Techniklexikon

Sonnenenergie

Energietechnik, regenerierbare Energiequellen, Energieform, die als Folge von Fusionsprozessen (Summenreaktion 4 ¹H + 2 e^- ® ⁴He + 2 n_e + 6 g) im Sonneninnern bei Temperaturen von ca. 15 Mio K entsteht (Energieerzeugung der Sterne). Die auf der Erde auftreffende Sonnenstrahlung ist Grundlage allen Lebens auf der Erde. Die Sonnentemperatur fällt nach aussen hin dramatisch ab, die Photosphäre, aus der die in das Weltall emittierte Strahlung stammt, befindet sich auf einer Temperatur von ca. 5 800 K, bestimmbar aus dem extraterrestrischen Sonnenspektrum, das sich näherungsweise als das eines schwarzen Körpers beschreiben lässt. Die von diesem schwarzen Körper abgestrahlte Leistung P beträgt , was im Abstand r von der Sonne zu einer Intensität I(r) = sT⁴ (R_Sonne / r)² führt. Am Aussenrand der Erdatmosphäre beträgt die Intensität somit etwa 1 380 W / m² (Solarkonstante). Bedingt durch Streu- und Absorptionsprozesse (Streuung, Absorption) in der Atmosphäre sinkt die Intensität auf etwa 1 000 W / m² bei senkrechtem Sonneneinfall ab. Die gesamte auf die Kontinente einfallende Sonnenstrahlung (ca. 1,2 × 10⁶ EJ) entspricht etwa dem dreitausendfachen des derzeitigen Weltenergieverbrauchs (380 EJ). Eine Nutzung dieses enormen Potentials kann auf direkte (thermische oder elektrische Nutzung der Sonnenstrahlung) oder indirekte Weise (Nutzung von Wasserkraft, Windenergie, Biomasse) erfolgen. Das derzeit technisch realisierbare Potential der verschiedenen Sonnenenergietechniken liegt durchaus im Bereich des derzeitigen Energieverbrauchs. So wird geschätzt, dass weltweit aus Wasserkraft 15 000 TWh / a, aus Windkraft 53 000 TWh / a und aus Photovoltaik bis zu 12 000 TWh / a (2 000 TWh / a in den Industrieländern) erzeugt werden könnten, verglichen mit einer Weltbruttostromerzeugung von 12 200 TWh / a (Stand 1992). Bei der direkten thermischen Sonnenenergienutzung unterscheidet man zwischen Niedertemperaturnutzung (< 100 °C) in flachen Sonnenkollektoren zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung, Mitteltemperaturanwendungen (< 250 °C) zur Bereitstellung von Prozesswärme bzw. -dampf, zur photochemischen Wasseraufbereitung sowie für solargetriebene Absorptionskältemaschinen und Hochtemperaturanwendungen (bis zu mehreren tausend °C) zur Stromerzeugung mit Hilfe eines Clausius-Rankine-Prozesses sowie zur Materialforschung. Zur Erzeugung von Mitteltemperaturwärme werden entweder Sonnenlichtkonzentratoren oder Vakuumkollektoren (Sonnenkollektor) eingesetzt. Für die Hochtemperaturnutzung kommen je nach Anwendung Parabolrinnenkraftwerke, Turmkraftwerke (Heliostat) oder Parabolschüsselsysteme zum Einsatz. Parabolrinnensysteme haben sich in der kommerziellen Stromerzeugung in Kalifornien erfolgreich bewährt; 9 Kraftwerke dieses Typs mit einer Gesamtkapazität von 354 MW_el wurden dort zwischen 1984 und 1991 in der Mojave-Wüste installiert und operieren mit einer Verfügbarkeit von 98 %. Eine direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie erfolgt mit Hilfe photovoltaischer Zellen (Photovoltaik, Solarzelle); hierbei führt die Absorption des Sonnenlichts in einem Halbleiter (typischerweise Silicium) zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares, die im inneren elektrischen Feld eines p-n-Übergangs getrennt werden. Solarzellen haben grosse Bedeutung für die Stromerzeugung in abgelegenen Gebieten, stellen jedoch eine wichtige Alternative für eine zukünftige dezentrale Stromversorgung auch in Industrieländern dar.

Sonnenenergie 1: Sonnenspektrum am Aussenrand der Erdatmosphäre (2), auf Meereshöhe (3) und beiden Spektren überlagertes Schwarzkörperspektrum bei 5 800 K (1). Die Absorptionsbanden, die zur Schwächung des Sonnenlichts beitragen (hauptsächlich Wasserdampf, Sauerstoff, Ozon und Kohlendioxid), sind in der Graphik gekennzeichnet.

Sonnenenergie 2: Solarturmanlage an der National Solar Thermal Test Facility. (Sandia National Lab.)

Sonnenenergie 3: Parabolrinnenanlage. (Sandia National Lab.)