Die Sonne erzeugt durch die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen Energie und gibt diese in Form von Strahlung an den Weltraum ab. Auf der 150 Millionen km entfernten Erde kommt natürlich nur ein Bruchteil dieser Strahlungsleistung an, genug aber, um diese zur Energienutzung zu verwenden. Wird die Sonneneinstrahlung direkt über der Erdatmosphäre gemessen, so beträgt diese 1′367 Watt pro m2, auf der Erdoberfläche an einem Sonnentag bei klarer Witterung etwa noch 1’000 Watt pro m2. Diese Energie kann mit Sonnenkollektoren in Solarwärme (Solarthermie) oder mit Solarmodulen in Solarstrom (Photovoltaik) umgewandelt werden. Nachfolgend ist beispielhaft die Photovoltaik skizziert.
Ein Solarmodul wandelt Solarstrahlung in elektrische Energie um. Je grösser die Modulfläche und je höher der Umwandlungswirkungsgrad, desto mehr Ausgangsleistung produziert ein Modul. Ein typischer Wirkungsgrad eines auf Siliziumhalbleiter basierenden Solarmoduls ist 20%. Das bedeutet, dass an einem sonnigen Tag ein Modul von 1m2 Fläche 200 Watt elektrische Leistung liefert.
Scheint die Sonne fünf Stunden, dann ergibt sich daraus ein Energieertrag von:
200Watt⋅5 Stunden=1000Wattstunden(oder1kWh)
Zur groben Orientierung, was eine Photovoltaikanlage in der Schweiz leisten kann, gilt folgende Faustregel: Eine nach Süden ausgerichtete Modulfläche von 5m2 erzielt eine maximale Leistung von 1kW und einen Jahresertrag von 1′000kWh.
Lichtquanten geben ihre Energie im Inneren einer Solarzelle an Elektronen ab. Diese werden aus ihrer atomaren Bindung gerissen und sind für kurze Zeit ungebunden. Aufgrund eines inneren elektrischen Feldes in der Solarzelle driften sie auf die Oberseite der Zelle und sammeln sich dort an. Es entsteht dadurch ein Spannungsgefälle zwischen Ober- und Unterseite, bei Siliziumhalbleitern beträgt dieses 0.6Volt. Werden die beiden Seiten mit einem Verbraucher verbunden, treiben die Elektronen diesen an und fliessen über die Unterseite zurück in den Halbleiter. Der erzeugte Strom einer Zelle hängt von der Fläche und Einstrahlungsstärke ab. Eine 100cm2 grosse Zelle liefert bei schönem Wetter etwa 3.3Ampere Gleichstrom, was bei 0.6Volt einer Leistung von 2Watt entspricht.
Einzelne Solarzellen werden in einem Solarmodul in Serie verschaltet, diese dann zu leistungsstarken Solargeneratoren montiert. Der gelieferte Gleichstrom wird über Wechselrichter auf eine Wechselspannung transformiert und dann in das Hausnetz oder öffentliche Stromnetz eingespeist. In der Schweiz werden Stand 2023 etwa 6.3% des Strombedarfs über solche Anlagen gedeckt. Durch den weiteren Zubau wächst dieser Anteil jährlich an und soll laut Energiestrategie 2050 etwa 40% erreichen. Um die schwankenden Erträge und den Strombedarf in Einklang zu bringen, werden zukünftig verstärkt Energiemanagement- und Speicherlösungen zum Einsatz kommen.
Weltweit wächst der Solarstrommarkt seit Jahrzehnten jährlich um über 30%. Trotzdem ist noch ein riesiges Potential zur Nutzung der Solarenergie offen. Um den weltweiten Primärenergiebedarf über Solarstrom zu decken, würde eine Fläche in der Sahara von 800km⋅800km ausreichen. Zum Vergleich: In der Schweiz ist bislang eine Gesamtfläche mit einer Kantenlänge von 5km installiert. Die für Herstellung, Installation, Betrieb und Entsorgung einer Solarstromanlage benötigte Energie erzeugt diese innerhalb der ersten beiden Jahre. Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren wird also 15 mal so viel Energie erzeugt wie verbraucht.
Die Energie, welche von der Sonne zur Erde kommt, ermöglicht es uns jedoch nicht nur, dass wir Solarenergie gewinnen können, sondern ist auch die Grundlage für die Entstehung von Wind. Durch die Einstrahlung der Sonne erwärmt sich die Luft und die Erdoberfläche oder es verdampft Wasser, welches durch Konvektion dann zu einer Bewegung in der Atmosphäre führt. Die unterschiedlichen Landschaftszonen der Erde führen nun zu unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten und einer unterschiedlichen Erwärmung der Luft. Dadurch entsteht unser Wetter sowie auch globale Windströmungen. In Europa kennen wir dabei vor allem die Bise, welche bei einem Tiefdruckgebiet im Mittelmeergebiet kalte Luft von Osten nach Westen bringt. Im Alpenraum sorgt der Föhnwind für warmen, trockenen Wind auf der Windrichtung abgewandten Seite von Bergen.
Eine Windenergieanlage entnimmt der Windströmung einen Teil ihrer kinetischen Energie und wandelt diese in eine Rotation um, welche wiederum durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei funktionieren die aerodynamischen Rotorblätter der Windenergieanlage nach demselben Prinzip wie bei einem Flugzeug. Durch die Luft, welche das Rotorblatt überströmt, entsteht eine Sogkraft auf der Oberseite und ein Überdruck auf der Unterseite des Rotorblatts. Beim Flugzeug führt dies zu Auftrieb nach oben und bei der Windenergieanlage zu der Drehbewegung, welche den Generator antreibt.
Das Umwandeln der kinetischen Energie des Windes produziert jedoch nicht nur elektrische Energie, sondern verändert auch den Windstrom. Entsprechend dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie nicht erschaffen, sondern nur umgewandelt werden. Somit beinhaltet der Wind hinter der Windenergieanlage weniger Energie als vor der Anlage. Dies ist durch eine verlangsamte Windgeschwindigkeit hinter der Windenergieanlage zu erkennen. Weil ein Teil der Windströmung durch den Rotor und ein Teil um den Rotor herumströmt, ist der maximale Wirkungsgrad von einer Windenergieanlage physikalisch begrenzt. Durch Anwendung der Massen- sowie Energieerhaltungsgesetze kann nachgewiesen werden, dass dieser maximale Wirkungsgrad ca. 59% beträgt.
Der wichtigste Bestandteil der Windenergieanlage ist der Rotor. Dieser hat bei modernen Anlagen drei Rotorblätter, einen Durchmesser von 90−220 Metern und wird über eine Welle und einem oder zwei Lager mit der Gondel und dem Generator verbunden. Der Generator hat bei einer solchen Anlage normalerweise eine Leistung von 2−13MW und befindet sich in der Gondel. Die Gondel selbst befindet sich auf einem Beton- oder Stahl-Turm, welcher eine Höhe vom 80−260 Meter hat. Je nach Anlagen-Typ hat die Windenergieanlage zusätzlich noch ein Getriebe zwischen dem Rotor und dem Generator.
Laut einer Studie des Bundesamtes für Energie (BFE) beträgt das Windenergiepotenzial in der Schweiz 39.5TWh. Davon würde ein grösserer Anteil von 19TWh in den Wintermonaten entstehen und könnte somit helfen, die Winterstromlücke zu schliessen. Die aktuelle Energiestrategie des Bundes sieht vor, dass in der Schweiz ungefähr 1′000 Windenergieanlagen gebaut werden. Dies würde dann etwa einer Produktion von 5.7TWh pro Jahr entsprechen.
Die Energie kann mit Sonnenkollektoren in Solarwärme (Solarthermie) oder mit Solarmodulen in Solarstrom (Photovoltaik) umgewandelt werden.
Die kinetische Energie der Windströmung wird in Rotation umgewandelt, die wiederum mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
Das Windenergiepotenzial der Schweiz beträgt ungefähr 39.5 TWh.
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