Solarenergie nutzen – ihre Vor- und Nachteile
Solarenergie oder Sonnenenergie gehört zu den erneuerbaren Energien, die in der Natur beinahe unerschöpflich vorkommen. Durch stetige Weiterentwicklung von Technologien zur Energiegewinnung aus Sonnenenergie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts und vor allem auch durch die Massenproduktion von Solarpanels in den letzten 20 Jahren ist die Gewinnung von Strom aus Solarenergie so günstig geworden, dass auch Privathaushalte sie nutzen können, um ihren eigenen Strom zu erzeugen. Solarenergie wird in der Schweiz immer beliebter, immer mehr Schweizer wollen Solarenergie zur Erzeugung von Wärme und Strom nutzen.
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Was ist Solarenergie?
Solarenergie ist die Energie der Sonnenstrahlung. Statt des lateinischen Begriffs „solar“ kann auch einfach „Sonne“ gesagt werden, daher ist ein alternativer Begriff „Sonnenenergie“. Zum Teil werden die Begriffe „Solarstrom“ und „Solarenergie“ als Synonyme gebraucht, was allerdings nicht ganz korrekt ist. Solarstrom ist elektrische Energie, durch den Photoeffekt wird Strahlung in Strom umgewandelt.
Im Inneren der Sonne entsteht Energie durch die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium. Von der Oberfläche der Sonne gelangt die Sonnenenergie als elektromagnetische Strahlung ins Weltall. Die Energie, die die Sonne abstrahlt, ist weitgehend konstant und beträgt ca. 3.8 mal 10 hoch 26 Joule. Diese verringert sich allerdings auf ihrem Weg zur Erde: An der Grenze der Erdatmosphäre beträgt die durchschnittliche Intensität der Sonneneinstrahlung noch 1367 Watt pro Quadratmeter, die sogenannte Solarkonstante. Durch die Reflexion und Absorption der Atmosphäre kommt allerdings nicht die gesamte Strahlungsenergie auf der Erdoberfläche an. Bei klarem Wetter sind es auf Meereshöhe noch etwa drei Viertel des Ausgangswertes, schon leichte Cirruswolken lassen den Wert auf etwa die Hälfte fallen, womit für die eigentliche Nutzung auf der Erde viel weniger Solarenergie zur Verfügung steht.
Solarenergie nutzen – in der Natur und durch technische Anwendungen
Beim Thema „Solarenergie“ denken die meisten erst einmal an die Nutzung der Sonnenenergie durch den Menschen. Doch sie spielt in der Natur eine zentrale Rolle, da sie für viele natürliche Prozesse auf der Erde die Grundlage bildet, etwa für die Photosynthese, für die Entstehung von Luftdruckunterschieden in der Atmosphäre und für den Wasserkreislauf. Auch Energiequellen wie Wasserkraft, Biomasse und Kohle sowie Gas sind im weiteren Sinne von der Solarenergie abhängig: Denn Wasserkraftwerke (ausgenommen Gezeitenkraftwerke) benötigen Druckunterschiede, die durch Temperaturunterschiede aufgrund der Sonneneinstrahlung entstehen, für die Biomasse erhalten Pflanzen die meiste Energie durch Photosynthese und Kohle und Gas sind aus verstorbenen Tieren entstanden, die sich wiederum von Pflanzen ernährt haben.
Für den Menschen nutzbar gemacht wird sie in unterschiedlichen Anwendungen, am bekanntesten sind Solarthermie und Photovoltaik, d.h. die Erzeugung von Wärme bzw. Warmwasser und Solarstrom. Die ersten Ansätze zur Photovoltaik gab es schon im 19. Jahrhundert: Die Grundlage dafür bildete die Entdeckung des photoelektrischen Effekts durch den französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel, der im Rahmen seiner Experimente mit elektrolytischen Zellen feststellte, dass der Stromfluss zunahm, wenn er die Zellen mit Licht bestrahlte. Die ersten Solarzellen wurden 1883 vom US-amerikanischen Erfinder Charles Fritts gebaut, sie hatten allerdings nur einen Wirkungsgrad von 1 bis 2%.
Moderne Photovoltaikanlagen bestehen aus Solarpanels und erzeugen Gleichstrom, sie wandeln Solarenergie mithilfe von Solarzellen aus Halbleitermaterialien wie Silizium in Strom um. Die Solarzellen setzen bei Lichteinfall Ladungen frei, diese fliessen in Form von Elektronen über einen Leiter ab. Für die Nutzung in Gleichstrom-Stromkreisen ist ein Wechselrichter zur Umwandlung erforderlich. Besonders in Gebieten mit viel Sonnenlicht ist die Photovoltaik eine attraktive, alternative Option zur herkömmlichen Stromerzeugung. In der Schweiz gibt es in den südlichen und südwestlichen Regionen besonders viel Sonnenlicht, weshalb diese als Standort für PV-Anlagen ausserordentlich gut geeignet sind. Die meisten anderen Regionen der Schweiz bieten jedoch auch gute bis sehr gute Voraussetzungen. Die Photovoltaik spielt in den letzten Jahren eine zunehmend wichtigere Rolle bei der Schweizer Stromproduktion. Der Anteil der Photovoltaik an der öffentlichen Stromerzeugung in der Schweiz betrug im Jahr 2022 bereits 6%.
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Bei der Solarthermie wiederum wird Sonnenenergie zum Erhitzen von Flüssigkeiten in Rohrleitungssystemen verwendet, v.a. für Nutzwasser. Die bekannteste Anwendung sind Sonnenkollektoren auf Dächern, bei denen Wasser durch Rohrleitungssysteme fliesst und anschliessend an einen Wärmetauscher geleitet wird. Auf diese Weise kann etwa über einen Zwischenspeicher laufend Nutzwasser erhitzt werden, sei es zur direkten Wassernutzung (etwa zum Duschen oder für Swimming-Pools) oder zur Unterstützung der Heizung. Besonders grosse solarthermische Anlagen werden in Wüstenregionen eingesetzt, in Form von Parabolrinnenkraftwerken oder Solarturmkraftwerken. In diesen wird die Sonneneinstrahlung durch Spiegel konzentriert und somit gebündelt nutzbar gemacht. Ähnlich wie bei der Photovoltaik sind auch bei der Solarthermie die südlichen und südwestlichen Regionen der Schweiz besonders geeignet, da in diesen eine hohe Anzahl an Sonnenstunden zu verzeichnen ist.
Speicherung als grosse Herausforderung von Solarenergie
Bei der wirtschaftlichen Nutzung von Solarenergie stellen die Schwankungen der verfügbaren Energie je nach Region, Wetter und Jahreszeit eine grosse Herausforderung dar. Der Schlüssel zur kontinuierlichen Bereitstellung von Energie sind effiziente Speichermöglichkeiten, in Form von Akkus für Strom und als Wassertanks bei Solarthermie. Die wichtigste Rolle spielt vor allem in nördlichen Breitengraden die Entwicklung von Langzeitspeichern für den Winter. In den Alpen würden sich v.a. Pumpspeicherkraftwerke als Langzeitspeicher anbieten. Alternativ dazu gibt es Überlegungen, wie Energie aus sonnenintensiven Gegenden auch für sonnenärmere durch Leitungen nutzbar gemacht werden kann. Allerdings gibt es hier noch keine tragfähigen Lösungen z.B. für Leitungen zwischen Nordafrika und Europa – in der Sahara sind bis zu 2350 kWh pro Quadratmeter und Jahr verfügbar, in der Schweiz im Vergleich dazu nur rund 1000-1500 kWh. Bisher wurden immer wieder geplante Solarparks in der Sahara noch nicht realisiert, was u.a. an der instabilen politischen Lage in den dafür in Frage kommenden Regionen liegt. Ebenso stehen Forschungen dazu, wie das Einfangen von Solarenergie im All per Satellit und die Übertragung auf die Erde funktionieren könnte, erst am Anfang.
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Sie ist unbegrenzt verfügbar, damit lässt sich auch ein steigender Energiebedarf in Zukunft abdecken. | Die Verfügbarkeit von Sonnenenergie ist wetter-, tages- und jahreszeitabhängig, weshalb ein Bedarf an zusätzlichen Speichermöglichkeiten besteht. |
| Der Strom kann dezentral produziert werden, wovon das Netz profitiert. | Um die Netzstabilität zu gewährleisten, müssen Anlagen in der Regel in der Einspeisung begrenzt werden. |
| Es entstehen bei der Energieproduktion keine Luftschadstoffe wie Feinstaub. | Bei Photovoltaikanlagen, die auf der freien Fläche aufgestellt werden, besteht ein relativ hoher Flächenbedarf, daher wird sie z.T. als Konkurrenz zu landwirtschaftlicher Nutzung gesehen (hier gibt es allerdings schon Umsetzungen, bei denen die Nutzung der Fläche für Landwirtschaft und die Gewinnung von Solarstrom zugleich möglich ist). |
| Die Anlagen an sich sind in der Regel recycelbar. | Aufgrund der niedrigen Energiedichte haben Photovoltaikanlagen auch einen vergleichsweisen hohen Bedarf an Metallen. |
| Bei der Produktion und im Betrieb der Anlagen entstehen nur wenige Treibhausgase. | Die Errichtungskosten sind bei Photovoltaik vor allem für private Nutzer auf Hausdächern eher hoch, da sie oft mehrere 10‘000 Franken betragen. |
| Es gibt keine Brennstoffkosten im Unterschied etwa zu Biomasse. | |
| Die steigende Nutzung von Sonnenenergie bringt auch Ersparnisse beim Import von fossilen und nuklearen Brennstoffen mit sich. |
Die Vorteile überwiegen klar. Einige der genannten Nachteile lassen sich jedoch einfach ausgleichen, so können etwa ungenutzte Dachflächen oder landwirtschaftlich schwer nutzbare Flächen wie Schrägen oder unebenes Gelände für die Aufstellung von Solarzellen herangezogen werden. Die hohen Errichtungskosten für Anlagen für private Nutzer wiederum lassen sich einfach durch das langfristige Mieten einer Anlage umgehen.
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