Solarenergie

Die Solarenergie ist wahrscheinlich die aktuell meist diskutierte regenerative Energieform. Kann man einfach die Wärme, die die Sonne täglich auf die Erde strahlt (165 Watt pro Quadratmeter im Jahr im Durchschnitt) in Strom umwandeln?

Zunächst ist die Beantwortung der Frage stark standortabhängig. Wo kann wirtschaftlich und sinnvoll mit Solarenergie gearbeitet werden? Während in Mittel- und Nordeuropa die Strahlung unter dem Durchschnitt liegt, steigt sie Richtung Süden immer weiter an. In Südeuropa wird der Durchschnittswert bereits übertroffen, in Afrika liegt er weit darüber. Mit dieser Menge lässt sich fünftausendmal mehr Energie erzeugen als der Mensch braucht. Unterschieden werden die Stromerzeuger zwischen direkter Nutzung der Strahlen über Solarzellen und indirekter thermischer Nutzung. Natürliche Sonnenenergie wie zum Beispiel Biomasse wird hier nicht betrachtet.

Solarenergie – Stromerzeugung durch Solarzellen

Mittlerweile gehören Photovoltaikanlagen zum Alltagsbild in Deutschland. Diese Anlagen bestehen aus mehreren zusammengesetzten Solarzellen – Solarmodule genannt. Das einfallende Sonnenlicht wird von der Anlage absorbiert. Teile der so entstehenden Elektronen wandern nach unten, wo eine Spannung entsteht und schlussendlich Strom erzeugt wird. Der andere Teil geht als Wärme verloren. Vor der Netzeinspeisung muss dieser Gleichstrom noch in Wechselstrom umgewandelt werden. Andere Formen der Photovoltaikanlage wandeln den erzeugten Strom nicht um, sondern speichern ihn in Akkus, bzw. leiten ihn direkt zum Verbraucher weiter.

Laut der Bundesnetzagentur wurden im Jahre 2009 etwa 6.500 GWh durch Solaranlagen in Deutschland eingespeist. Damit ist die Sonnenenergie hinter der Windkraft und Biomasse die drittgrößte regenerative Energieform. Spitzenreiter nach Bundesländern sind Bayern und Baden-Württemberg, je weiter nördlich man geht, desto weniger Solarstrom wird erzeugt.

Gerade in Deutschland werden solche Anlagen hauptsächlich in kleineren Formen errichtet, da sie meist privat und auf kleinen Flächen installiert werden (Nebeneffekt: kleinere Kraftwerke haben einen höheren Wirkungsgrad). Aufgrund der wenig nutzbaren Fläche und Sonneneinstrahlung ist das Potenzial der Photovoltaik begrenzt. In Australien, Kalifornien oder Afrika können solche Anlagen erstens in größerem Ausmaß gebaut werden und zweitens liefern sie dort mehr und konstant Strom, wodurch sich die Amortisationszeit verringert. Trotzdem stehen in Deutschland einige der größten Anlagen weltweit.

Solarenergie – Thermische Solarkraftwerke

Bei Sonnenwärmekraftwerken wird nicht die direkte Einstrahlung der Sonne genutzt, sondern die damit verbundende Wärme. Die Anlagen werden noch einmal in zwei Arten unterteilt: zum einen gibt es Methoden um die Sonnenstrahlen zu bündeln, zum anderen wird die Strahlungswärme direkt genutzt. Bei der ersten Anwendung werden sehr hohe Temperaturen erreicht.

Da die Errichtung solcher Anlagen mit hohen Wartungskosten verbunden ist, lohnen sie sich in Deutschland nicht. Zudem brauchen sie eine enorme Fläche, sodass ein Einsatz in sonnenreichen und weitläufigen Gegenden sinnvoll ist.

Solarenergie – direkte Nutzung der Wärme

Die Solarwärmekraftwerke ohne Strahlenbündelung sind im Gegensatz zu den Bündelungsanlagen noch relativ unausgereift und haben schlechte Wirkungsgrade. Zudem sind sie größtenteils noch in Planung.

Am weitesten fortgeschritten dürfte die Forschung bei Aufwindkraftwerken sein. Hier wird der thermische Aufwind der von der Sonne erhitzten warmen Luft genutzt. Solch ein Kraftwerk besteht aus einem großen Turm, vorzugsweise aus Glas, um die Wärme und das Licht durchzulassen. Nun scheint die Sonne hinein, die warme Luft strömt nach oben und treibt Turbinen an, die Strom erzeugen. Aufwindkraftwerke sind weitaus mehr als die anderen Solarkraftwerke vom Standort abhängig. Der Platzverbrauch ist aufgrund des großen Radius und der Bauhöhe enorm, in Hinblick auf das Wetter (Wärme, Sonnenstrahlung und –intensität, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck) kommen nur wenige Gebiete in Frage.

Kraftwerke mit Bündelung – Parabolrinnenkraftwerke und Solarturmkraftwerke

Diese Form des Solarkraftwerks ist bereits im Einsatz und dürfte in Zukunft noch mehr zur Energieerzeugung beitragen. In Form von Parabolrinnen- oder Solarturmkraftwerken wird das einfallende Sonnenlicht mit Spiegeln auf einen Punkt gebündelt. Mit diesen so entstehenden hohen Temperaturen wird ein Wärmeträger erhitzt und Energie erzeugt.

Parabolrinnen sind gewölbte Spiegelrinnen (bis 400 m lang), die die Sonnenstrahlen auf eine Röhre in der Brennlinie lenken. In der Röhre befindet sich ein Öl, das bis zu 400°C warm wird. Dieses heiße Öl erzeugt nun Wasserdampf, das wiederrum Turbinen antreibt. Da die Wärme gespeichert werden kann, ist eine Stromerzeugung auch ohne Sonneneinstrahlung möglich. Überschüssiges Öl kann aufbewahrt werden.

Ähnlich funktioniert das Paraboloidkraftwerk, bei dem ein großer, Satellitenähnlicher Spiegel die Sonnenstrahlen ebenfalls in seinen Brennpunkt lenkt. Hier befindet sich jedoch kein Rohr, sondern ein Motor, der direkt von der Wärmeenergie angetrieben wird. So entstehen die höchsten Wirkungsgrade der Solartechnik.

Solarturmkraftwerke sind sehr aufwendige Bauarten. Mehrere hundert Spiegel lenken die Sonnenstrahlen auf einen zentral ausgerichteten Turm. Hier entstehen die höchsten Temperaturen von bis zu 1300°C. Anstelle von Öl fungiert meistens Nitratsalz als Wärmeträger, das ebenfalls Wasserdampf erzeugt. Alternativ kann direkt Wasserdampf als Wärmeträger dienen.

Die größten Solarkraftwerke bestehen derzeit aus Parobolrinnenkraftwerken. Das größte befindet sich in Kalifornien mit einer Produktion von 654 GWh im Jahr. Das größte Turmkraftwerk steht in Spanien und produziert jährlich 45 GWh.

Zukunft der Solarenergie

Im Kollektiv kann über die Sonnenkraft mit Hilfe der verschiedensten Methoden sehr viel Strom schon heute erzeugt werden. Je nach Standort kann jede der hier vorgestellten Methoden (und noch weitere) in Zukunft einen enormen Beitrag zur Energiewende leisten. Da die Forschung noch nicht ausgereift ist, besitzt die Solarenergie ein großes Potenzial, das wohl bald weiter ausgeschöpft wird.