Sonnenenergie und ihre Umwandlung – Vor- und Nachteile

Die Energie der Sonne kann auf verschiedene Art und Weise genutzt werden. Es gibt Sonnenkollektoren, Solarzellen oder Sonnenwärmekraftwerke. Sonnenkollektoren wandeln Sonnenstrahlung in Wärme um, indem sie die einfallende Energie nutzen, um eine Trägerflüssigkeit zu erwärmen. Das kann Wasser sein oder auch ein geeignetes Öl. Durch den Träger wird die Energie zu einem Wärmespeicher transportiert, von dem aus sie sich nutzen lässt, um zum Beispiel ein Heizungssystem zu betreiben. In Sonnenwärmekraftwerken wird mit Hilfe von Spiegeln das Sonnenlicht gebündelt. Mit der gesammelten Hitze kann man Wasser in Wasserdampf umwandeln, damit eine Turbine betreiben und so elektrischen Strom erzeugen. Solarzellen funktionieren anders als Sonnenkollektoren. Sie nutzen den sogenannten Sperrschicht-Photoeffekt zur Stromerzeugung. Üblicherweise bestehen photovoltaische Zellen aus Silizium, einem Element, das in der äußeren Elektronenhülle vier sogenannte Bindungselektronen besitzt. Bei reinem Silizium entsteht dadurch ein Kristallgitter, in dem jedes einzelne Siliziumatom über seine Bindungselektronen mit vier anderen Atomen verbunden ist. Um eine Spannung aufbauen zu können, wie bei einer Batterie, muss diese stabile Struktur zunächst geschwächt werden. Das geschieht durch das Zusetzen anderer Elemente. Als erstes wird dem Silizium Bor zugesetzt. Bor hat nur drei Bindungselektronen. Verbinden sich die beiden Elemente miteinander, bleiben in dem Silizium-Bor-Gemisch also positiv geladene Lücken zurück. Eine Seite dieser Silizium-Bor-Zelle wird nun dem gasförmigen Element Phosphor ausgesetzt. Phosphor hat fünf Bindungselektronen und lagert sich in den Lücken an. Auch hier bleiben Bindungselektronen unbesetzt. Elektronen beginnen zwischen den verschiedenen Seiten hin und her zu wandern. Elektrische Ladung entsteht. Treffen jetzt Photonen des Sonnenlichts auf die negativ geladene Schicht der Solarzelle, werden Elektronen aus den Siliziumatomen herausgelöst. Diese werden von den freien Elektronen abgestoßen und können in einen Stromkreis eingespeist werden. Solarzellen können etwa 75% des Sonnenspektrums zur Energieerzeugung nutzen. Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad einer Solarzelle aus reinem Silizium liegt bei etwa 27% der einfallenden Energie. Der Rest geht durch Reflexion, Leitungswiderstände oder ähnliches verloren. Die Vorteile von Sonnenenergie liegen auf der Hand. Die Energie der Sonne ist saubere Energie. Sie bildet keinen Feinstaub oder andere Verbrennungsrückstände. Auch Treibhausgase bleiben aus. Gerade kleinere Anlagen für den Hausgebrauch können sich lohnen, da die Energieverluste durch Übertragung und Verteilung reduziert werden, wenn der Strom nicht über kilometerlange Hochspannungstrassen transportiert werden muss. Zudem ist Sonnenlicht ein Allgemeingut. Im Gegensatz zu Erdöl oder anderen fossilen Brennstoffen existiert es überall auf unserem Planeten. So werden auch politische Abhängigkeiten reduziert. Die Sonneneinstrahlung auf der Erde ist wetter-, tages- und jahreszeitenabhängig. Ohne zusätzliche Speichertechnologie ist keine konstante Energieversorgung möglich. Es werden also effektive Energiespeicher und Transportwege gebraucht, die aber dann zusätzliche Wirkungsgradverluste und Infrastrukturkosten verursachen. Obwohl die Sonne jeden Tag riesige Mengen an Energie freisetzt, ist die auf der Erde auftreffende Energie pro Quadratmeter eher gering. Bei einer Leistungsdichte von nur etwa 1,3 Kilowatt pro Quadratmeter braucht man riesige Flächen, um große Energiemengen erzeugen zu können. Zum Vergleich: Ein Kohlekraftwerk erreicht eine durchschnittliche Leistung von 500 Kilowatt pro Quadratmeter. Zudem ist die Energieerzeugung durch Photovoltaikzellen nicht ganz so emissionsfrei wie man annehmen könnte, da man für eine vollständige Ökobilanz auch die Herstellung der Anlagen mit einbeziehen muss, die bedeutende Mengen an Energie, Wasser und Chemikalien benötigt. Um das auszugleichen, müssen Solaranlagen etwa 1,5 bis sechs Jahre betrieben werden. Die Gesamtbilanz ist allerdings trotzdem positiv, denn die Anlagen haben eine Lebensdauer von 20 bis 40 Jahren. Die in dem EEG - Erneuerbare-Energien-Gesetz - langfristig angelegte Forderung für Forschung und Entwicklung hat zu einer kontinuierlichen Senkung der Herstellungskosten und steigender Nachfrage beigetragen. Allein im Jahr 2010 wurden doppelt so viele Solaranlagen installiert wie im Vorjahr. Diese Entwicklung ermöglicht eine schrittweise Senkung der Subventionierung bei gleichzeitiger Senkung der CO₂-Emissionen.