Solarenergie ist jede Art von Energie, die von der Sonne erzeugt wird.

Sonnenenergie entsteht durch Kernfusion, die in der Sonne stattfindet.Zur Fusion kommt es, wenn Protonen von Wasserstoffatomen im Sonnenkern heftig zusammenstoßen und zu einem Heliumatom verschmelzen.

Dieser als PP-Kettenreaktion (Proton-Proton) bezeichnete Prozess setzt enorme Energiemengen frei.In ihrem Kern verschmilzt die Sonne pro Sekunde etwa 620 Millionen Tonnen Wasserstoff.Die PP-Kettenreaktion findet auch in anderen Sternen statt, die etwa so groß wie unsere Sonne sind, und versorgt sie kontinuierlich mit Energie und Wärme.Die Temperatur dieser Sterne beträgt etwa 4 Millionen Grad auf der Kelvin-Skala (etwa 4 Millionen Grad Celsius, 7 Millionen Grad Fahrenheit).

In Sternen, die etwa 1,3-mal größer als die Sonne sind, treibt der CNO-Zyklus die Energieerzeugung voran.Der CNO-Zyklus wandelt auch Wasserstoff in Helium um, benötigt dafür jedoch Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff (C, N und O).Derzeit werden weniger als zwei Prozent der Sonnenenergie durch den CNO-Zyklus erzeugt.

Bei der Kernfusion durch die PP-Kettenreaktion oder den CNO-Zyklus werden enorme Energiemengen in Form von Wellen und Partikeln freigesetzt.Sonnenenergie fließt ständig von der Sonne weg und durch das gesamte Sonnensystem.Sonnenenergie erwärmt die Erde, verursacht Wind und Wetter und erhält Pflanzen- und Tierleben.

Die Energie, Wärme und das Licht der Sonne fließen in Form elektromagnetischer Strahlung (EMR) ab.

Das elektromagnetische Spektrum besteht aus Wellen unterschiedlicher Frequenz und Wellenlänge.Die Frequenz einer Welle gibt an, wie oft sich die Welle in einer bestimmten Zeiteinheit wiederholt.Wellen mit sehr kurzen Wellenlängen wiederholen sich in einer bestimmten Zeiteinheit mehrmals, sind also hochfrequent.Im Gegensatz dazu haben niederfrequente Wellen viel längere Wellenlängen.

Die überwiegende Mehrheit der elektromagnetischen Wellen ist für uns unsichtbar.Die von der Sonne emittierten Wellen mit der höchsten Frequenz sind Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolette Strahlung (UV-Strahlen).Die schädlichsten UV-Strahlen werden fast vollständig von der Erdatmosphäre absorbiert.Weniger starke UV-Strahlen breiten sich durch die Atmosphäre aus und können Sonnenbrand verursachen.

Die Sonne sendet auch Infrarotstrahlung aus, deren Wellen viel niedrigere Frequenz haben.Die meiste Wärme der Sonne kommt als Infrarotenergie an.

Zwischen Infrarot und UV liegt das sichtbare Spektrum, das alle Farben enthält, die wir auf der Erde sehen.Die Farbe Rot hat die längsten Wellenlängen (nahe am Infrarot) und Violett (am nächsten am UV) die kürzeste.

Natürliche Sonnenenergie

Treibhauseffekt
Die Infrarot-, sichtbaren und UV-Wellen, die die Erde erreichen, sind an einem Prozess beteiligt, der den Planeten erwärmt und Leben ermöglicht – dem sogenannten „Treibhauseffekt“.

Etwa 30 Prozent der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, wird zurück in den Weltraum reflektiert.Der Rest wird von der Erdatmosphäre absorbiert.Die Strahlung erwärmt die Erdoberfläche und die Oberfläche strahlt einen Teil der Energie in Form von Infrarotwellen wieder ab.Beim Aufstieg durch die Atmosphäre werden sie von Treibhausgasen wie Wasserdampf und Kohlendioxid abgefangen.

Treibhausgase fangen die Wärme ein, die wieder in die Atmosphäre reflektiert wird.Auf diese Weise wirken sie wie die Glaswände eines Gewächshauses.Dieser Treibhauseffekt hält die Erde warm genug, um Leben zu ermöglichen.

Photosynthese
Fast alles Leben auf der Erde ist direkt oder indirekt auf Sonnenenergie als Nahrung angewiesen.

Die Produzenten setzen direkt auf Solarenergie.Sie absorbieren Sonnenlicht und wandeln es durch einen Prozess namens Photosynthese in Nährstoffe um.Zu den Produzenten, auch Autotrophen genannt, gehören Pflanzen, Algen, Bakterien und Pilze.Autotrophe sind die Grundlage des Nahrungsnetzes.

Verbraucher verlassen sich bei Nährstoffen auf die Produzenten.Pflanzenfresser, Fleischfresser, Allesfresser und Detritivfresser sind indirekt auf Sonnenenergie angewiesen.Pflanzenfresser fressen Pflanzen und andere Produzenten.Fleischfresser und Allesfresser fressen sowohl Erzeuger als auch Pflanzenfresser.Detritivoren zersetzen pflanzliches und tierisches Material durch den Verzehr.

Fossile Brennstoffe
Die Photosynthese ist auch für alle fossilen Brennstoffe auf der Erde verantwortlich.Wissenschaftler schätzen, dass sich die ersten Autotrophen vor etwa drei Milliarden Jahren in Gewässern entwickelten.Sonnenlicht ermöglichte es den Pflanzen, zu gedeihen und sich zu entwickeln.Nachdem die Autotrophen gestorben waren, zersetzten sie sich und verlagerten sich tiefer in die Erde, manchmal Tausende von Metern.Dieser Prozess dauerte Millionen von Jahren.

Unter starkem Druck und hohen Temperaturen wurden diese Überreste zu dem, was wir als fossile Brennstoffe kennen.Mikroorganismen wurden zu Erdöl, Erdgas und Kohle.

Der Mensch hat Verfahren entwickelt, um diese fossilen Brennstoffe zu gewinnen und energetisch zu nutzen.Allerdings handelt es sich bei fossilen Brennstoffen um eine nicht erneuerbare Ressource.Es dauert Millionen von Jahren, bis sie entstehen.

Solarenergie nutzen

Solarenergie ist eine erneuerbare Ressource und viele Technologien können sie direkt für den Einsatz in Haushalten, Unternehmen, Schulen und Krankenhäusern nutzen.Einige Solarenergietechnologien umfassen Photovoltaikzellen und -paneele, konzentrierte Solarenergie und Solararchitektur.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Sonnenstrahlung einzufangen und in nutzbare Energie umzuwandeln.Die Methoden nutzen entweder aktive Solarenergie oder passive Solarenergie.

Aktive Solartechnologien nutzen elektrische oder mechanische Geräte, um Sonnenenergie aktiv in eine andere Energieform umzuwandeln, meist Wärme oder Elektrizität.Passive Solartechnologien nutzen keine externen Geräte.Stattdessen nutzen sie das lokale Klima, um im Winter Gebäude zu erwärmen und im Sommer Wärme zu reflektieren.

Photovoltaik

Photovoltaik ist eine Form der aktiven Solartechnologie, die 1839 vom 19-jährigen französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel entdeckt wurde.Becquerel entdeckte, dass die daran befestigten Platinelektroden einen elektrischen Strom erzeugten, wenn er Silberchlorid in eine saure Lösung gab und diese dem Sonnenlicht aussetzte.Dieser Prozess der Stromerzeugung direkt aus Sonnenstrahlung wird Photovoltaikeffekt oder Photovoltaik genannt.

Photovoltaik ist heute wohl die bekannteste Art, Sonnenenergie zu nutzen.Bei Photovoltaikanlagen handelt es sich in der Regel um Sonnenkollektoren, eine Ansammlung von Dutzenden oder sogar Hunderten von Solarzellen.

Jede Solarzelle enthält einen Halbleiter, meist aus Silizium.Wenn der Halbleiter Sonnenlicht absorbiert, löst er Elektronen aus.Ein elektrisches Feld lenkt diese losen Elektronen in einen elektrischen Strom, der in eine Richtung fließt.Metallkontakte oben und unten an einer Solarzelle leiten diesen Strom an ein externes Objekt weiter.Das externe Objekt kann so klein wie ein solarbetriebener Taschenrechner oder so groß wie ein Kraftwerk sein.

Photovoltaik wurde erstmals in großem Umfang auf Raumfahrzeugen eingesetzt.Viele Satelliten, darunter auch die Internationale Raumstation (ISS), verfügen über breite, reflektierende „Flügel“ aus Sonnenkollektoren.Die ISS verfügt über zwei Solar Array Wings (SAWs), die jeweils etwa 33.000 Solarzellen verwenden.Diese Photovoltaikzellen versorgen die ISS vollständig mit Strom und ermöglichen es Astronauten, die Station zu betreiben, monatelang sicher im Weltraum zu leben und wissenschaftliche und technische Experimente durchzuführen.

Überall auf der Welt wurden Photovoltaik-Kraftwerke gebaut.Die größten Stationen befinden sich in den USA, Indien und China.Diese Kraftwerke erzeugen Hunderte Megawatt Strom und versorgen damit Haushalte, Unternehmen, Schulen und Krankenhäuser.

Auch in kleinerem Maßstab kann die Photovoltaiktechnik installiert werden.Sonnenkollektoren und -zellen können auf Dächern oder Außenwänden von Gebäuden befestigt werden und die Struktur mit Strom versorgen.Sie können entlang von Straßen bis hin zu Schnellstraßen platziert werden.Solarzellen sind klein genug, um auch kleinere Geräte wie Taschenrechner, Parkuhren, Müllpressen und Wasserpumpen anzutreiben.

Konzentrierte Solarenergie

Eine andere Art der aktiven Solartechnologie ist konzentrierte Solarenergie oder konzentrierte Solarenergie (CSP).Bei der CSP-Technologie werden Linsen und Spiegel verwendet, um das Sonnenlicht von einem großen Bereich auf einen viel kleineren Bereich zu fokussieren (konzentrieren).Dieser intensive Strahlungsbereich erhitzt eine Flüssigkeit, die wiederum Strom erzeugt oder einen anderen Prozess antreibt.

Solaröfen sind ein Beispiel für konzentrierte Solarenergie.Es gibt viele verschiedene Arten von Solaröfen, darunter Solarkraftwerke, Parabolrinnen und Fresnel-Reflektoren.Sie verwenden die gleiche allgemeine Methode, um Energie zu erfassen und umzuwandeln.

Solarkraftwerke verwenden Heliostaten, flache Spiegel, die sich drehen, um dem Sonnenbogen durch den Himmel zu folgen.Die Spiegel sind um einen zentralen „Kollektorturm“ angeordnet und reflektieren das Sonnenlicht in einen konzentrierten Lichtstrahl, der auf einen Brennpunkt am Turm fällt.

Bei früheren Entwürfen von Solarturmtürmen erhitzte das konzentrierte Sonnenlicht einen Wasserbehälter, der Dampf erzeugte, der eine Turbine antrieb.In jüngerer Zeit verwenden einige Solarturmtürme flüssiges Natrium, das eine höhere Wärmekapazität hat und die Wärme über einen längeren Zeitraum speichert.Dies bedeutet, dass die Flüssigkeit nicht nur Temperaturen von 773 bis 1.273 K (500 bis 1.000 °C oder 932 bis 1.832 °F) erreicht, sondern auch dann weiterhin Wasser kochen und Strom erzeugen kann, selbst wenn die Sonne nicht scheint.

Parabolrinnen und Fresnel-Reflektoren verwenden ebenfalls CSP, ihre Spiegel sind jedoch anders geformt.Parabolspiegel sind gekrümmt und haben eine sattelähnliche Form.Fresnel-Reflektoren verwenden flache, dünne Spiegelstreifen, um Sonnenlicht einzufangen und es auf eine Flüssigkeitsröhre zu lenken.Fresnel-Reflektoren haben eine größere Oberfläche als Parabolrinnen und können die Sonnenenergie auf etwa das 30-fache ihrer normalen Intensität konzentrieren.

Konzentrierte Solarkraftwerke wurden erstmals in den 1980er Jahren entwickelt.Die größte Anlage der Welt ist eine Anlagenreihe in der Mojave-Wüste im US-Bundesstaat Kalifornien.Dieses Solarenergieerzeugungssystem (SEGS) erzeugt jedes Jahr mehr als 650 Gigawattstunden Strom.Weitere große und effektive Anlagen wurden in Spanien und Indien entwickelt.

In kleinerem Maßstab kann auch konzentrierte Solarenergie genutzt werden.Es kann beispielsweise Wärme für Solarkocher erzeugen.Menschen in Dörfern auf der ganzen Welt nutzen Solarkocher, um Wasser für sanitäre Zwecke und zum Kochen von Lebensmitteln zu kochen.

Solarkocher bieten viele Vorteile gegenüber Holzöfen: Sie stellen keine Brandgefahr dar, erzeugen keinen Rauch, benötigen keinen Brennstoff und reduzieren den Lebensraumverlust in Wäldern, in denen Bäume als Brennstoff abgeholzt würden.Solarkocher ermöglichen es den Dorfbewohnern außerdem, Zeit für Bildung, Geschäft, Gesundheit oder Familie zu haben, während sie zuvor für das Sammeln von Brennholz aufgewendet wurden.Solarkocher werden in so unterschiedlichen Gebieten wie dem Tschad, Israel, Indien und Peru eingesetzt.

Solararchitektur

Im Laufe eines Tages ist Sonnenenergie Teil des Prozesses der thermischen Konvektion, also der Wärmebewegung von einem wärmeren Raum in einen kühleren.Wenn die Sonne aufgeht, beginnt sie, Objekte und Material auf der Erde zu erwärmen.Im Laufe des Tages absorbieren diese Materialien Wärme aus der Sonneneinstrahlung.Nachts, wenn die Sonne untergeht und die Atmosphäre abgekühlt ist, geben die Materialien ihre Wärme wieder an die Atmosphäre ab.

Passive Solarenergietechniken machen sich diesen natürlichen Heiz- und Kühlprozess zunutze.

Häuser und andere Gebäude nutzen passive Solarenergie, um Wärme effizient und kostengünstig zu verteilen.Ein Beispiel hierfür ist die Berechnung der „thermischen Masse“ eines Gebäudes.Die thermische Masse eines Gebäudes ist der Großteil des Materials, das im Laufe des Tages erhitzt wird.Beispiele für die thermische Masse eines Gebäudes sind Holz, Metall, Beton, Lehm, Stein oder Lehm.Nachts gibt die thermische Masse ihre Wärme wieder an den Raum ab.Effektive Lüftungssysteme – Flure, Fenster und Luftkanäle – verteilen die erwärmte Luft und sorgen für eine moderate, konstante Innentemperatur.

Bei der Gestaltung eines Gebäudes wird häufig passive Solartechnik eingesetzt.Beispielsweise kann der Ingenieur oder Architekt in der Planungsphase des Baus das Gebäude an der täglichen Sonnenbahn ausrichten, um die gewünschte Menge an Sonnenlicht zu erhalten.Diese Methode berücksichtigt den Breitengrad, die Höhe und die typische Wolkendecke eines bestimmten Gebiets.Darüber hinaus können Gebäude so gebaut oder nachgerüstet werden, dass sie über Wärmedämmung, thermische Masse oder zusätzliche Beschattung verfügen.

Weitere Beispiele für passive Solararchitektur sind Kühldächer, Strahlungsbarrieren und Gründächer.Kühle Dächer sind weiß gestrichen und reflektieren die Sonnenstrahlung, anstatt sie zu absorbieren.Die weiße Oberfläche reduziert die Wärmemenge, die in das Innere des Gebäudes gelangt, was wiederum die Energiemenge reduziert, die zur Kühlung des Gebäudes benötigt wird.

Strahlungsbarrieren funktionieren ähnlich wie Kühldächer.Sie isolieren mit stark reflektierenden Materialien wie Aluminiumfolie.Die Folie reflektiert die Wärme, anstatt sie zu absorbieren, und kann die Kühlkosten um bis zu 10 Prozent senken.Zusätzlich zu Dächern und Dachböden können Strahlungsbarrieren auch unter Fußböden installiert werden.

Gründächer sind Dächer, die vollständig mit Vegetation bedeckt sind.Sie benötigen Erde und Bewässerung, um die Pflanzen zu stützen, sowie eine wasserdichte Schicht darunter.Gründächer reduzieren nicht nur die aufgenommene oder verlorene Wärmemenge, sondern sorgen auch für Vegetation.Durch Photosynthese nehmen die Pflanzen auf Gründächern Kohlendioxid auf und geben Sauerstoff ab.Sie filtern Schadstoffe aus Regenwasser und Luft und gleichen einen Teil der Auswirkungen des Energieverbrauchs in diesem Raum aus.

Gründächer haben in Skandinavien seit Jahrhunderten Tradition und erfreuen sich in jüngster Zeit auch in Australien, Westeuropa, Kanada und den Vereinigten Staaten großer Beliebtheit.Beispielsweise bedeckte die Ford Motor Company 42.000 Quadratmeter (450.000 Quadratfuß) der Dächer ihres Montagewerks in Dearborn, Michigan, mit Vegetation.Die Dächer reduzieren nicht nur den Ausstoß von Treibhausgasen, sondern verringern auch den Regenwasserabfluss, indem sie mehrere Zentimeter Niederschlag absorbieren.

Auch Gründächer und Kühldächer können dem „städtischen Wärmeinseleffekt“ entgegenwirken.In geschäftigen Städten kann die Temperatur dauerhaft höher sein als in den umliegenden Gebieten.Dazu tragen viele Faktoren bei: Städte bestehen aus Materialien wie Asphalt und Beton, die Wärme absorbieren;hohe Gebäude blockieren den Wind und seine kühlende Wirkung;und große Mengen an Abwärme werden durch Industrie, Verkehr und hohe Bevölkerungszahlen erzeugt.Die Nutzung der verfügbaren Fläche auf dem Dach zum Pflanzen von Bäumen oder die Wärmereflexion mit weißen Dächern kann den lokalen Temperaturanstieg in städtischen Gebieten teilweise abmildern.

Solarenergie und Menschen

Da das Sonnenlicht in den meisten Teilen der Welt nur etwa die Hälfte des Tages scheint, müssen Solarenergietechnologien Methoden zur Speicherung der Energie während der dunklen Stunden umfassen.

Thermische Massesysteme nutzen Paraffinwachs oder verschiedene Salzformen, um die Energie in Form von Wärme zu speichern.Photovoltaikanlagen können überschüssigen Strom in das örtliche Stromnetz einspeisen oder die Energie in wiederaufladbaren Batterien speichern.

Die Nutzung von Solarenergie hat viele Vor- und Nachteile.

Vorteile
Ein großer Vorteil der Nutzung von Solarenergie besteht darin, dass es sich um eine erneuerbare Ressource handelt.Wir werden noch fünf Milliarden Jahre lang über eine stetige, unbegrenzte Versorgung mit Sonnenlicht verfügen.In einer Stunde empfängt die Erdatmosphäre genug Sonnenlicht, um den Strombedarf jedes Menschen auf der Erde ein Jahr lang zu decken.

Solarenergie ist sauber.Nachdem die solartechnische Ausrüstung aufgebaut und installiert ist, benötigt die Solarenergie keinen Brennstoff mehr, um zu funktionieren.Außerdem werden keine Treibhausgase oder giftigen Stoffe freigesetzt.Durch die Nutzung von Solarenergie können wir unsere Auswirkungen auf die Umwelt drastisch reduzieren.

Es gibt Orte, an denen Solarenergie sinnvoll ist.Häuser und Gebäude in Gebieten mit viel Sonnenlicht und geringer Wolkendecke haben die Möglichkeit, die reichlich vorhandene Energie der Sonne zu nutzen.

Solarkocher stellen eine hervorragende Alternative zum Kochen mit Holzöfen dar – auf die immer noch zwei Milliarden Menschen angewiesen sind.Solarkocher bieten eine sauberere und sicherere Möglichkeit, Wasser zu desinfizieren und Speisen zu kochen.

Solarenergie ergänzt andere erneuerbare Energiequellen wie Wind- oder Wasserkraft.

Häuser oder Unternehmen, die erfolgreich Solarmodule installieren, können tatsächlich überschüssigen Strom produzieren.Diese Hausbesitzer oder Geschäftsinhaber können Energie an den Stromversorger zurückverkaufen und so die Stromrechnungen senken oder sogar beseitigen.

Nachteile
Der Hauptgrund für die Nutzung von Solarenergie ist die erforderliche Ausrüstung.Solartechnische Geräte sind teuer.Der Kauf und die Installation der Ausrüstung kann für einzelne Häuser Zehntausende Dollar kosten.Obwohl die Regierung Menschen und Unternehmen, die Solarenergie nutzen, oft ermäßigte Steuern anbietet und die Technologie Stromrechnungen einsparen kann, sind die anfänglichen Kosten für viele zu hoch, um sie in Betracht zu ziehen.

Auch Solaranlagen sind schwer.Um Solarpaneele auf dem Dach eines Gebäudes nachzurüsten oder zu installieren, muss das Dach stabil, groß und auf den Lauf der Sonne ausgerichtet sein.

Sowohl die aktive als auch die passive Solartechnologie hängen von Faktoren ab, die außerhalb unserer Kontrolle liegen, wie etwa dem Klima und der Wolkendecke.Lokale Gebiete müssen untersucht werden, um festzustellen, ob Solarenergie in diesem Gebiet effektiv wäre oder nicht.

Damit Solarenergie eine effiziente Wahl ist, muss Sonnenlicht reichlich und gleichmäßig vorhanden sein.An den meisten Orten auf der Erde ist es aufgrund der Variabilität des Sonnenlichts schwierig, es als einzige Energiequelle einzusetzen.