Direkte Nutzung vs. indirekte Nutzung
Die Sonne ist die mit Abstand wichtigste Energiequelle auf der Erde. Sie schafft ein angenehmes Milieu für alle Arten von Leben und sie liefert auch die Grundlage für die technische Energiegewinnung. Gewissermaßen steckt sie auch in den fossilen Energieträgern. Bei der technischen Energiegewinnung ist nicht nur entscheidend, dass Sonnenenergie genutzt wird, sondern auf welchem Weg dies geschieht.
Aus physikalischer Sicht gilt ein einfacher Grundsatz:
Je direkter die Nutzung, desto höher der Wirkungsgrad oder direkte Nutzung ist am effizientesten!
Jede Umwandlung ist mit Verlusten verbunden und verringert so die tatsächlich nutzbare Energiemenge.
Direkte Nutzung ist vor allem die Solarthermie, also die direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme. Sie erreicht – je nach System und Betriebsbedingungen – sehr hohe Wirkungsgrade und eignet sich besonders für Warmwasser, Heizung und Prozesswärme.
Warum im “Energiewendeland Deutschland” die thermische Nutzung keine Rolle spielt, ist und bleibt ein Rätsel. Hängt dies möglicherweise mit der schwierigen staatlichen Kontrolle und Besteuerung der thermischen Nutzung zusammen?
Auch die passive Nutzung spielt eine wichtige Rolle: Fensterflächen, Gebäudeausrichtung, Speichermassen und bauliche Konzepte können Sonnenwärme direkt nutzbar machen, ohne dass überhaupt eine technische Umwandlung erforderlich ist.
Solarthermie
Solarthermie nutzt die Sonnenenergie direkt zur Wärmeerzeugung. Im Gegensatz zur Photovoltaik erfolgt keine Umwandlung in elektrische Energie. Dadurch ergeben sich mehrere physikalische und energetische Vorteile und ein sehr hoher Wirkungsgrad - je nach Kollektor - bis zu 90 %:
- Flachkollektoren: etwa 50–70 %
- Vakuumröhrenkollektoren: etwa 60–80 %
- Niedertemperaturanwendungen: bis etwa 90 %
Die Solarthermie gilt als die umweltfreundlichste und aus physikalischer Sicht als die effizienteste Nutzung der Sonnenenergie.
Optimal für Erzeugung von
- Warmwasser und Heizung
- Nahwärme und Fernwärme
- Industrie-Prozesswärme
Vorhandene Dach- und Gebäudeflächen können ideal für die Installation der Kollektoren genutzt werden.
Solarthermie hat eine hohe Leistungsdichte, kann einfach lokal genutzt und einfach als Wärme gespeichert werden.
Photovoltaik (PV) - flexibel, aber mit deutlich geringeren Wirkungsgraden
Die Photovoltaik wandelt Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Allerdings liegt der Wirkungsgrad deutlich unter dem der direkten Wärmenutzung. Ein großer Teil der eingestrahlten Energie wird nicht in Strom, sondern in Wärme umgewandelt oder geht durch weitere Systemverluste verloren.
Deshalb ist Photovoltaik vor allem dort vorteilhaft, wo tatsächlich viel elektrische Energie benötigt wird. Wird der erzeugte Strom anschließend wieder zur Wärmeerzeugung verwendet, ist dies energetisch erheblich ungünstiger als eine direkte solarthermische Nutzung.
Typische Wirkungsgrade
- Standard-Module: 18–22 %
- Gute Module: 22–24 %
- Gesamtanlage (inkl. Verluste): 12–18 %
Den größten Vorteil und die beste Nutzung der Sonnenenergie stellt eine dezentrale Kombination zwischen Solarthermie und PV (mit Stromspeicher) - installiert auf vorhandenen Dach- und Gebäudeflächen dar.
Freiflächen-Photovoltaik
Freiflächen-Photovoltaik (PV) Anlagen ermöglichen die großflächige Nutzung der Sonnenenergie. Gleichzeitig greifen sie jedoch direkt massiv in Landschaft, Energieflüsse und Flächennutzung ein. Eine sachliche Bewertung muss daher auch die physikalischen und systemischen Auswirkungen berücksichtigen.
Ein Totalausfall infolge Zerstörungen durch Sturm und Hagel, Blitzschlag oder Feuer mit dadurch möglicher Kontamination der Böden muss ebenfalls mit betrachtet werden.
Geringe Leistungsdichte und hoher Flächenverbrauch
Ein zentraler Punkt ist die vergleichsweise geringe Leistungsdichte der Solarstrahlung.
Berücksichtigt man:
- Tages- und Jahresgang der Sonne
- Bewölkung und Verschattung
- Abstände zwischen Modulreihen
liegt die mittlere Leistungsdichte von Freiflächen-PV meist nur im Bereich von etwa 5–20 W/m².
Eingriff in den lokalen Energiehaushalt
Freiflächen-PV verändert die Energieverteilung am Boden:
- weniger direkte Einstrahlung auf den Boden
- veränderte Erwärmung der Oberfläche des Bodens
- stark erhöhte Erhitzung der Luft über den Modulen
- andere Verdunstungsbedingungen
- veränderte Luftbewegungen nahe Boden
Ein Teil der Strahlungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt und aus dem lokalen System abgeführt. Der restliche Anteil wird überwiegend in Wärme umgewandelt und wieder abgestrahlt, was zu einer Veränderung des lokalen Strahlungs- und Wärmehaushaltes führt.
Systemische Betrachtung
Freiflächen-PV erzeugt Strom nur bei Sonneneinstrahlung. Daraus ergeben sich:
- starke Tagesgänge mit saisonalen Schwankungen
- geringer Winterertrag
- Speicherbedarf und zusätzlicher Netzausbau verursacht extrem hohe Kosten
Diese Faktoren reduzieren den tatsächlich nutzbaren Anteil der erzeugten Energie.
Alternative: Nutzung bestehender Flächen
Energetisch sinnvoller ist häufig die Nutzung bereits versiegelter Flächen, wie z. B.:
- Dächer und Fassaden
- Parkplätze und Industrieflächen
- Lärmschutzwände
So entsteht kein zusätzlicher Flächenverbrauch.
Fazit
Freiflächen-Photovoltaik kann zur Energieversorgung beitragen, ist jedoch mit mehreren massiven Nachteilen verbunden:
- geringer Energieertrag pro Fläche und damit hoher Flächenbedarf
- Eingriffe in Landschaft und deren Nutzung
- Veränderungen des lokalen Energiehaushalts mit klimatischen Effekten
- stark schwankende Stromproduktion
- Hoher Speicherbedarf
- Großes Risiko für Unwetterschäden
Aus energetischer Sicht ist daher eine prioritäre Nutzung bestehender Flächen auf Dächern in Kombination mit Speichern sowie eine möglichst direkte thermische Nutzung der Sonnenenergie häufig sinnvoller als der großflächige Ausbau von PV-Freiflächenanlagen.
