Die von der Sonne auf einen m² an einen bestimmten Ort eingestrahlte Energie – wichtigste Größe zur Planung von Solaranlagen. In Mitteleuropa durchschnittlich 1.100 kWh pro Jahr.

Um Solaranlagen, z.B. Kollektoren zur Warmwasserbereitung, optimal auslegen zu können, benötigt man drei Angaben (über viele Jahre gemittelte Werte am Standort der Anlage):

• Die Bestrahlungsstärke oder Intensität (vom Lateinischen intentus, heftig) ist die Leistungsdichte der globalen (aus Himmels- und Direktstrahlung zusammengesetzten) Sonnenstrahlung, d.h. die Energie, die sie in einer Sekunde auf eine zur Strahlung senkrechte Fläche von 1 m² überträgt. Ihre höchsten auf der Erde – in südlichen Ländern und an klaren Hochsommertagen mittags – gemessenen Werte liegen um 1.000 W je m². In Mitteleuropa betragen die Höchstwerte etwa 900, die Tiefstwerte - im Januar bei bedecktem Himmel – etwa 20 W je m².
• Die Sonnenscheindauer ist ein Maß, wie viele Stunden eine Solaranlage direkt – d.h. ohne Inanspruchnahme eines Energiespeichers - genutzt werden kann. Von den 8.760 Stunden des Jahres haben auch die sonnigsten Gegenden der Erde allenfalls 3.500 Stunden Sonnenschein. In Mitteleuropa beträgt die durchschnittliche Sonnenscheindauer etwa 2.000 Stunden.
• Wichtigste Kenngröße ist die Be- oder Einstrahlung (auch Isolation), das Produkt aus Mittelwert der Bestrahlungsstärke und Sonnenscheindauer, mithin die nutzbare Sonnenenergie je Tag, Monat oder Jahr. In den sonnigsten Gebieten der Erde erreicht sie etwa 2.500 kWh pro m² und Jahr.

Die weit auseinander liegenden jährlichen Höchst- und Tiefstwerte z.B. der Bestrahlungsstärke sind Ausdruck der Tatsache, dass in Mitteleuropa die Sonnenenergie sehr ungleichmäßig ist. Drei Viertel der Einstrahlung fallen im Sommerhalbjahr von April bis September an, nur ein Siebtel – aber zwei Drittel des Heizbedarfs – in den Monaten November bis Februar. Solange keine wirtschaftlichen Energiespeicher zur Verfügung stehen, können Solaranlagen den Bedarf nicht allein decken, sondern nur als Brennstoff-Sparer dienen. In sonnenreichen Ländern sind die Zukunftsaussichten für wirtschaftliche Solaranlagen günstiger.

Deutschland
Die jährliche Sonnenscheindauer liegt in Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz mit 1.300 bis 1.500 Stunden am niedrigsten, in den südlichen Bundesländern mit 1.700 bis 1.900 Stunden am höchsten. Ähnliche Unterschiede zeigt auch die Einstrahlung, die im Durchschnitt 1.000 kWh je m² und Jahr beträgt.

Österreich
Entsprechend seiner südlicheren Lage und durchschnittlich etwas höheren Sonnenscheindauer erreicht die Einstrahlung im Mittel 1.200, in Westösterreich und Kärnten 1.300 und im Hochgebirge sogar über 1.400 kWh je m² und Jahr.

Schweiz
Bei Durchschnittswerten wie jenen Österreichs ist die Einstrahlung im Mittelland infolge der häufigen winterlichen Hochnebeldecke spürbar niedriger. Als erstes Land hat die Schweiz 1985 ein Verzeichnis mit der monatlichen und jährlichen Einstrahlung auf jeder der über 3.000 Gemeinden erstellt.

Umwandlung einer Energieform in eine andere, z.B. von Wasserkraft in Elektrizität, oder Umwandlung eines Energieträgers in einen anderen, z.B. von Biomasse in Biogas. Immer mit Umwandlungsverlusten verbunden.

Um einen Energierohstoff in eine brauchbare Energieform zu bringen, ist in der Regel eine Energieumwandlung nötig. Sie erfolgt in Anlagen, die auf die Besonderheiten des Energierohstoffs und der gewünschten Energieform abgestimmt sind – z.B. kann Windenergie mit Windturbinen zum Wasserpumpen oder aber in Windkraftanlagen zur Erzeugung von Elektrizität genutzt werden. Bei einer Energieumwandlung erscheint die Ausgangsenergie nie vollständig als Endenergie wieder, weil immer Umwandlungsverluste auftreten, etwa im Generator einer Windkraftanlage. Diese Verluste äußern sich meist als Wärme (z.B. als Erwärmung des Generators), die sich in der eigentlichen Umwandlung nicht mehr nutzen lässt und daher Abwärme (oder Anergie) genannt wird. Wegen dieser Verluste ist der Wirkungsgrad immer kleiner als 100%.
Wichtige Umwandlungen sind die von der Wärme (z.B. Sonnenstrahlung oder Erdwärme) in Wärmekraftmaschinen zu Antriebsenergie oder weiter zu Elektrizität. Aufgrund eines Naturgesetzes, des 2. Hauptsatzes der Wärmelehre, fällt der in Antriebsenergie umwandelbare Anteil, die Exergie, um so geringer aus, je kleiner der Temperaturunterschied zwischen Ausgangs- und Endtemperatur (in der Regel Umgebungstemperatur) ist. Arbeitet z.B. ein Solarturm-Kraftwerk mit Dampf von 540°C, so beträgt die Energie zwar 64%; weil aber noch Umwandlungsverluste z.B. im Generator dazukommen, mach der Wirkungsgrad dieser Umwandlung nur 40% aus. Rechnet man zudem die Verluste durch Abstrahlung vom Turmempfänger und die Strahlungsverluste zwischen Heliostaten und Empfänger dazu, bleiben nur 15 bis 20% Gesamtwirkungsgrad.

Wärme, die aus dem Erdinneren durch die Erdkruste dringt. Die Nutzungsmöglichkeiten sind beschränkt, örtlich jedoch bedeutend und wirtschaftlich. In Dampf- und Heißwasser gelöste Chemikalien erfordern Umweltschutz.

Die Wissenschaft unterscheidet heute vier Zonen des Erdballs:

• Innerer Kern von 1.350 km Halbmesser, wahrscheinlich fest und über 6.000° C heiß (es gibt keine schlüssige Erklärung der Herkunft dieser Wärme).
• Flüssiger Kern, etwa 2100 km mächtig.
• Fester Erdmantel, ungefähr 2900 km mächtig und 1200°C heiß.
• Feste Erdkruste, unter den Kontinenten durchschnittlich 35km (unter dem Ozean 5km) mächtig. Die Temperatur nimmt, von etwa 10°C nahe der Oberfläche, je 1000 m Tiefe um etwa 30°C zu, beträgt also in 2.000 m Tiefe rund 70°C. Die ist gleichbedeutend mit einem mittleren Wärmestrom (Leistungsdichte) von 0,063 W je m² zur Erdoberfläche, wo diese Erdwärme zur Abstrahlung beträgt. Ungefähr 40% der Erdwärme kommen nicht aus dem Erdkern, sondern entstehen in der Kruste durch radioaktiven Zerfall von Uran, Thorium und Kalium.

Die Erdwärme oder Geothermie (vom Griechischen ge, Erde, und therme, Wärme) erschöpft sich im Laufe der Jahrmillionen zufolge der Abstrahlung. Gleichwohl wird sie als erneuerbare Energie eingestuft, weil das für menschliche Begriffe unendlich lange Zeiträume sind. Gleiches gilt für Sonne und Sonnenenergie.

Potential
Erdwärme ist zwar überall vorhanden. Wegen des geringen Wärmestroms (etwa ein Dreitausendstel der Einstrahlung von der Sonne) kommen für eine Erdwärme-Nutzung in erster Linie jene Stellen in Frage, wo die Erdkruste viel dünner, der Erdwärme-Strom daher größer als der Mittelwert ist und die Temperatur mit der Tiefe rasche zunimmt. An diesen „positiven Anomalien“, vornehmlich in den Vulkangürteln der Erde, gibt es tiefliegende Heißwasser- und Dampfvorkommen, die über Erdwärme-Kraftwerke und Erdwärme-Heizungen örtlich bedeutende Beiträge zur Energieversorgung leisten können. Erdwärme-Bergbau, der erst erforscht wird, soll Erdwärme auch außerhalb von Anomalien nutzen. Mit Erdsonden, die bis zu 100 m tief in den Boden versenkt werden, könnte in Mitteleuropa (wo es keine Dampfvorkommen gibt) schätzungsweise die Hälfte der Heizwärme gedeckt werden.

Wirtschaftlichkeit
Im allgemeine müssen zur Erdwärmenutzung Bohrungen niedergebracht werden, die teuer und riskant sind (weil man nie mit Sicherheit fündig wird). Meist sind auch umfangreicher Umweltschutz und Maßnahmen gegen Korrosion nötig. Aus diesen Gründen ist die Erdwärme-Nutzung nur wirtschaftlich, wenn die Energie von Heißwasser oder Dampf so vollständig wie möglich genutzt wird – Dampf z.B. zuerst in einem Erdwärmekraftwerk, dann zur Haus-Heizung, schließlich für Treibhäuser.

Umweltverträglichkeit
Dampf und Heißwasser lösen Chemikalien aus dem Gestein, aus dem sie kommen: immer Schwefelwasserstoff, meist auch giftige, korrosive und übel riechende Chemikalien wie Ammoniak, Arsen, Blei, Bor, Chlor und verschiedene Säuren. Wo diese Stoffe Wasser- und Luftverschmutzung mit sich brächten, muss daher das abgearbeitete Heißwasser dorthin zurückgeleitet werden, wo es entnommen wurde. Bohrtätigkeit und freies Entweichen von Wasser und Dampf können mit Lärm verbunden sein, Rohrleitungen über tage Landschaftsschutz verlangen. Erdwärme-Kraftwerke haben Wirkungsgrade zwischen 10 und 20% und geben daher im Verhältnis mehr Abwärme ab als andere Wärmekraftwerke (mit Wirkungsgraden von 30 bis 40%). Wo das Wasser nicht in die Erde zurückgeleitet wird, sind starke Bodensetzungen beobachtet worden. Die Rückleitung kann auch geringe örtliche Erdbeben auslösen, weil das kalte Wasser Spannungen im Gestein verstärkt.