Erneuerbare Energien

Auf der Erde haben wir viele Probleme. Eines der größten ist die Energieversorgung. Es gibt Berechnungen, wonach im Jahr 2162 die Braunkohle, 2083 die Steinkohle, Uran im Jahre 2063, Erdgas im Jahr 2038, und der zur Zeit wichtigste Lieferant für Energie, das Erdöl, im Jahr 2031 ausgehen werden.

Deshalb müssen wir andere erneuerbare Energie nutzen wie zum Beispiel:

  • Sonnenenergie
  • Windenergie
  • Wasserkraft
  • Biomasse – Bioenergie
  • Erdwärme – Geothermie

Sonnenenergie

Erneuerbare Energien

Die Sonne ist unsere größte, unerschöpfliche Energiequelle. Die einwirkende Energiestrahlung ist 10.000 Mal höher als der gesamte Energiebedarf der Welt. Aber es muss beachtet werden, das diese nicht immer und überall zur Verfügung steht.

In Deutschland kann man durchschnittlich mit 1.600 Sonnenstunden pro Jahr rechnen, bis zum Äquator nimmt die Sonnenscheindauer bis auf 3.500 Stunden im Jahr zu.

Außerdem scheint die Sonne in der Nacht nicht und im Winter selten. Die Sonne strahlt jährlich zwischen 950 und 1100 kWh /m² ein. In Kalifornien sind es sogar 2200 kWh /m². Es gibt verschiedene Wege die Sonne zu nutzen.

Mit Flachkollektoren wird Warmwasser im Niedrigtemperaturbereich gewonnen, indem Sonnenstrahlen einen Absorber, die meist aus dunklen Kunststoff- oder Vakuumröhren bestehen, erwärmen und der Absorber die Wärme an Wasser abgibt. In Deutschland gibt es 300.000 m² solcher Anlagen und werden von normalen Haushalten zur Warmwasserzubereitung genutzt.

Eine weitere Möglichkeit, die Sonne zu nutzen sind Wärmepumpen für Warmwasserzubereitung und Raumheizung. Das Prinzip ist das umgekehrte wie beim Kühlschrank. Während im Innern des Kühlschrankes Wärme entzogen und an die Umgebungsluft abgegeben wird, nimmt die Wärmepumpe aus der Aussenluft, dem Grundwasser oder der Erde Wärme auf und pumpt sie auf eine höhere Temperatur, die dann einem Heizungssystem zugeführt wird.

Mit einem 1kWh zugeführter elektrischer Energie kann eine Heizwärme von 3 -4 kWh gewonnen werden. Wärmepumpen werden in Einfamilienhäusern, Schulen, Krankenhäuser, in Kaufhäusern und Schwimmhallen verwendet.

Mit Sonnenkraftwerken wird die Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt. Dafür wurden verschiedene Sonnenenergieanlagen entwickelt. Das sind die Sonnenturmkraftwerke, Sonnenfarmen und Solarzellenkraftwerke.

In einem Sonnenturmkraftwerk ist auf der Spitze ein Strahlungsempfänger installiert. Auf den sind viele Spiegel gerichtet. Auf diese Weise werden sehr hohe Temperaturen erreicht (500°C – 1200°C). Im Strahlungsempfänger wird ein Wärme- medium erhitzt z.B. Wasser das seine Energie an eine Dampfkraftanlage zur Stromerzeugung abgibt. Die Spiegel werden computergesteuert exakt dem Sonnenstand nachgeführt. Der Wirkungsgrad beträgt 16% das heißt es werden 16% der empfangenen Energie genutzt.

Sonnenfarmen „ernten“ mit becken- und wannenförmigen Kollektoren die Sonnenstrahlen. Die Sonnenstrahlen werden auf eine Brennlinie konzentriert die von einem Rohr gebildet wird. In dem Rohr wird Wasser erhitzt und in einem Rohrsystem zu einem Wärmeaustausch geführt. Auch diese Kollektoren werden computergesteuert der Sonnenbahn nachgeführt. Es werden ca. 400°C erreicht. Man kann diese Energie im Tagesablauf nicht voll nutzen.

Sonnenkraftwerke und Sonnenfarmen sind für Deutschland nicht geeignet.

Solarzellenkraftwerke dagegen sind für Deutschland geeignet.

Diese Art kennt jeder weil diese z.B. beim Taschenrechner angewandt wird. Man nennt diese Art auch photovoltaische Stromerzeugung. Solarzellen bestehen aus zehntelmillimeterstarken kristallinen Schicht, es werden Silizium, Galliumarsenid, oder Cadmiumtelurid verwendet. Bei Lichteinfall entsteht an den Kontakten der beiden Flächenseiten eine geringe Gleichspannung (Transistoreffekt).

Durch Reihen- und Parallelschaltung vieler Solarzellen lässt sich eine elektrische Leistung erreichen die von energiewirtlicher Interesse ist. Der Wirkungsgrad liegt bei 10%.

Es wurde errechnet das Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 10% in der Sahara- Wüste auf einer Fläche von 500.000 km² ausreichen würden um die ganze Menschheit mit Energie zu versorgen. Jährlich werden 50 MW Strom durch Solarzellen hergestellt bisher sind insgesamt 400 MW hergestellt worden.

Wenn man in Deutschland auf allen nach Süden gerichteten Dächern Solaranlagen baut könnten an einem sonnigen Sommertag 520.000.000 kWh Strom erzeugt werden. Anwendungen findet man im Schwimmbad, Freizeit- und Campinganlagen ebenso in der Weltraumtechnologie, Solarauto, Pumpen, Beleuchtung und vieles mehr genutzt. So eine Anlage „lebt“ 25 Jahre.

Eine indirekte Nutzung der Sonnenenergie sind die Aufwindkraftwerke dabei wird die Luft in einem Glashaus erwärmt so dass sie in einem Turm nach oben strömt und dort Turbinenschaufeln zum drehen bringt die Strom erzeugen. Diese Anwendung ist sehr billig und in der Nacht einsetzbar.

Warum Sonnenenergie?

Jedem Land der Erde, ob im Westen, Osten, im Süden oder Norden, ob am Äquator oder den gemäßigten Zonen – jedem Land wird Sonnenenergie der einen oder anderen Form zuteil. Alle solaren Energieformen gehen unmittelbar auf die Sonnenstrahlung zurück, welche sich auf dreierlei Weise in nützliche Sekundärenergie umwandeln lassen:

  • 1. thermische Energieumwandlung: Umwandlung der Energie der Sonnenstrahlen in Wärme durch Absorption in der Atmosphäre der Erde, im Boden und in den Gewässern;
  • 2. solarchemische/solarbiologische Energieumwandlung: Nutzung der Sonnenenergie zum Aufbau von chemischen Energieträgern und Biomasse von Pflanzen durch Photosynthese;
  • 3. solar-photovoltaische Energieumwandlung: Erzeugen von Strom in halbleitenden Solarzellen.

Thermische Energieumwandlung und Photosynthese geschehen natürlich aber die Photovoltaik kommt in der Natur nicht vor, so dass die Menschen den Halbleiter erfinden mussten.

Die Strommenge, die durch eine Solarzelle erzeugt wird, ist verglichen mit einer chemischen Batterie natürlich gering. Das Besondere an der Solarzelle aber ist, dass sie ohne Flüssigkeit, aggressive Chemikalien oder bewegliche Bauteile Strom erzeugt, solange sie der Sonne ausgesetzt ist.

Der US-Satellit Vanguard I war der erste seiner Art mit einer photovoltaischen Zelle, die dazu diente, die Funksignale des Satelliten zu verstärken. Noch nach etlichen Jahren konnten diese Signale auf der Erde empfangen werden.

Der Energiegehalt des Sonnenlichts, das während eines Jahres in einer relativ sonnigen Zone auf eine Fläche von der Größe eines Hektars niedergeht, liegt bei 3,8 Millionen Kilowattstunden. Wenn man in den Wüstenregionen der Erde, z. B. im kalifornischen Death Valley, der Wüste Gobi oder in der Sahara, beträchtliche Flächen mit Solarzellen eindecken würde, ließe sich damit der Strombedarf der Menschheit auf unbegrenzte Zeit decken.

Bei den ganzen Visionen gibt es nur ein Problem. Die Sonne scheint nicht immer und überall, um diese Menge zu erreichen. Ist der Himmel voller Wolken, scheinen die Strahlen nur verstreut und geschwächt durch und haben nicht die volle Leistung. Und die Wirtschaft hat das Prinzip, das Energie zu jedem Zeitpunkt und in ausreichendem Masse verfügbar sein muss. Das schaffen leider nur die großen Kraftwerke, wie zurzeit die Kernkraftwerke.

Es wird also, wie man es auch dreht, nie eine komplett saubere Energieversorgung geben können. Solange man sich dieser Tatsache bewusst ist, kann man versuchen, eine Harmonie zwischen den Energien zu finden.

Solarthermie

Als „Solarthermie“ bezeichnet man die energetische Nutzung von Sonnenlicht mittels Abzug und Umwandlung in Wärme. Grundsätzlich werden dabei zwei Bereiche unterschieden, nämlich der Niedrig- und der Hochtemperaturbereich.

Im Niedrigtemperaturbereich wird die Strahlung der Sonne direkt oder über einen Wärmeaustauscher für die Erwärmung von Wasser oder anderen Wärmeträgermediums verwendet. Im Hochtemperaturbereich geht es hauptsächlich um die Umwandlung der Sonnenwärme in elektrischen Strom. Es können aber auch extrem hohe Temperaturen für Forschungszwecke erzeugt werden.

Die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen gehört nicht zur Solarthermie. Physikalisch gesehen besteht Sonnenlicht aus elektromagnetischen Wellen, deren Länge zwischen, 0,3 und 2,5 millionstel Metern liegt. Treffen diese Strahlen auf Materie, so werden sie absorbiert. Schwarze Materialien eignen sich besser zur Energiegewinnung, weil sie das Licht vollständig aufnehmen.

Thermische Solarkraftwerke

Thermische Solarkraftwerke nutzen die Energie der Sonne, um Wärmeenergie zu erzeugen, die später in elektrische Energie umgewandelt wird. Auch hierbei gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei nur die drei wichtigsten genannt werden.

Bei Farmkraftwerken werden Parabolspiegel so eingestellt, daß dessen Brennpunkt auf ein durchsichtiges Rohr gerichtet ist. In diesen Rohren fliesst Öl. Öl wird wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit genommen. Das Öl fliesst durch einen Verdampfer und bringt dadurch Wasser zum verdampfen. Dieses treibt so eine Turbine an. Dieser treibt wiederum einen Generator an, der Strom erzeugt.

Das Turmkraftwerk arbeitet fast genauso wie das Farmkraftwerk. Auch hierbei wird Öl erhitzt. Eine Vielzahl von Spiegeln auf die Spitze eines Turms gerichtet, der durch die Sonnenenergie sehr stark erhitzt wird. Das innere des Turmes wird mit verschiedenen Flüssigkeiten durchflossen, die erhitzt werden.

Nach einem ganz anderem Prinzip funktioniert das Aufwindkraftwerk. Unter einer grossen Glasfläche wird Luft erwärmt. Die warme Luft steigt in einem Turm auf und treibt eine Turbine an. Auch die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage ist sehr gross.

Solarchemie

Die Solarchemie läßt sich in die Bereiche Photochemie, Hochtemperaturchemie und Elektrochemie auf der Basis von Solarelektrizität unterteilen.

Langfristig ist vor allem an die Herstellung synthetischer Energieträger als Ablösung fossiler zu denken. Meistens wird Wasserstoff in den Vordergrund gestellt, doch sind auch organische Verbindungen oder Metalle, z. B. Aluminium, mögliche Träger.

Eine wichtige Möglichkeit bietet die Methanolproduktion als Kombination von Solarchemie und Nutzung von Biomasse – vor allem im Blick auf die Langzeitspeicherung und den leitungslosen Transport.
Das sind Vorteile, die heute ausschliesslich die fossilen Energieträger bieten.

Aufbau der Photovoltaik

Das Ausgangsmaterial der heute für Photovoltaik-Anlagen verwendeten Solarzellen auf dem Dach Ihres Hauses, ist einfacher Quarzsand. Aus dem Quarzsand wird unter hohem Energieaufwand eine Schmelze mit glasbildenden Oxiden hergestellt; am Ende bekommt man Glaswolle.

Durch Auslaugen mit heißer Salzsäure entsteht hochreines Siliziumdioxid, das im Kohle-Lichtbogenofen zu Rohsilizium reduziert wird. Dabei entsteht das Gas Kohlenmonoxid, das verbrannt und als ,,Treibhausgas“ Kohlendioxid an die Umwelt abgegeben wird.

Bei der weiteren Verarbeitung zu Reinstsilizium fallen Säuren an, die zwar neutralisisert, aber in Form von Salzen in einen Vorfluter geleitet werden. Wiederum unter hohem Energieaufwand wird das Reinstsilizium bei einer Schmelztemperatur von 1410°C umgeschmolzen und zu runden Barren gezogen (monokristalline Zellen) bzw. zu Blöcken gegossen (polykristalline Zellen).

Die Endfertigung der Zellen erfolgt je nach Typ mit unterschiedlichen Verfahren. Trotz der aufwendigen Herstellung ist die Energiebilanz von Solarzellen insgesamt positiv:

Die energetische Tilgung erfolgt abhängig vom Aufstellungsort etwa nach drei bis fünf Jahren Betriebszeit. Als Erntefaktor wird für Solarzellen aus heutiger Fertigung bis zu 10 genannt, wobei man von einer Lebensdauer des kompletten Solarmoduls von 30 Jahren ausgeht.

Prinzip der Photovoltaik

Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial. Die Lichteinstrahlung schießt quasi Elektronen aus ihren angestammten Bahnen in dem Silizium-Molkül (photoelektrischer Effekt), so das „Löcher“ und freie Elektronen entstehen.

Die freigesetzten Elektronen wandern zum Pluspol, die „Löcher“ zum Minuspol – so kommt ein Gleichstrom zustande. Der photoelektrische Effekt läßt sich bei einer Vielzahl von Materialien beobachten, in der technischen Anwendung kommt aber fast ausschließlich Silizium zur Anwendung.

Dieses kommt als polykristallines und als monokristallines Silizium zum Einsatz. Monokristallines Silizium hat eine höhere Stromausbeute pro Flächeneinheit und wird deswegen heutzutage bevorzugt verwandt.

Bei Wohnhäusern ist der sogenannte Netzparallelbetrieb die erste Wahl; in den Sommermonaten wird der überflüssige Strom an das Stromnetz des örtlichen Energieversorgers abgegeben, in den Wintermonaten wird Strom eingekauft.

So werden etwa 70% des Solarstroms selbst verbraucht und 30% verkauft bei einer angenommenen Solaranlage von 10 Quadratmetern (Schätzwert). Eine gute Anlage mit qualitativ hochwertigen Komponenten erzeugt in Süddeutschland ca. 900 – 1.100 kWh.

Um den gesamten Jahresstrombedarf eines energiebewußten 4-Personen-Haushalts von ca. 2.700 kWh mit Solarstrom zu decken, reicht also eine PV-Anlage mit einer Leistung von ca. 3 kWp aus.

Bei einer Abweichung von der idealen Südausrichtung um bis zu 45° liegt der Energieverlust bei ca. 5%. Selbst bei Ost- bzw. West-Dächern ist die Energieeinbuße nur ca. 20%. Das heisst: Auch nicht optimal südorientierte Dachflächen sind problemlos für die Solarenergiegewinnung zu nutzen.

Zusammenfassung

Wenn wir alle dieses kleine Opfer in Kauf nehmen und der Staat gleichzeitig mit Projekten wie dem inzwischen eingestellten 100.000-Dächer-Programm fördert, dann sieht man für den umweltfreundlichen Solarstrom in Deutschland eine grosse Zukunft.

Denn die Solarenergie wird dem Menschen, im Gegensatz zu den fossilen Energien, wohl nie ausgehen.

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