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Sonnenenergie und ihre Umwandlung – Vor- und Nachteile

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Team Wissenswelt
Sonnenenergie und ihre Umwandlung – Vor- und Nachteile
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Grundlagen zum Thema Sonnenenergie und ihre Umwandlung – Vor- und Nachteile

Inhalt

Erneuerbare Energien – Sonnenenergie

Die Energie der Sonne kann auf verschiedene Arten genutzt werden. Es gibt Sonnenkollektoren, Solarzellen und Sonnenwärmekraftwerke. Aber was ist eigentlich Sonnenenergie und wie wird Sonnenenergie erzeugt? In diesem Video wird die Nutzung von Sonnenenergie auf einfache Weise erklärt.

Sonnenenergie – Definition

Sonnenenergie, auch Solarenergie genannt, ist die Energie der Sonnenstrahlung, die in Form von Wärme, elektrischem Strom oder chemischer Energie genutzt werden kann. Sie kann direkt oder indirekt genutzt werden. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf die direkte Nutzung.

Sonnenenergie – Nutzen

Im Folgenden schauen wir uns die Sonnenkollektoren, die Sonnenwärmekraftwerke und die Solarzellen etwas genauer an. Es gibt jedoch noch andere Arten, wie Sonnenenergie genutzt werden kann.

Sonnenkollektoren
Mithilfe von Sonnenkollektoren wird Sonnenenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Die einfallende Strahlung wird genutzt, um eine Trägerflüssigkeit zu erhitzen. Die Trägerflüssigkeit kann Wasser oder auch ein geeignetes Öl sein. Diese Trägerflüssigkeit befindet sich in einem Rohr, das außen schwarz ist. Durch die einfallende Strahlung erhitzt sich das Rohr. Diese Wärmeenergie wird an die Trägerflüssigkeit weitergegeben. Durch den Träger wird die Energie zu einem Wärmespeicher transportiert.

Prinzip Sonnenkollektor

Von dem Wärmespeicher aus lässt sich die Energie nutzen. So kann zum Beispiel ein Heizungssystem betrieben werden.

Sonnenwärmekraftwerke
In Sonnenwärmekraftwerken wird mithilfe von Spiegeln das Sonnenlicht auf einen Punkt gebündelt. An diesem Punkt wird mit der gesammelten Energie eine Flüssigkeit zum Verdampfen gebracht. Der entstandene Dampf treibt eine Turbine an und erzeugt damit Strom.

Solarzellen
Solarzellen funktionieren anders als Sonnenkollektoren und Sonnenwärmekraftwerke. Sie nutzen den sogenannten Sperrschicht-Fotoeffekt zur Stromerzeugung. Üblicherweise werden fotovoltaische Zellen als $p/n$-Übergänge mit Silizium ausgeführt. Dabei stößt eine $p$-dotierte Schicht an eine $n$-dotierte Schicht. Dabei gleichen sich die Ladungsträger aus und es bildet sich die Raumladungszone aus. Diese ist durch die Ausgleichsvorgänge in der $n$-Schicht positiv und in der $p$-Schicht negativ geladen. So entsteht ein elektrisches Feld, das nach außen hin ladungsneutral wirkt.

Prinzip Solarzelle.svg

Treffen nun Photonen des Sonnenlichts auf die Zelle, so wird deren Energie absorbiert. Somit entstehen zusätzliche Ladungsträger und die Elektronen streben zum positiven Pol, also in Richtung der $n$-Schicht. Die entstandenen Löcher werden in Richtung der $p$-Schicht beschleunigt. Sowohl an der $n$- als auch an der $p$-Schicht befinden sich Kontakte, die die Ladungsträger aufnehmen und somit eine Spannung erzeugen. Wird eine leitende Verbindung zwischen beiden Kontakten hergestellt, so entsteht ein Stromfluss und ein Verbraucher kann betrieben werden.
Ist die Beleuchtung intensiver, so lösen sich mehr Elektronen und die erzeugte Stromstärke wird größer.

Solarzellen können etwa $75\,\%$ des Sonnenspektrums zur Energieerzeugung nutzen. Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad einer Solarzelle aus reinem Silizium liegt bei etwa $27\,\%$. Das bedeutet, dass $27\,\%$ der einfallenden Energie auch genutzt werden können. Der praktische Wirkungsgrad liegt aber eher bei $12\,\%$ bis $20\,\%$. Der Rest geht durch Reflexion, Leitungswiderstände oder Ähnliches verloren (Bitte beachte, dass Energie niemals einfach verschwindet, sondern immer in andere Energieformen umgewandelt wird!).

Sonnenenergie – Speicherung

Da die Sonnenenergie nur dann direkt genutzt werden kann, wenn die Sonne scheint, ist es wichtig, sich mit der Speicherung von Sonnenenergie zu beschäftigen. So kann die Energie der Sonne auch nach dem Sonnenuntergang oder an bewölkten Tagen genutzt werden. Für diese Speicherung werden externe Akkus benötigt. Dabei wird die Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt. Wird sie dann benötigt, so wird diese chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und kann genutzt werden. Diese verwendeten Akkus haben jedoch nur einen begrenzten Speicher. So ist im Winter an Tagen mit wenig direkter Sonneneinstrahlung und einem hohen Stromverbrauch die Sonnenenergie in Deutschland meist nicht als einzige Energiequelle ausreichend.

Sonnenenergie – Vorteile und Nachteile

Schauen wir uns nun an, welche Vor- und Nachteile die Sonnenenergie mit sich bringt.

Vorteile
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, Braunkohle oder anderen fossilen Brennstoffen existiert es überall auf unserem Planeten, so werden auch politische Abhängigkeiten reduziert.

Nachteile
Die Sonneneinstrahlung auf unserer Erde ist abhängig vom Wetter, den Tages- und Jahreszeiten. Ohne zusätzliche Speichertechnologie ist keine konstante Energieversorgung möglich. Es werden also effektive Energiespeicher und Transportwege gebraucht, die jedoch 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 $1,367\,\frac{\pu{kW}}{\pu{m}^{2}}$, ausgesprochen als Kilowatt pro Quadratmeter, benötigt man riesige Flächen, um große Energiemengen erzeugen zu können.

Zum Vergleich: Ein Kohlekraftwerk erreicht eine durchschnittliche Leistung von $500\,\frac{\pu{kW}}{\pu{m}^{2}}$. Es ist jedoch in jeglicher Hinsicht nicht zukunftsfähig. Kohle ist ein begrenzter Rohstoff, bei seiner Verbrennung entstehen Unmengen an $CO_2$ und für den Abbau von Kohle werden Landschaften zerstört und Menschen müssen ihre Dörfer verlassen.

Die Energieerzeugung durch Fotovoltaikzellen ist nicht ganz so emissionsfrei, wie man denkt, da man für eine vollständige Ökobilanz auch die Herstellung der Anlagen einbeziehen muss. Diese benötigt bedeutende Mengen an Energie, Wasser und Chemikalien. Um das auszugleichen, müssen Solaranlagen etwa $1,5$ bis $6$ Jahre betrieben werden. Die Gesamtbilanz ist trotz allem positiv, da die Anlagen eine Lebensdauer von $20$ bis $40$ Jahren haben.

Fazit
Bei der Sonnenenergie gibt es sowohl Vorteile als auch Nachteile. Im Gegensatz zur Kohleenergie oder Energie, die aus Erdöl gewonnen wird, hat die Sonnenenergie den entscheidenden Vorteil, dass die Sonneneinstrahlung nicht endlich ist und ein Allgemeingut ist, weshalb jeder Mensch sie nutzen kann. Auch wenn für die Herstellung der Anlagen $CO_2$ entsteht, so wird dieses durch die langjährige Laufzeit wieder ausgeglichen. So wäre der deutschlandweite Ausstoß von $CO_2$ deutlich geringer, wenn jede mögliche Dachfläche mit Solaranlagen ausgestattet wäre. Durch die geringen Sonnenstunden im Winter würde der gesamte Energieverbrauch zu dieser Zeit jedoch nicht gedeckt werden. So ist die Solarenergie zwar wetterabhängig, die Kohleenergie ist jedoch auch von der Kohle abhängig. Gegenüber anderen Energiegewinnungsformen ist die Sonnenenergie deutlich klimafreundlicher, jedoch insbesondere auch in Deutschland noch ausbaufähig.

Dieses Video über die Sonnenenergie

Gerade in der aktuellen Zeit des Klimawandels ist es wichtig, sich mit erneuerbaren Energien wie der Sonnenenergie oder auch Solarenergie zu befassen. In diesem Text lernst du etwas über die Physik der Sonnenenergie, wie die Sonnenenergie funktioniert und welche Vor,- aber auch Nachteile sie mit sich bringt.

Transkript 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.

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    Von NAYEON, vor mehr als einem Jahr
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