Sonnenenergie: Strom, Heizung & Warmwasser von der Sonne

Hintergrund zur Sonnenenergie

Sonnenenergie ist das Ergebnis von Kernfusionsprozessen innerhalb der Sonne und die Energiequelle für fast alle Prozesse auf der Erde. Die gewaltigen Mengen Energie dieser elektromagnetischen Strahlung treffen nach einer Reise von rund 150 Millionen Kilometern auf die Erde und lassen sich direkt oder indirekt technisch erschließen. Zur direkten Nutzung zählt die Gewinnung von Solarstrom (Photovoltaik) und Solarwärme (Solarthermie). Die indirekte Nutzung der Sonnenenergie erfolgt durch Windkraftanlagen, Wasserkraftanlagen und Biomasseanlagen.

Das Potential der Sonnenergie ist gigantisch: Pro Jahr trifft eine Energiemenge von 1,5*10¹⁸ Kilowattstunden (kWh) auf die Erde – ein vieltausendfaches dessen, was die Menschheit im Jahr benötigt. Der weltweite Energiebedarf lag 2010 bei vergleichsweise geringen 1,4*10¹⁴ kWh. Diese Menge an Energie, die auf die Erde trifft, ist konstant. An der Atmosphärengrenze zur Erde liegt dieser Wert bei 1,367 Kilowatt pro Quadratmeter (kW/m2).

 

Direkte und indirekte Sonneneinstrahlung

Auf der Erdoberfläche kommt allerdings nicht der vollständige Betrag an Energie an. Im jährlichen Mittel erreicht etwa 50 Prozent der Sonnenenergie direkt den Erdboden – im Sommer mehr, im Winter dagegen deutlich weniger. Diese Energie bezeichnet man als direkte Strahlung.

Neben der direkten Strahlung erreicht auch eine beträchtliche Menge indirekte Strahlung oder diffuse Strahlung den Boden. Die Atmosphäre schwächt die Sonnenergie durch verschiedene Effekte wie Absorption, Reflexion und Streuung auf ihrem Weg ab. Diese Abschwächung kennt man unter der Bezeichnung Extinktion. So absorbiert der atmosphärische Wasserdampf den infraroten Anteil des Lichtes und Aerosole streuen den sichtbaren Teil des Lichtes, während das Ozon für die Absorption der ultravioletten Anteile der Strahlung verantwortlich ist. Ein bewölkter Himmel reduziert die einfallende Strahlung beträchtlich und auch der Einfallswinkel der Sonnenenergie senkt die Energie, die schlussendlich den Boden erreicht, deutlich. Je weiter ein Standort also vom Äquator entfernt ist (Zenitdistanz), desto länger ist durch den flacheren Einfallswinkel bedingt der Weg der Sonnenenergie durch die Atmosphäre. Somit reduziert sich der Anteil der Energie, der durch diese Extinktionseffekte bedingt auf den Boden trifft.

Die Summe aus direkter und indirekter Sonnenergie, die auf die Oberfläche trifft, ist die Globalstrahlung.

Die Jahressumme der Globalstrahlung im Jahr 2020 liegt zwischen 1042 und 1320 Kilowattstunden pro Quadratmeter. Das deutschlandweite Mittel beträgt 1171 Kilowattstunden pro Quadratmeter. Die niedrigsten Werte befinden sich im Emsland. Die höchsten Werte liegen in Bayern und Baden-Württemberg.

 

Innerhalb Europas und darüber hinaus macht die Globalstrahlung noch deutlichere Sprünge: so liegt diese in Spanien schon bei circa 2.000 kWh/m2a und klettert im Raum der Sahara auf knapp 2.500 kWh/m2. Die hiesigen Werte an Sonnenergie wirken im Vergleich zu den Anrainerstaaten des Mittelmeeres vergleichsweise niedrig. Das heißt allerdings nicht, dass sich die Nutzung von Sonnenenergie hierzulande nicht rechnet – im Gegenteil. Fachgerecht geplant verrichten Solaranlagen in Deutschland effizient und umweltschonend seit Jahrzehnten ihre Dienste.

Sonnenenergie ist:

• praktisch unbegrenzt verfügbar
• unabhängig von fossilen Brennstoffen und steigenden Energiepreisen
• sauber & emissionsfrei

Sonnenenergie ist:

• praktisch unbegrenzt verfügbar
• unabhängig von fossilen Brennstoffen und steigenden Energiepreisen
• sauber & emissionsfrei

 

Sonnenenergie wird finanziell gefördert

Die Strom- und Wärmegewinnung aus erneuerbaren Energien ist politisch und gesellschaftlich gewollt: Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) garantiert eine Vergütung für jede Kilowattstunde Solarstrom, die in das Netz eingespeist wird – für 20 volle Jahre zuzüglich des Jahres der Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage.

Neben der Einspeisevergütung für den laufenden Betrieb von Photovoltaikanlagen vergeben Institutionen wie die KfW-Bank und das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) in Form von zinsgünstigen Darlehen und Zuschüssen Photovoltaik Förderung für den Erwerb von Photovoltaikanlagen, Stromspeichern und Solarthermieanlagen.

Die Nutzung der Sonnenenergie ist eine Erfolgsgeschichte – die bislang erreichte installierte Kapazität von Solarstrom- und Solarwärmeanlagen ist beachtlich und nimmt konstant zu.

 

 

Sonnenenergie in Deutschland, Europa und der Welt

Installierte Photovoltaikleistung in Gigawatt Top 10 Global:

	2019
China	204,7
USA	75,9
Japan	63
Deutschland	49,2
Indien	42,8
Italien	20,8
Australien	14,6
Großbritannien	13,3
Korea	11,2
Frankreich	9,9
Weltweit	627

Quelle: volker-quaschning.de

 

Global betrachtet ist Deutschland mit einer Photovoltaikleistung von 49,24 Gigawatt auf dem vierten Platz und innerhalb von Europa absoluter Spitzenreiter. Nur Italien mit 20,8 Gigawatt und Großbritannien mit 13,3 Gigawatt können eine annähernd vergleichbare Nutzung von Strom aus Sonnenenergie vorzuweisen.

Im Jahr 2020 haben Photovoltaikanlagen in Deutschland insgesamt 51 Terawattstunden (TWh) Strom aus Sonnenenergie erzeugt, Tendenz weiter steigend. Ein beachtlicher Anteil bei einem bundesweiten Bruttostromverbrauch von knapp 600 Terawattstunden im Jahr.

Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

 

Heizen mit Sonnenergie bzw. Warmwasser mit Sonnenenergie ist mit einer installierten Leistung von15 Gigawattstunden noch nicht so stark vertreten wie Strom aus Sonnenenergie- aber auch die thermische Nutzung von Sonnenenergie hat in den letzten Jahren stark an Fahrt aufgenommen.

 

Solarthermie in Deutschland

Neu installierte Solarthermieanlagen	83,000
Solarthermieanlagen insgesamt	2,500,000
Installierte Leistung	15 Gigawatt
Solarwärmeerzeugung 2020	8,7 Terawattstunden
Vermiedene CO2-Emissionen	2,1 Millionen Tonnen

Quelle: Bundesverband Solarwirtschaft

 

Photovoltaik: Strom aus Sonnenenergie

Photovoltaik bezeichnet die Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie. Der photoelektrische Effekt, der dieser Nutzung zugrunde liegt, ist bereits in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt worden. Nach weiterführender Forschung erschloss sich diese Technologie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts ihre ersten Anwendungsgebiete.

Die Nutzung von Solarzellen zur Energieversorgung von Satelliten ist wahrscheinlich das prägnanteste Beispiel dieser Anfangszeit. Durch den technischen Fortschritt und massive Produktionszuwächse ist Sonnenenergie inzwischen billiger als viele fossile Energieträger (siehe: Gestehungskosten Erneuerbare Energien, Fraunhofer ISE, 06/2021). Die weltweite Photovoltaikleistung lag 2020 bereits bei knapp 760 Gigawatt. Durch diesen Fortschritt ist Photovoltaik problemlos und preiswert für Endverbraucher im Eigenheim wirtschaftlich nutzbar. In den letzten Jahren hat auch die Speicherung von Sonnenenergie rasant zugenommen.

 

Die zentralen Bestandteile einer Photovoltaikanlage

Die Solarmodule: Diese bestehen meist aus Silizium, einem Halbleitermaterial. Halbleiter sind elektrisch leitfähig, wenn ihnen Licht oder Wärme zugeführt wird. Für eine Solarzelle werden zwei Halbleiterschichten gebildet, die jeweils einen positiven und einen negativen Ladungsträgerüberschuss besitzen.

• Am Übergang zwischen beiden Schichten entsteht ein elektrisches Feld, welches dann unter Lichteinfall die durch den Photoeffekt freigesetzten Teilchen der Ladung nach trennt. Metallkontakte greifen die entstehende elektrische Spannung ab. Wird ein Verbraucher angeschlossen, schließt sich der äußere Kreis und es fließt Gleichstrom.
• Der Wechselrichter: Für die Nutzung im Haushalt wandelt ein Wechselrichter den Gleichstrom aus den Solarmodulen in Wechselstrom um.
• Der Stromspeicher (optional): Der Stromspeicher kann einige Kilowattstunden Strom zwischenspeichern.  So hat man auch dann noch Zugriff auf ausreichende Mengen Solarstrom, wenn die Sonne nicht scheint.

 

Einspeisung

Wie viel für eine Kilowattstunde Strom aus Sonnenenergie gezahlt wird, hängt unter anderem von der Anlagenleistung ab. Für eine Anlage mit einer Leistung bis 10 Kilowatt Peak (kWp) erhält der Betreiber aktuell (Juni 2021) pro kWh 7,58 Cent. Anlagen bis 40 kWp erhalten 7,36 Cent / kWh und bei Anlagen bis 100 kWp Leistung beträgt die Einspeisevergütung 5,77 Cent / kWh. Für den privaten Endanwender sind in den meisten Fällen die Vergütungssätze für Anlagen bis 10 kWp relevant.

 

Außerdem geht die Entwicklung der Strompreise erfahrungsgemäß konstant nach oben, während die Preise für Photovoltaikanlagen – und damit die Gestehungskosten für den Solarstrom – stetig sinken oder zumindest konstant bleiben. Der Eigenverbrauch des Solarstroms sollte deshalb den Vorrang haben.

Stromspeicher stellen Solarstrom bereit

Photovoltaik hat eine Besonderheit: zu den Zeiten, an denen die Sonne am stärksten scheint, hat der durchschnittliche Endnutzer nur einen geringen Strombedarf, da er dann generell nicht zuhause ist. Das heißt, dass der Großteil des Stromes in das Netz eingespeist wird, weil im Hause keine Abnehmer aktiv sind.

Da der Eigenverbrauch des Solarstroms immer wichtiger wird, haben sich in den vergangenen Jahren Solarstromspeicher zur Speicherung von Sonnenenergie im Markt etabliert.. Diese Speicher können einen guten Teil des Solarstroms für längere Zeit vorhalten, bis er benötigt wird. Ein Solarspeicher in Kombination mit einem intelligenten Energiemanager steigert die Eigenverbrauchsquote deutlich. Verschiedene Bundesländer bieten außerdem zusätzliche Stromspeicher Förderung an.

 

Voraussetzungen für eine Photovoltaikanlage

Im Idealfall wird die Photovoltaikanlage auf einem Schrägdach mit einer Neigung von 25 bis 30 Grad montiert, das nach Süden ausgerichtet ist. So fangen die Solarmodule den größten Anteil der eintreffenden Sonnenenergie auf und maximieren die Stromproduktion. Abweichungen nach Westen oder Osten sowie eine steilere oder flachere Neigung sind möglich, reduzieren aber den Anlagenertrag.

Außerdem sollte das Solardach statisch stabil genug sein, um die Photovoltaikanlage tragen zu können. Es sollte ermittelt werden, ob das Dach asbestbelastet ist. In diesem Falle sollte das Dach vorher gründlich saniert werden, bevor die Anlage installiert wird. Fast ebenso wichtig: die Dachfläche sollte im Tagesverlauf nicht verschattet werden, beispielsweise durch den Schattenwurf von Bäume oder Bauwerken.

Ansonsten muss im Haus Platz für die Installation des Wechselrichters und eines Stromzählers vorhanden sein. Falls vorhanden, benötigt auch der Stromspeicher einen Stellplatz.

 

Kosten und Wirtschaftlichkeit von Strom aus Sonnenenergie

Kosten von Photovoltaik: Eine Anlage für den Endkunden im Einfamilienhaus hat meist eine Leistung zwischen 3 bis 10 kWp. Pro kWp sollte man eine Fläche von 7 bis 11 Quadratmetern veranschlagen. Mit Stand 2021 kostet ein kWp 1.300 bis 1.800 Euro, je nach Bedingungen am Standort, den gewählten Komponenten und den Angeboten der Installateure.

Je größer die Anlage, desto stärker sinkt der Preis pro kWp. So ist für eine Anlage mit 3 kWp eine Preisspanne von 4.500 bis 6.400 Euro realistisch, während eine 10 kWp Anlage zwischen 10.000 bis 18.000 Euro kosten kann.

Ein zusätzlicher Solarspeicher kostet zwischen 1.000 bis 1.500 Euro pro Kilowattstunde Speicherkapazität. Im Normalfall sollte man die Speicherkapazität vor Förderung. Ein Speicher für eine 7 kWp Anlage läge somit im Preisbereich von ungefähr 8.500 Euro.

Pro Kilowattpeak Leistung kann man in Deutschland jährlich mit einem Solar-Ertrag von 850 bis 1250 Kilowattstunden rechnen.

• Wie lange es dauert, bis sich eine Photovoltaikanlage amortisiert hat, lesen Sie in unserem Artikel „Lohnt sich Photovoltaik?“

 

Solarthermie: Heizen und Warmwasser aus Sonnenenergie

Solarthermie bezeichnet die Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare Wärme. Das Konzept der Solarthermie ist sogar noch älter als das der Photovoltaik: die aktive Nutzung von Sonnenwärme über Hohlspiegel oder die passive Nutzung über architektonische Anwendungen geht nachweislich bis in die vorchristliche Antike zurück.

Die moderne Solarthermieanlage ist, ähnlich wie die Photovoltaik, im Zuge der Ölkrise in der zweiten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts entstanden. Nun dient sie hauptsächlich dazu, Wasser für die Raumheizung oder zur Warmwasserbereitstellung zu erwärmen, wenngleich auch solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung existieren. Letztere Nutzung ist für den Privatanwender aufgrund von Kosten und Flächenbedarf jedoch uninteressant.

 

Die zentralen Bestandteile einer Solarheizung

• Solarkollektoren: Analog zu den Solarmodulen werden beim Heizen mit Sonnenenergie spezielle Sonnenfänger auf dem Dach installiert. Die Sonnenenergie wird in den Kollektoren zu Wärme gewandelt.
• Speicher: Von den Solarkollektoren führt ein Flüssigkeitskreislauf zum Heiz- oder Warmwasserspeicher des Hauses. Der Kreislauf ist mit einer frostsicheren Trägerflüssigkeit befüllt.
• Eine Umwälzpumpe befördert die in den Kollektoren erwärmte Flüssigkeit hinunter zum Speicher, der diese Wärme dann aufnimmt und dem Heizkreislauf zur Verfügung stellt.
• Der oder die Speicher: Der Speicher hält die Wärme vor, bis sie benötigt wird. Ist bereits ein Heizungsspeicher vorhanden und groß genug, kann er meist ohne Probleme in den Solarkreislauf eingebunden werden. Ansonsten kann ein größerer Speicher angeschafft oder ein zweiter angeschlossen werden.

 

Das abgekühlte Wasser wandert über den Solarkreislauf wieder zurück zu den Solarkollektoren, um dort neue Wärme aufzunehmen.

 

Voraussetzungen für eine Solarthermieanlage

Die beste Position für die Solarkollektoren ist idealerweise ein Schrägdach mit einer Neigung von 45 bis 70 Grad für eine Kombianlage, die für die Bereitstellung von Wärme für Heizung und Warmwasser zuständig ist. Bei einer Anlage, die nur das Warmwasser übernimmt, ist auch ein flacherer Winkel von 30 bis 50 Grad optimal.

Zu viel Raum sollte die Winkeldiskussion jedoch nicht einnehmen. Schwieriger wird es erst bei Flachdächern mit einem Neigungswinkel von unter 10 Grad. In diesem Fall werden die Kollektoren auf mit einem Gestell aufgeständert, um einen besseren Winkel zu erreichen; das reduziert jedoch die Dachfläche für Kollektoren und erhöht die Kosten für die Installation. In diesem Fall sollte die Wirtschaftlichkeit genau berechnet werden.

Eine Südausrichtung ist im Schnitt optimal. Eine Abweichung nach Westen oder Osten ist tolerabel. Wie beim Strom aus Sonnenenergie ist unbedingt drauf zu achten, dass im Tages- und Jahresgang keine Verschattung der Solarkollektoren durch Bauwerke oder Bäume auftritt. Diese reduzieren die einfallende Solarstrahlung unter Umständen beträchtlich.

Dazu ist die Speicherung der Sonnenenergie notwendig, da der Großteil der Wärme außerhalb der Nutzungszeiten anfällt. Nutzt man die Solarheizung zur Unterstützung der Raumheizung muss die Speicherlösung größer ausfallen als bei der Warmwassernutzung: Während für Warmwasser mit Sonnenenergie eine Speichergröße von 60 bis 80 Litern und dafür wiederum eine Kollektorfläche von 1 – 1,3 m² pro Person im Haushalt ausgehen sollte. Beim Heizen mit Sonnenenergie wiederum sind 600 – 1000 Liter Speichervolumen eher die Norm.

 

Kosten und Wirtschaftlichkeit einer Solarheizung

Eine Solarthermieanlage ist nie ein alleiniges Heizsystem, sondern immer eine Unterstützung einer bestehenden Heizungsanlage. Der größte Ertrag fällt jahreszeitlich bedingt im Sommer an, während die Erträge im Winter sehr gering sind. Dementsprechend ist eine sorgsame Planung der Solarthermieanlage nötig: dimensioniert man die Anlage sehr groß, um möglichst viel Wärme zu gewinnen, so hat man in den wärmeren Monaten zu viel Energie zur Verfügung, die gar nicht benötigt wird, während der zusätzliche Nutzen im Winter sehr gering ausfällt.

 

Was spart Warmwasser mit Sonnenenergie?

Aufgrund langjähriger Erfahrung hat sich herauskristallisiert, dass Warmwasseranlagen mit einem Deckungsgrad von 60 Prozent am wirtschaftlichsten sind. So minimiert man Wärmeüberschuss im Sommer bei leichter Unterstützung in den Wintermonaten. Der Deckungsgrad gibt an, welchen Anteil der Wärmebereitstellung die Solarthermieanlage übernimmt: Eine Warmwasseranlage, die im Jahresmittel optimal arbeitet, spart somit im Mittel 60 Prozent der jährlichen Warmwasserkosten.

 

Was spart Heizen mit Sonnenenergie?

Hier ist die Auslegung komplexer. Gut ausgelegte Systeme erzielen über ein Jahr betrachtet Gesamteinsparungen von 15 – 30 Prozent, also Warmwasser- und Heizkosten zusammen betrachtet.

Im Prinzip kann man die Solarheizung mit jedem auf dem Markt erhältlichen Heizgerät kombinieren, da die Anbindung über den Warm- oder Heizwasserspeicher erfolgt.  Auch die Nachrüstung einer Solarheizung in ein bestehendes Heizsystem ist einfach möglich.

Die Preise für Solarthermieanlagen sind sehr individuell. Es haben sich in der langen Nutzungsperiode von Solarthermieanlagen Paketlösungen etabliert, die auf bestimmte Gebäudetypen und entsprechende Wärmebedarfe abgestimmt sind.

• Solarthermie-Systeme zur Warmwasserunterstützung: 3.000 – 6.000 Euro
• Solarthermie-Systeme zur Heizungs- und Warmwasserunterstützung: 7.000 – 10.000 Euro

 

Förderung für Solarheizungen

Hauptanlaufstelle für die Förderung vom Heizen mit Sonnenenergie ist das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) und die KfW-Bank. Sie vergeben über die „Bundesförderung für effiziente Gebäude“ (BEG) pauschal Zuschüsse oder Darlehen mit Tilgungszuschüssen in Höhe von 30% der Anlagenkosten für neue Solarheizungen (Warmwasseranlagen sowie Anlagen für Heizung und Warmwasser).

^{Foto: reimax16 – Fotolia.com}