In jedem Haushalt werden generell zwei Arten von Energie benötigt: elektrischer Strom und Wärme. Beide Energieformen lassen sich über eine Solaranlage produzieren. Dazu stehen zwei verschiedene Anlagensysteme zur Verfügung. Dies ist einerseits die Photovoltaik-Anlage, mit deren Hilfe aus Sonnenlicht Gleichstrom hergestellt wird, der sich in Wechselstrom umwandeln lässt. Auf der anderen Seite gibt es die Solarthermie, mit der das Sonnenlicht in thermische Energie umgewandelt wird – vorzugsweise zum Erhitzen von Wasser. Einer der wichtigsten Vorteile der Solarenergie als Quelle ist, dass sie kostenfrei ist. Würden wir das gesamte Sonnenlicht, das in nur 90 Minuten auf die Erde fällt, in Energie umwandeln, dann könnten wir damit den Gesamtenergieverbrauch der Welt für ein komplettes Jahr abdecken.
Das Licht entscheidet, nicht die Wärme
Beide Systeme, also Photovoltaik und Solarthermie, sind abhängig von der Menge und Intensität der Sonnenstrahlung. Die höchste Energieausbeute liefern Solaranlagen bei wolkenlosem Himmel. Sollte er bewölkt sein, fällt ein Schatten auf die Solarpaneele oder sind sie mit Schnee bedeckt, dann reduziert sich die Lieferung der solaren Energie teilweise drastisch und kann im Extremfall auf Null sinken. Trotzdem sind moderne Solaranlagen inzwischen derart empfindlich, dass es sich auch im Winter lohnt, mit ihnen Energie zu erzeugen. Eine gute und optimal ausgerichtete Solaranlage erzeugt im Winterhalbjahr immerhin noch rund 30 Prozent der Energie, die sie an einem wolkenlosen Sommertag produziert.
Der Grund für diese gravierenden Unterschiede ist in der Technik der Solaranlagen zu finden. Das Sonnenlicht trifft auf die Solarmodule und erzeugt ein elektrisches Feld. Der erzeugte Strom fließt zum Rand des Panels und in einen leitenden Draht. Dieser transportiert den Strom zum Wechselrichter, wo er von Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird und so im Haushalt genutzt werden kann.
Der Strom, der bei der Erzeugung nicht benötigt wird, fließt durch den Stromzähler und in das Stromnetz. Wenn der Strom durch den Zähler fließt, läuft der Zähler rückwärts und schreibt Ihrem Grundstück die überschüssige Erzeugung gut.
PV-Solarmodule bestehen aus vielen kleinen photovoltaischen Zellen. „Photovoltaisch“ bedeutet, dass sie Sonnenlicht in Strom umwandeln können. Die Zellen bestehen aus halbleitenden Materialien – meist aus Silizium –, die Elektrizität leiten können und gleichzeitig das elektrische Ungleichgewicht aufrechterhalten, das zur Erzeugung eines elektrischen Feldes erforderlich ist. Je kraftvoller die Sonneneinstrahlung ist, desto stärker und stabiler ist dieses elektrische Feld.
Wenn das Sonnenlicht auf den Halbleiter in der PV-Solarzelle trifft, wird die Energie des Lichts in Form von Photonen absorbiert. Dadurch wird eine Reihe von Elektronen freigesetzt, die sich dann frei in der Zelle bewegen. Die Solarzelle ist so konstruiert, dass positiv und negativ geladene Halbleiter ineinander verschachtelt sind, um ein elektrisches Feld zu erzeugen. Dieses zwingt die driftenden Elektronen, in eine bestimmte Richtung zu fließen – zu den leitenden Metallplatten, die die Zelle auskleiden. Dieser Fluss wird als Energiestrom bezeichnet, und die Stärke des Stroms bestimmt, wie viel Strom jede Zelle erzeugen kann. Sobald die losen Elektronen auf die Metallplatten treffen, wird der Strom in Drähte geleitet, so dass die Elektronen wie bei jeder anderen Stromquelle fließen können.
Wird mehr Strom verbraucht, als die Solaranlage erzeugt, dann wird der zusätzliche Energiebedarf aus dem Netz gedeckt. Ist ein Haus nicht durch eine Speicherlösung völlig vom Netz getrennt, muss sogar Energie aus dem Netz bezogen werden. Dies geschieht in der Regel nachts, wenn die Solaranlage keinen Strom erzeugt. Ein Großteil dieser Energie wird jedoch durch die überschüssige Solarenergie ausgeglichen, die während des Tages und in Zeiten geringerer Nutzung erzeugt wird.
Solar spart CO2 ein
Solarenergietechnologien sind eine der am wenigsten kohlenstoffintensiven Formen der Stromerzeugung. Solarenergie verursacht bei der Erzeugung selbst keine Emissionen. Lebenszyklus-Analysen zeigen deutlich, dass sie einen geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck hat als fossile Brennstoffe.
Von den mehr als 10.000 Terawattstunden (TWh) Strom, die in den Ländern der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) erzeugt werden, entfallen auf die Solarenergie derzeit nur acht TWh. Dabei sind Solartechnologien – einschließlich Photovoltaik, konzentrierende Solarenergie und Solarthermie – die am schnellsten wachsende Energiequelle der Welt. Diese kohlenstoffarmen Technologien könnten bis 2040 mehr als 30 Prozent der weltweiten Energieversorgung liefern.
Ein gemeinsames Papier von Wissenschaftlern vom Brookhaven National Laboratory, der Universität Utrecht und vom Energy Research Center of the Netherlands vom September 2006 zeigt, dass kristalline Silizium-PV-Systeme eine energetische Amortisationszeit von eineinhalb bis zwei Jahren für südeuropäische Standorte und von 2,7 bis 3,5 Jahren für mitteleuropäische Standorte haben. Bei Dünnschichttechnologien liegt die energetische Amortisationszeit im Bereich von einem bis eineinhalb Jahren in Südeuropa.
Dementsprechend liegen die CO2-Emissionen für PV heute im Bereich von 25 bis 32 g/kWh. Zum Vergleich: Ein Gas-Kombikraftwerk emittiert etwa 400 g/kWh, ein Kohlekraftwerk mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung etwa 200 g/kWh. Die Kernenergie emittiert im Durchschnitt 25 g/kWh, lediglich die Windkraft ist mit 11 g/kWh besser. Bei der Siliziumtechnologie bestehen klare Aussichten auf eine Verringerung des Energieeinsatzes, und eine energetische Amortisation von einem Jahr könnte innerhalb weniger Jahre möglich sein, wenn die Siliziumzuchtverfahren effizienter werden. Dadurch könnten die CO2-Emissionen während des gesamten Lebenszyklus auf 15 g/kWh gesenkt werden, so die Meinung von Experten.
Möglichkeiten, mit Solar zu heizen
Aktive Solarheizungssysteme nutzen die Sonnenenergie zur Erwärmung eines Fluids – entweder Flüssigkeit oder Luft – und übertragen die Sonnenwärme dann direkt an den Innenraum oder an ein Speichersystem zur späteren Nutzung. Wenn das Solarsystem keine ausreichende Raumwärme liefern kann, sorgt ein Hilfs- oder Reservesystem für die zusätzliche Wärme. Flüssigkeitssysteme werden häufiger eingesetzt, wenn ein Speicher vorhanden ist, und eignen sich gut für Strahlungsheizungen, Heizkessel mit Warmwasserradiatoren und sogar Absorptionswärmepumpen und -kühler. Sowohl Flüssigkeits- als auch Luftsysteme können Zwangsluftsysteme ergänzen.
Flüssigkeits-Solarkollektoren sind am besten für die Zentralheizung geeignet. Sie sind mit denen identisch, die in solaren Brauchwassererwärmungssystemen verwendet werden. Am weitesten verbreitet sind Flachkollektoren, aber auch Vakuumröhren- und konzentrierende Kollektoren sind erhältlich. Im Kollektor nimmt eine Wärmeübertragungsflüssigkeit wie Wasser oder Frostschutzmittel die Sonnenwärme auf. Zum richtigen Zeitpunkt schaltet ein Regler eine Umwälzpumpe ein, um die Flüssigkeit durch den Kollektor zu befördern.
Speicherheizungen und Direktheizungen mit Photovoltaik-Anlagen kombinieren
Zudem besteht die Möglichkeit, Speicheröfen zu nutzen. Diese werden mit elektrischer Energie versorgt, bis die Speicher gefüllt sind. So können sie auch am Abend Wärme erzeugen, wenn die Sonne bereits dem Mond Platz gemacht hat.
Wärmepumpe mit Solar betreiben
Ein Wärmepumpen-Heizsystem lässt sich durchaus mit Solarkollektoren kombinieren. Es ist sogar möglich, Photovoltaik und/oder Solarthermie zu nutzen. Und es besteht die Möglichkeit, die solare Energie nur zu bestimmten Zeiten einzusetzen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Installation eines Warmwassersystems mit Wärmepumpe und die Verwendung einer Zeitschaltuhr oder einer Umleitung. Dadurch lässt sich das System so einstellen, dass es tagsüber läuft, wenn die PV-Solaranlage den meisten Strom erzeugt.
