Thomas Göken und Christopher Eineke
Bio-Referat : Alternative Energiequellen
1. Sonnen- bzw. Solarenergie (Photovoltaik)
Eine für unsere Zeitbegriffe unerschöpfliche Energiequelle ist die Sonne. Obwohl Sonnenenergie als eine neue oder unkonventionelle Energiequelle betrachtet wird, wird sie (historisch gesehen) für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Viele Jahrhunderte lang wurden Salzlösungen durch Verdunstung eingetrocknet, um Salz zu gewinnen; ebenso wurden landwirtschaftliche Produkte in der Sonne getrocknet. Die Brauchwassererwärmung, also Warmwassererwärmung, mit Sonnenenergie ist eine übliche Methode, um in Teilen von Australien, Israel und Japan Warmwasser für den Haushalt zu bereiten. Auf der Herstellung, dem Verkauf und der Installation von Ausrüstungsteilen zur Warmwasserbereitung mit Sonnenenergie beruht in diesen Ländern eine kleine aber lebensfähige Industrie.
Die Menschen in den hochindustrialisierten Staaten begannen in den letzten Jahren, ihre Einstellung zur Umwelt, zu den Rohstoffen und zu den Energiereserven zu ändern. Aus dieser Haltung heraus, angespannt durch die steigenden Energiekosten, bemühen sich verantwortungsbewußte Techniker, mit Energie sparsamer umzugehen und die vorhandenen Energiequellen effektiver nutzbar zu machen. Ganz besonders bemüht man sich in Europa seit wenigen Jahren, wieder Sonnenenergie zu gewinnen und zu verwerten. Die praktische Nutzung von Sonnenenergie mit technischen Methoden hat ja bereits eine über 100jährige Geschichte. Aber Ingenieure, die die zeitgemäße Technik beherrschen, sehen sich jetzt mit der Technologie der Solarenergienutzung, der 'HELIOTECHNIK', häufiger konfrontiert. Die Gewinnung von Wärme ist die derzeit wichtigste Form der Sonnenenergienutzung; das ist nicht zuletzt damit zu begründen, daß solarthermische Anlagen am ehesten wirtschaftliche betrieben werden können.
Die Sonnenenergie ist ein 'politisch sicherer' Energieträger, da Kontrollen oder Eingriffe von außen (z.B. des Auslandes) in das Sonnenenergieangebot in der BRD nicht möglich sind. Versorgungskrisen durch einen möglichen Ausfall von Sonnenenergie scheiden aus. Es entstehen damit auch keine betriebs- oder volkswirtschaftlichen Kosten zur politischen Sicherung des Anteils der Sonnenenergie an der Versorgung mit Primärenergieträgern.
Die Nutzung der Sonnenenergie verringert den Verbrauch fossiler Energierohstoffe. Der weltweite Vorrat an fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdgas, Erdöl) ist begrenzt, obschon dies zur Zeit noch nicht als drängendes Problem empfunden wird. Die jetzt verwendeten konventionellen Energieträger wie Erdöl, Erdgas und Kohle sind ursprünglich aus Sonnenenergie entstanden. Die Nutzung der Sonnenenergie ist nicht nur zum Schutz unserer heimischen Wälder, sondern auch zur Abwendung der Gefahr einer weltweiten Veränderung unseres Klimas dringend notwendig.
Die Energie der Sonne ist die notwendige Voraussetzung für das Wachstum der Bäume und den Kreislauf des Lebens im Ökosystem des Waldes. Richtig genutzt, mit den vielfältigen, technischen Möglichkeiten die uns heute schon zur Verfügung stehen, kann die Sonnenenergie auch dazu beitragen, die Verschmutzung unserer Luft zu vermeiden. Durch ihre Nutzung werden keine Stoffe an die Umwelt abgegeben (Emissionen), die den Wald und unsere Gesundheit schädigen und weltweit eine Gefahr für unser Klima bedeuten. Es gibt also auch kein Entsorgungsproblem wie z.B. bei der Urannutzung. Es sind also für den Primärenergienutzträger Sonnenenergie keine zusätzlichen Aufwendungen für den Umweltschutz in bezug auf Ver- und Entsorgung erforderlich. Daher bedarf ihr Einsatz als Energiequelle und die Erprobung neuer technischer Möglichkeiten verstärkter Förderung.
Unsere Wälder sind krank, und noch ist kein Ende bzw. eine Trendwende abzusehen. Die Ursachen sind vielfältig und wahrscheinlich recht kompliziert vernetzt. Nach mehr als 10 Jahren intensiver Forschung scheint jedoch ein Streßfaktor unter vielen bestimmend zu sein: die Übersäuerung der Böden, hervorgerufen durch den 'sauren Regen'. Unstrittig ist die verheerende Wirkung des 'sauren Regens' auf den Zustand vieler Seen und ihrer Biotope, und eindeutig ist auch, daß er aus Schwefeldioxid und Stickoxiden entsteht. Deren Hauptquellen sind konventionelle Öl- und Kohlekraftwerke, aber auch Heizanlagen in Industrie und im privaten Bereich, sowie die Millionen Automobile. Die Folgen dieser vom Menschen selbst geschaffenen Belastung können nicht oft und nicht drastisch genug genannt und beschrieben werden: mit dem Waldsterben - verursacht durch die Luftverschmutzung - verändern wir Klima und Lebensbedingungen von Tier und Mensch. Wir müssen also schnellstmöglich handeln und die schon weit fortgeschrittene Schädigungen unter Kontrolle bringen.
Kalkgaben in Form von Versprühen wiederum mögen kurzfristig dem Wald helfen, indem sie den 'sauren Regen' neutralisieren und die weitere Versauerung der Waldböden bremsen; sie sind aber kein Mittel zur Beseitigung der Schadenursachen.
Dies kann aber nur durch eine geänderte Energiepolitik geschehen, durch ein grundlegendes Umdenken und dadurch, daß altgewohnte Strukturen verlassen und neue entwickelt werden. Gemeint ist die vermehrte Nutzung der natürlichen Energiequelle Sonne, in ihrer direkten Form als Strahlungsenergie und ihrer Sekundärformen Wind, Wasserkraft und Biomasse. Hierbei kann die Nutzung gleichwohl im industriellen wie im privaten Bereich erfolgen, im ersten wirkungsvoll allerdings nur, wenn wir bereit sind, die industrielle Fertigung einer geänderten Energiebereitstellung, nämlich mehr als nur marginal aus regenerativen Quellen, anzupassen. Die ist durchaus keine utopische Vorstellung.
Woran Wissenschaftler heute angesichts der immer knapper werdenden Energievorräten fieberhaft arbeiten, hat die Natur schon vor Millionen von Jahren entwickelt: die Nutzung und Speicherung der Sonnenenergie. Die Sonne versorgt die Erde jährlich mit einer Energiemenge in Form von Strahlung m, die das in allen heute bekannten und vermuteten Vorräten an Öl, Kohle und Gas gespeicherte Enrgiepotential um das Zehnfache übersteigt (siehe Tabelle).
Die Sonne
Die Sonne besitzt eine Struktur und Eigenschaften; sie bestimmen die Art der Energie, die die Sonne in den Raum abstrahlt. Die Sonne ist eine Kugel von äußerst heißer gasförmiger Materie mit einem
Durchmesser von 1,39 x 10hoch6 km (1390000 km), und ist im Durchschnitt 1,5 x 10hoch8 km (150000000 km) von der Erde entfernt. Von der Erde sieht man, daß sich die Sonne ungefähr einmal alle vier Wochen um ihre Achse dreht. Jedoch rotiert sie nicht wie ein fester Körper; der Aquator benötigt ungefähr 27 Tage und die Polarregionen ungefähr 30 Tage für jede Umdrehung. Die Oberfläche weist eine wirksame Temperatur von 5762 K (Kelvin) auf. Die Temperatur im Bereich der Kernregion wird unterschiedlich auf 8 x 10hoch6 (8000000) K bis 40 x 10hoch6 (40000000) K geschätzt und die Dichte auf ungefähr das 80- bis 100-fache von der des Wassers. Die Sonne ist in der Tat ein kontinuierlich arbeitender Fusionsreaktor, dessen 'Kesselwanderung' aus Gasen bestehen, die durch Gravitationskräfte zusammengehalten werden. Man vermutet, daß mehrere Fusionsreaktionen die Strahlungsenergie der Sonne liefern, die wichtigste davon ist ein Prozeß, in welchem Wasserstoff (d.h. 4 Protonen) verschmilzt, um Helium (d.h. einen Heliumkern) zu bilden; die Masse des Heliumkerns ist geringer als die der vier Protonen. In der Reaktion wird also Masse verloren und in Energie umgewandelt. Bei der Kernfusion auf und in der Sonne werden in jeder Sekunde ca. 650 Millionen Tonnen Wasserstoff in ca. 646 Millionen Tonnen Helium umgewandelt. Die Differenz wird als Strahlungsenergie in den Weltraum gesandt(Materie wird in Energie gewandelt). Die Erde empfängt entsprechend der Entfernung nur den 2000 milliardsten Teil auf. Die Sonne verliert durch dieses 'Atomfeuer' in 1,5 Milliarden Jahren nur etwa 1 Prozent ihrer gegenwärtigen Masse. Astrophysiker schätzen das Alter der Sonne auf etwa 10 Milliarden Jahre, in dieser Zeit hat sie etwa 6 Prozent ihrer anfänglichen Masse verloren. Die Sonne strahlt der sich drehenden Erdkugel ständig 175 Milliarden Megawatt (MW) zu. In jeder Stunde empfängt die Erdkugel und die sie umgebenen Atmosphäre also 175 Milliarden Megawattstunden oder 175000 Milliarden Kilowattstunden. Diese Energie wird im Inneren der Sonnenkugel bei Temperaturen von vielen Millionen Grad erzeugt. Sie muß hinaus an die Oberfläche transportiert und dann in den Weltraum abgestrahlt werden. Es muß daher eine Folge von Strahlungs- und Konvektionsvorgängen, also Luftmassentransportsvorgänge, auftreten, wobei Emission, Absorption und Wiederabstrahlung sich abwechseln. Die Wellenlänge der Strahlung aus dem Sonnenkern befindet sich im Spektralbereich der Röntgen- und Gammastrahlen. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung nimmt in dem Maße zu, wie die Temperatur mit größer werdenden Radialentfernungen abfällt. Man vermutet, daß 90 % der Energie im Bereich zwischen 0 und 0,23 R (R = Radius der Sonne) erzeugt wird; darin sind 40 % der Sonnenmasse enthalten. Auf einer Entfernung von 0,7 R vom Sonnenzentrum hat die Temperatur auf ungefähr 130000 Celvin abgenommen und die Dichte auf 0,07 g/cm³. Hier beginnen die Konvektionsvorgänge bedeutend zu werden. Die Zone von 0,7 bis 1,0 R wird Konvektionszone genannt. Innerhalb dieser Zone fällt die Temperatur auf ungefähr 5000 K und die Dichte auf ungefähr 10 hochminusacht g/cm³ ab.
Die Sonne strahlt Energie in Form von Strahlung in den Raum, welche auf verschiedene Weise auf dem Erdboden auftreffen.
Direkte Strahlung (direkte Sonnenstrahlung) S, das ist die Strahlung, die, von der Sonne kommend, ohne Richtungsänderung empfangen wird.
Diffuse Strahlung (Himmelsstrahlung) H, das ist die Strahlung, die von der Sonne kommend empfangen wird, nachdem die Richtung durch Reflexion und Streuung in der Atmosphäre verändert worden ist.
Weitere grundlegende Arten von Strahlung, die beim thermischen Ablauf solartechnischer Prozesse von Bedeutung sind. Kurzwellige Strahlung wird durch gerade Pfeile versinnbildlicht, langwellige durch gewellte Pfeile:
Strahlungsflüsse sind wichtig in Verbindung mit dem thermischen Verhalten solartechnischer Anlagen. Für diese Zwecke betrachtet man die Strahlung in zwei Wellenlängenbereichen:
1. Sonnen- oder kurzwellige Strahlung
Das ist Strahlung, die von der Sonne stammt; sie liegt im Wellenlängenbereich von 0,3 bis 3,0 m, und ihre Strahlungsquelle weist eine Temperatur von ungefähr 6000 K auf.
2. Langwellige Strahlung
Das ist Strahlung, die von Strahlungsquellen stammt, deren Temperatur nahe der gewöhnlichen Umgebungstemperatur liegt und die daher im wesentlichen Wellenlänge mit > 3 m aufweist.
Die Entdeckungsgeschichte der Solarzelle
Grundsteine der >>elektrischen Lichtzellentechnik<< wurden von vier weltbekannten Forschern gelegt: von Heinrich Hertz, dem Entdecker der Rundfunkwellen; Werner von Siemens, er erfand die Dynamomaschine und baute als einer der ersten Ingenieure industrielle Lichtmesser; Max Planck, dem Entdecker der Strahlungsquanten und Begründer der Quantentheorie: und Albert Einstein, dem Begründer der Relativitätstheorie. Albert Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für die Deutung der Lichtelektrizität, also der Vorgänge, die auch in der Solarzelle eine entscheidende Rolle spielen. Im einzelnen ist die 47jährige Entdeckungsgeschichte so verlaufen:
1873 beobachtete W. Smith eine Stromleitfähigkeitsänderung von Selen durch Lichteinwirkung. Werner von Siemens nutzte alsbald diese Entdeckung zum Bau von Lichtmessern und half damit in Technik und Wissenschaft diese wichtige Beobachtung von W. Smith zu verbreiten.
1887 bemerkte Heinrich Hertz bei Untersuchungen über die Ausbreitung elektrischer Wellen als Nebenergebnis eine weitere lichtelektrische Erscheinung, den sogenannten äußeren lichtelektrischen Effekt. Er stellte fest, daß durch Bestrahlung der positiven Elektrode mit ultraviolettem Licht eine elektromagnetische Wellen erzeugende Funkenentladung bei niedrigeren Spannungen einsetzt. Diesen >>Hertz-Effekt<< untersuchte zunächst W. Hallwachs sehr gründlich und fand, daß die Bestrahlung der negativ geladenen Elektrode dagegen keine Veränderung hervorruft und auch keinerlei Ladungsabnahme bewirkt. Diese beiden Effekte wurden in den folgenden Jahren von sehr vielen Forschern immer wieder untersucht und bestätigt. Dabei wurde mehrmals u.a. festgestellt, daß die Energie der durch Licht herausgelösten Elektronen (der Photoelektronen, wie wir heute sagen) offensichtlich nicht von der eingestrahlten Lichtintensität, sondern nur von der Wellenlänge des Lichtes abhängt. Diese Versuchsergebnisse waren mit der damals gültigen Theorie von der Wellenlänge des Lichtes nicht vereinbar, nicht erklärbar, und lösten immer wieder Kopfschütteln aus.
1905 gab dann Albert Einstein die richtige Deutung. Er verband die von Max Planck am 14.12.1900 vor der Berliner Physikalischen Gesellschaft vorgetragene >>revolutionär<< wirkende Quantenhypothese (>>Strahlung ist von doppelter Natur: entweder Wellenerscheinung oder Energiequantenerscheinung<<) mit dem Wissen über Lichtelektrizität. Er zeigte, daß sich dadurch die beobachteten Erscheinungen verstehen lassen. Einstein zeichnete dabei folgendes durch weitere Experimente bestätigtem Bild von den Vorgängen:
1. Das auffallende Licht ist als ein >>Regen<< von Energiequanten anzusehen. Ein absorbiertes Energiequant überträgt einem Elektron seine Energie. Ist die Energie groß genug, das Elektron aus seiner Atombindung zu befreien, wird dieses aus der Metalloberfläche heraustreten (die zugeführte Energie wird in Austrittsarbeit umgesetzt!).
2. Die Quantenenergie ist abhängig von der Frequenz des Lichtes. Mit wachsender Frequenz (kürzer werdenden Wellenlängen) steigt die Energie. Die Intensität des Lichts (Vielzahl der Quanten) bestimmt nur die Zahl der befreiten Elektronen, sofern die Quanten die Mindesaustrittsarbeit zuführen.
3. Durch elektrische Ladung der dem Licht ausgesetzten Metallplatten wird der Austritt von Elektronen durch Anderung der Austrittsarbeit entweder erschwert, bei positiver Ladung, oder erleichtert, bei negativer Ladung. Die positive >>Elektronen anziehende<< Ladung vergrößert die Austrittsarbeit, die negative >>Elektronen abstoßende<< verkleinert sie.
1920 Die überzeugende Erklärung des >>äußeren lichtelektrischen Effekts<< erlaubte schließlich auch die Erklärung des von Smith 1873 entdeckten >>inneren lichtelektrischen Effekts<< (Leitfähigkeitserhöhung). Die Erklärung gaben W. Gudden und R.W. Pohl im Jahre 1920. Bei dem inneren lichtelektrischen Effekt verbleiben die >>abgelösten<< Elektronen im Körper und tragen zur Leitfähigkeitserhöhung bei.
1954 Die Solarzelle wird erfunden. In ihr werden die vom Licht im Innern abgelösten Elektronen an einem sogenannten n-p-Übergang spannungserzeugend gefangen.
Die Solarzelle
Man spricht von Photovoltaik, wenn die Energie des Sonnenlichts mit Solarzellen in Strom verwandelt wird. Das griechische 'photo' steht dabei für Licht, während 'Voltaik' vom Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta abgeleitet ist, dem die Erforschung der Elektrizität viel verdankt und nach dem deshalb auch die Maßeinheit Volt für die elektrische Spannung benannt wurde. Von der Photovoltaik zu unterscheiden ist die solarthermische Stromgewinnung, die die Wärme der Sonne zur Erhitzung von Wasser oder eines anderen geeigneten Mediums verwendet, um die so gewonnene Energie wiederum in Strom zu verwandeln. Im Grunde gehen alle fossilen und erneuerbaren Energien auf die Sonne zurück. Das gilt für Kohle, Erdgas und Öl ebenso wie für Wasserkraft, Windenergie, Biogas oder nachwachsende pflanzliche Rohstoffe. Die Photovoltaik ist aber sicher die eleganteste Art, die Sonnenenergie in Strom zu verwandeln: Man braucht lediglich die Solarzelle dem Licht auszusetzen und an ihren Kontakten den elektrischen Strom abzugreifen. Die Solarzelle stellt sozusagen ein elektrisches Mini-Kraftwerk dar. Sie ersetzt Dampfkessel, Turbine und Generator. Die Solarzelle leistet sogar noch mehr: Sie überspringt selbst den Vorgang der Photosynthese, die die Voraussetzung für pflanzliches Leben ist und dem wir deshalb unsere vor Jahrmillionen entstandenen Vorräte an Kohle, Öl und Gas verdanken. Sie wandelt die Sonnenenergie ganz unmittelbar in Strom um. Physiker haben errechnet, daß der Wirkungsgrad von Solarzellen, je nach Material, theoretisch an die 30 % betragen könnte. In der Praxis werden gegenwärtig etwa 13 bis 15 % erzielt, unter besonders günstigen Bedingungen bis zu 18 %. Damit ist der Wirkungsgrad in jede Falle erheblich größer als bei der pflanzlichen Photosynthese (2%) und nur etwa um die Hälfte niedriger als bei den Öl- oder Kohlekraftwerken. Wenn die Photovoltaik bisher dennoch nur einen verschwindend geringen Anteil an der Deckung des gesamten Strombedarfs hat, so liegt dies weniger an ihrem Wirkungsgrad als an den bislang noch relativ hohen Herstellungskosten in Verbindung mit der grundsätzlichen geringen 'Leistungsdichte' der Sonnenstrahlung. Diese beträgt nämlich höchstens 1 Kilowatt je Quadratmeter. Dies bedeutet in sonnenreichen Gegenden eine nutzbare Leistung von jährlich etwa 2,5 kWh je Quadratmeter, in unseren Breiten jedoch nur etwa 1kWh je Quadratmeter. Für die Nutzung der Sonnenenergie sind demnach große Flächen erforderlich. Hinzu kommt, daß die Herstellung von Solarzellen zunächst mal einen beträchtlichen Energieaufwand erfordert. Und dieser Energieaufwand wird erneut fällig, wenn sie ausgedient haben und deshalb ersetzt werden müssen. Die Lebensdauer von Zellen aus Silizium wird derzeit auf rund dreißig Jahre veranschlagt.
Der Photoeffekt
Die Solarzelle nutzt den sogenannten Photoeffekt, genauer gesagt den Sperrschicht-Photoeffekt, zur Stromerzeugung. Der Photoeffekt ist im Prinzip schon seit über 150 Jahren bekannt: 1839 stellte der französische Physiker A. E. Becquerel fest, daß zwischen zwei Elektronen, die er zuvor in ein Säurebad getaucht hatte, ein Strom floß, wenn er die eine davon dem Licht aussetzte. 1887 entdeckte der deutsche Physiker Heinrich Hertz, daß zwischen zwei Elektroden eines Funkeninduktors der elektrische Funken leichter übersprang, wenn die eine Elektrode mit ultraviolettem Licht bestrahlt wurde. Sein Schüler Hallwachs erforschte dieses Phänomen näher und stellte dabei fest, daß eine mit ultraviolettem Licht bestrahlte Zinkplatte einen schwachen Strom erzeugen kann.
Zusammenbau zu Modulen und Solarzellenanlagen
Um Verluste durch Reflexion des Lichts zu vermindern, werden die Solarzellen mit einer dünnen Schicht Titanoxid überzogen, die ihnen ihr charakteristisches blaues Aussehen verleiht. Ferner müssen die dünnen, spröden und zerbrechlichen Zellen gegen mechanische Erschütterungen und Witterungseinflüsse geschützt werden. Normalerweise baut man gleich mehrere Solarzellen in einem Gehäuse mit transparenter Abdeckung zu einem 'Modul' (engl. panel) zusammen. Zur Erzielung höherer Spannungen werden dabei die einzelnen Zellen in Serie geschaltet. Um zuverlässig in eine 12-Volt-Batterie einspeisen zu können, muß ein solches Modul bis zu 40 polykristalline oder bis zu 30 monokristalline Zellen enthalten, was Spannungen von 15 bzw. 20 Volt entspricht. Die erhöhte Spannung ist deshalb erforderlich, weil bei Erwärmung des Moduls Spannung und Stromstärke absinken, und zwar bei polykristallinen Zellen stärker als bei monokristallinen. Aufgrund der Wärmeempfindlichkeit der Solarzellen ist die Stromproduktion unter ansonsten gleichen Lichtverhältnissen an heißen Standorten schlechter als an kühlen. Standorte im Hochgebirge eignen sich deshalb besonders für Photovoltaik. Aus den Modulen lassen sich wiederum Anlagen mit noch größeren Leistungen zusammenstellen. Dabei muß darauf geachtet werden, daß alle Solarzellen gleichmäßig dem Licht ausgesetzt sind. Fällt nämlich die Spannung eines Moduls ab - beispielsweise weil es von einem Baum beschattet wird -, so speisen die anderen Solarzellen 'rückwärts' in dieses Modul ein, was dessen Erwärmung, weiteren Leistungsabfall und möglicherweise sogar die Zerstörung bewirkt. Dieser Effekt kann durch Parallelschaltung einer 'Bypaß-Diode' vermieden werden, die beim Leistungsabfall das Modul gleichsam überbrückt bzw. kurschließt.
Solarkollektoren
Der Einstaz von Solarkollektoren beschränkt sich in der Bundesrepublik Deutschland weitgehend auf den Niedertemperaturwärmebereich, da hier die Direkteinstrahlung der Sonne für eine Nutzung im Mittel- und Hochtemperaturwärmebereich zu gering ist. Die Anwendungsschwerpunkte der
Kunststoff-, Flach- und Vakuumröhrenkollektoren liegen bei der Brauchwassererwärmung und der Schwimmbadbeheizung. Die insgesamt in der Bundesrepublik Deutschland installierte Kollektorfläche beträgt knapp 300.000 m². Die technische Leistungsfähigkeit der Anlagen konnte in den vergangenen Jahren deutlich verbessert werden. Ein PV-Feld von 16 m² (so viel Platz ist im Mittel auf dem Süddach eines ein- bis vier-Familienhaus in der Bundesrepublik in der Bundesrepublik vorhanden) erzeugt pro Jahr rund 1600 kWh Strom. Jede auf diese Weise (anstatt im Kraftwerk im heutigen Primär-Energieträger-Mix) gewonnene und ins öffentliche Netz eingespeiste Kilowattstunde (kWh) vermeidet Schwefel- und Kohlendioxid, Staub und andere Schadstoffe; die selbstproduzierten 1600 kWh sparen Jahr für Jahr ca. 1000 kg Kohlendioxid und 1,2 kg Schwefeldioxid.
Die Anwendungen der Solartechnologie
Die Solartechnologie ist heute bereits in der Lage durch die Vielzahl ihrer Anwendungsmöglichkeit im Einfamilienhaus, Schwimmbad-, Freizeit- und Campingbereich, in der Landwirtschaft sowie im industriellen Bereich ihren Beitrag zur Energieversorgungsfähigkeit dieser Energiequelle ist positiv zu bewerten. Der dezentrale Einsatz der Photvoltaik könnte auch bezüglich der Haupt-Stickoxidquelle, des Automobils, positives für den Wald - und ganz allgemein für gesündere Luft - leisten, sofern wir als autofahrende Gesellschaft bereit wären, ein klein wenig Abstriche am 'immer schneller, immer mehr'-Denken in Kauf zu nehmen.
Die Solarenergie wird also
verwendet.
Passive Nutzung der Sonnenenergie
Die passive Nutzung der Sonnenenergie für Wärmeversorgung von Gebäuden umfaßt eine Vielzahl von architektonischen Konstruktionselementen. Die nach Süden weisende Fensterfläche ist die energetisch wirksamste Komponente solaren Bauens. Dabei lassen sich mit hochwärmegedämmten Fenstern höhere solare Gewinne als bisher erreichen. In Zukunft dürfte vor allem die transparente Wärmedämmung eine größere Bedeutung erlangen.
Photovoltaische Systeme
Photovoltaische Systeme auf Basis kristallinen und amorphen Siliziums sind zwar bereits in größerem Umfang verfügbar, doch besteht noch ein erheblicher technischer Entwicklungsbedarf. Der Markt umfaßt heute im wesentlichen der Kleingerätebereich (Rechner, Uhren u.ä.), das netzferne Wohnen(Beleuchtung, Pumpen u.ä.), die netzferne kommerzielle Nutzung(Kommunikation, Signalanlagen u.ä.) und die netzgekoppelten Anlagen (Wohn- und Fabrikgebäude, Kraftwerke). Die technische Weiterentwicklung konzentriert sich auf Fortschritte in der elltechnologie, um höhere Wirkungsgrade und geringere Kosten zu erzielen. Dem sollen auch neue Materialien und kostengünstigere Herstellungsverfahren dienen. Wesentliche Verbesserungen werden außerdem auf dem Gebiet der Systemtechnik erwartet.
Photovoltaik in der Praxis
Theoretisch lassen sich mit Solarzellen beliebige Spannungen und Stromstärken erzielen. Man braucht nur die einzelnen Module - wie bei Batterien - entsprechend hintereinander (höhere Spannung)
oder parallel (höhere Stromstärke) zu schalten. Der erzeugte Strom läßt sich in Batterien einspeisen, so daß er selbst dann zur Verfügung steht, wenn es dunkel ist. Ebenso kann der Solarstrom über Wechselrichter ins Netz eingespeist werden. In der Praxis ist der photovoltaisch erzeuge Strom allerdings noch so teuer und erfordert einen derart hohen Flächenbedarf, daß er bislang nur für spezielle Anwendungen im Schwachlastbereich in Frage kommt. Zum Beispiel sind Solarzellen ideale Stromerzeuger für Taschenrechner, Kopfhörer-Radios, elektrische Weidezäune, Meßstationen, Signaleinrichtungen und sonstige verbrauchsarme Elektronik. Auch Fernsehumsetzer werden mitunter schon mit ihnen betrieben. Sie können auch preisgünstiger, als es der Bau einer Leitung wäre, die Stromversorgung einer Berghütte oder eines Wochenendhaus sicherstellen. Eine Alternative zur normalen Stromerzeugung können sie aber - bislang jedenfalls - nicht bieten. Von praktischer Bedeutung sind die Solarzellen beim gegenwärtigen Stand der Technik vor allem für die Stromversorgung in Entwicklungsländer. In diesen sonnenreichen, aber unerschlossenen Gebieten können sie beispielsweise Bewässerungspumpen antreiben und eine bescheidene Stromversorgung für Beleuchtung, Rundfunkempfang oder Kühlung sicherstellen.
Weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit
In den Labors ist man zuversichtlich, den Wirkungsgrad von Solarzellen noch erheblich verbessern und gleichzeitig die Herstellungskosten senken zu können, so daß sich der wirtschaftlich sinnvolle Einsatzbereich erheblich erweitern könnte. So hofft man, den Wirkungsgrad von Zellen aus amorphem Silizium auf bis zu 15 % steigern zu können. Durch sogenannte Tandem- oder Tripelzellen, bei denen zwei oder drei Dünnschicht-Solarzellen mit unterschiedlichen Spektralempfindlichkeit übereinander liegen, könnte man sogar etwa 20 % erreichen. Es wird nicht nur mit Silizium experimentiert, sondern auch mit anderen Halbleitermaterialien wie Kadmiumtellurit, Kupferindium-Diselenid oder Legierungen aus Silizium und Germanium. Ebenso hofft man das Langzeitverhalten der Dünnschicht-Zellen verbessern zu können, das bislang solchen aus kristallinem Silizium unterlegen ist. Bei der traditionellen 'Dickschichtzelle' aus Silizium eröffnet die MIS-I-Zelle (Metall-Isolator-Silizium-Inversionssolarschichtzelle) neue Möglichkeiten zur Senkung der Herstellungskosten infolge des Wegfalls von Verfahrensschritten und der Erhöhung des Wirkungsgrades durch doppelseitige Nutzung. Am fernen Horizont zeichnet sich sogar die Möglichkeit ab, die Photosynthese der Pflanzen eines Tages durch eine Art Farbanstrich kopieren zu können, der das einfallende Licht in elektronischem Strom umsetzt.
