Sonnenenergie

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Einleitung

Sonnenenergie, auch Solarenergie, Strahlungsenergie, die in der Sonne durch Kernfusion erzeugt und in den Weltraum abgestrahlt wird.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff häufig mit der Nutzung der Sonnenenergie gleichgesetzt. Sonnenenergie gehört zu den erneuerbaren Energien, deren Nutzung angesichts schwindender Reserven an fossilen Energieträgern und der globalen Erwärmung des Klimas zunehmende Bedeutung besitzt.

Die Intensität der Sonneneinstrahlung an der oberen Grenze der Erdatmosphäre wird als Solarkonstante bezeichnet. Ihr Durchschnittswert beträgt bei einem mittleren Abstand der Erde von der Sonne 1,37 × 10⁶ Joule pro Sekunde und Quadratmeter oder zwei Kalorien pro Minute und Quadratzentimeter. Mit Hilfe der Sonnenstrahlen, die ohne Atmosphäre in einer Stunde auf der Erde eintreffen würden, könnte theoretisch der jährliche Energiebedarf aller Menschen gedeckt werden. Aber durch Absorption, Reflexion und Streuung geht beim Weg durch die Atmosphäre Strahlungsenergie verloren, so dass nur etwa die Hälfte die Erdoberfläche erreicht. Die Stärke der an der Erdoberfläche empfangenen Sonnenenergie hängt von der Jahres- und Tageszeit sowie dem Breitengrad des jeweiligen Ortes ab.

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Indirekte Nutzung der Sonnenenergie

Die auf die Erde einstrahlende Sonnenenergie wird in der Erdatmosphäre, den Ozeanen und auf den Festländern absorbiert und in Wärme umgewandelt. Durch die geographisch ungleiche Wärmeverteilung entstehen Luftdruckunterschiede und somit Winde, die seit Jahrhunderten zum Antrieb von Windmühlen und Segelschiffen genutzt werden. Moderne Anwendungen setzen auf die Stromerzeugung mit Windkraft. Durch Wind entstehen auf Wasserflächen Wellen, deren Energie sich in Wellenkraftwerken in elektrische Energie umwandeln lässt.

Die Sonnenenergie hält ferner den Wasserkreislauf in Gang: Die von der Sonne erwärmte Luft nimmt den durch Verdunstung entstehenden Wasserdampf auf und transportiert ihn in höhere Luftschichten. Dort kühlt er sich ab und formt sich zu Wolken. Die Niederschläge speisen u. a. Flüsse, die wiederum in Wasserkraftwerken für den Antrieb von Turbinen und die Erzeugung von Strom genutzt werden.

Pflanzen setzen die Sonnenenergie durch Photosynthese in Biomasse um, die direkt oder in Form von Holz oder fossilen Energieträgern (Kohle, Erdöl, Erdgas) als Brennstoff genutzt wird. Vor allem die direkte Nutzung von Biomasse gilt als besonders wertvoll und zukunftsträchtig. Darüber hinaus können aus Biomasse auch Biokraftstoffe wie Methan oder Alkohol gewonnen werden.

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Direkte Nutzung der Sonnenenergie

Bei der direkten Nutzung der Sonnenenergie wird diese mit technischen Anlagen ohne natürliche Zwischenstufen und nennenswerte zeitliche Verzögerung umgewandelt. Hierbei kann Wärme (Solarthermie) für Warmwasser und Heizungen gewonnen oder Strom erzeugt werden (Solarkraftwerk, Photovoltaik). In Solaröfen werden extrem hohe Temperaturen erreicht.

Von der aktiven unterscheidet man die passive Nutzung der Sonnenenergie. Bei ihr werden z. B. Gebäude entsprechend gestaltet (Solararchitektur, solares oder ökologisches Bauen).

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Solarthermie

Die solarthermische Nutzung der Sonnenenergie setzt direkte Sonnenstrahlung voraus, die mit Kollektoren in Wärmeenergie umgewandelt wird. Mit dieser Energie werden Warmwasser für Bad oder Küche erzeugt, Räume beheizt oder auch Wasser in Schwimmbädern erwärmt.

Sonnenkollektoren sind üblicherweise auf Dächern montiert. Sie fangen Sonnenstrahlen z. B. auf einer Absorberplatte ein, in die von einem Wärmeträgermedium durchflossene Rohre integriert sind oder die an ein solches geschlossenes Zirkulationssystem angeschlossen sind. Das Trägermedium (Flüssigkeit oder Luft), das durch die Rohre strömt, wird durch Wärmeübertragung aufgeheizt. Sonnenkollektoren haben eine oder mehrere transparente Deckplatten. Eine Dämmung reduziert den Wärmeverlust und erhöht so die Energieausbeute. Die Kollektoren haben in der Regel einen Wirkungsgrad zwischen 40 und 80 Prozent und heizen die Trägerflüssigkeit bis auf 82 °C auf (Niedertemperaturkollektoren). Man unterscheidet Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren und Absorbermatten.

Ein vollständiges Solarheizungs- oder Wassererwärmungssystem hat außer den Sonnenkollektoren noch eine Umwälzpumpe, einen Temperaturfühler, automatische Kontrollsysteme zur Aktivierung der Pumpe und einen Wärmespeicher. Der Speicher kann durch eine zusätzliche Heizung unterstützt werden. Als Trägermedien werden in Solarheizungen entweder Luft oder eine Flüssigkeit (Wasser oder eine Mischung aus Wasser und einem Frostschutzmittel) verwendet. Ein unterirdischer oder gut isolierter Tank dient als Energiespeicher, wobei Langzeitwärmespeicher die Energieausbeute zwischen warmen und kalten Zeiten ausgleichen. Mit solchen Systemen lassen sich mehrere Gebäude zu einem Nahwärmenetz verbinden.

Mit solarthermischen Anlagen werden auch Klimaanlagen betrieben. Der entscheidende Vorteil ist hierbei, dass die Anlagen vor allem im Sommer gebraucht werden, wenn die Sonneneinstrahlung hoch ist.