Photovoltaik
Foto: Neville Micallef (Freepik)
Unter den erneuerbaren Energiequellen spielt die Sonne eine entscheidende Rolle: Sie strahlt jährlich eine enorme Energie auf die Erde, die etwa dem 10.000-fachen des Weltprimärenergiebedarfs entspricht. Diese Energiequelle ist die nächsten 5 Milliarden Jahre unerschöpflich, kostenlos und umweltfreundlich. Fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl sind dagegen nur begrenzt vorhanden.
In Deutschland wird mit Hilfe der Photovoltaik und der Solarthermie die Solarenergie genutzt. Bei der Photovoltaik (Solarstrom) wandeln Solarzellen die Strahlung der Sonne direkt in elektrische Energie um. Bei der Solarthermie wird das Sonnenlicht mittels Solarkollektoren in Wärme umgewandelt, etwa um Gebäude zu heizen oder Trinkwasser zu erwärmen. In solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlungsenergie ohne Umwege zur Strom- oder Wärmeproduktion genutzt.
Photovoltaik
Hauptsächlich mono- und polykristalline Solarzellen kommen bei der Photovoltaik in Deutschland zum Einsatz. Daneben werden aber auch amorphe Zellen (Dünnschicht) auf der Basis von Silizium oder anderen Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Galliumarsenid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid eingesetzt.
Mittels Sonnenlicht werden in der aus einem Halbleitermaterial bestehenden Solarzelle Elektronen in Bewegung versetzt und damit Gleichstrom erzeugt. Dieser Gleichstrom kann direkt zum Betrieb elektrischer Geräte genutzt oder in Batterien gespeichert werden.
Gleichstrom kann auch über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. In Deutschland waren im Jahr 2015 Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von knapp 40 Gigawatt elektrischer Leistung installiert, die rein rechnerisch den Strombedarf von über 7,5 Millionen Drei-Personen-Haushalten decken können. Zu Spitzenzeiten im Sommer kann die Photovoltaik bereits ein Drittel der deutschen Last bereitstellen.
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) regelt die bevorzugte Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Quellen ins Stromnetz und garantiert deren Erzeugern feste Einspeisevergütungen. Diese Vergütungssätze sind differenziert nach kleinen und großen Anlagen sowie nach Dachflächen- und Freiflächenanlagen. Neben der Einspeisung des Solarstroms wird bei steigenden Energiekosten deren Eigennutzung sowie Speicherung in Haushalten und Betrieben immer interessanter. Bereits heute ist Solarstrom besonders kostengünstig: In Deutschland können beispielsweise große Solarkraftwerke Strom für weniger als 9 Cent pro Kilowattstunde liefern.
Solarthermie
In Deutschland wird die Solarthermie sowohl mit Hilfe von Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren als auch mittels Luftkollektoren oder Schwimmbadabsorber genutzt. Luftkollektoren und Schwimmbadabsorber werden vornehmlich zur Erwärmung von Badewasser eingesetzt, Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren dienen der Trinkwassererwärmung und der Unterstützung der Heizungsanlage. Solarwärme kann aber auch zur Erzeugung von Kälte und von Prozesswärme verwendet werden.
Sonnenkollektoren absorbieren solare Strahlung, wandeln sie in Wärme um und leiten sie über einen pumpengesteuerten Wärmekreislauf in einen Wärmespeicher. So steht die gewonnene Wärme für den Warmwasserbedarf und/oder den Heizwärmebedarf bereit. Solange nutzbare Wärme in den Kollektoren zur Verfügung steht, hält der Regler die Pumpe in Betrieb. Im Winter heizt z.B. ein Kessel die fehlende Wärme nach.
Mit einer Kollektorfläche von 4 bis 5 Quadratmetern kann der Warmwasserbedarf in einem Einfamilienhaus bis zu ca. 60 Prozent gedeckt werden. Bei einer Fläche von 8 bis 15 Quadratmetern können Solarkollektoren sogar rund ein Viertel des gesamten Bedarfs an Wärme für Heizung und Warmwasser liefern.
Das Erneuerbare Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) und das Marktanreizprogramm für Erneuerbare Energien (MAP) sind wichtige Instrumente zur Solarwärmeförderung. Nach dem EEWärmeG müssen für die Wärmeversorgung von Neubauten anteilig Erneuerbare Energien eingesetzt werden. Bei Bestandsbauten kann für die Installation einer solarthermischen Anlage ein Investitionszuschuss aus dem Förderprogramm MAP beantragt werden.
Bereits 2 Mio. solarthermische Anlagen sind in Deutschland 2014 in Betrieb, die insgesamt zu einer CO2-Vermeidung von rund 2 Mio. t beitrugen. Im Jahr 2014 wurden bundesweit rund 112.000 neue Solarwärmeanlagen mit einer Gesamtkollektorfläche von 900.000 Quadratmeter neu installiert.