Solarenergie
Solar ist latein und bedeutet: von der Sonne herrührend. Die Sonne ist eine sich ständig erneuerbare Energiequelle, die auch Primärenergie genannt wird. In weniger als einer halben Stunde strahlt die Sonne mehr Energie auf unseren Planeten, als die Menschheit im ganzen Jahr verbraucht. Neben Energiesparen und rationeller Energienutzung, durch deren Anwendung allein schon bis zu 50% des Energiebedarfs eingespart werden können, stellt die Sonnenenergie somit ein unerschöpfliches Potential an Energie zur Verfügung. Das Sonnenlicht kann im Wesentlichen auf zwei verschiedenen Wegen zur Stromgewinnung genutzt werden: Mit der Photovoltaik wird aus Sonnenlicht direkt elektrischer Strom gewonnen. Über die Solarthermie können Flüssigkeiten aufgeheizt und verdampft werden, um Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben. Die Energie, die die Sonne per Kernfusion freisetzt und abstrahlt, bildet nicht nur die Grundlage fast aller anderen Energieformen auf der Erde: Sonnenwärme treibt den Wasserkreislauf und verursacht Winde, Wellen und Strömungen, und sie ließ auch die Biomasse gedeihen, die vor Jahrmillionen zu fossilen Brennstoffen wurden. Zudem ist Sonnenlicht kostenlos und wird noch viele Milliarden Jahre existieren.
Weltweit wird rund 76% der Nutzenergie durch fossile Energieträger gedeckt, 13% durch Biomasse, 6,5% durch Wasserkraft und weniger als 2% durch Kernenergie. Doch da die Vorräte von Erdöl und Erdgas stark erschöpft sind und die CO2 Problematik immer größer wird, wird der Solarenergie immer mehr Bedeutung geschenkt. Die heutige Industrie erzeugt immer Bessere und billigere Solarpaneel, doch auch staatliche Förderungen bewirken, dass die Sonnenenergie verstärkt eingesetzt wird.

Wo und wie wird Sonnenenergie genutzt?
In der Natur ist die weit verbreitete Nutzung der Sonnenenergie die Photosynthese. Die Pflanzen benötigen die Sonne um daraus Traubenzucker herzustellen. Alle Tiere wie Pflanzenfresser leben auch davon.
Bei Menschen wird die Sonnenenergie verwendet, um Strom zu erzeugen. Die Sonnenenergie wird mit Photovoltaik in Solarstrom umgewandelt. Infrarotstrahlen in Solarthermie-Anlagen werden in Wärme umgewandelt.

Speicherung der Sonnenenergie
In einem Solarspeicher wird die Solarwärme gespeichert, die mindestens zwei Tage gespeichert werden kann.
Aufbau
Die Schnittstellen zwischen dem Solarsystem und dem konventionellen Heizsystem ist der Speicher. Das konventionelle Heizsystem schaltet sich immer ein, wenn zu wenig Solarwärme vorhanden ist.
Die erwärmte Solarflüssigkeit gelangt durch Glasrohr-Wärmetauscher in den Speicher. Je nach Konstruktion wird die Solarwärme an den gesamten oder an den verschiedenen Schichten des Speichers abgegeben.
Thermische Solaranlagen verwenden unterschiedliche Arten von Wärmespeichern. Diese reichen bei Geräten für Warmwasser meist für einige Tage aus, damit – zumindestens im Sommerhalbjahr- auch in der Nacht und während einer Schlechtwetterperiode ausreichend Wärme zur Verfügung gestellt werden kann. Langzeitspeicher, die sommerliche Wärme übertragen, sind technisch möglich, aber noch relativ teuer.
In solarthermischen, elektrischen Kraftwerken wird durch Spiegel konzentrierte Sonnenstrahlung genutzt, um Flüssigkeit zu verdampfen und mittels Dampfturbinen Strom zu gewinnen. Wärmespeicher (beispielsweise Flüssigsalztanks) können darüber hinaus einen Teil der Wärme (mit geringen Verlusten) tagsüber speichern um kurzfristige Bedarfsschwankungen auszugleichen oder die Dampfturbine nachts anzutreiben.

In photovoltaischen Kraftwerken wird elektrischer Strom mittels Halbleitereffekten erzeugt. Der dadurch produzierte Gleichstrom wird entweder im Rahmen einer dezentralen Stromerzeugung in einem Inselstromnetz aus solcher verwendet oder über Wechselrichter in ein vorhandenes Wechselstromnetz eingespeist. Dort ist die Speicherung über dezentrale Batterien und die Umwandlung in Wasserstroff und Methan und der anschließenden Speicherung im Erdgasnetz möglich. Die bereits bestehenden Erdgasspeicher in Deutschland würden ausreichen, um hier den Speicherbedarf einer Stromversorgung zu decken, die überwiegen auf der Erzeugung durch Photovoltaik und Windkraftanlagen basiert.
Sonnenkollektoren
Solarenergie lässt sich zum Beispiel mittels Sonnenkollektoren zur Wärmeerzeugung nutzen, erzeugt innerhalb von Sonnenwärmekraftwerken unter Zuhilfenahme von Wasserdampf Strom oder wird zur Gleichstromgewinnung durch Photovoltaiksysteme herangezogen. Allerdings unterliegt die Solarenergie, bzw. die solare Einstrahlung tages-, jahreszeitlichen und regionalen Schwankungen. Rein theoretisch würde eine Solarfarm auf einer Fläche von 700x700 Kilometern, aufgestellt in der sonnenreichen Sahara und mit einem Wirkungsgrad von nur 10 Prozent ausgestattet, ausreichen, um den globalen Gesamtenergiebedarf zu decken.
Aufbau
Das Prinzip einer jeden Sonnenkollektoranlage ist, dass eine Wärmeträgerflüssigkeit durch den Sonnenkollektor fließt und dabei die durch Umwandlung der Sonnenstrahlung entstandene Wärme aufnimmt. Das warme Wasser wird in einem isolierten Behälter gespeichert und kann später bei Bedarf genutzt werden.
Funktion
Ein Solarkollektor funktioniert folgendermaßen:
Die Sonnenstrahlen treffen durch eine Glasscheibe hindurch auf die schwarzen Wärmeabsorber. Sie erhitzen sich und die Wärmeenergie kann nicht wieder heraus. Die Solarkollektoren sind gut isoliert. Zur Isolierung verwendet man meistens Mineralwolle oder Schaumstoffe. Durch die Glasscheibe kann zwar das Sonnenlicht, nicht jedoch die Wärmeenergie hindurch. Das in den Absorberröhren erhitzte Speichermedium (meistens Wasser) fließt nun in einem Kreislauf in das Netz des Hauses zurück. Es werden Temperaturen von bis zu 70 Grad erreicht. Wenn das noch zu kalt ist, kann man die Heizung zur weiteren Erwärmung nutzen. Sie wird dennoch deutlich entlastet.

Photovoltaik
Photovoltaik ist aus mehreren Wörtern zusammengesetzt wobei das griechische Wort „ photo“ steht. Voltaik ist vom italienischen Physiker Alessandro Volta abgeleitet. Bei Photovoltaik wird Sonnenlicht in Strom umgewandelt. Dabei reicht auch normales Licht aus. Direktes Sonnenlicht ist also nicht unbedingt nötig. Der Strom, der bei Photovoltaik gewonnen wird, wird für Licht, Elektronik, Elektrochemie und Bewegung genutzt.
Aufbau
Eine Photovoltaik-Anlage besteht aus mehreren Photovoltaik-Modulen, diese Module wandeln Sonnenlicht in 230Volt Gleichstrom um. Photovoltaik-Module bestehen aus den kleinsten Bestandteilen einer Photovoltaik-Anlage, den Solarzellen. Die Solarzellen bestehen aus Halbleitern. Das Halbleiter-Material hat die Eigenschaft aus Sonnenlicht Elektrizität zu erzeugen. Auf dieser Eigenschaft basiert auch der photovoltaischen Effekt. Werden mehrere Solarmodule miteinander verschaltet, dann spricht man von einem Solargenerator.

(Aufbau-Halbleiter…)
Eine Solarzelle besteht aus einem Halbleitermaterial (meist Silizium), das auf beiden Seiten mit einem Fremdelement verunreinigt ist. Es entsteht auf der oberen (Sonnenzugewandten) Seite eine dünne negativ geladene Schicht (Elektronenüberschuß) und auf der anderen Seite eine dickere positiv geladene Schicht (Elektronenmangel). In der Mitte zwischen den beiden Ladungen entsteht eine Sperrschicht (pn-Übergang). Es ist eine Zone mit Ladungsmangel, weil alle Ladungsträger nach außen gezogen werden. Oben und unten werden Kontakte aus Leitern an das Silizium angelegt. Fällt Sonnenlicht auf das derart veränderte Material, werden Elektronen durch einstrahlende Photonen (Lichtquanten, Sonnenstrahlen) angeregt. Die Photonen "übergeben" ihnen die nötige Austrittsenergie (Ionisierungsenergie) und zusätzlich kinetische Energie. Die Elektronen kommen zum Leiter und die bestehende Spannung zieht sie über die Elektroden, durch einen Verbraucher in die p-Schicht (Positiv dotierte Schicht) Dann diffudieren die Elektroden wieder aus der p-Schicht in die n-Schicht.

Funktionsweise
Licht trifft auf die Lichtzugewandte Seite. Es entsteht eine elektrische Spannung zwischen der Licht zugewandten und der Licht abgewandten Seite. Wenn dieser Stromkreis geschlossen wird fließt Strom.

Solarthermie
Bei dieser Form der Nutzung von Sonnenenergie wird direkt die Wärmestrahlung genutzt. Diese Wärme wird zur Erwärmung von Wasser oder zur Unterstützung der Heizung verwendet. Es gibt zwei Arten von Kollektoren, die man bei der Solarthermie einsetzt. Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren unterscheiden sich in ihrem Aufbau und in ihrer Effektivität. Flachkollektoren sind einfacher herzustellen, da sie aus einem gedämmten Gehäuse mit einer Abdeckung aus Sicherheitsglas, das den Absorber und die Trägerflüssigkeit beinhaltet, bestehen. Dadurch, dass sich Luft im Gehäuse befindet gibt es natürlich Wärmeverlust. Die Vakuumröhrenkollektoren haben keinen Wärmeverlust, da sich der Absorber in einem Vakuum (Luftleeren „Raum“) befindet und somit keine Wärme an die Luft abgegeben werden kann. Diese Art von Kollektoren „arbeiten“ auch bei bewölktem Himmel.
Im Allgemeinen funktioniert die Wärmegewinnung so: Die Sonnenstrahlen treffen auf Kollektor, besser gesagt auf den Absorber. Dort wird die eine Trägerflüssigkeit erwärmt, diese wird zum Wärmespeicher gepumpt. Da die Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher geführt wird, geht die Wärme dann an das Wasser im Speicher.
Photovoltaik und Solarthermie zusammen können in manchen Gebieten Deutschlands ein Haus schon unabhängig von der öffentlichen Energieversorgung machen.

Direktes und Indirektes Nutzen der Sonnenenergie

Mit Hilfe der Solartechnik lässt sich die Sonnenenergie auf verschiedene Arten sowohl direkt als auch indirekt nutzen:

Direkte Nutzungsformen umfassen:
Sonnenkollektoren gewinnen Wärme (Solarthermie bzw. Photothermik)
Solarzellen erzeugen elektrischen Gleichstrom (Photovoltaik)
Sonnenwärmekraftwerke erzeugen mit Hilfe von Wärme und Wasserdampf elektrischen Strom
Aufwindkraftwerke erzeugen in einem Treibhaus heiße Luft, die durch einen Kamin aufsteigt und Strom erzeugt
Solarballons können durch die heiße Luft in ihrem Innern fliegen
Solarkocher oder Solaröfen erhitzen Speisen oder sterilisieren medizinisches Material

Indirekt wird Sonnenenergie genutzt:
Pflanzen und pflanzliche Abfälle werden so verarbeitet, dass nutzbare Flüssigkeiten (z.B. Ethanol, Rapsöl) oder Gase (z.B. Biogas, gereinigt wird daraus Methan) entstehen
Wind- und Wasserkraftwerke erzeugen elektrischen Strom
Als passive Sonnenenergie um Häuser aufzuwärmen und somit den Energiebedarf zu senken
Sonnenwärmekraftwerk Ivanpah, USA
Aufwindkraftwerk in Manzanares, Spanien
Solarkocher in Betrieb
Windkraftanlage
Laufwasserkraftwerk

Vorteile
Solarenergie ist im Gegensatz zu fossilen Energieträgern oder spaltbaren Isotopen nach menschlichem Ermessen unbegrenzt verfügbar.
Heute arbeiten bereits 60.000 Menschen in der deutschen Solarbranche. Über 100 Unternehmen liefern Solarzellen, Module und Komponenten, weit mehr noch sind mit Planung und Installation von Solaranlagen beschäftigt. Rund 10 Milliarden Euro werden hier jährlich umgesetzt, zwei Drittel der Wertschöpfung verbleiben in Deutschland. Die öffentliche Hand nimmt dadurch 3 Milliarden euro Steuern ein.
Außerdem erspart Solarstrom Brennstoffimporte – aktuell etwas 400 Millionen Euro jährlich.
Solarenergie ist klimaschonend, es entstehen nur bei der Produktion der Anlage Treibhausgase – der Betrieb ist emissionsfrei. Sonnenenergie senkte den CO2-Ausstoß allein im Jahr 2009 um 3,6 Millionen Tonnen.
Es kommt zu keiner Freisetzung von Feinstaub, wie z.B. Rußpartikeln.
Hinsichtlich der Stromerzeugung durch viele kleine Photovoltaik-Anlagen statt durch Großkraftwerke werden weiter folgende Vorteile gesehen:
Kosteneinsparungen aufgrund des Umstands, dass die Kosten der Weiterleitung und Verteilung zentral erzeugter Elektrizität etwa so hoch sind wie die Kosten der Energieerzeugung selbst.
Wegfall von eventuellen Preiskartellen großer Energieerzeuger, was zu freier Preisbildung und damit niedrigeren Energiepreisen führen würde.
Wegfall der Notwendigkeit großer Reservekapazitäten. Zentrale Großanlagen erfordern diese, um bei Betriebsstörungen einzelner Anlagen großflächige Stromausfälle zu vermeiden. Diese Reserve beträgt für Deutschland im Moment ca. 40%. Diese Kapazität müsste nicht mehr bereitgehalten werden, da eine Vielzahl kleinerer und dezentraler Energieerzeuger das Ausfallrisiko einzelner Anlagen abfedern würde.
Reduzierung energiepolitischer Abhängigkeiten von möglichen Krisenherden und internationalen Konflikten, wie etwa in der Nahostregion

Nachteile
Als nachteilig werden folgende Punkte bewertet:
Aufgrund der wetter-, tages- und jahreszeitabhängigen Sonneneinstrahlung ist ohne zusätzliche Speichertechnologie keine konstante Energieversorgung möglich. Auf Verbrauchsschwankungen kann ebenfalls nicht reagiert werden. Zudem wird Energie gerade in kalten Gebieten beziehungsweise Jahreszeiten benötigt, wenn weniger Solarenergie zur Verfügung steht (die erhöhte Effizienz von Solarzellen bei niedrigen Temperaturen kompensiert die im Winter vorherrschende geringe Einstrahlung nur zu Bruchteilen). Für eine gleichmäßige Verfügbarkeit photovoltaisch erzeugter Energie müssten effektive Speicherkapazitäten etwa auf Wasserstoffbasis aufgebaut werden, was zusätzliche Wirkungsgradverluste und Infrastrukturkosten verursacht. Im Bereich der thermischen Nutzung können bestimmte Kraftwerkstypen den Wärmeeintrag des Tages teilweise in der Nacht weiternutzen. Zudem wird bzw. werden bei der Herstellung von Solarzellen viel Energie, Wasser und Chemikalien verbraucht. Der Strom ist aus Solarenergie ist im Gegensatz zur Windkraft teurer. Die Energiegewinnung in Deutschland ist nur im Raum von April bis Oktober am besten.

Kosten und Wirtschaftlichkeit
Obgleich eine Solaranlage nicht nur durch einfache Kostenvergleiche mit konventionellen Systemen beurteilt werden darf, die Kosten von Umweltschäden durch die Verwendung von Öl, Gas, Kohle und Uran sind schließlich im Energiepreis nicht enthalten, spielen die Kosten für den Einzelnen natürlich eine große Rolle.
Eine ausgereifte Solaranlage zur Warmwasserbereitung für einen 4-Personen-Haushalt kostet heute zwischen 3000 und 4000 Euro (ohne Montagekosten). Diese Kosten können durch staatliche Förderprogramme stark gesenkt werden, so dass eine Sonnenkollektoranlage durchaus sehr kostengünstig errichtet werden kann. Die Höhe der Förderung ist regional sehr unterschiedlich.