Sonneneinstrahlung liefert Wärme und Strom 1

Die Energie, die von der Sonne auf die Erde strahlt, ist mindestens 10 000 Mal höher als der derzeitige Primärenergiebedarf der Menschheit. Das Potenzial ist also enorm. Entsprechend boomt der Solarmarkt global und trotz sinkender staatlicher Förderung. Doch die technischen Herausforderungen sind groß.Es ist im Grunde die Nutzung der Kernfusion aus sicherer Entfernung. Die als Licht und Wärme auf der Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie beträgt jährlich 1,5 × 10¹⁸ kWh, die reine Lichtenergie soll immer noch bei 1,08 × 10¹⁸ kWh liegen. Der Energieverbrauch der Menschen lag 2006 bei 1,0 × 10¹⁴ kWh, also um etliche Größenordnungen darunter. Die Sahara unter Sonnenkollektoren könnte also die gesamte Erde mit Strom versorgen, gäbe es da nicht ein paar logistische Probleme wie Wirkungsgrad und Transport.

Dieses Wissen hat sich natürlich in den vergangenen Jahren auch schon herumgesprochen, und so war die Solarbranche eine der Boombranchen der jüngeren Vergangenheit. Der politische Wille, den CO₂-Ausstoß zu reduzieren, führte zu Fördermaßnahmen, die den Ausbau von Solaranlagen weiter beflügelten. Dadurch hat der Solarmarkt in Deutschland in den vergangenen Jahren einen kräftigen Aufschwung erfahren. Insbesondere auf dem Stromsektor hat die Photovoltaik-Entwicklung eine deutliche Eigendynamik entwickelt. Seit dem Jahr 2000 hat der Photovoltaik-Markt die Pionierphase verlassen und ist in eine Wachstumsphase eingeschwenkt.

Grundlage für das Wachstum waren das 100 000-Dächer-Programm bis Ende 2003 sowie das seit 2004 geltende neue Erneuerbare-Energie- Gesetz (EEG). Lag der jährliche Umsatz im Jahr 2000 noch bei rund 220 Millionen Euro, so wurden 2008 bereits 9,5 Milliarden Euro mit Photovoltaik umgesetzt – davon satte 2,4 Milliarden bei den Zulieferern im Maschinenbau. Auch die Solarthermie entwickelt sich positiv, wenngleich nicht ganz so rasant. Von etwa 200 Millionen Euro im Jahr 2000 auf geschätzte 1,7 Milliarden Euro im Jahr 2008 konnte der Markt nach Angaben des Fachverband BSW Solar wachsen. Das liegt vor allem daran, dass Solarthermie in Deutschland vorwiegend auf privaten Dächern und nicht in Großkraftwerken eingesetzt wird.

Nutzungsarten Wärme und Strom

Die direkte Sonneneinstrahlung wird derzeit auf zwei Wegen genutzt – als Wärme und über den photoelektrischen Effekt. Die einfachste Nutzung kennt jeder vom in der Sonne liegenden Gartenschlauch. Das Wasser wird warm. Sinnvollen Einsatz findet diese Solarthermie im Niedrigtemperaturbereich bereits millionenfach auf deutschen Dächern zur Unterstützung der Warmwasserbereitung.

In großem Stile nutzen lässt sich die Sonnenwärme in solarthermischen Kraftwerken. Um hier dampfturbinentaugliche Temperaturen zu erreichen, werden die Sonnenstrahlen mit Spiegeln gebündelt, um mit dieser konzentrierten Wärme eine Flüssigkeit zu erhitzen. Die Photovoltaik wiederum nutzt den photoelektrischen Effekt, durch den in Halbleitern wie Silizium direkt ein elektrischer Gleichstrom erzeugt wird.

Photovoltaik

Der größte Vorteil der Photovoltaik ist ihre Vielseitigkeit. Man findet sie in allen Größen, von Taschenrechnern bis hin zu großflächigen Kraftwerken im Megawattbereich. Auch wird direkt Gleichstrom erzeugt, der bei kleineren Anwendungen sofort verwendet werden kann, bei größeren Anlagen vor der Einspeisung ins Netz aber erst mittels Wechselrichter gewandelt werden muss. Photovoltaikanlagen bestehen in der Regel aus mehreren bis vielen Solarmodulen, die zusammengeschaltet werden. Ist die Verkabelung auf dem Hausdach noch leidlich geschützt darstellbar, sind die Anforderungen an Kabel, Steckverbinder, Anschlussboxen und auch Unterkonstruktionen in Freilandanlagen ungleich höher.

Ein großer Vorteil der Photovoltaik ist, dass sie in hohem Maße den kurzwelligeren Bereich des Lichts nutzt, der auch bei bewölktem Himmel noch ausreichend vorhanden ist. Je nach Wolkendichte sind 20 bis 80 Prozent der Nennleistung möglich, bei klarem Himmel liefern die Zellen auch kurz nach Sonnenuntergang noch gut fünf Prozent. Hinzu kommt: Die Zahl der Photonen, die pro Fläche auftreffen, verringert sich mit dem Einstrahlungswinkel der Sonne. Die höchste Effizienz bietet ein 90°-Winkel. Diese stark schwankende Leistung stellt hohe Anforderungen an die eingesetzten Wechselrichter, wobei eine optimale Auslegung hier vor allem bei Teillast noch einige Prozentpunkte an Wirkungsgrad herausholen kann.

Der Effekt des Einstrahlungswinkels ist so groß, dass sich intelligente Nachführungssysteme dank preiswerter werdender Steuerungs- und Antriebstechnik auch hierzulande mittlerweile rechnen – ein Wachstumsfeld für den Maschinenbau. Größtes Manko der Photovoltaik ist der derzeit noch recht geringe Wirkungsgrad, der 2009 bei polykristallinen Siliziumzellen bei 13 bis 16 Prozent und bei monokristallinen Siliziumzellen bei 15 bis 18 Prozent lag. Bei Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium oder anderen Halbleitermaterialien schwankt die Effizienz sogar von 6 bis 13 Prozent. Auch die Herstellungskosten sind immer noch relativ hoch, wobei die Erfahrung der vergangenen Jahre zeigt, dass mit jeder Verdoppelung der Stückzahlen die Preise um 22 Prozent fallen.

Solarthermie

Große Erwartungen bezüglich des Beitrags zur künftigen Energieversorgung liegen auf solarthermischen Kraftwerken. Das liegt vor allem am hohen Wirkungsgrad, der bei den Kollektoren je nach Umgebungstemperatur bei bis zu 85 Prozent liegt und vor allem durch die Reflexion des Glaskörpers bedingt wird. Allerdings ist dabei eine Nachführung der Spiegelsysteme Pflicht, weil nur so der Brennglaseffekt auftritt. Zum Wirkungsgrad der Kollektoren muss noch der Wirkungsgrad des angeschlossenen Kraftwerks gerechnet werden, das die gesammelte Temperatur über Gasturbinen erst in Strom umwandelt. Verbreitet sind derzeit Parabolrinnenkraftwerke. Bis zu sechs Meter breite und zum Teil mehrere hundert Meter lange Parabolspiegel fokussieren auf Vakuumröhrenkollektoren, in denen Thermoöl auf bis zu 550 °C erhitzt wird. Die Spiegel werden in ihrer Neigung hydraulisch oder elektrisch dem Sonnenstand nachgeführt.

Solarturmkraftwerke nutzen ein Feld von Flachspiegeln, so genannte Heliostate, die individuell der Sonne nachgeführt werden und so einen riesigen Parabolspiegel ergeben, der auf die Spitze eines Turmes fokussiert. Die Hitze wird in einem Receiver gesammelt, der bis zu 1200 °C erreichen kann und somit sogar industrielle Prozesswärme bereit stellen kann. Andere Modelle wie Fresnel-Rinnenkraftwerke oder Dish-Stirling-Anlagen sind derzeit in der Entwicklung.

Nachteile der Solarthermie sind höhere Betriebs- und Wartungskosten sowie die erforderliche Mindestgröße der Anlagen. Sie sind nur in besonders sonnenreichen Regionen wirtschaftlich einsetzbar, sensibler gegen Wind und Wetter und sie brauchen klare Sonneneinstrahlung. Ausblick Deutschland ist in Europa derzeit mit großem Abstand Marktführer im Bereich Sonnenenergie. Zubauraten von mehreren Tausen Megawatt pro Jahr versprechen ein gutes weiteres Wachstum, auch wenn die staatlichen Fördermittel derzeit gekürzt werden.

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