Wie wird Sonnenenergie genutzt?

Sonnenenergie spielt für uns Menschen schon immer eine zentrale Rolle. Unseren Vorfahren erkannten, dass das Wachstum der Pflanzen vom Sonnenlicht abhängig ist, auch wenn sie die dahinterliegenden Prozesse nicht verstanden. Heute wissen wir, dass in den grünen Blättern Kohlendioxid und Wasser mithilfe der 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 nutzten sie ihn lange nicht. 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 Sonnenergie 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.

Dieses Prinzip wurde ebenfalls 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.

Solarthermie – Heizen mit Sonnenenergie

Wie erwähnt, wurde die erwärmende Wirkung der Sonne seit langem genutzt. 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.

Solarthermie
Solarthermie-Module auf einem Dach | © pixabey

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 wieder 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.

Solaranlage auf Freifläche
Solaranlage auf Freifläche | © pixabay

Photovoltaik: Strom aus Sonnenenergie

Die historisch gesehen jüngste Technik zur Nutzung der Sonnenenergie ist die Photovoltaik, die Umwandlung von Sonnenenergie 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 nachweisen, 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 der Überzeugung, dass es sinnvoll sei, Eigenheime mit einer PV-Anlage zu bestücken. 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 neue Standorte wie auf Wasseroberflächen erschlossen (schwimmende PV-Anlagen) oder die Stromgewinnung mit der landwirtschaftlichen Nutzung der Fläche verbunden („Agrophotovoltaik“).

Dass mit Solarthermie und Photovoltaik das Potential der Solarenergie noch nicht ausgeschöpft ist, zeigen immer wieder neue Erfindungen wie dieser Trinkwasserfilter, der mithilfe von Sonnenenergie gereinigt wird.

 

Quellen:

  • Wikipedia
  • Solarthermie: Wie Sonne zu Wärme wird
    von Thomas Schabbach, Pascal Leibbrandt
    Springer-Vieweg
  • Energie in der modernen Gesellschaft: Zeithistorische Perspektiven
    herausgegeben von Hendrik Ehrhardt, Thomas Kroll
    Vandenhoeck & Ruprecht

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