Alles was Sie über Solarstrom und Solarwärme wissen müssen

Was ist Solarenergie? Welches sind die besten Standorte für Anlagen zur Erzeugung von Solarenergie? Wie erzeugt man Solarstrom? Wie erzeugt man Solarwärme? Wie funktioniert eine Solarstromanlage? Wie funktioniert eine Solarwärmeanlage?
Wie kann Solarstrom gespeichert werden? Wie kann man Solarwärme speichern? Lohnt es sich, eine Solarstromanlage zu betreiben? Lohnt es sich, eine Solarwärmeanlage zu betreiben?
Diese und viele andere Fragen zur Solarenergie werden hier beantwortet. Am Ende können Sie entscheiden, ob Sie in Zukunft als Solarstromproduzent oder als Investor in das Solargeschäft einsteigen wollen.

Was ist Solarenergie?

Sonnenenergie ist Energie, die mit den Strahlen der Sonne auf der Erde landet und
- als Strom (Solarstrom),
- als Wärme (Solarwärme)
- oder als chemisch gespeicherte Sonnenenergie in Form von Biomasse, die Pflanzen dank Photosynthese aufbauen,
nutzbar gemacht werden kann.

Dabei handelt es sich um elektromagnetische Strahlen, die auf der Sonnenoberfläche bei Temperaturen von etwa 5.500 Grad Celsius (°C) entstehen. Der Grund für diese Strahlung, die auch als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet wird, sind Kernfusionsprozesse im Inneren der Sonne, die auch als Wasserstoffverbrennung bezeichnet werden.
Nach heutigen wissenschaftlichen Erkenntnissen wird die Sonne noch fünf Milliarden Jahre lang Energie liefern. Damit ist die Sonne derzeit die größte erneuerbare (regenerative) Energiequelle, die der Mensch nutzen kann.

Im Zuge der Energiewende - weg von fossilen hin zu erneuerbaren Energieträgern - hat der Begriff Solarenergie eine sehr konkrete Bedeutung bekommen: Mit Solarenergie sind die beiden Energieformen gemeint, die wir aus der Strahlung der Sonne gewinnen:
- Solarwärme
- und Solarstrom.

Mit anderen Worten, im alltäglichen Gebrauch neigen wir dazu, die Produkte, die wir aus der Sonnenenergie gewinnen, als Solarenergie zu bezeichnen. Für beide Energieformen haben wir Technologien (Solaranlagen) entwickelt, um die Sonnenstrahlung in thermische Energie (Wärme) und elektrische Energie (Strom) umzuwandeln.

Was ist ein Sonnensystem?

Solar systems are technical systems with the help of which we obtain usable energy from solar energy. This involves energy conversion from one form of energy (electromagnetic energy) to another (thermal energy or electrical energy).
Depending on how solar systems work (working principle) and which form of energy they ultimately produce, a distinction is made between three types of solar systems:
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- Solar thermal systems generate usable heat
   Solar thermal systems (also called thermal solar systems or solar heating systems) are solar systems that use collectors to    "collect" and absorb solar radiation, generating heat in the rather low temperature range. The heat is either transferred directly to    heat consumers via a suitable heat transfer medium (gaseous or liquid) and consumed by them, or it is first transferred to a heat    storage tank to be consumed at a later time. The payback period for a solar thermal system is on average 15 to 20 years.

   Solar thermal systems are available in small, medium and large sizes: To supply a single household with heat for hot water and/or    central heating backup, a few square metres of collectors can be installed on the roof of the house or on the façade, or set up and    operated freely on the property.
   Medium-sized systems supply entire apartment buildings, hotels or sports facilities with solar heat. Large solar thermal systems    with a collector area of up to several thousand square metres are also called ground-mounted systems (FFA) and are installed on    suitable sites.
   They supply heat directly to a heating network (local heating network), which either supplies a village community or an urban    district with heat, or to a heating network of a heat supplier (district heating network).
   Alternatively, the heat from medium-sized and large plants can also be used as process heat for various commercial or industrial    processes.

- Solar thermal power plants generate heat and usable electricity from it
   So-called solar thermal power plants concentrate the sun's rays with the help of mirrors to generate high-temperature heat, which    they use to heat water vapour or a so-called thermal oil to drive turbines that use generators to produce electricity. A distinction is    made between
        - parabolic trough power plants
        - and solar tower power plants.  
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   A parabolic trough power plant works like this: curved mirrors bundle the incident solar radiation in a so-called focal line. A thin    absorber tube runs along this line, in which water vapour or a thermal oil circulates. The heat generated by absorbing the solar    energy is transferred to the steam or thermal oil - we are talking about temperatures of up to several hundred degrees Celsius.    Then the hot steam or oil is led to turbines.
   The trough-shaped mirrors of the parabolic trough power plant are usually adjusted to the position of the sun in order to harvest a    maximum of solar radiation throughout the day.
   A solar tower power plant also makes use of the fact that solar radiation can be concentrated. Here, however, hundreds of    computer-controlled burning mirrors direct it to the top of a tower. There is a comparatively small absorber in which temperatures of    up to 1,000 degrees Celsius are generated. This heat is used to generate steam that drives turbines with generators.
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- Photovoltaic systems generate usable electricity
   A photovoltaic system consists of interconnected solar cells that have been assembled into modules. When solar radiation hits the    modules, it causes an electrical voltage (direct current). An inverter turns this into alternating current, which can be fed directly to    the consumer, temporarily stored in a battery for electricity storage or fed into the electricity grid. Photovoltaic systems also come in    small, medium and large sizes. Small ones, for example, supply a household partially or completely with electricity, medium-sized    ones supply entire apartment buildings as well as other medium-sized electricity consumers, and large systems installed on open    spaces feed their large amounts of electricity into the grid.
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   According to the Federal Environment Agency, photovoltaic systems pay for themselves in terms of energy after one to two years    of operation. After this time, a system will have generated as much energy as is needed for its production, operation and disposal.
   Most solar cells consist of the semiconductor material silicon, i.e. quartz sand, which is highly purified and crystallised under    oxygen deprivation. A crystalline solar cell has three layers:
        - The top layer consists of silicon atoms that are "contaminated" with foreign atoms such as phosphorus. This is called a           negatively doped layer. The individual atoms are saturated here, so that free electrons can be found in this layer.
        - The lowest silicon layer, on the other hand, is enriched with boron atoms, which have too few electrons.
          It is also called a p-doped layer.
        - The so-called boundary layer contains saturated silicon atoms. Via this layer, the excess electrons from the upper layer           migrate to the lower layer to attach themselves to the boron atoms.
          Thanks to the electron movements, an internal electric field is formed, which is also called a p-n junction.
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   When solar radiation hits the solar cell, the electrons detach again from the boron atoms in the boundary layer and migrate to the    now unsaturated atoms in the negative layer. Metal contacts made of aluminium or silver are placed on the top and bottom of the    solar cell and connected to each other via a cable.
   They conduct the electrons and make them flow through the cable - an electric circuit is created. In addition to the crystalline solar    cells described above, there are also monocrystalline and polycrystalline solar cells, non-crystalline (amorphous) thin-film cells and    organic solar cells (thin-film modules made of organic plastics).
   Solar electricity can be consumed or marketed. Exciting financing models arise here for large-scale plant operators or investors.    Likewise for land leasers for the installation of a solar park.

Ist die Sonneneinstrahlung für den wirtschaftlichen Betrieb einer Solaranlage ausreichend?

Voraussetzung für den wirtschaftlich sinnvollen Betrieb einer Solaranlage ist eine ausreichende Sonneneinstrahlung. Wie viel Sonnenstrahlung an einem Ort auf der Erde ankommt, hängt vor allem vom Wetter und dem Stand der Sonne am Himmel (Sonnenstand) ab.
Da beides variiert, variiert auch die Intensität der Sonnenstrahlung, die auf die Erdoberfläche trifft. Allein aufgrund der Exzentrizität der Erdumlaufbahn um die Sonne schwankt sie im Laufe eines Jahres um etwa sieben Prozent. Im Durchschnitt beträgt die Intensität der Sonnenstrahlung an der Grenze der Erdatmosphäre etwa 1.367 Watt pro Quadratmeter (W/m²) - ein Wert, der auch als Sonnenkonstante bezeichnet wird.

Ein Teil der Energie der Sonnenstrahlung wird von der Erdatmosphäre gestreut und reflektiert. Zum Beispiel
- von festen Schwebeteilchen wie Eiskristallen und Staubpartikeln,
- von flüssigen Schwebeteilchen
- oder von gasförmigen Bestandteilen der Atmosphäre.

Die Atmosphäre absorbiert einen weiteren Teil der Strahlungsenergie und wandelt sie direkt in Wärme um. Der Rest der Strahlung strahlt durch die Atmosphäre und trifft auf die Erdoberfläche. Dort wird sie ebenfalls teilweise reflektiert und teilweise absorbiert und in Wärme umgewandelt. Letztendlich wird die gesamte Sonnenenergie in Form von reflektiertem Licht und Wärmestrahlung wieder in den Weltraum abgegeben.
Wie viel von der Strahlung reflektiert und absorbiert wird und wie viel durchgelassen wird, hängt vom aktuellen Zustand der Atmosphäre ab.

Klimafaktoren wie Feuchtigkeit, Bewölkung und auch die Länge des Weges, den die Strahlen durch die Atmosphäre nehmen, beeinflussen das Ganze. Man geht davon aus, dass etwa 30 Prozent der Strahlung beim Durchgang durch die Atmosphäre verloren gehen. Die restlichen 70 Prozent machen die Globalstrahlung aus und lassen sich etwa im Verhältnis 50:50 in direkte und diffuse Strahlung aufteilen.
Der Tagesdurchschnitt der Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht (bezogen auf 24 Stunden), beträgt etwa 165 W/m², wobei es je nach Breitengrad, Höhe und Wetterbedingungen zu erheblichen Schwankungen kommt.
Es sollte bekannt sein, dass die gesamte Energiemenge, die die Erdoberfläche erreicht, mehr als fünftausendmal größer ist als die, die der Mensch benötigt.

Je nach Standort kann man für eine Solaranlage in Deutschland mit 1.300 bis 1.900 Sonnenstunden rechnen. Der Durchschnitt liegt bei 1.550 Sonnenstunden im Jahr. Die Globalstrahlung liegt in Deutschland bei durchschnittlich 1.050 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m2/a). In Norddeutschland kann man mit Werten von unter 1.000 kWh/m2/a und in Süddeutschland mit Werten von über 1.200 kWh/m2/a rechnen. Das bedeutet, dass sowohl solarthermische Anlagen als auch Photovoltaikanlagen hierzulande wirtschaftlich betrieben werden können.
Vorausgesetzt, der Standort erfüllt zusätzlich folgende Anforderungen:

Der perfekte Standort für eine Solaranlage
Solaranlagen sollten so ausgerichtet sein, dass sie die maximale Sonneneinstrahlung erhalten. Für Anlagen in Deutschland bedeutet dies, dass Sie sie nach Süden ausrichten sollten. Weicht die Ausrichtung davon ab, müssen Sie mit Ertragseinbußen rechnen. Es wird davon ausgegangen, dass
- etwa 5 Prozent weniger Ertrag, wenn die Anlage nach Südosten oder Südwesten ausgerichtet ist,
- etwa 20 Prozent weniger Ertrag, wenn die Anlage nach Osten oder Westen ausgerichtet ist.

Darüber hinaus beeinflusst der Neigungswinkel der Kollektoren und Module den Solarertrag der Anlage. Hier gilt ein Neigungswinkel von 30 bis 40 Grad (°) als ertragsmaximierend. Steilere Winkel werden für Norddeutschland empfohlen, flachere für Süddeutschland.
Darüber hinaus spielt auch die Verschattung der Solarkollektoren und Solarmodule eine Rolle, wenn es um den maximalen Ertrag der Anlagen geht. Berge, hohe Gebäude, hohe Bäume und Sträucher sind mögliche Schattenspender. Wobei man bei der Planung einer Solaranlage immer vorausschauend planen und auch zukünftige Gebäude berücksichtigen sollte.

Wie sieht es mit Solaranlagen in Deutschland aus? - Aktuelle Zahlen und Fakten

Die folgenden Zahlen und Fakten zu Solaranlagen in Deutschland, sowohl zu Solarthermie- als auch zu Photovoltaikanlagen, stammen vom Bundesverband Solarwirtschaft (BSW-Solar).

Solarthermische Anlagen in Deutschland (Stand: Ende 2021)
Laut BSW-Solar sind Ende 2021 in Deutschland 2,5 Millionen solarthermische Anlagen installiert. Zusammen ergäben sie eine Solarkollektorfläche von 21,6 Millionen Quadratmetern (m2). 81.000 neue Solarthermie-Anlagen kamen im Jahr 2021 hinzu, mit einer Gesamtkollektorfläche von 0,64 Millionen m2.
Die gesamte solarthermische Leistung, die durch solarthermische Anlagen erzeugt wurde, betrug nach Angaben des Branchenverbandes im Jahr 2021 15,1 Gigawatt-Thermie (GWTh). In diesem Jahr wurde eine solarthermische Leistung von 450 Megawatt-Thermal (MWTH) neu installiert.
Insgesamt erzeugten solarthermische Anlagen in Deutschland im Jahr 2021 8,8 Terawattstunden thermische Solarwärme (TWhTH). Dadurch wurden Treibhausgasemissionen in CO2-Äquivalenten von 2,4 Millionen Tonnen vermieden.

Photovoltaikanlagen in Deutschland (Stand: Mai 2022)
Der Branchenverband beziffert die Zahl der Ende 2021 in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen auf 2,2 Millionen. Diese hätten zusammen eine installierte Photovoltaik-Gesamtleistung von rund 60 Gigawattpeak (GWP). Im Jahr 2021 wurden 235.600 Photovoltaikanlagen neu installiert und eine Photovoltaikleistung inklusive PPA-Anlagen von 6 GWP neu ausgewiesen.
Die Bruttostromerzeugung aus Photovoltaikanlagen betrug im Jahr 2021 50 Terawattstunden (TWhP). Der Anteil der Photovoltaikanlagen an der Nettostromerzeugung für die öffentliche Stromversorgung lag bei 10 Prozent.
Insgesamt vermieden die im Jahr 2021 in Deutschland betriebenen Photovoltaikanlagen 34,4 Millionen Tonnen (t) Treibhausgasemissionen in CO2-Äquivalenten.

Was sind die Vor- und Nachteile der Solarenergie?

Die Vor- und Nachteile der Solarenergie sind schnell aufgelistet:

Vorteile der Solarenergie
- Bei der Erzeugung von Solarenergie, Solarwärme und Solarstrom sowie bei deren Nutzung werden keine Luftschadstoffe freigesetzt.
- Auch Treibhausgase werden bei der Erzeugung und Nutzung von Solarenergie nicht emittiert.
- Solarenergie wird von der Sonne kostenlos an die Erzeugungsanlage geliefert.
- Sie ersetzt fossile Brennstoffe und verringert so die Abhängigkeit von Öl- und Gasimporten.
- Erneuerbare Solarenergie ist praktisch unbegrenzt verfügbar.

Nachteile der Solarenergie
- Damit die Solarenergie eine konstante oder bedarfsgerechte Energieversorgung gewährleisten kann, sind geeignete Speichertechnologien erforderlich.
- Große Solaranlagen (Freiflächenanlagen) benötigen Land. Die Flächennachfrage konkurriert mit anderen Flächeninteressenten (Landwirtschaft und Siedlung/Verkehr).

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