Solarenergie: Schlüsselrolle in der Stromversorgung der Zukunft

Solarenergie ist die Zukunft – aber warum eigentlich? Die frei verfügbare und unendliche Strahlungsenergie der Sonne lässt sich auf der Erde effektiv für die Stromerzeugung nutzen. Wir erklären auf dieser Seite die Entstehung und die Eigenschaften von Solarenergie, ihre Vor- und Nachteile und welche Rolle die Solarenergie künftig für uns spielen wird.

Was ist Solarenergie?

Solarenergie ist die Energie der Sonnenstrahlung. Man nennt sie daher auch Sonnenenergie. Auf der Erde nehmen wir die Sonnenenergie zum Beispiel in Form von Lichtenergie und als thermische Energie wahr, wenn die Sonne unsere Haut wärmt.

Mithilfe einer Solarzelle kann Solarenergie aber auch in elektrische Energie umgewandelt werden. Diesen Prozess bezeichnet man als Photovoltaik: Trifft das Sonnenlicht auf die Solarzellen, beginnen sich die Elektronen im Inneren der Zellen zu bewegen und erzeugen eine elektrische Spannung.

Die Sonne ist eine kostenlose, unendliche und saubere Energiequelle. Daher bietet die Solarenergie enormes Potenzial für eine nachhaltige Energieversorgung. Es gibt aber auch Herausforderungen für eine flächendeckende Energieversorgung mit Solarstrom oder Sonnenstrom, etwa dadurch, dass die Sonne nicht permanent scheint. 
 

Die physikalische Entstehung von Solarenergie

Die Sonnenenergie, die wir als Sonnenlicht auf der Erde wahrnehmen, entsteht durch einen Kernfusionsprozess im Inneren der Sonne. Der Sonnenkern besteht im Wesentlichen aus Wasserstoff (70 %) und Helium (23 %) sowie geringen Mengen an Sauerstoff und Kohlenstoff.

Aufgrund der enormen Temperatur von 15 Millionen Grad Celsius kommt es im Inneren der Sonne ständig zur sogenannten Kernfusion: Dabei verschmelzen die leichteren Atomkerne (Protonen) des Wasserstoffs zu Helium. Dieser Vorgang wird als Wasserstoffbrennen bezeichnet. Das Wasserstoffbrennen lässt elektromagnetische Wellen entstehen, die wir auf der Erde als Sonnenstrahlung wahrnehmen. 
 

Wie viel Solarenergie liefert die Sonne?

Von der Solarenergie, die die Sonne abstrahlt, erreichen nur 10–20 % die Erdoberfläche. Sie wird in Watt (W) angegeben, der Einheit für elektrische Leistung. An der Grenze zur Erdatmosphäre liegt die Strahlungsintensität noch bei 1367 W/m². Dieser Wert wird als Solarkonstante bezeichnet. 

Ein Großteil dieser Strahlung verbleibt allerdings in der Erdatmosphäre oder wird von dieser reflektiert. Die Strahlungsenergie, die auf der Erdoberfläche ankommt, liegt je nach Region zwischen 114 bis 268 W/m², wobei der weltweite Durchschnitt 165 W/m² beträgt. 
 

Solarenergie in Strom umwandeln

Die Sonnenenergie, die auf die Erdoberfläche trifft, liefert nicht nur Licht und lebensnotwendige Wärme für Menschen, Tiere und Pflanzen, sie kann auch in elektrische Energie umgewandelt werden. Das funktioniert mit Hilfe von Photovoltaikanlagen, die aus einer Vielzahl miteinander verbundener Solarzellen bestehen.

Solarzellen  machen sich den photoelektrischen Effekt zunutze, nach dem sich Elektronen aus einem Feststoff herauslösen, sobald Sonnenlicht darauf trifft. Trifft das Sonnenlicht auf die Solarzelle, lösen sich die Elektronen aus der negativ dotierten Schicht der Zelle. Durch die Bewegung der Elektronen entsteht elektrische Spannung, die durch Kontakte abgeleitet werden kann. 
 

Wie kann man Solarenergie speichern?

Immer dann, wenn die Sonne scheint, erzeugt eine Photovoltaikanlage nachhaltigen, emissionsfreien Strom. Abends und nachts findet also keine Stromerzeugung statt. Das ist aber häufig die Zeit, in der im Haushalt besonders viel Strom benötigt wird – etwa für den Herd und die Spülmaschine, für den Fernseher oder um das E-Auto zuhause zu laden.

Um den Solarstrom nicht nur tagsüber, sondern möglichst ständig nutzen zu können, kann man die PV-Anlage mit einem Stromspeicher verbinden. Diese Heimspeicher bestehen aus großen, leistungsstarken Batteriemodulen und sind häufig zusätzlich mit einem Heim-Energiemanagementsystem ausgestattet, um die Stromerzeugung aus der Solaranlage und den Stromverbrauch im Haushalt möglichst optimal aufeinander abstimmen zu können.  
 

Solarenergie: Blick in die Zukunft

Die Sonne ist die größte uns bekannte Energiequelle und hat ein enormes Potenzial, uns zuverlässig und langfristig mit nachhaltiger Energie zu versorgen. Laut Statista betrug der Anteil der Photovoltaik an der Bruttostromerzeugung 2023 noch rund 12 %.
 

Diese Zahl wird in den nächsten Jahren vermutlich deutlich steigen: So geht eine aktuelle Studie der University of Exeter davon aus, dass Solarenergie noch vor 2050 die weltweit vorherrschende Energiequelle sein wird. Entscheidend für diese Entwicklung ist, dass die Technologien noch effizienter und kostengünstiger werden: So können die Photovoltaikflächen weiter ausgebaut und zusätzliche Speicherkapazitäten geschaffen werden, um eine flächendeckende Versorgung mit Solarstrom zu sichern. 

Gleichzeitig muss die Elektrifizierung weiter vorangetrieben werden. Künftig wird Solarstrom nicht mehr nur die Haushalte versorgen, sondern auch E-Autos antreiben und elektrische Heizsysteme wie Wärmepumpenheizungen und Fußbodenheizungen betreiben. Die Solarenergie bzw. Photovoltaikanlagen werden damit zum Mittelpunkt ganzheitlicher 360-Grad-Energielösungen.   

Nachhaltigkeit und Umweltaspekte der Solarenergie

Solarenergie ist eine emissionsarme, nicht endliche Ressource – damit ist die Umweltbilanz von Photovoltaikstrom deutlich besser als die von konventionell erzeugtem Strom, etwa durch Kohlekraft. Dennoch werden auch für die Erzeugung von Solarstrom Energie und Ressourcen benötigt, in erster Linie für die Produktion der Photovoltaikanlagen. Deren energetische Amortisationszeit ist allerdings sehr kurz: Eine aktuelle Berechnung des Umweltbundesamts geht davon aus, dass es in Deutschland ein bis maximal zwei Jahre dauert, bis eine PV-Anlage so viel Energie erzeugt hat, wie für ihre Herstellung aufgewendet worden ist. 

Auch wenn PV-Anlagen zu 95 % recycelbar sind, stehen die Wiederverwertungsprozesse noch am Anfang. Das liegt vor allem an der langen Lebensdauer der Solaranlagen: Bisher wurden nur vergleichsweise kleine Mengen an Solaranlagen verschrottet, erst um 2030 wird deren Zahl spürbar steigen.