange nicht angewendet. Von den frühen Zivilisationen in Ägypten, im Zweistromland und in Südamerika weiß man jedoch, dass die Architekten die Bauwerke bereits so konstruierten und ausrichteten, dass diese die Sonnenwärme optimal nutzten. Auch wird vermutet, dass die Ägypter ein System von Spiegeln nutzten, um das Innere der Pyramiden beim Bau zu beleuchten.

Seit der Antike werden geschliffene Gläser und Brennspiegel verwendet, um Feuer zu machen und um Wasser zu erwärmen. Der Legende nach hat der Mathematiker Archimedes Solarenergie auch als Kriegswaffe eingesetzt: Schiffe der römischen Flotte, die seine Heimatstadt Syrakus angriffen, soll er mit einem System aus Spiegeln in Brand gesetzt haben.

Wasserdampf aus Sonnenlicht

Erst im Zeitalter der Dampfmaschine wurde die Sonnenenergie stärker genutzt. Der französische Architekt und Ingenieur Salomon de Caus erfand 1615 eine solarbetriebene Wasserpumpe. Dabei wird Wasser in zwei Kupferkesseln mit Hilfe von Brennspiegeln erhitzt. Die Ausdehnung von Wasserdampf im Kessel treibt einen Springbrunnen an.

Die erste solar beheizte Dampfmaschine nahm Augustin Mouchot 1866 in Gegenwart des französischen Kaisers Napoleon III. in Betrieb. Auf der Pariser Weltausstellung von 1878 stellte er eine solar betriebene Dampfmaschine mit einer Leistung von rund 50 kW vor. Ein 20 m² großer Silberspiegel lenkte das Sonnenlicht auf das Wasser und brachte es zum Kochen.

Das gleiche Prinzip wurde für solarthermische Kraftwerke genutzt, die Anfang des 20. Jahrhunderts in Ägypten entstanden. Die Konstruktion war jedoch noch nicht ausgereift und konnte sich nicht durchsetzen. Aufgegeben wurde die Idee eines Solarkraftwerkes jedoch nicht. So erzeugt heute im spanischen Sevilla das „Planta Solar 10“ mit Hilfe von Spiegeln Dampf, der über Turbinen Generatoren antreibt. Europas erstes kommerzielles Solarturmkraftwerk hat eine maximale elektrische Leistung von 11 MW.

Auch im kleineren Maßstab lässt sich die Sonnenstrahlung nutzen: Parabolspiegel bündeln die Energie auf einen Punkt, und erzeugen dort eine beträchtliche Wärme. Damit lassen sich Solarkocher oder Solaröfen zum Zubereiten von Speisen oder auch zur Herstellung von z.B. Seife oder Säften betreiben.

Solarthermie – Heizen mit Sonnenenergie

 Wie erwähnt, fand die wärmende Wirkung der Sonne seit langem Anwendung. Doch erst im 18. Jahrhundert schuf der Schweizer Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure mit seinem Heliothermometer die Grundlagen der modernen Solarthermie. Er baute einen mit Glas abgedeckter Tannenholzkasten, der innen mit schwarzem Kork ausgekleidet war. Unter Sonneneinstrahlung ließ sich das im Heliothermometer enthaltene Wasser bis über den Siedepunkt erhitzen.

Einen ersten kommerziellen Höhepunkt erlebte die Solarthermie als kostengünstige Heiztechnik zu Beginn des 20. Jahrhunderts in den USA. Als dann im Zweiten Weltkrieg das Kupfer für Rohrleitungen knapp wurde, verschwand die etablierte Technik wieder vom Markt und die Verbraucher setzen fortan auf die Heizung mit billigem Erdgas.

Infolge der steigenden Abhängigkeit von der Ölförderung rückte das Thema Solarthermie Anfang der 1970er in Deutschland wieder stärker ins Bewusstsein. Die Bundesregierung trieb die Solarforschung voran. Große Unternehmen wie AEG, Siemens oder Dornier entwickelten Produkte, die sich in der Praxis jedoch nicht bewährten. Heizungs- und Sanitärfirmen und deren Kunden verloren daher das Vertrauen in die Technik.

Dass die Solarthermie nicht erneut verschwand, ist insbesondere das Verdienst von aus der Umweltbewegung entstandenen Kleinunternehmen. Diese lernten aus den Fehlern ihrer Vorgänger und entwickelten die Technik weiter. Heute deckt die Solarthermie einen Anteil von ca. 2% des Gesamtbedarfs an Energie, knappt 5 % am Wärmebedarf (Quelle: Umweltbundesamt).

Zum Kühlen lässt sich die Solarthermie übrigens auch nutzen. Die Wärme wird dann dazu eingesetzt, ein Kältemittel zu verdampfen, dass bei diesem Vorgang seiner Umgebung Wärme entzieht.

Photovoltaik: Strom aus Sonnenenergie

Die historisch gesehen jüngste Technik zur Nutzung der Solarenergie ist die Photovoltaik, die Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrischen Strom. Die Grundlagen dafür wurden 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Der nach ihm benannte „Becquerel-Effekt“ ist eine Sonderform des photoelektrischen Effektes.

Dreieinhalb Jahrzehnte später konnten William Gryllis Adams und Richard Evens Day zeigen, dass das Halbmetall Selen Elektrizität produziert, wenn man es Licht aussetzt. Damit war der Beweis erbracht, dass sich mit Hilfe eines Feststoffes Licht direkt in elektrische Energie umwandeln lässt. Zahlreiche Forscher beschäftigten sich in der Folge mit dem Thema, Albert Einstein lieferte 1907 die theoretische Erklärung für das Phänomen.

Die ersten kristallinen Solarzellen aus Silizium, die als Vorläufer der heutigen Solarzellen gelten können, entstanden in den späten 1940er Jahren. Die Voraussetzungen für die technische Nutzung der Zellen wurden Anfang der 1950er von Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller und Gerald Pearson in den Bell Laboratories in New Jersey gelegt.

Eingesetzt wurde die anfangs noch sehr teure PV-Technik vor allem in der Weltraumforschung, um Messgeräte und Sender von Satelliten und andere Raumsonden mit Energie zu versorgen. Erst in jüngerer Zeit wird die Photovoltaik auch für den Antrieb der Flugkörper genutzt.

Auf der Erde kamen Solarzellen und kleinere Module seit den 1980ern für die Stromversorgung von Signalanlagen oder Parkuhren und ähnliche Anwendungen zum Einsatz. Der Schweizer Ingenieur Markus Real war jedoch der Überzeugung, dass es sinnvoll sei, Eigenheime mit einer Photovoltaikanlage zu bestücken, um so vor Ort den benötigten Strom selbst zu erzeugen. Mit seinem Projekt der gebäudeintegrierten Solarstromgewinnung gab er den Anstoß für die weitere Entwicklung in diesem Bereich. Seit Mitte der 1990er Jahre wurde der Ausbau der Dach-Photovoltaik unter anderem in Japan, den USA und Deutschland gefördert. Parallel entstanden große Freiflächenanlagen mit hoher Gesamtleistung, sogenannte Solarparks, die in Deutschland heute etwa 10 bis 15 % Anteil an den PV-Anlagen ausmachen. Um den Flächenverbrauch durch diese Solarparks zu minimieren, werden in jüngster Zeit neue Standorte wie Wasseroberflächen erschlossen (schwimmende PV-Anlagen) oder die Stromgewinnung mit der landwirtschaftlichen Nutzung der Fläche verbunden („Agrophotovoltaik“).

Solarenergie in chemische Energie umwandeln

Ein im Zuge der angestrebten Energiewende kontrovers diskutiertes Thema ist die Umwandlung von überschüssigem Strom aus regenerativen Energien wie der Photovoltaik in „Brenngase“ wie Wasserstoff, Methan oder Ammoniak. Bei diesem „Power-to-Gas“ genannten Verfahren handelt es sich in erster Linie um eine Möglichkeit zur Stromspeicherung, das die Nutzung der volatilen Energien aus Sonne und Wind zuverlässiger machen würde. Aufgrund eines relativ geringen Wirkungsgrades wird Power-to-Gas auch von manchen Befürwortern der Energiewende kritisch gesehen wird. Ökologisch sinnvoll ist das Verfahren nur dann, wenn dafür ausschließlich regenerative Energien eingesetzt werden.

Viel effizienter und nachhaltiger wäre es, wenn der Wasserstoff oder andere nützliche chemische Verbindungen direkt durch die Einwirkung der Solarenergie hergestellt werden könnten. An einer Art künstlicher Photosynthese, die die aus der Natur bekannten Prozesse nachstellt, wird bereits geforscht. Denkbar ist auch die Anwendung der Photokatalyse zur Luft- und Wasserreinigung oder für die chemische Synthese.

Solarenergie in „biologische Energie“ umwandeln - künstliche Photosynthese

Bei allen technischen Verfahren, die zur Nutzung von Solarenergie eingesetzt werden, darf nicht vergessen werden, dass die Natur ständig Sonnenenergie in eine chemische Energieform umwandelt. Der Prozess dafür ist die Photosynthese: Aus Licht, Wasser und Kohlendioxid erzeugen Pflanzen und bestimmte Bakterien Glukose (einen energiereichen Zucker, der in Pflanzen gespeichert wird) und Sauerstoff – und das bei „normalen“ Temperaturen und Drücken! 

Wenn die Menschheit diesen Prozess im großen Maßstab nachbilden könnte, ließen sich unsere Energieprobleme lösen, nicht zu vergessen, dass die Photosynthese auch noch die CO₂-Konzentration in der Luft senkt und Sauerstoff produziert. Kein Wunder, dass bereits seit den 1970er Jahren an der künstlichen Photosynthese geforscht wird, doch erst in jüngster Zeit haben neue Erkenntnisse aus der synthetischen Biologie und der verstärkte Einsatz von Fördermitteln zu Fortschritten geführt, die auf erste praktische Einsätze künstlicher Photosynthese in absehbarer Zeit hoffen lassen. Farbsolarstoffzellen (auch als Grätelzellen bezeichnet) könnten hierbei eine Rolle spielen.