Sonnenenergie

Sonnenenergie
Thermische Solaranlage (Foto: Landesagentur für Umwelt)

Als Solarenergie wird die Strahlungsenergie bezeichnet, die von der Sonne zur Erde gelangt und auf die Erdatmosphäre auftrifft. Diese beträgt durchschnittlich 1353 Watt/m2 auf eine Oberfläche, die senkrecht zu den Sonnenstrahlen ausgerichtet ist. Dieser Wert ist ziemlich konstant in der Zeit und wird auch als “Solarkonstante” bezeichnet. Die Erdatmosphäre und die in ihr enthaltenen Substanzen (Luft, Ozon, Wasserdampf, Staub, sonstige Bestandteile) absorbieren und reflektieren einen Teil der Energie, so dass auf der Erdoberfläche noch etwa zwei Drittel der Strahlungsenergie ankommen.

Ungefähr 1000 Watt/m2 treffen an einem klaren Tag auf einer horizontalen Fläche auf, wenn die Sonne am höchsten steht. Wenn man diese Energiemenge auf die gesamte Oberfläche der Erde hochrechnet, die der Sonne zugewandt ist (eine kreisrunde Fläche mit einem Durchmesser von fast 14.000 km), so ergibt das in einem Jahr die sehr große Energiemenge von 1018 kWh. Diese entspricht in etwa dem 13.000 fachen der gesamten auf der Erde in einem Jahr verbrauchten Energie.

Und diese Potential muss genutzt werden. Die Sonnenenergie hat den Vorteil, dass man daraus sowohl Wärme (Solarthermie) als auch Strom (Photovoltaik ) produzieren kann. Südtirol hat aufgrund der vielen südexponierten Hanglagen , der guten klimatischen Bedingungen und einer hohen Strahlungsausbeute günstige Voraussetzungen für die Nutzung der Sonnenenergie. Die Sonne steht als Energiequelle unbegrenzt, umweltfreundlich und kostenlos zur Verfügung.

Solarpotential in Südtirol und im Land Tirol

Um die technische Nutzung der Solarenergie weiterhin zu unterstützen und auszubauen, wurden im Rahmen des Interreg IV Projekts Solar Tirol frei zugängliche, georeferenzierte Datenbanken und ein Solarkataster für das Land Tirol und die Autonome Provinz Bozen-Südtirol erstellt.

Hier finden Sie die Publikation (Externer Link) mit den links zu den Datenbanken (Externer Link) und dem Solarkataster.

Brauchwassererwärmung

Funktionsschema einer Solaranlage für Brauchwasser

Eine der nahe liegenden Nutzungen der Sonnenenergie ist die Erwärmung von Brauchwasser. Diese Anwendung erscheint deshalb attraktiv, weil heute in vielen Ein- und Mehrfamilienhäusern Brauchwasser mit dem Heizungskessel erzeugt wird und gerade in den Sommermonaten diese Anlagen mit äußerst schlechtem Wirkungsgrad arbeiten. Andererseits ist im Sommer das Angebot an Sonnenenergie sehr groß, und das Solarsystem benötigt nur wenig Kollektorfläche (etwa 6-10 m2 für einen Haushalt mit vier bis acht Personen) und eine kleine Speicherkapazität (500 - 1000 l). Außerdem ist die Temperatur mit der Warmwasser allgemein benötigt wird relativ niedrig, so dass für diese Anwendungen auch mit relativ einfachen Apparaturen gute Wirkungsgrade erreicht werden können. Im Prinzip verwendet man eine Oberfläche, die einen möglichst großen Anteil der auftreffenden Sonnenstrahlung absorbiert und sich dadurch erwärmt. Diese Wärme wird dann durch eine Wärmeträgerflüssigkeit (in der Regel Wasser mit einem Gefrierschutz) abtransportiert und über einen Wärmetauscher dem Warmwasserspeicher zugeführt. Für Perioden ohne ausreichenden Sonnenschein muss eine Zusatz- oder Nacherwärmung vorgesehen werden.

Verlauf der mittleren Strahlungsleistung auf Flächen verschiedener Leistung

Unter Wirkungsgrad eines Sonnenkollektors versteht man das Verhältnis zwischen Nutzleistung, die der Kollektor abgibt und die auf die Kollektorebene auftreffende Leistung der Sonnenstrahlung. Ein gutes Instrument zur Bewertung der Güte eines Kollektors sind die so genannten Leistungskennlinien, welche den Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen mittlerer Flüssigkeitstemperatur im Kollektor und der Außenlufttemperatur angeben. Diese Temperaturdifferenz wird oft noch durch die eintreffende Strahlungsleistung dividiert; so erhält man einen fast linearen Verlauf. Zur Bestimmung der optimalen Neigung der Sonnenkollektoren gibt es eine sehr einfache Gebrauchsregel. Der größte Gesamtwert an eingestrahlter Energie im Laufe eines Jahres ergibt sich bei einem Neigungswinkel des Kollektors gleich dem geographischen Breitengrad; (in Südtirol also zwischen 46° und 47°). Den Maximalwert im Winter erhält man mit einer Kollektorneigung gleich dem Breiten grad plus 15°, den Maximalwert im Sommer mit einer Kollektorneigung gleich dem Breitengrad minus 15° (in Südtirol also jeweils etwa 60° bzw. 30°). Außer der Neigung zur Horizontalen ist auch die Ausrichtung der Kollektoren nach der Himmelsrichtung sehr wichtig. Der Idealfall ist eine genaue Südausrichtung. Die Leistungsverringerung ist gering, solange die Ausrichtung nicht mehr als 15° von Süden abweicht. Die Abweichung von der Südausrichtung sollte im Idealfall nicht mehr als 30° betragen.

Bei entsprechend großer Auslegung der Kollektorfläche kann das erzeugte Warmwasser neben der Brauchwassererzeugung auch zur Unterstützung der Raumheizung verwendet werden. Das Funktionsprinzip der Anlage bleibt dasselbe wie bei der Brauchwassererwärmung. Allerdings sind für ein gutes Funktionieren der Anlage einige Auslegungskriterien zu berücksichtigen. Da die Anlage in den Übergangszeiten und im Winter zur Heizungsunterstützung dienen soll, also in Jahresperioden, in denen die Sonneneinstrahlung geringer ist als im Sommer, muss die Kollektorfläche entsprechend groß ausgelegt werden. Außerdem sind in diesen Perioden die Außentemperaturen niedrig, weshalb die Sonnenkollektoren möglichst gut gegen Wärmeverluste geschützt sein müssen. Weiters wird ein größerer Wärmespeicher benötigt, um eine möglichst kontinuierliche Heizungsunterstützung im Winter gewährleisten zu können und um in den Übergangszeiten auch als Ersatz- Heizkessel dienen zu können. Für ein gutes Funktionieren der Anlage ist ein Heizungssystem Voraussetzung, das mit einer niedrigen Wassertemperatur auskommt, denn eine durchschnittlich niedrige Wassertemperatur trägt dazu bei, in den Kollektoren auch bei niedrigen Außenlufttemperaturen gute Wirkungsgrade zu erzielen. Weiters verringern sich dadurch die Verluste im Wärmespeicher und im Transport des Warmwassers von den Kollektoren zum Speicher und vom Speicher zu den zu beheizenden Räumen.
 Besonders gut funktionieren mit einer niedrigen Wassertemperatur Flächenheizsysteme wie Bodenheizungen oder auch Wand oder Deckenheizungen. Jedoch auch großflächige Heizkörper, so genannte Niedrigtemperaturheizkörper leisten gute Dienste. Bei richtiger Auslegung kann das System also im Winter zum Vorwärmen des Wassers dienen, das dann im traditionellen Heizkessel mit weniger Energie auf die notwendige Heizwassertemperatur aufgeheizt wird. In den Übergangszeiten kann das System je nach Auslegung den Heizkessel für gewisse Perioden ersetzen. Voraussetzung für eine erschwingliche Realisierung und ein gutes Funktionieren der Anlage ist allerdings, dass die zu beheizenden Räume und das Gebäude als Ganzes gut wärmegedämmt sind und somit keinen allzu großen Heizenergiebedarf haben, dass es sich also um ein so genanntes „Niedrigenergiehaus" handelt. Anlagen, die zur Raumheizungsunterstützung im Winter ausgelegt sind, liefern allerdings im Sommer im Normalfall viel mehr Wärmeenergie, als für die Warmwasserbereitung notwendig ist. Man muss also eine Verwendung dieser Überschussenergie vorsehen. Dies kann zum Beispiel die Beheizung eines Schwimmbades oder die Versorgung mit Warmwasser eines Nachbargebäudes sein. Sollte diese Möglichkeit nicht bestehen, so muss eine Kühlung der Kollektoren z. B. durch Bewässerungswasser, Luftkühler o.ä. vorgesehen werden.

Neben der Nutzung der Sonnenenergie durch “aktive” Systeme, also durch Systeme, die einen eigenen, mehr oder weniger komplizierten Mechanismus benötigen, besteht auch die Möglichkeit der “passiven” Nutzung der Sonnenenergie durch eine bestimmte Anordnung baulicher und architektonischer Komponenten.

Einer der wichtigsten Faktoren ist die Standortwahl (wenn möglich) und die Ausrichtung des Gebäudes und der baulichen Komponenten nach den Himmelsrichtungen. Das Gebäude sollte nach Süden hin große Fensterflächen haben, um vor allem im Winter, wenn die Sonne niedrig am Himmel steht, das Sonnenlicht in die Räume einfallen zu lassen und diese dadurch zu erwärmen. Um eine Überhitzung der Räume im Sommer zu vermeiden, müssen diese Fensterflächen jedoch vor dem Sonnenlichteinfall im Sommer, wenn die Sonne hoch am Himmel steht, geschützt sein. Dies kann z. B. durch ein großzügiges Vordach, durch einen Balkon oder durch eigene Sonnenblenden erfolgen. Auch sollten die Hauptwohnräume wie Wohnzimmer, Küche, Arbeitszimmer nach Süden ausgerichtet sein. Die Nordseite des Gebäudes sollte hingegen möglichst kleine Fensterflächen aufweisen, die für den Lichteinfall und die Belüftung benötigt werden.

Die passive Raumheizung nutzt den so genannten„Treibhauseffekt" aus. Energiereiche, kurzwellige Sonnenstrahlung dringt durch eine transparente Fassade (Fensterfläche) fast ungeschwächt in einen Raum ein. Beim Auftreffen auf Oberflächen und Gegenstände wandelt sich die Sonnenstrahlung in Wärme um. Die Oberflächen und Gegenstände des Raumes erwärmen sich und senden nun ihrerseits langwellige Wärmestrahlung aus, für welche das Glas allerdings weitgehend undurchlässig ist. Es dringt also wesentlich mehr Strahlungsenergie in den Raum ein, als Strahlungsenergie den Raum verlässt und dieser erwärmt sich. Der Erwärmungseffekt ist natürlich umso intensiver, je besser die der Sonne abgewandten Oberflächen des Raumes oder des Gebäudes gegen Wärmeverlust geschützt sind. Es braucht allerdings eine richtige Dimensionierung, um eine Überhitzung des Raumes zu vermeiden.

Wenn einige der Rauminnenflächen ( vor allem die direkt von der Sonnenstrahlung getroffenen) aus dichten, Wärme speichernden Baustoffen bestehen, erhöht sich die Raumtemperatur während der Einstrahlung nur wenig, und die gespeicherte Wärme wird bei fehlender Einstrahlung in den Raum durch Konvektion und langwellige Strahlung abgegeben. Da die Wärmeabgabe vorwiegend durch Oberflächenstrahlung von Wänden und Boden erfolgt, stellt sich ein angenehmes Raumklima trotz einer relativ geringen Lufttemperatur ein.

Ein einfaches System zur passiven Nutzung der Sonnenenergie besteht somit aus großen, nach Süden ausgerichteten Fensterflächen und Raumumschließungsmauern aus speicherfähiger Baumasse, die nach außen hin wärmegedämmt sind. Die nächtlichen Abstrahlungsverluste durch die großen Süd - Fensterflächen werden durch bewegliche Abdeckungen (Rollläden, Jalousien) verringert. Um auch im Sommer ein behagliches Raumklima zu gewährleisten ist auch ein eventuell ebenfalls beweglicher Sonnenschutz notwendig, der die Aussicht nicht behindern und die Sonnenbestrahlung der Fensterflächen im Sommer verhindern sollte, um den in dieser Zeit nicht erwünschten Treibhauseffekt zu vermeiden.

Wird direkt hinter der nach Süden ausgerichteten Verglasung eine Speicherwand angeordnet, so bezeichnet man dieses System als „Trombe - Wand". Die massive Wand ist zugleich Kollektor und Speicher. Durch eine dunkle Färbung der Außenseite der Speicherwand wird deren Absorptionsfähigkeit gesteigert. Die am Tag von der Speicherwand aufgenommene Energie wird mit einer starken Dämpfung der Schwankungsspitzen der Sonnenstrahlung an den Innenraum abgegeben.

Wird der Raum zwischen südlicher Glasfläche und dahinter liegender Kollektor - Speicherwand so weit vergrößert, dass er nutzbar wird, so entsteht ein angebautes Gewächshaus oder ein Wintergarten. Das System funktioniert als Ganzes ähnlich wie die Trombe - Wand. Der Wintergarten kann zur Pflanzenzucht, zur Erzeugung von Obst und Gemüse oder einfach als gemütliche, immergrüne Ergänzung des Wohnbereiches genutzt werden. Wichtig ist hierbei eine verschließbare Abtrennung, z.B. durch Schiebetüren zwischen Wintergarten und Wohnraum, um bei Tagen mit fehlender Sonneneinstrahlung und bei niedrigen Wintergarten - Temperaturen Wärmeverluste vom Wohnraum zum Wintergarten zu verhindern.

Unter Photovoltaik versteht man die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Sie ist seit 1958 zunächst in der Energieversorgung von Satelliten mittels Solarzellen im Einsatz. Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wurde verstärkt politisch versucht, Photovoltaik durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Mittlerweile wird sie zur Stromerzeugung auf der ganzen Welt eingesetzt und findet Anwendung als alleinige Stromversorgung in so genannten Inselanlagen oder als netzgekoppelte Anlagen mit Einbindung in das öffentliche Stromnetz.

Technische Beschreibung

Die als Licht und Wärme auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie ist 15.000-mal höher als der Primärenergieverbrauch der Menschheit, davon beträgt der Anteil an Lichtenergie ca. 75%. Diese Strahlungsenergie kann fotovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen.Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt.

Prinzip einer netzgekoppelten Photovolatikanlage

Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Photovoltaik in Inselsystemen realisiert, (z. B. auf Almhütten oder für Bewässerungsanlagen). Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie in Akkumulatoren gespeichert werden.

Die photovoltaische Stromerzeugung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Fotovoltaik, die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Die photovoltaische Stromerzeugung ist aber als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Stromerzeuger sinnvoll einsetzbar.

Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Fotovoltaik aufgrund des zurzeit eher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv. So erzeugt eine Windkraftanlage mit 5 MW Leistung etwa genauso viel Energie wie eine 500 m x 500 m (25 ha) große Solarstromanlage.

Leistung und Jahresertrag

Die Nennleistung in der Photovoltaik wird in Wp (Watt peak), bzw. in kWp (kiloWatt peak) angegeben. Dieser Wert bezieht sich auf die Leistung bei 25°C Modultemperatur und 1000 W/m² Bestrahlungsstärke. Im normalen Betrieb haben die Solarmodule bei dieser maximalen Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur und damit auch eine deutlich niedrigere Leistung, da der Wirkungsgrad der Solarmodule bei steigender Temperatur abnimmt. Deswegen sollen beispielsweise Photovoltaikmodule nicht in ein Schrägdach integriert werden wie thermische Sonnenkollektoren, sondern in ausreichendem Abstand zur Dacheindeckung montiert werden, um eine Belüftung und damit Kühlung der Module zu ermöglichen.

Es gibt verschiedene Typen von Solarzellen, die unterschiedliche Eigenschaften und dementsprechend unterschiedliche Kosten aufweisen. Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 10 und 16 Prozent.

Wichtigstes Kriterium für die Auslegung einer Photovoltaikanlage ist der zu erwartende mittlere Jahresertrag, der von der Nennleistung und Wirkungsgrad der Module, der Ausrichtung und Neigung der Anlage, sowie von den Klimabedingungen abhängt. Der mittlere Jahresertrag steigt seit Jahren mit Verbesserung der Module und Wechselrichter kontinuierlich an und liegt derzeit in Südtirol bei einer optimalen Ausrichtung und Neigung der Anlage bei Werten um 1000-1200 Kilowattstunden pro kWp. Besonders zu achten ist bei der Installation von Photovoltaikanlagen auf die Vermeidung von eventuellen Abschattungen der Module, die den Jahresertrag der Anlage erheblich vermindern können.


Rechtsgrundlagen: Nehmen Sie Einsicht in die Gesetzgebung

Kontakt: Amt für Energieeinsparung