Sonnenenergie

Energieträger Sonnenenergie

Die Sonne ist eine mächtige Energiequelle.

Sie hat ihre Energie aus dem Anfang des Weltalls bekommen, also vom Keim des Urknalls. Die Strahlung, welche von der Sonne auf die Erde kommt, würde ausreichen, um alle unsere Energiebedürfnisse komplett zu decken. Das Problem dabei ist nur, diese Energie ganz und verlustfrei einzufangen.

Sonnenhimmel

In der Natur bewirkt die Sonne, dass der Kreislauf des Wassers angetrieben wird, dass es regnet und die Felder und Wälder fruchtbar macht. Weiter können Pflanzen durch die Strahlungsenergie der Sonne Photosynthese betreiben, lässt sie Zucker, Stärke und Holz aufbauen, welche wiederum zu Energieträgern werden.

Über die Sonne

Die Sonnenstrahlung ist eine der Grundvoraussetzungen für die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Die Energie für die Sonnenstrahlung bezieht die Sonne aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium. Die Sonne besteht zur Zeit, aus rund 70% Wasserstoff und 28% Helium nach der Masse; alles andere („Metalle“) macht weniger als 2% aus. Diese Verhältnisse verändern sich langsam mit der Zeit, weil die Sonne in ihrem Inneren Wasserstoff zu Helium fusioniert.

Sonne - Diagramm
 
 

Die äusseren Schichten der Sonne zeigen unterschiedliche Rotationen: am Äquator rotiert die Oberfläche einmal alle 25,4 Tage, in der Nähe der Pole dauert es 36 Tage. Dieses seltsame Verhalten beruht auf der Tatsache, dass die Sonne kein fester Körper wie die Erde ist. Ähnliches Verhalten findet man auch auf den Gasplaneten. Diese unterschiedliche Rotation reicht beträchtlich weit ins Innere, wobei nur der Kern wie ein fester Körper rotiert. Das Material im Kern ist zur 150-fachen Dichte von Wasser komprimiert.

Der Energieausstoss der Sonne (3,86·1033 ergs/sec oder 386 Trillionen [ = 386 Millionen Millionen Millionen] Megawatt) wird durch Kernfusion verursacht. In jeder Sekunde werden etwa 700.000.000 Tonnen Wasserstoff zu circa 695.000.000 Tonnen Helium und 5.000.000 Tonnen (= 3,86·1033 ergs) Energie in Form von Gammastrahlen verbrannt. Auf dem Weg zur Oberfläche wird die Energie ständig absorbiert und wieder emittiert bei immer geringer werdenden Temperaturen, so dass daraus in erster Linie sichtbares Licht geworden ist, sobald sie die Oberfläche erreicht hat.

Im Inneren der Sonne ist es unvorstellbar heiss: Ganze 15 Millionen Grad herrschen hier. An der Oberfläche der Sonne sind es immerhin noch 5.600 Grad Celsius. Damit ist die Sonne weissglühend und erscheint unserem Auge als weisse Kugel.

Zusätzlich zu Hitze und Licht sondert die Sonne auch einen dünnen Strom von geladenen Partikeln (im wesentlichen Elektronen und Protonen) ab, bekannt als Sonnenwind. Der Sonnenwind und die energiereicheren Partikel, die von Sonnenfackeln ausgeworfen werden, können dramatische Effekte auf die Erde nach sich ziehen, die von Spannungsschwankungen in Überlandstromleitungen über Radiowelleninterferenzen bis zu den wundervollen Nordlichtern reichen können.

Strahlungsenergie der Sonne

Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlungsleistung der Sonne beträgt weltweit im Tagesdurchschnitt (bezogen auf 24 Stunden) ungefähr 165 W/m² (mit erheblichen Schwankungen je nach Breitengrad, Höhenlage und Witterung). Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als zehntausendmal grösser als der Energiebedarf der Menschheit, das Potenzial der Solarenergie ist grösser als das aller anderen erneuerbaren Energien zusammen.

Sonnenstrahlung

Weltweit verfügbare Strahlungsenergie der Sonne. Die Farben in der Karte zeigen die örtliche Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche gemittelt über die Jahre 1991–1993 (24 Stunden am Tag, unter Berücksichtigung der von Wettersatelliten ermittelten Wolkenabdeckung). Zur Deckung des derzeitigen Weltbedarfs an Primärenergie allein durch Solarstrom wären die durch dunkle Scheiben gekennzeichneten Flächen ausreichend (bei einem Wirkungsgrad von 8 %).

Welche Energiequellen hängen von der Sonnenenergie ab, welche nicht?

Energiequellen

Nutzung der direkten Sonnenstrahlung

Technisch lässt sich die Sonnenenergie mit Solarzellen zu Strom (Photovoltaik), mit schwarzen Schläuchen zu heissem Wasser (Solarthermie) oder mit Solarkraftwerken einfangen und in andere Energieformen umwandeln.

Solaranlage auf Hausdach

Hier ist auf dem Dach eine Photovoltaikanlage montiert. Photo kommt von dem griechischen Wort für Licht, Phos. Voltaik kommt von Alessandro Volta, einem berühmten italienischen Elektrizitätsforscher, der von 1745 bis 1827 gelebt hat. Photovoltaik heißt also ungefähr: "Elektrizität aus Licht". Und das ist genau das, was eine Photovoltaikanlage tut - sie erzeugt Strom aus Licht.

 
Solarthermieanlage auf Hausdach

Hier ist eine Solarthermie-Analage zu sehen. Solarthermie bezeichnet die Umwandlung von Sonnenenergie (lat. sol: Sonne) in Wärme (griech. thermie: Wärme), die praktisch genutzt werden kann. In Gebäuden kommt die Solarthermie vor allem zur Warmwasseraufbereitung oder als Heizung infrage.

 
Solarthermisches Kraftwerk

Ein solarthermisches Kraftwerk (oder thermisches Solarkraftwerk) ist eine Art von Solarkraftwerk, bei dem mit Sonnenenergie zunächst Wärme erzeugt wird, daraus mit einer Dampfturbinenanlage dann mechanische Energie und schließlich in einem Generator elektrische Energie. Es ist also eine Anwendung der Solarthermie (auf hohem Temperaturniveau) für die Stromerzeugung.

 

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