{"id":1274,"date":"2025-09-05T11:35:48","date_gmt":"2025-09-05T09:35:48","guid":{"rendered":"https:\/\/elv001.staging.360vier.net\/?p=1274"},"modified":"2026-04-15T09:15:12","modified_gmt":"2026-04-15T07:15:12","slug":"energiequelle-sonne-grundlage-existenz-erneuerbare-energien","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/energiequelle-sonne-grundlage-existenz-erneuerbare-energien\/","title":{"rendered":"Regenerative Energien, Teil 1: Energiequelle Sonne"},"content":{"rendered":"\n

Regenerative Energien, Teil 1<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Grundlage unserer Existenz: Energiequelle Sonne<\/h1>\n\n\n\n

Unser Planetensystem ist nur ein Staubkorn in den nahezu unendlichen Weiten des uns bekannten Universums. Seine r\u00e4umliche Dimension ist nach menschlichen Ma\u00dfst\u00e4ben unfassbar gro\u00df und verdeutlicht die verschwindend geringe Gr\u00f6\u00dfe des Raumschiffs Erde in unserem Sonnensystem und erst recht in galaktischen Ma\u00dfst\u00e4ben. Die einzige unmittelbare Energiequelle ist die Sonne als Zentralgestirn, welches die Planeten auf mehr oder weniger konzentrischen Bahnen umlaufen. Nur der g\u00fcnstige Abstand der Erde zur Sonne schafft Oberfl\u00e4chentemperaturen, die gemeinsam mit dem Vorhandensein von Wasser die Entstehung organischen Lebens erm\u00f6glichten. Das alles entstand vor vielen Millionen Jahren und ist heute noch die Voraussetzung f\u00fcr den Fortbestand der terrestrischen Biosph\u00e4re.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Bild 1<\/mark> zeigt unser Planetensystem, dessen Mittelpunkt die Sonne ist. Der ma\u00dfst\u00e4blichen Abstandsskala kann man entnehmen, dass auf keinem anderen Planeten (m\u00f6glicherweise au\u00dfer dem Mars) Temperaturen herrschen, die uns \u00e4hnliche Lebensvoraussetzungen bieten.<\/p>\n\n\n\n

\"Bild
Bild 1: Unser Planetensystem besteht aus der Sonne als Zentralstern, den die Planeten auf nahezu kreisf\u00f6rmigen Bahnen umrunden. Nur der Radius der Erdbahn l\u00e4sst Temperaturen zu, die Voraussetzung f\u00fcr biologisches Leben nach unseren Ma\u00dfst\u00e4ben sind.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
<\/div>\n\n\n\n

Solarkonstante<\/h2>\n\n\n\n

Zur Berechnung der von der Sonne in eine Fl\u00e4che von 1\u202fm2<\/sup> im Erdabstand eingestrahlten Energie denken wir uns eine Kugel um die Sonne, deren Radius der Entfernung Erde\u202f\u2013\u202fSonne von etwa 150 Millionen Kilometern entspricht. Die Erde liegt dann auf der Oberfl\u00e4che dieser Kugel. Weil die Sonne als idealer Kugelstrahler ihre durch Kernfusion st\u00e4ndig entstehende Energie gleichf\u00f6rmig in alle Richtungen ausstrahlt (isotroper Strahler), l\u00e4sst sich der auf einem Quadratmeter bei der Erde ankommende Leistungsbruchteil berechnen. Diese Leistungsdichte mit der Einheit W\/m2<\/sup> bezeichnet man langj\u00e4hrig gemittelt als Solarkonstante E0<\/sub>. Man ermittelt sie gem\u00e4\u00df Gleichung (1)<\/mark> zu E0<\/sub> = 1,361 kW\/m2<\/sup> senkrecht zur Strahlungsrichtung ohne den absorbierenden Einfluss der Atmosph\u00e4re.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Bei E0<\/sub> handelt es sich wegen der jahreszeitlichen Schwankungen des Radius der Erdumlaufbahn um die Sonne (periodische Exzentrizit\u00e4t) um einen Mittelwert, der zwischen 1,325\u202fkW\/m2<\/sup> im sonnenfernsten Bahnpunkt (Aphel) und 1,420\u202fkW\/m2<\/sup> im sonnenn\u00e4chsten (Perihel) pendelt.<\/p>\n\n\n\n

Weil die Solarkonstante die Sonnenstrahlungsdichte vor dem Eintritt in die Erdatmosph\u00e4re beschreibt, kann sie dort am besten durch Satelliten ermittelt werden. Um den Atmosph\u00e4reneinfluss auszuschlie\u00dfen, werden seit 1978 satellitengest\u00fctzte Messungen zur Bestimmung der Solarkonstante im Weltraum vorgenommen. Der Ende 1995 gestartete Satellit SOHO (SOlar and Heliospheric Observatory) f\u00fchrt kontinuierliche Beobachtungen der Sonne mit einem Radiometer (Detektor zur Messung der Bestrahlungsst\u00e4rke) durch. Der Satellit kreist um den Lagrangepunkt L1 des Planetensystems Sonne\u202f\u2013\u202fErde. L1 ist ca. 1,5 Millionen Kilometer von der Erde in Richtung Sonne entfernt und ein f\u00fcr die Sonnenbeobachtung besonders interessanter Ort (Bild 2)<\/mark>. In L1 hebt sich die Gravitationskraft der Sonne mit jener der Erde auf, was den antriebslosen Sonnenumlauf des Satelliten synchron mit der Erde erm\u00f6glicht. Von L1 aus gesehen ist es auf der Erde immer Tag und der Blick auf die Sonne dauerhaft unverstellt. Die SOHO-Mission ist f\u00fcr eine Lebensdauer von ca. 30\u202fJahren ausgelegt und wird vom K\u00f6nig\u00adlichen Meteorologischen Institut (KMI) von Belgien koordiniert.<\/p>\n\n\n\n

\"Bild
Bild 2: Der Lagrangepunkt L1 ist zur Positionierung von Sonnenbeobachtungssatelliten ideal geeignet, weil sich in ihm die Anziehungskraft von Erde und Sonne aufhebt und ein Satellit antriebsfrei gemeinsam mit der Erde die Sonne umrundet. Zeichnung ist nicht ma\u00dfst\u00e4blich!<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Bei klarem Himmel (clear sky condition) erreicht Strahlung mit einer Leistungsdichte von etwa 1000\u202fW\/m2<\/sup> die Erdoberfl\u00e4che. Wolken, Regen, Nebel oder Luftverschmutzung im Strahlengang des Sonnenlichts k\u00f6nnen je nach ihrer St\u00e4rke dessen Intensit\u00e4t um 30 bis 90\u202fProzent schw\u00e4chen. Weil die Absorption von Sonnenlicht beim Durchlaufen der Erdatmosph\u00e4re von der L\u00e4nge der Laufstrecke abh\u00e4ngt, ist die im Tagesverlauf in einen Quadratmeter senkrecht eingestrahlte Leistung um die Mittagszeit (h\u00f6chster Sonnenstand) am gr\u00f6\u00dften, morgens und abends bei niedrigem Sonnenstand entsprechend kleiner. Das Gleiche gilt f\u00fcr den Verlauf der Jahreszeiten.<\/p>\n\n\n\n

<\/div>\n\n\n\n

Eingestrahlte Leistung<\/h2>\n\n\n\n

Die Sonne strahlt eine Leistung in den ihr zugewandten Teil der Erdatmosph\u00e4re ein, die problemlos den heutigen Energiebedarf der Menschheit decken kann. Dazu die folgenden Gedanken. Die Fl\u00e4che der Erdkontur FErde<\/sub> in m2<\/sup> multipliziert mit der Solarkonstante E0<\/sub> entspricht der auf die Erde eingestrahlten Leistung. Der Vergleich mit dem globalen Jahresenergieverbrauch 2023 ergibt, dass dieser \u00fcber die in knapp einer Stunde eingestrahlte Energie abgedeckt wird Gleichung (2)<\/mark>. Das ist nat\u00fcrlich nur ein rein hypothetischer Wert, der voraussetzt, dass die komplette Erdoberfl\u00e4che mit Kollektoren bedeckt w\u00e4re, welche die eingestrahlte Energie restlos aufnehmen k\u00f6nnten, um sie anschlie\u00dfend zu 100\u202fProzent in eine nutzbare Form (Elektrizit\u00e4t, Prozessw\u00e4rme, Bewegung, etc.) umzuwandeln.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

In Deutschland w\u00e4re nach Absch\u00e4tzungen in Bernd Stoys Buch \u201eWunschenergie Sonne\u201c (ISBN 3-87200-611-S) im Jahr 2000 eine Fl\u00e4chennutzung von 7\u202fProzent entsprechend einem Quadrat mit ca. 130\u202fkm Seitenl\u00e4nge zur Energiebedarfsdeckung in Form von Elektrizit\u00e4t und Niedertemperaturw\u00e4rme (Warmwasser, Heizung \u2026) erforderlich. Dem lag eine Prognose auf der Grundlage des Stands der Technik von 1980 und des Energieverbrauchszuwachses bis zum Jahr 2000 zugrunde. Allerdings erreichen nicht 100 Prozent der in die Atmosph\u00e4re eingestrahlten Sonnenenergie den Erdboden. Betr\u00e4chtliche Teile der Strahlung werden an Wolken, Eisschichten, Wasserfl\u00e4chen und der Erdoberfl\u00e4che reflektiert, an Feuchtigkeits- und Schmutzpartikeln in der Atmosph\u00e4re gebeugt, absorbiert oder reflektiert. Dadurch verliert dieser derartigen Ver\u00e4nderungen unterworfene Strahlungsanteil seine eindeutige Ausbreitungsrichtung und nimmt mehr oder weniger diffuse Eigenschaften an Bild 3<\/mark>. Im Jahresmittel trifft dies in Deutschland auf ca. 50\u202fProzent der Gesamtstrahlung zu.<\/p>\n\n\n\n

\"Bild
Bild 3: Das Sonnenlicht erreicht die Erdoberfl\u00e4che entweder als direkte Strahlung oder in der Atmosph\u00e4re diffus gestreut. Beide Anteile \u00fcberlagern sich zur Globalsstrahlung.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Einem Fact-Sheet der NASA<\/a> zufolge hat der auf der Erdoberfl\u00e4che auftreffende solare Energiestrom eine Leistung von 4,4\u202f\u00b7\u202f1016\u202fW, was der Leistung von 44\u202fMillionen modernen Kraftwerken mit je 1\u202f\u00b7\u202f109\u202fW (1000 MW) entspricht.<\/p>\n\n\n\n

Die von der Jahreszeit abh\u00e4ngigen Gr\u00f6\u00dfenverh\u00e4ltnisse der direkten und diffusen Einstrahlung zeigt Bild 4<\/mark>. Man sieht, dass die direkte Strahlung in den Sommermonaten \u00fcberwiegt und gegen Fr\u00fchjahr und Herbst abnimmt. Weil die Tageslichtdauer im Sommer l\u00e4nger ist, f\u00fchrt das zus\u00e4tzlich zu h\u00f6herer Effizienz von solarthermischen und photoelektrischen Energiegewinnungsanlagen.<\/p>\n\n\n\n

\"Bild
Bild 4: Der Verlauf der Anteile der direkten und der diffusen Sonneneinstrahlung im Verlauf eines Jahres<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Direkte Sonneneinstrahlung ist grunds\u00e4tzlich nur w\u00e4hrend des \u201eLichten Tags\u201c m\u00f6glich. Darunter versteht man die Zeitspanne zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang, die von Jahreszeit und Standort abh\u00e4ngt. Bild 5<\/mark> zeigt dies f\u00fcr einige St\u00e4dte auf der Nordhalbkugel. Man erkennt, dass am \u00c4quator (Breitengrad 0) das ganze Jahr \u00fcber Tag- und Nachtgleiche (\u00c4quinoktium) herrscht. Mit zunehmender n\u00f6rdlicher Breite steigt die Tagesl\u00e4nge an. Am Nordpol geht die Sonne sogar ein halbes Jahr lang nicht unter (Polartag) und verweilt ein halbes Jahr unter dem Horizont, geht also nicht auf (Polarnacht).<\/p>\n\n\n\n

\"Bild
Bild 5: So ver\u00e4ndern sich die Tagesl\u00e4ngen \u00fcber ein Jahr auf verschiedenen Breitengraden der n\u00f6rdlichen Erdhalbkugel.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wegen der Rotationssymmetrie der Erdkugel sind an jedem Ort auf dem selben Breitengrad zur gleichen Zeit die Tage gleich lang. Zum Beispiel gilt das f\u00fcr St\u00e4dte auf dem 50. Breitengrad wie Mainz, Michelstadt, Krakau, Kiew, Pilsen, Winnipeg und Vancouver. Im Norden Deutschlands (List auf Sylt: 55,9\u00b0\u202fN, 17,37\u202fh) sind die l\u00e4ngsten Tage in etwa 1,4 Stunden l\u00e4nger als im S\u00fcden (Berchtesgaden: 47,6\u00b0\u202fN, 15,97\u202fh), wie man Bild 6<\/mark> entnehmen kann. Allerdings beschreibt die Sonne einen flacheren Bogen, was sich in einer geringeren Globalstrahlung niederschl\u00e4gt.<\/p>\n\n\n\n

\"Bild
Bild 6: Bereits in Deutschland sind die Tagesl\u00e4ngenunterschiede zwischen Nord und S\u00fcd deutlich erkennbar. \nAuf Sylt \u00fcbertrifft der l\u00e4ngste Tag mit 17 Stunden 22 Minuten den von Berchtesgaden mit 15 Stunden 58 Minuten um 1 Stunde 24 Minuten.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts beschreibt die St\u00e4rke seiner elektromagnetischen Frequenzkomponenten. Bild 7<\/mark> zeigt drei Intensit\u00e4tskurven:<\/p>\n\n\n\n

    \n
  1. die des idealen schwarzen Strahlers bei einer Oberfl\u00e4chentemperatur von 5900 K (5630 \u00b0C);<\/li>\n\n\n\n
  2. die von extraterrestrischem Sonnenlicht vor dem Eintritt in die Erdatmosph\u00e4re. Luftmasse AM0 bedeutet dabei, dass keine Atmosph\u00e4re durchstrahlt wird;<\/li>\n\n\n\n
  3. die mit einem Winkel von 48,19\u202fGrad einfallende solare Strahlung. Luftmasse AM1,5 bedeutet bei dem Einfallswinkel von 48,19\u202fGrad eine 1,5\u202fmal gr\u00f6\u00dfere Wegl\u00e4nge der Sonnenstrahlung durch die Atmosph\u00e4re als bei senkrechter Einfallsrichtung von 90\u202fGrad (AM1). Auf AM1,5 als Standardspektrum (STC: Standard Test Condition) haben sich die Metrologen (Messtechniker) weltweit geeinigt, um vergleichbare Messergebnisse f\u00fcr Photovoltaikzellen zu erzielen. Das Spektrum AM1,5 ist in der Norm IEC 904-3 (1989) Teil\u202fIII beschrieben (IEC: International Electrotechnical Commission).<\/li>\n<\/ol>\n\n\n\n
    \"Bild
    Bild 7: Die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts unter drei verschiedenen Randbedingungen weist unterschiedliche Intensit\u00e4tsverl\u00e4ufe auf.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
    <\/div>\n\n\n\n

    Globalstrahlung<\/h2>\n\n\n\n

    Unter Globalstrahlung versteht man die auf der Erde in einer waagerechten Fl\u00e4che ankommende Summe aus direkter und durch Wolken, Wasser- und Staubpartikel (Aerosole) in der Atmosph\u00e4re gestreuter (diffuser) Sonnenstrahlung. Deren Relation variiert r\u00e4umlich und zeitlich und h\u00e4ngt von zahlreichen Faktoren ab, n\u00e4mlich von<\/p>\n\n\n\n