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Grundlagen

Solartechnik - So können Sie die Energie der Sonne nutzen

Solartechnik nutzt die Energie der Sonne und wandelt sie in elektrische Energie oder Wärme um. Wir stellen die verschiedenen Arten von Solartechnik vor und erklären, wieso es sich lohnt Sonnenenergie zu nutzen.
Photovoltaik_Haus

Was ist Solartechnik?

Unter dem Begriff Solartechnik werden alle Techniken verstanden, mit denen die Energie der Sonne genutzt wird. Hierbei gibt es zum einen Technologien, die die durch Sonneneinstrahlung entstehende thermische Energie nutzen (Solarthermie). Es ist aber auch möglich die Sonneneinstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln (Photovoltaik)

Das Strahlungsangebot der Sonne

Die Sonne sendet der Erde jährlich 1,119 Trillionen Kilowattstunden (kWh) Energie. Der weltweite Energiebedarf lag 2012 bei etwa bei 145 Billionen Kilowattstunden. Das heißt die Sonne sendet uns über 7000 mal mehr Energie als wir benötigen. Auch die gesamten noch verfügbaren fossilen Energiereserven der Erde (Kohle, Uran, Öl, Gas) entsprechen nur einem Bruchteil der Energie, die uns jährlich durch die Sonne erreicht. Damit steht also zunächst einmal mehr als genug Sonnenenergie für die Solartechnik zur Verfügung. 

Technisch kann durch begrenzte Wirkungsgrade der Technologien aber natürlich nicht das gesamte Energieangebot der Sonne genutzt werden und auch nicht überall stehen Flächen für die Installation von Solartechnik zur Verfügung. Das ist aber auch nicht nötig. Würde man den Primärenergiebedarf der Erde allein über Photovoltaik decken wollen, so müsste man hierzu theoretisch nur eine Fläche von 800 x 800 km auf der Erde mit Photovoltaik abdecken. Um die Stromversorgung in Deutschland komplett auf Erneuerbare Energien umzustellen müsste, wenn ⅔ des Stroms aus Photovoltaikanlagen und ⅓ aus Windkraft stammt, nur 2% der deutschen Landesfläche mit Windkraft und Photovoltaik bedeckt werden (WWF 2018). 

Arten von Solartechnik

Photovoltaik

Photovoltaikanlagen wandeln die Strahlungsenergie der Sonne in Strom. Eine Photovoltaikanlage besteht meist aus mehreren Photovoltaikmodulen, die wiederum jeweils 60 bis 120 Solarzellen enthalten. Trifft Sonnenlicht auf die Solarzellen bewegen sich Elektronen im Innern der Zellen und es kommt zu einem Stromfluss. 

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Hyundai Photovoltaikmodul mit 60 Solarzellen

Damit die Solarzellen möglichst viel Sonnenlicht erreicht, werden Photovoltaikmodule häufig auf Dächern oder auf freistehenden Flächen (Photovoltaik Freiflächenanlagen) installiert. Hier trifft die Sonneneinstrahlung meist ohne Verschattung auf die Module. 

Photovoltaikmodule auf Häusern in einer Neubausiedlung
Photovoltaik_freifläche
Photovoltaik Freiflächenanlage

Eine weitere Anwendung der Photovoltaik ist die Stromversorgung im Weltall. Raumsonden und Raumstationen sind im Weltraum von jeglicher Energieversorgung der Erde abgeschnitten, die Sonne scheint aber auch im Weltraum. 

Photovoltaik_Weltraum
Photovoltaik auf der internationalen Raumstation ISS

Solarthermie

Solarthermieanlagen nutzen die Sonnenenergie, um sie in thermische Energie (Wärme) umzuwandeln. Die bekannteste Anwendung von Solarthermie ist die Nutzung in Gebäuden zur Erwärmung des Brauch und/oder Heizwassers. Hierzu werden meist Flachkollektoren eingesetzt, aber auch Vakuumröhrenkollektoren finden Anwendung. In Flachkollektoren erwärmt das Licht eine flache wärmeabsorbierende Fläche, die mit Röhren durchzogen ist. In den Röhren wiederum befindet sich ein wärmeübertragendes Medium, über das die Wärme in den Heizkreislauf geleitet wird. 

Große Solarthermieanlagen werden hauptsächlich in Wüsten oder südlichen Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung genutzt. Bei solarthermischen Großanlagen kommen meist Parabolrinnenkollektoren oder Solartürme zum Einsatz, die auf großen Freiflächen installiert werden. Bei beiden Technologien werden die Lichtstrahlen auf eine Stelle fokussiert. Im Fall eines Parabolrinnenkollektors auf eine zentrale Wärmeleitung, bei Turmkraftwerken hingegen auf einen zentralen Turm in der Mitte einer kreisförmigen Solarthermieanlage. 

Solarturmkraftwerk
Solarturmkraftwerk

Ein weiteres Anwendungsgebiet von Solarthermie ist die Gebäudeheizung. Wird das Gebäude solar erwärmt, muss weniger Energie von Außen zugeführt werden und die Energiekosten sinken. Oftmals werden hierzu Baustoffe verwendet, die die Solarwärme optimal aufnehmen und speichern können. Auch für gärtnerische Zwecke wird Solartechnik verwendet, etwa wenn Gewächshäuser mit Solarthermieanlagen beheizt werden.

Lohnt sich Solartechnik?

“Die Sonne schickt keine Rechnung” ist ein beliebter Satz in Zusammenhang mit der Nutzung von Solarenergie. Denn, da die Energie der Sonne von jedem frei genutzt werden kann, ist die Erzeugung von Energie mit Solartechnik kostenfrei. Allerdings müssen auch die Anschaffungskosten der Technik mit den späteren Ersparnissen verrechnet werden. Für Photovoltaik ergeben sich so bei einer angenommenen Anlagennutzungsdauer von 20 Jahren (auch Nutzungsdauern von 30 Jahren oder mehr sind möglich), Kosten von etwa 10 Cent pro Kilowattstunde. Im Gegensatz zum Netzbezug, bei dem eine Kilowattstunde Strom ca. 30 Cent kostet, sparen Anlagenbesitzer ca. 20 Cent pro selbst genutzte Kilowattstunde Solarstrom. Photovoltaikanlagen rentieren sich daher bereits nach 10 Jahren und erzielen Kapitalrenditen von 5% und mehr.

Solarthermieanlagen auf Wohngebäuden sind ebenfalls rentabel, bewirken aber insgesamt niedrigere Energiekostenersparnisse, da sie den Heizenergiebedarf nicht vollständig decken können.

Potenzial und Zukunft der Solartechnik

Die Nutzung der Solartechnik hat ein großes bisher noch nicht ausgeschöpftes Potenzial. Die konventionelle Energieerzeugung wird durch Ressourcenverknappung und erhöhte Sicherheitsanforderungen (Atomenergie) zunehmend teurer, wohingegen erneuerbare Technologien wie die Solartechnik immer effizienter und preiswerter werden. Somit  verdrängt die Solartechnik gemeinsam mit Wind und Wasserkraft zunehmend die konventionellen Energiequellen. 

Ein Nachteil der Solartechnik ist jedoch, dass sie nicht konstant Energie erzeugen kann, sondern nur wenn die Sonne scheint. Daher wirken sich die tages- und jahreszeitlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlung direkt auf das verfügbare Energieangebot durch Solartechnik aus. 

Nur wenn die Solartechnik konstant Energie liefern kann, ist eine umfassende Versorgung der Bevölkerung möglich. Die Speicherung der durch Solartechnik erzeugten Energie wird daher immer entscheidender. Im privaten Einfamilienhaus werden bereits heute die meisten Photovoltaikanlagen mit Speicher kombiniert und viele Häuser können sich zu 50-80% mit eigenem Solarstrom versorgen. Einige Häuser erzeugen sogar bereits mehr Energie mittels Solartechnik als Sie benötigen. 

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