Sonnenenergie

Sonnenenergie bezeichnet die elektromagnetische Strahlung der Sonne, die auf der Erde als Licht und Wärme ankommt. Sie kann direkt (Photovoltaik = PV) oder indirekt (z. B. Wind, Wasserkraft, Biomasse) energetisch genutzt werden. In der Energiewirtschaft steht der Begriff heute vor allem für die technisch nutzbare Solarstrahlung, die in Elektrizität oder Wärme umgewandelt wird.

Geschichte

Antike und Vormoderne

Griechische und römische Architekten richteten Gebäude konsequent nach Süden aus, um Licht und Wärme passiv zu gewinnen. Berichte über brennende Spiegel, die Archimedes zugeschrieben werden, illustrieren frühe Versuche, Sonnenstrahlen zu konzentrieren, sind jedoch historisch nicht gesichert.

Frühe Experimente (19. Jahrhundert)

• 1839: Alexandre Edmond Becquerel entdeckt den photovoltaischen Effekt in einer elektrochemischen Zelle.
• 1861–1880: Augustin Mouchot konstruiert solarthermische Dampfkessel, die Wasser erhitzen und kleine Maschinen antreiben.

Diese Arbeiten liefern die physikalische Grundlage, bleiben jedoch noch ohne wirtschaftliche Wirkung.

Aufbruch der Photovoltaik (1950er–1960er Jahre)

• 1954: Bell Laboratories stellen die erste monokristalline Silizium-Solarzelle (≈ 6 % Wirkungsgrad) vor.
• 1958: Der Satellit Vanguard 1 nutzt Solarzellen als primäre Stromquelle und demonstriert die Zuverlässigkeit der Technik im Weltraum.

Die Photovoltaik etabliert sich als Nischentechnologie für Raumfahrt und abgelegene Anwendungen.

Kommerzielle Vorstöße (1970er–1990er Jahre)

• 1973: Die Ölkrise löst weltweite Forschungs- und Förderprogramme für erneuerbare Energien aus.
• 1985: Silizium-Laborzellen überschreiten die 20-Prozent-Marke beim Wirkungsgrad.
• 1991: Michael Grätzel veröffentlicht die farbstoffsensibilisierte Solarzelle, was Dünnschicht und organische Konzepte voranbringt.

Trotz Fortschritten bleibt Solarstrom in dieser Phase noch kostenintensiv.

Marktdurchbruch und Skalierung (2000–2015)

• 2000: Das deutsche Erneuerbare Energien Gesetz führt garantierte Einspeisevergütungen ein und stößt eine weltweite Nachfragewelle an.
• 2008–2013: Chinesische Hersteller skalieren die Produktion; Modulpreise fallen um rund 80 Prozent.
• 2010er Jahre: Photovoltaik erreicht in sonnenreichen Regionen Stromgestehungskosten unter denen neuer Kohle- und Gaskraftwerke. Damit wird PV von einer geförderten Nische zu einer wettbewerbsfähigen Energiequelle.

Neueste Entwicklungen (seit 2016)

• 2016: Internationale Auktionen erzielen Strompreise unter 0,02 €/kWh; Großanlagen erreichen Gigawatt-Größenordnungen.
• 2022: Die weltweite installierte Leistung überschreitet 1 TW.
• 2025: Perowskit-Silizium-Tandemzellen melden Laborwirkungsgrade jenseits von 34 Prozent; stationäre Batterien und Power-to-X-Technologien verbreiten sich rasch. Diese Fortschritte senken Kosten weiter und erhöhen die zeitliche Verfügbarkeit von Solarstrom.

Speicherung der Sonnenenergie

Unter der Speicherung der Sonnenenergie versteht man sämtliche technischen Verfahren, die den zeitlich fluktuierenden Solarstrom oder die zeitabhängig verfügbare Solarwärme so bevorraten, dass sie nach Bedarf abrufbar bleiben. Auf Haushalts- und Quartiersebene dominieren heute Lithium-Ion-Batteriesysteme, weil sie hohe Wirkungsgrade von 88–95 Prozent mit fallenden spezifischen Kosten unter 200 €/kWh verbinden und sich unmittelbar mit Photovoltaikanlagen koppeln lassen.

Für kleine und mittlere Gebäude puffern sie typischerweise Tageszyklen, erhöhen den Eigenverbrauchsanteil auf bis zu 80 Prozent und gestatten in Kombination mit bidirektionalen Wechselrichtern sogar eine Notstromversorgung. Im industriellen Maßstab gewinnen Natrium- und Eisen-Batterien sowie Redox-Flow-Systeme an Bedeutung, da sie mit preiswerteren Rohstoffen arbeiten, hohe Zyklenzahlen erlauben und sich unabhängig von der Kapazität skalieren lassen.

Für konzentrierende Solarthermie-Kraftwerke (CSP) sind sensible und latente Wärmespeicher Stand der Technik. Geschmolzene Salze, häufig eine Mischung aus Natrium- und Kaliumnitrat, speichern Temperaturen bis 565 °C über Zeiträume von 8 bis 14 Stunden und erreichen Gesamtwirkungsgrade von rund 75 Prozent. Damit kann ein Solarturmkraftwerk auch nach Sonnenuntergang Spitzenlast erzeugen, ohne zusätzliche fossile Feuerung. Auf kommunaler Ebene finden Wasser- oder Erdbecken-Speicher Anwendung, die Fernwärmenetze über Tage bis Wochen entkoppeln; in nordeuropäischen Anlagen wird solarthermische Energie sogar saisonal gespeichert, indem Gesteinsvolumen oder Aquifersysteme als Langzeitreservoir dienen.

Langfristige chemische Speicherung, oft als „Power to X“ bezeichnet, wandelt Überschussstrom elektrolytisch in Wasserstoff, Methan oder synthetische Flüssigkraftstoffe um. Wasserstoff kann in Kavernen eingelagert, über Brennstoffzellen rückverstromt oder direkt in Stahl und Chemieprozessen eingesetzt werden. Die Gesamteffizienz von Strom-zu-Strom-Pfaden liegt zwar bislang erst bei 35–45 Prozent, doch bietet die Methode den Vorteil saisonaler Speicherdauern und sektorübergreifender Nutzung. Komplementär dazu dienen Pumpspeicherwerke, Druckluftspeicher und Schwungräder als großtechnische Kurzzeitpuffer zur Frequenz und Spannungsstabilisierung der Netze.

Kosten einer PV-Anlage

Die Wirtschaftlichkeit netzgekoppelter Photovoltaikanlagen wird von Investitionskosten, Eigenverbrauchsquote, Einspeisevergütung und Betriebsausgaben bestimmt. Mitte 2025 liegen schlüsselfertige Preise für Ein- bis Zweifamilienhäuser in Deutschland bei 1.200–1.600 €/kWp; Gewerbedächer unterschreiten oft 1.000 €/kWp, großflächige Parks erreichen 800 €/kWp. Bei Dachanlagen entfallen rund 50% der Gesamtkosten auf Module, 15% auf Wechselrichter und je 10–15% auf Montagesystem sowie Restinstallation.

Eine typische 7-kWp-Anlage kostet folglich 9.000–11.000 €. Lithium-Ion-Speicher à 10 kWh erhöhen die Investition um 5.000–7.000 €, steigern jedoch den Eigenverbrauch von 35% auf bis zu 80% und reduzieren den Netzbezug zu derzeit 30–40 ct/kWh. Unter Annahme konstanter Strompreise amortisieren sich Privatanlagen in 7–12 Jahren; interne Verzinsungen erreichen 5–8%. Wartung, Versicherung und Wechselrichterersatz schlagen mit etwa 1–2% der Anfangskosten jährlich zu Buche.

Bei Freiflächenprojekten werden Wirtschaftlichkeitskennzahlen über Stromgestehungskosten (LCOE) bewertet: Neue Parks produzieren in Deutschland für 4–6 ct/kWh, in Wüstenregionen unter 2 ct/kWh, womit Photovoltaik zu den kostengünstigsten Primärenergien zählt. Steuerbefreiungen für Kleinanlagen bis 30 kWp, KfW-Förderkredite, Contracting-Modelle und Bürgerbeteiligungen verbessern die Rendite zusätzlich. Steigen Endkundentarife schneller als prognostiziert, verkürzt sich die Amortisation entsprechend, und die Rendite wächst zusätzlich.

Einsatz in Kommunen

Kommunen nutzen Sonnenenergie oft als zentrales Instrument ihrer lokalen Energie- und Klimapolitik. Typischerweise beginnen sie mit der Ausstattung eigener Liegenschaften – Rathäuser, Schulen, Sporthallen, Klärwerke und Wasserwerke werden mit Dach- oder Fassadenanlagen versehen, um den Eigenstrombedarf zu decken und Betriebskosten unabhängig von Strompreisvolatilitäten zu machen.

Viele Städte kombinieren diese Anlagen mit Batteriespeichern, um Lastspitzen zu glätten und Notstromfähigkeit zu gewährleisten. Parallel entstehen auf Flachdächern von Parkhäusern und als Überdachung kommunaler Parkplatzflächen sogenannte Solarcarports, die zugleich Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge bereitstellen und den öffentlichen Fuhrpark CO₂-frei versorgen.

Größere Flächenpotenziale erschließen kommunale Versorger (Stadtwerke) über eigene Freiflächen oder Floating-PV-Projekte; dabei werden Baggerseen, Klärteiche oder stillgelegte Deponien genutzt, um Konflikte mit Landwirtschaft und Naturschutz zu minimieren. Planungsrechtlich erfolgt dies meist über Sondergebiete „Solarenergie“ im Bebauungsplan oder über Bebauungsprivilegien im Außenbereich nach § 35 BauGB. Die Investition kann als Eigenbetrieb, per Contracting oder in Bürgerbeteiligungsmodellen erfolgen, bei denen Einwohner:innen über Genossenschaften oder Crowdfunding Anteile erwerben und damit an den Erträgen partizipieren. Bürger-Energiegenossenschaften stärken lokale Wertschöpfung, erhöhen Akzeptanz und beschleunigen Genehmigungsprozesse.

Zahlreiche Bundesländer verlangen inzwischen kommunale Solarkataster, die Dach und Freiflächenpotenziale digital erfassen und über Geoportale öffentlich zugänglich machen. Diese Datenbasis dient als Grundlage für Förderprogramme, Quartierskonzepte und kommunale Wärme- und Strompläne.

In Klimaschutz- oder Energieleitplänen verankern Städte Zielpfade zur Klimaneutralität, die konkrete Ausbauraten für PV, Speicher und Sektorkopplung (Wärmepumpe, Elektromobilität, Wasserstoff) vorgeben. Förderbanken unterstützen Projekte mit zinsgünstigen Krediten; parallel vergeben Kommunen Dachpachten oder Erbbaurechte, um privaten Investoren Planungssicherheit zu bieten.

Herausforderungen liegen vor allem in begrenzten Netzanschlusskapazitäten, konkurrierenden Flächennutzungen und steigenden Anforderungen an Genehmigungen. Daher setzen viele Kommunen auf Smart-Grid-Ansätze, lastflexible Verbraucher und regionale Stromtarife, um Netzbelastungen zu reduzieren und Wirtschaftlichkeit zu steigern.

Insgesamt hat sich Photovoltaik in Kommunen von einer Einzelmaßnahme zu einem zentralen Baustein integrierter, sektorübergreifender Energie und Mobilitätsstrategien entwickelt, der sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile für die lokale Gemeinschaft bietet.