Sonnenenergienutzung

Sonnenenergienutzung

Thomas Züttel | 10. September 2018 | Fachwissen

Die Sonnenstrahlung, die wir als Licht und Wärme wahrnehmen, liefert sämtliche Energie für das Ökosystem Erde. Die Erkenntnis, dass die Sonne die Grundlage für das Leben auf der Erde ist, hat in unserer Kultur schon lange nicht mehr den Stellenwert, den sie hatte, als die Menschen im täglichen Leben mit dem Energieangebot der Sonne auskommen mussten. Mit dem technischen Fortschritt erhielten wir die Möglichkeit, Bodenschätze wie Kohle, Öl, Gas und Uran als Energiequellen zu nutzen. Diese in geologischen Zeiträumen entstandenen Vorräte werden nun während einiger weniger Generationen aufgebraucht. Dadurch verändern sich unsere Lebensbedingungen, wie z. B. die Atmosphäre, der Wasserkreislauf und die Klimazonen, unvorstellbar schnell.

Diese Tatsache gibt zu denken, und eine Rückbesinnung auf den Einsatz von erneuerbarer Energie findet statt. Erneuerbare Energien spielten über Jahrtausende eine zentrale Rolle im Leben der Menschen. Jedoch erst in den letzten zwei Jahrhunderten wurde Licht als Energieform erkannt und die technischen Möglichkeiten geschaffen, um die Sonnenenergie in grossem Massstab zu nutzen. Zu den erneuerbaren Energien werden nebst der Sonnenenergie auch Wasserkraft, Windenergie, Gezeitenenergie, Biomasse/Holzenergie und andere gezählt. Die meisten neuen Energietechniken sind heute erprobt und werden weltweit immer mehr eingesetzt. Trotzdem sind weitere Forschungsanstrengungen nötig, um die Systeme zu verbessern.



Sonnenenergie und andere erneuerbare Energien
Der hervorgehobene Bereich im fetten Rahmen ist im Zusammenhang mit Architektur und Bauen besonders interessant.


Die Strahlung der Sonne
Die Strahlung der Sonne ist eine hochwertige, nach menschlicher Vorstellung unversiegbare Energiequelle. Sie ist messbar wie andere Energieformen auch. Ihre Leistung beträgt an der äusseren Grenze der Erdatmosphäre ca. 1,4 kW/m2. Ein Teil dieser Strahlung wird von der Atmosphäre ins Weltall reflektiert, ein weiterer Teil von Staubpartikeln oder Wassertröpfchen in der Atmosphäre absorbiert. Auf der Erdoberfläche steht bei klarem Himmel ein Angebot von ca. 1 kW/m2 zur Verfügung. Bei starker Bewölkung kann die Leistung der Sonnenstrahlung unter 0,1 kW/m2 sinken. Die Sonne liefert in der Schweiz pro Jahr 220 mal mehr Energie, als gebraucht wird. In den Alpen erreicht die Strahlung bei schönem Wetter Werte, die etwa 15 % höher liegen als im Flachland. Zudem scheint dort wegen fehlenden Nebels die Sonne im Herbst und Winter häufiger. Trotzdem ist es nicht so, dass sich die Nutzung der Sonnenenergie nur in nebelfreien Gebirgslagen oder auf der Alpensüdseite lohnt. Es ist dort aber besonders sinnvoll, die Sonnenenergie zu nutzen. Die nötigen Daten zur Beurteilung der örtlichen Strahlungssituation sind im Standardwerk Meteonorm tabellarisch aufgeführt. Wird bei der Planung die örtliche Strahlungssituation berücksichtigt und das geeignete System gewählt, können auch im Mittelland gut funktionierende und wirtschaftlich interessante Solaranlagen gebaut werden.

Typische Tageseinstrahlungen auf eine 20–30° nach Süden geneigte Fläche im Schweizer Mittelland Sommer bei klarem Himmel: max. 8 kWh/m2 pro Tag
Frühjahr bei klarem Himmel: max. 5 kWh/m2 pro Tag
Winter bei klarem Himmel: max. 3 kWh/m2 pro Tag
Typische Jahreseinstrahlung auf eine 20–30° nach Süden geneigte Fläche im Schweizer Mittelland: ca. 1’300 kWh/m2 pro Jahr

Als Vergleich das Beispiel eines EFH:
Nach Süden geneigte Dachfläche: 70 m2
Jahreseinstrahlung auf diese Dachfläche: 91’000 kWh Jährlicher Heizenergiebedarf des EFH:
20’000 kWh (ca. 2’000 I Öl) Jährlicher Energiebedarf zur Warmwasseraufbereitung: 650 kWh pro Person


Speicherung von Sonnenenergie
Das Angebot an Sonnenenergie ist auch in der Scnweiz um ein vielfaches grösser als der Energiebedarf. Sonnenenergieanlagen arbeiten aber wie alle technischen Anlagen nicht mit einem Wirkungsgrad von 100 %. Der Wirkungsgrad, das heisst auch der Ausnutzungsgrad der eingestrahlten Energie bei der Umwandlung in Strom oder Wärme, liegt bei 10 bis 30 %. Als weiteres Problem kommt dazu, dass das Angebot an Sonnenenergie oft nicht mit der Nachfrage übereinstimmt. Die überschüssige Energie muss auf eine möglichst rationelle Art gespeichert werden, damit sie in sonnenarmen Zeiten zur Verfügung steht. Die Energiespeicherung im Bereich von Stunden oder Tagen ist mit den heutigen Mitteln – wie Batterien für elektrische Energie und Wasser- oder Geröllspeicher für Wärmeenergie – ohne weiteres möglich. Die saisonale Speicherung hingegen erfordert sehr grosse bzw. teure Speicher und ist mit grossen Verlusten behaftet. Die meisten Sonnenenergieanlagen werden heute immer noch ohne saisonale Speicher gebaut. Die Kombination mit konventioneller Energieversorgung (Öl, Gas usw.) liefert dann die zusätzliche Energie.

Sinnvoller Einsatz von erneuerbaren Energien
Sonnenenergie, oder generell erneuerbare Energie, ist nicht die Zauberformel, die alle heute anstehenden Energieprobleme löst. Insbesondere ist die Meinung falsch, dass die konventionellen Energien nur durch erneuerbare ersetzt werden müssten, und das Problem von Luftverschmutzung, Ressourcenabbau und Energiebedarf löse sich von selbst. Erneuerbare Energien sollen erst eingesetzt werden, wenn: – Vorgängig alle vertretbaren Energiesparmassnahmen ergriffenworden sind (z. B. gute Wärmedämmung) – Ein regelmässiger, zum voraus abschätzbarer Energiebedarf vorliegt

Der rationelle Einsatz von Energie ist somit wichtigstes Ziel bei der Planung eines Gebäudes. Wird bereits in der Planungsphase ein starkes Augenmerk auf einen sparsamen Energiebedarf des Gebäudes gelegt, so spart dieses während seiner fünfzigjährigen Lebensdauer Tausende von Kilowattstunden an elektrischer Energie und Tausende von Tonnen Brennstoff ein, ohne dadurch unkomfortabel zu sein.



Solarstrom (Photovoltaik)
Die Photovoltaik ist dasjenige Gebiet der Sonnenenergienutzung, bei dem das Sonnenlicht mit Hilfe von Solarzellen direkt in elektrische Energie (Strom) umgewandelt wird. Diese Energieumwandlung geschieht einzig in den Solarzellen, deshalb werden die technischen und physikalischen Eigenschaften der Solarzellen besonders beleuchtet. Wie die in den Zellen erzeugte elektrische Energie verwendet oder gespeichert wird, ist nur noch Elektrotechnik. Die ersten Solarzellen wurden in den fünfziger Jahren entwickelt und seither in der Weltraumtechnik eingesetzt. In den siebziger Jahren wurden die ersten photovoltaischen Anlagen auf der Erde eingesetzt. Die Erfahrungen waren erfolgversprechend, und das Interesse an erneuerbarer Energie ist steigend. Eine Möglichkeit stellt der dezentrale Einsatz von Photovoltaik auf und an Gebäuden dar.


Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität

Legende
1 Sonnenstrahlung
2 Metallschicht
3 Glasplatte
4 Minus-Elektrode
5 n-Silizium
6 Raumladungszone
7 p-Silizium
8 Metallschicht
9 Plus-Elektrode



Solarwärme

Strahlenfalle: Umwandlung Sonnenlicht – Wärme
Mit Hilfe einer schwarzen Fläche und einer Glasscheibe entsteht eine «Strahlenfalle», das Grundprinzip des Sonnenkollektors. Die physikalische Erklärung des alltäglichen Phänomens, dass sich eine schwarze Fläche bei Sonnenschein erwärmt, ist nicht einfach und führt in die Quantenphysik. Wichtig ist, sich klar zu machen, dass sowohl Sonnenlicht wie auch Wärme eine Form von Energie, nämlich elektromagnetische Wellen mit unterschiedlicher Wellenlänge, sind.
Bescheint also die Sonne eine schwarze Fläche, erwärmt sich diese und sendet als fühlbare Wärme langwellige Wärmestrahlung aus. Glas hat bezüglich elektromagnetischer Wellen andere Eigenschaften. Es ist für das Sonnenlicht transparent, nicht aber für die langwellige Wärmestrahlung, die somit zwischen schwarzer Fläche und Glasscheibe gefangen ist.


Strahlenfalle: Umwandlung Sonnenlicht – Wärme




Passive Sonnenenergienutzung
Unter passiver Sonnenenergienutzung ist die Summe von baulichen Massnahmen zu verstehen, deren Ziel es ist, Sonneneinstrahlung möglichst ohne Einsatz von Fremdenergie für Raumheizungszwecke zu nutzen. Der Wärmebedarf eines Gebäudes kann dadurch reduziert und Energie eingespart werden.

Im wesentlichen bauen diese Massnahmen auf folgenden Prinzipien auf:
– Schutz vor Wärmeverlusten
– Wärmegewinn durch verglaste Flächen
– Wärmespeicherung und -abgabe
Zum Erreichen dieser Ziele wird der Unterschied des sommerlichen und winterlichen Sonnenstandes ausgenutzt. Die tiefstehende Wintersonne kann in das Rauminnere eindringen, während der hohe Sonnenstand die Überhitzung der Räume im Sommer zu verhindern hilft.
Der Wärmetransport zwischen dem Entstehungsort der Wärme, der Wärmespeichermasse und der Raumluft erfolgt nur über natürliche Konvektion, Transmission und Strahlungsaustausch.


Einstrahlung und Wärmeverteilung in einem passiv beheizten Gebäude

Legende
1 Sommersonnenstand
2 Wintersonnenstand
3 Direkte Sonnenstrahlung
4 Südfenster
5 Massenspeicher, Wände und Böden absorbieren die einfallende Sonnenstrahlung
6 Wärmedämmung
7 Langwellige Wärmestrahlung wird von Wänden und Böden abgegeben und vom Glas reflektiert
8 Zusatzheizung
9 Nordseitiger Pufferraum

Die Kunst, Sonnenenergie passiv zu nutzen, ist keine abstrakte Wissenschaft. Das Konzept für ein passives Solarhaus basiert auf den Funktionen des Gebäudes, auf Standorteinflüssen, Wünschen des Bauherrn und Gestaltungsideen des Architekten. Dazu werden die Massnahmen der passiven Sonnenenergienutzung kombiniert. Auf diese Weise wurden auch in unserem eher rauhen Klima viele interessante Wohnbauten, Gewerbe- und Geschäftsbauten sowie Schulhäuser verwirklicht. Die Minimierung des Energiebedarfs eines Gebäudes einerseits und die Nutzung der passiven Sonnenenergie andererseits können in der Schweiz den Heizenergiebedarf drastisch reduzieren.

Auszug aus der Artikelserie «Sonnenenergienutzung» der Schweizer Baudokumentation.


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