Der Aufstieg der nachhaltigen Solarenergie
Solarenergie ist eine umweltfreundliche Energiequelle. Erfahren Sie, wie die Strahlen der Sonne den Planeten mit Energie versorgen und erhalten können.
Was ist Solarenergie?
Solarenergie ist Energie, die von der Sonne stammt. Die Wärme und das Licht der Sonne werden genutzt, um Elektrizität oder thermische Energie für eine Vielzahl von Haushalts-, Geschäfts- und anderen betrieblichen Anforderungen zu erzeugen. Die Leistung einer Solarstromanlage wird in Watt gemessen.
Solarenergie – auch bekannt als Sonnenenergie, Solarstrom oder Sonnenstrahlung – ist die am häufigsten vorkommende, erneuerbare Energiequelle. Eine quelle für erneuerbare Energie ist eine Energiequelle, die neu generiert werden kann. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen (Erdöl, Erdgas und Kohle) ist dieser Energieträger nach einmaliger Nutzung nicht erschöpft. Weitere Beispiele für erneuerbare Energien sind Wind- und Wasserkraft sowie Erdwärme.
Es mag Sie überraschen zu erfahren, dass die Solarenergietechnik keine Erfindung der Neuzeit ist: Die Menschen nutzen die Solarenergie seit dem 7. Jahrhundert v. Chr., als sie mit Hilfe von Lupen und Sonnenstrahlen Feuer machten und Ameisen verbrannten. Seitdem hat es natürlich bedeutende Entwicklungen und Fortschritte in der Solarenergietechnik gegeben.
Im Folgenden finden Sie einen kurzen Überblick und eine Zeitleiste zur Solarenergie, die vom US- Energieministerium erstellt wurde:
- Im Jahr 1767 baute der Schweizer Wissenschaftler Horace de Saussure den ersten Sonnenkollektor der Welt.
- Edmond Becquerel, ein französischer Physiker, entdeckte 1839 den photovoltaischen Effekt – wenn Licht oder Strahlungsenergie eine Spannung oder einen elektrischen Strom erzeugt.
- Jahrzehnte später meldete der französische Mathematiker Augustin Mouchot Patente für solarbetriebene Motoren an.
- 1883 schuf der New Yorker Erfinder Charles Fritts eine Solarzelle, indem er Selen mit einer dünnen Goldschicht überzog, die eine Energieumwandlungsrate von 1 bis 2 Prozent erreichte (zum Vergleich: die meisten modernen Solarzellen arbeiten mit einer Rate zwischen 15 und 20 Prozent), so das Smithsonian Magazine. Der Erfinder Edward Weston erhielt fünf Jahre später zwei Patente für Solarzellen.
- Albert Einstein veröffentlichte in den frühen 1900er Jahren eine Arbeit über den photoelektrischen Effekt.
- 1954 stellten die Bell Telephone Laboratories eine Silizium-Solarzelle her – die erste Zelle, die genügend Energie für den Betrieb alltäglicher elektrischer Geräte umwandeln konnte – mit einem Wirkungsgrad von 4 Prozent (und später 11 Prozent). Sechs Jahre später erreichte Hoffman Electronics einen Wirkungsgrad von 14 Prozent.
- In den 1970er Jahren entwickelte Dr. Elliot Berman eine preiswertere Solarzelle, die zu einer Preissenkung auf 20 USD pro Watt führte.
- Paul MacCready baute ein solarbetriebenes Flugzeug (das erste seiner Art) mit 16 000 Solarzellen und flog es 1981 von Frankreich nach England.
- 1998 war der Wissenschaftler Subhendu Guha führend bei der Erfindung flexibler Solarschindeln, die Sonnenlicht in Strom für Dächer umwandeln.
- In den 2000er Jahren und darüber hinaus werden weiterhin große Fortschritte bei der Leistungsfähigkeit und Effizienz von Solarenergietechnologien gemacht.
Heute ist „Solarenergie die am schnellsten wachsende und erschwinglichste Quelle für neue Elektrizität“ in den Vereinigten Staaten, so Energy.gov, mit 3 Millionen Installationen im Land. Und weltweit nimmt auch die Sonnenenergie zu Hause und in der Branche zu.
Ein alltägliches, populäres Beispiel für Solarenergie sind die schwarzen, rechteckigen Solarzellen, die man auf manchen Hausdächern sieht. Auch Unternehmen haben sich diese Form der Solarstromerzeugung zu eigen gemacht – sogar Disney World hat eine Solaranlage in Form einer Mickey Mouse mit 48 000 Solarmodulen vor seinem Themenpark Epcot.
Die Solartechnik hat sich im Laufe der Jahre ständig weiterentwickelt und verbessert. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Solarenergie, ihre Funktionsweise, die Vorteile ihrer Nutzung und die Zukunft der Solarstromerzeugung.
Wie wird Solarenergie gesammelt und gespeichert?
Photovoltaik (PV)
Ein Gerät (z. B. Sonnenkollektoren) absorbiert Sonnenlicht und wandelt es in elektrische Energie um. Diese Geräte werden als Solarzellen bezeichnet und sind zu größeren Einheiten verbunden, die Strom erzeugen.
Konzentrierende Solarenergie (CSP)
Sammelt Energie von der Sonne, um Wärme zu erzeugen, die dann zur Stromerzeugung genutzt wird. Bei dieser Technologie werden Spiegel verwendet, um die Lichtenergie zu bündeln oder zu „konzentrieren“.
Solares Heizen und Kühlen (SHC)
Sammelt die Energie der Sonne und nutzt sie zur Bereitstellung von Heiz- und Kühldiensten für Haushalte und Unternehmen. Bei dieser Technologie werden ein Solarkollektor, isolierte Rohrleitungen und ein Warmwasserspeicher verwendet.
Komponenten des Solarstromspeichers
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Batterien
Der Kern von Energiespeichersystemen. Zwei gängige Arten von Batterien sind Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt und Lithium-Eisen-Phosphat.
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Subpanels für kritische Lasten
Entscheiden Sie selbst, welche unverzichtbaren Geräte bei einem Stromausfall mit Strom versorgt werden sollen.
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Sonnenkollektoren
Werden zum Aufladen von Batterien verwendet. Dünnschicht, PERC, polykristallin und monokristallin sind verschiedene Arten von Solarpanelen.
Aus was bestehen Solarpanelen? Im Kern bestehen Solarpanele in der Regel aus Silizium – dem am häufigsten verwendeten Halbleitermaterial für PV-Zellen –, einem Glasgehäuse, einem Metallrahmen und anderen Bauteilen, die das Panel zusammenhalten und seine Funktionalität unterstützen.
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Wechselrichter
Dienen der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom (Solarpanele und Batterien wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um).
Solarstromspeicher
Gemäß Green Building Elements gibt es drei Möglichkeiten, Sonnenenergie zu speichern:
Batteriespeicher
Am häufigsten werden Lithium-Ionen-Batterien zur Speicherung von Sonnenenergie verwendet.
Mechanischer Stromspeicher
Druckluft (die in ein Gefäß, z. B. einen Tank, gepresst und bei Bedarf abgegeben wird), Pumpspeicherkraftwerke (Wasser wird durch Turbinengeneratoren gepresst, um bei Bedarf Energie zu erzeugen) und Schwungräder (überschüssige Energie, die bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt wird) sind drei Varianten dieser Art von Speichersystemen.
Wärmespeicher
Verwendet geschmolzenes Salz und Wasser in einem isolierten Tank, um Energie zu speichern.
Es gibt auch „virtuellen Speicher“, einen Prozess, mit dem Sie ein Gebäude erhitzen oder kühlen, bevor es zu einer erwarteten Spitze des Strombedarfs kommt. Das Gebäude speichert diese Energie dann, wenn es benötigt wird.
Eine vollständige Liste der Begriffe und Definitionen finden Sie im Solarenergie-Glossar des U.S. Department of Energy.
Vorteile der Solarenergie
Was sind also die Vorteile der Solarenergie? Es gibt eine ganze Reihe davon, darunter Umweltschutz, Beschäftigungsmöglichkeiten und Steuergutschriften. Hier ist ein Überblick über einige der wichtigsten Vorteile:
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Es ist besser für die Umgebung als herkömmliche Stromquellen
Der Planet ist wahrscheinlich das erste, was einem in den Sinn kommt, wenn man an die Vorteile der Solarenergie denkt. Erneuerbare Energien wie die Solarenergie tragen dazu bei, die Abhängigkeit der Welt von fossilen Brennstoffen einzudämmen,unseren Kohlenstoff-Fußabdruck zu verringern und Strom zu liefern, ohne giftige Verschmutzung zu verursachen.
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Die Kosten für die Wartung von Solarstrom wurden verbessert
Während die Erstausstattung für manche Haushalte kostspielig sein mag, sind die Wartungskosten im Laufe der Jahre gesunken. Im letzten Jahrzehnt sind die Kosten für die Installation von Solaranlagen um 60 Prozent gesunken. (Die Kosten können jedoch von Faktoren wie der Region und den Beschränkungen der Lieferkette abhängen).
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Steuerliche Vergünstigungen durch Solarenergiesysteme
Der Umstieg auf Solarenergie kann sich (wenn auch erst später) positiv auf Ihr Budget auswirken. Die US-Regierung bietet z. B. eine Bundessteuergutschrift für Solaranlagen t, die auf die Installationskosten einer Solar-PV-Anlage angerechnet werden kann. Hinzu kommen staatliche und kommunale Programme, die einen Ausgleich für die höheren Kosten schaffen sollen.
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Solartechnologien auf dem Vormarsch
Die Anlagen und Speichertechnologien haben sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. Heute produzieren Solarpanel mehr Energie, die länger speicherbar ist, und haben eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren (bei einem Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent).
Die Nutzung von Solarenergie für Ihr Haus oder Ihr Unternehmen hat viele positive Aspekte. Diese Energiequelle ist jedoch nicht ohne Einschränkungen. Hier sind einige Nachteile der Nutzung von Solarenergie:
- Die Umweltbelastung ist nach wie vor ein Problem. Solarenergie ist zwar eine umweltfreundlichere Lösung als die Verbrennung fossiler Brennstoffe, doch einige der bei der Herstellung von Solarzellen verwendeten Chemikalien und Materialien erzeugen gefährliche Abfälle.
- Die Einrichtung kann kostspielig sein. Mit Solarenergie können Sie zwar Geld sparen, aber die Erstinstallation und die Ausrüstung können teuer sein.
- Es gibt Diensteinschränkungen. Da die Energie bei Sonnenschein erzeugt wird, sind bestimmte Tageszeiten und Wetterbedingungen (z. B. bewölkter Himmel) für die Solarenergie nicht optimal.
- Andere Auswirkungen auf die Umwelt. Bei der Skalierung von Solarenergiesystemen müssen der Wasserverbrauch, die Landnutzung und der mögliche Verlust von Lebensräumen berücksichtigt werden.
Ausgehend von diesem letzten Punkt bietet die Solarenergie umweltfreundliche Möglichkeiten für Industrie und Wirtschaft. Neue Tools und Anwendungen können Unternehmen beispielsweise dabei helfen, Lagerstättensimulationen zu visualisieren, um die Trefferquote bei Bohrungen zu erhöhen und Stromnetze für dezentrale Energieressourcen aufzurüsten, um Kosten zu senken und Möglichkeiten zu erweitern. Auch bei der Optimierung der Energieerzeugung durch Quantencomputing wurden große Fortschritte erzielt.
So wird Solarenergie eingesetzt
Bevor Sie Solarenergie einsetzen, sollten Sie sich informieren. Berechnen Sie die Kosten für Ihre Region, überprüfen Sie verfügbare Rabatte und Steuergutschriften, erkunden Sie verschiedene Systeme und sehen Sie sich die Bewertungen von Systeminstallationsfirmen an. Technisch gesehen können Sie Solarpanels selbst installieren, aber Sie sollten abwägen, ob das die beste Option für Sie ist.
Als Unternehmer müssen Sie bei der Umstellung auf Solarenergie mehrere Aspekte berücksichtigen, z. B. was an Ihrem Arbeitsplatz Strom verbraucht (Kühl- und Heizsystem, Maschinen, Geräte usw.). Auch wenn Sie, wie die Haushalte, mit der Zeit Kosteneinsparungen erfahren werden, ist der Umstieg auf Solarenergie wahrscheinlich mit einer Anfangsinvestition von Zeit und Geld verbunden. Es gibt jedoch IoT-Energielösungen , die Ihnen helfen, die Betriebskosten zu senken und gleichzeitig Angebot und Nachfrage zu optimieren und die Wartung der Netzanlagen zu überwachen.
Bei der Installation zu Hause würden die meisten Menschen wahrscheinlich den hohen Preis als das größte Hindernis für den Einstieg in die Solarenergie betrachten. So liegen die Kosten für ein Solarpanel-System in einem durchschnittlich großen Haus in den USA – nach etwaigen Steuergutschriften für Solaranlagen – zwischen 11 144 und 14 696 USD, und etwa 200 bis 250 USD pro Panel für ein kleines Heimwerkerprojekt, so Consumer Affairs. Einige Leitfäden erweitern den Bereich weiter, und die Kosten liegen zwischen 10 000 USD und 25 000 USD in den USA. Es gibt auch „weiche Kosten“ zu berücksichtigen, wie z. B. die Kosten für Genehmigungen und Installationsarbeiten. Sie könnten sich für das Leasing von Solarpanels entscheiden – das bedeutet, dass Sie keine Kosten für Installation, Wartung oder Reparaturen tragen müssen –, aber es gibt Vor- und Nachteile.
Die Anschaffungskosten können für die meisten Haushalte sehr hoch sein, und es gibt eine gewisse Wartezeit, bis sich die Solarpanels amortisiert haben (im Durchschnitt ist die Investition nach sieben bis 12 Jahren amortisiert). Die Einsparungen können jedoch auch erheblich sein: Laut HomeGuide können US-Bürger mit Solarenergie pro Jahr zwischen 600 und 2 000 USD an Stromkosten sparen. Darüber hinaus kosten einige Installationen weniger als die aufgeführten Abbildungen. Die Größe Ihres Hauses (ein größeres Grundstück bedeutet in der Regel einen höheren Preis), Ihr Energieverbrauch und die Art der Technologie, die Sie für Ihr System wählen, sind drei Hauptfaktoren, die die Kosten beeinflussen. Auf Websites wie Solar Estimate können Sie Ihre Postleitzahl eingeben oder Ihren Standort auf einer virtuellen Karte auswählen, um die Kosten für die Installation von Solarpanels auf Ihrem Haus zu ermitteln.
Auch Sie können die Solarenergie auf verschiedene Weise in Ihren Alltag integrieren, im Großen wie im Kleinen. Sie müssen auch nicht viel Geld ausgeben, um mit Solarenergie durchzustarten. So können Sie beispielsweise eine Solartasche für Ihr Smartphone, solarbetriebene Taschenlampen für Ihre Notfallausrüstung im Auto oder einen Solarkocher für Ihren nächsten Campingausflug kaufen – in einigen Fällen für weniger als 100 USD. Neben Solarpanels gibt es auch andere Möglichkeiten, Ihr Haus mit Sonnenenergie zu versorgen. Hausbesitzer können mit solarbetriebenen Geräten ihren Pool erwärmen und Solarleuchten aufstellen, um ihren Garten oder ihre Terrasse nachts zu erhellen. Sie können die solare Erzeugung auch in Ihrem Arbeitsleben nutzen. Möchten Sie aus der Ferne arbeiten, an einem anderen Ort? Nehmen Sie ein tragbares Solarpanel-Ladegerät mit, um Ihren Laptop mit Strom zu versorgen, während Sie draußen in einem Café arbeiten.
Die Zukunft der Solarenergie
Die Zukunft der Solarleistung ist aus folgenden Gründen hell (Wortspiel beabsichtigt):
- Es ist gut für den Planeten. Die Solarenergie ist nachhaltig und umweltfreundlich.
- Saubere Energie ist das Zeil der ganzen Welt. Nach dem Jahr 2035 werden 50 % des Energieverbrauchs aus erneuerbaren Quellen bezogen.
- Es wird kostengünstiger und effizienter. Es wird erwartet, dass die Preise für Solarstromsysteme weiter fallen, während der Service weiter verbessert wird.
- Sie trägt zur Schaffung neuer Unternehmen und Arbeitsplätze bei. Es wird erwartet, dass sowohl die Branche als auch das Beschäftigungswachstum in diesem Bereich florieren werden.
Was den letzten Punkt betrifft, so boomen die Berufe im Bereich der erneuerbaren Energien. Nach Angaben des Environmental and Energy Study Institute sind in diesem Sektor mehr als 3 Millionen Menschen in den USA und 11 Millionen Menschen weltweit beschäftigt. Die Anzahl der Arbeitsplätze in der Solarbranche variiert in den Vereinigten Staaten. Laut der Solar Energy Industries Association (SEIA) gibt es in North Dakota 211 Solararbeitsplätze, in Texas dagegen über 10 000. Dennoch gibt es im Bereich der Solarenergie Ingenieure, Forscher, Betreiber von Solaranlagen, Installateure und eine Vielzahl anderer Fachleute, die im ganzen Land arbeiten.
Die Unternehmen setzen auch auf die Solarenergie und andere erneuerbare Energien. Große Technologieunternehmen haben Initiativen zur sozialen Verantwortung und Umweltziele für ihre Organisationen angekündigt. Microsoft hat sich beispielsweise dafür entschieden, bis 2030 wasser- und kohlenstoffneutral zu sein. Auch den Verbrauchern ist die soziale Verantwortung der Unternehmen zunehmend wichtig, so dass man davon ausgehen kann, dass in naher Zukunft mehr Unternehmen Strategien für ihr Engagement im Bereich der Nachhaltigkeit entwickeln werden.
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Häufig gestellte Fragen
- Solarenergie ist die Energie der Sonne, die in Strom umgewandelt werden kann. Es handelt sich um eine erneuerbare Energiequelle, d. h. sie kann wieder aufgefüllt werden und ist nicht nach einmaliger Nutzung erschöpft. Solarenergie ist vielseitig einsetzbar und kann zur Stromversorgung von Gebäuden, zur Warmwasserbereitung, zum Aufladen von Elektronik und Geräten und vielem mehr verwendet werden. Solarenergie wird auch als Sonnenenergie oder Sonnenstrahlung bezeichnet. Mehr erfahren >
- Solarenergie kann sowohl im Haushalt als auch für gewerbliche Zwecke genutzt werden. In Privathaushalten kann sie zum Beispiel Strom, Warmwasser, Heizung und Kühlung bereitstellen. Einige Unternehmen nutzen Solarenergie für den Betrieb ihrer Büros, Fabriken oder landwirtschaftlichen Betriebe. Darüber hinaus können Regierungen öffentliche Einrichtungen wie Straßenbeleuchtung, Parkplätze, Verkehrsmittel und Schulen mit Solarenergie versorgen.
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Die Nutzung der Solarenergie hat mehrere Vorteile. Solarenergie ist nicht nur reichlich vorhanden und erneuerbar, sondern verringert auch unseren kollektiven Kohlenstoff-Fußabdruck, da die Solarstromerzeugung selbst keine Emissionen verursacht. Solarenergie kann auch kostengünstig sein. So werden zum Beispiel Solaranlagen dank des technischen Fortschritts immer erschwinglicher, und mit der Zeit können diese Anlagen die Stromrechnungen drastisch senken. Darüber hinaus ist Solarenergie skalierbar – sie kann für die Stromversorgung eines einzelnen Hauses oder einer ganzen Gemeinde genutzt werden. Und schließlich können Solarenergiesysteme an praktisch jedem Ort installiert werden, auch in abgelegenen Gebieten, was bedeutet, dass die Stromversorgung auch an Orten möglich ist, die keinen Zugang zu Elektrizität haben.
- Erstens gibt es drei Haupttechnologien zur Nutzung der Sonnenenergie: Photovoltaik (PV), konzentrierende Solarenergie (CSP) und solares Heizen und Kühlen (SHC). Nach der Nutzung des Stroms werden einige grundlegende Komponenten für die Speicherung benötigt: Batterien, Solarpanels, Teilmodule für kritische Lasten und Wechselrichter. Anschließend gibt es drei Möglichkeiten, solare Energie zu speichern: Batterie, mechanische Energie und Wärmespeicher. Je nach Ihren Bedürfnissen und dem Verwendungszweck der Solarenergie (z. B. für ein 1 200 Quadratmeter großes Haus in einem Vorort oder für ein großes Grundstück, das nicht an das Stromnetz angeschlossen ist), kann der Prozess unterschiedlich sein.
- Die anfänglichen Kosten für die Einrichtung können für viele Verbraucher sehr kostspielig sein. In den Vereinigten Staaten können die Kosten für ein Wohnhaus zwischen 10 000 und 25 000 USD liegen. In einigen Ländern gibt es jedoch staatliche Programme, mit denen Sie die Kosten für den Einstieg in die Solarenergie ausgleichen können. Dies könnte Ressourcen für den Aufbau eines kosteneffizienten Systems oder für die Sicherung verfügbarer Steuergutschriften umfassen. Es wird einige Zeit dauern (etwa ein Jahrzehnt), aber Sie sollten die Kosten für ein Solarpanel-System wieder einspielen und die Einsparungen auf Ihrer Stromrechnung sehen. Abhängig von Faktoren wie den Kosten Ihrer Solaranlage und der Größe Ihres Grundstücks können die Einsparungen bei den Stromkosten zwischen einigen hundert und einigen tausend Dollar pro Jahr liegen.
- Solarenergie ist eine der nachhaltigsten heute verfügbaren Energieformen. Sie ist nicht nur reichlich vorhanden und erneuerbar – die Sonne liefert jeden Tag genug Energie, um unseren derzeitigen weltweiten Energiebedarf für ein ganzes Jahr zu decken –, sondern kann auch wirtschaftlich und in großem Maßstab erzeugt werden. Die solare Stromerzeugung verursacht keine Treibhausgasemissionen, erfordert nur minimale Wartungskosten, sobald die Solarpanels installiert sind, und liefert Strom ohne das Risiko einer Wasser- oder Luftverschmutzung.
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