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1. Einleitung
In weniger als einer halben Stunde strahlt die Sonne mehr Energie
auf die Erde, als die Menschheit in einem ganzen Jahr verbraucht.
Der jährliche Primärenergieverbrauch beträgt derzeit
immerhin ca. 100 Mio. GWh. Tendenz: schnell steigend. Neben Energiesparen
und rationeller Energienutzung, durch deren Anwendung allein schon
bis zu 50% des Energiebedarfs eingespart werden können, stellt
die Sonnenenergie somit ein unerschöpfliches Potential an Energie
zur Verfügung. Die Einstrahlung an solarer Energie beträgt
auf der ganzen Welt 1000 Watt/m2 (Globalstrahlung). Unterschiedlich
ist jedoch die Zusammensetzung des Sonnenspektrums, die Sonnenscheindauer
und der Winkel unter welchem die Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche
fallen. Deshalb unterscheidet sich auch die eingestrahlte Energie
zwischen 1000 kWh/m2 und Jahr (Mitteleuropa) und z.B. 2200 kWh/m2
und Jahr (Nordafrika). Dies bedeutet aber nicht, dass es sich in
unseren Regionen nicht lohnen würde die Kraft der Sonne zu
nutzen. Auf Deutschland strahlt die Sonne jedes Jahr das 200fache
unseres Primärenergieverbrauchs.
2. Vorteile der Nutzung von Solarenergie
- Unbegrenzt zur Verfügung stehende Ressource
- Unabhängigkeit von fossilen und atomaren Energieträgern
- Strom- und Wärmeerzeugung ohne schädliche Auswirkungen
auf Klima und Umwelt.
- Dezentrale Strukturen ersparen mit Transport einhergehende Energieverluste
- Dezentrale Technik schafft Unabhängigkeit von großen
Versorgern
- Kurze solare Energiewandlungsketten sind wirtschaftlicher als
die langen fossilen und atomaren
- Großes Arbeitsplatzpotential
Erneuerbare Energien wären heute nach
technischen Gesichtspunkten in der Lage, die fossilen und
atomaren Energien zu ersetzten. Einzig der Wille zum Umstieg
fehlt.
Abb. 1: Dargestellt ist die Fläche, die bei gegebener
Einstrahlintensität und beim Ausbau mit Solarmodulen
mit einem mittleren Wirkungsgrad von 10% ausreichen würde,
um den heutigen globalen Energiebedarf zu decken. Quelle:
http://www.solarenergie-fuer-afrika.org |
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3. Direkte Nutzung von Solarenergie
Die Nutzung von Sonnenenergie lässt sich in direkte und indirekte
Methoden unterteilen.
Die indirekte Nutzung der Sonnenenergie basiert auf einer anderen
Wirkung der Sonnenenergie als der direkten Sonneneinstrahlung, anschleißenden
Absorption an der Erdoberfläche und Umwandlung in Wärme.
Hierzu gehören insbesondere die Energieträger Wind und
Wasser. So werden aerodynamisch gestaltete Windräder heute
an Generatoren angeschlossen und erzeugen Strom für den lokalen
Bedarf und zur Einspeisung in regionale Stromnetze. Wasser wird
ebenfalls als Energieträger genutzt. Dabei muss die im Niederschlag
gespeicherte potenzielle Energie in Wasserkraftwerken zu Strom umgewandelt
werden.
Beide eben aufgeführten Energieträger werden nicht näher
erläutert, da die indirekten Nutzungsmöglichkeiten der
Sonnenenergie Gegenstand dieser Ausarbeitung sind.
Die direkte Nutzung der Solarenergie lässt sich nach ihren
Produkten in zwei Bereiche gliedern.
Die Solarthermie beschreibt die Ausnutzung der Sonnenenergie zur
Wärmeerzeugung, wogegen sich die Photovoltaik mit solarer Stromerzeugung
befasst.
3.1. Solarthermie
Die direkte Nutzung der Sonnenenergie erfolgt durch Sonnenkollektoren.
Diese fangen die Energie der Sonnenstrahlen ein, wodurch die Energie
durch thermische oder photovoltaische Prozesse verwendet werden
kann. Bei der thermischen Nutzung wird durch die Sonnenenergie ein
Gas oder eine Flüssigkeit erwärmt und anschließend
gespeichert oder verteilt. Es gibt zwei Typen von Sonnenkollektoren.
3.1.1. Nichtfokussierende Sonnenkollektoren
Nichtfokussierende Sonnenkollektoren fangen Sonnenstrahlen auf
einer Absorberplatte ein, Diese Platte beinhaltet entweder ein Rohrsystem,
das von einem Wärmeträgermedium, einem Gas oder einer
Flüssigkeit, durchflossen wird oder sie ist an solch ein System
angeschlossen. Die Flüssigkeit bzw. das Gas wird die Wäre,
die von der Absorberplatte übertragen wird, aufgeheizt. Nichtfokussierende
Sonnenkollektoren besitzen im Allgemeinen eine oder mehrere optisch
transparente Deckplatten, die den Wärmeverlust der Absorberplatte
reduzieren und so eine größtmögliche Energieausbeute
ermöglichen. Sie weisen in der Regel einen Wirkungsgrad zwischen
40 bis 80 Prozent auf und können Flüssigkeiten auf bis
zu 82 ºC erhitzen.
Diese Sonnenkollektoren werden vor allem zur Erwärmung von
Wasser und zur Heizung von Wohnräumen eingesetzt. Montiert
werden sie dafür auf Hausdächern.
Abb.2: Schematische Darstellung einer Solarenergieanlage zur Warmwassererzeugung
Quelle: Microsoft encarta professional 2003
3.1.2. Fokussierende Sonnenkollektoren
Für zahlreiche industrielle Wärmeanwendungen und zur
Stromerzeugung reichen die in nichtfokussierenden Sonnenkollektoren
erzeugten Temperaturen der Trägerflüssigkeit nicht aus.
Einen höheren Wirkungsgrad besitzen komplexer aufgebaute fokussierende
Sonnenkollektoren. Diese besitzen jedoch höhere Anschaffungskosten.
Bei fokussierenden Sonnenkollektoren werden die Sonnenstrahlen im
Gegensatz zu den nicht fokussierenden Kollektoren gebündelt.
Die Sonnenstrahlung von einem oder mehreren Hohlspiegeln reflektiert
und in einem Strahlungsempfänger aufgefangen. Durch die Bündelung
wird die Intensität der Sonnenenergie verstärkt. Dabei
können im Empfänger Temperaturen bis mehrere hundert oder
gar tausend Grad Celsius erzielt werden. Um die Strahlungsenergie
so effizient wie möglich einzufangen, werden die Hohlspiegel
zusätzlich mit spezieller Apparatur dem Sonnenstand nachgeführt.
3.1.3. Solarturmkraftwerke
Die Stromerzeugung in Solarturmkraftwerken befindet sich gegenwärtig
noch im Entwicklungs- und Erprobungsstadium. In Solarturmkraftwerken
werden Sonnenstrahlen von Hohlspiegeln reflektiert, und auf einen
zentralen Strahlungsempfänger, den Solarturm gebündelt.
Dort werden Wasser oder andere Wärmeträgermedien erhitzt.
Der dabei entstehende Dampf kann in herkömmlichen Kraftwerken
in Strom umgewandelt werden. Das erste Sonnenkraftwerk Europas befindet
sich in den französischen Pyrenäen und wurde im Jahre
1977 in Betrieb (Tageskapazität: 64 kW) genommen.
Abb.3: Vereinfachte Darstellung eines Solarkraftwerkes: Sonnenstrahlen
werden von mehreren Hohlspiegeln, die mittels einer steuerbaren
Apparatur dem Sonnenstand nachwandern, auf einen zentralen Empfänger,
den Solarturm reflektiert. Dort werden sie gebündelt und geeignete
Trägermedien wie Flüssigkeiten können auf sehr hohe
Temperaturen erhitzt werden. Der dabei entstehende Dampf kann anschließend
in gewöhnlichen Kraftwerken in elektrischen Strom umgewandelt
werden.
Quelle: Wikipedia
3.2. Photovoltaik
3.2.1 Aufbau und Prinzip einer Photovoltaikanlage
Die Photovoltaik beschreibt die direkte Umwandlung von Sonnenlicht
in elektrische Energie mittels Solarzellen.
Das Wort Photovoltaik setzt sich aus zwei Wörtern zusammen.
„Photo“ steht für das griechische Wort für
Licht und „volta“ ist nach einem berühmten Physiker
namens Alessandro Vota gewählt.
Solarzellen sind dünne Scheiben, die aus Halbleitern bestehen
und Sonnenstrahlen auf direktem Wege in Elektrizität umwandeln
können. Halbleiter sind Stoffe, die unter Wärme- oder
Lichtzufuhr elektrisch leitend sind. Bei niedrigen Temperaturen
wirken sie dagegen isolierend. Für Solarzellen können
unterschiedliche Halbleiter eingesetzt werden. Jedoch bestehen 95%
aller weltweit produzierten Solarzellen aus Silizium. Das Silizium
unterscheidet sich lediglich in seinem Zustand. Sein sehr häufiges
Vorkommen (zweithäufigstes Element in der Erdrinde) und eine
umweltfreundliche Verarbeitung machen
Es besonders attraktiv.
Abb.4: Solarzelle aus Silizium
Quelle: www.saon.de/.../neueenergie/solarzelle.jpg
Um eine Solarzelle herzustellen, muss das Halbleitermaterial zunächst
dotiert werden, d.h. dass chemische Elemente auf eine bestimmte
Art in den Halbleiter eingebracht werden müssen. Dadurch entsteht
in dem Halbleiter ein positiver (p-Schicht) oder negativer (n-Schicht)
Ladungsträgerüberschuss. Es werden zwei unterschiedlich
dotierte Halbleiterschichten hergestellt. In dieser Grenzschicht
(p-n-Schicht) baut sich ein inneres elektrisches Feld auf. Bei Lichteinfall
werden Ladungsträger freigesetzt und an diesem Übergang
getrennt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung
abgegriffen werden. Wird nun der äußere Stromkreis geschlossen,
indem man einen elektrisch betriebenen Gegenstand anschließt,
so fließt Gleichstrom. Da die meisten Haushaltsgeräte
jedoch mit Wechselstrom betrieben werden, muss der Gleichstrom zunächst
mittels eines zwischengeschalteten Adapters, des Wechselrichters
umgewandelt werden.
Abb.5: Funktionsweise einer Solarzelle: Zwei Halbleiterschichten
werden unterschiedlich dotiert. Es entsteht eine Schicht mit positivem
(p-Schicht) und eine mit negativem Ladungsträgerüberschuss.
In der Grenzschicht
(p-n-Schicht) baut sich ein inneres elektrisches Feld auf. In dieser
Schicht werden Ladungsträger bei Solareinstrahlung freigesetzt
und getrennt. Metallkontakte ermöglichen es, eine Spannung
abzugreifen. Schließt man den äußeren Stromkreis,
so fließt Gleichstrom.
Quelle: http://www.maanen.de/photovoltaik/index.html
Für die Photovoltaik verwendet man Solarmodule, die aus einer
Großzahl von Solarzellen aufgebaut sind.
3.2.2. Leistung einer Photovoltaikanlage
Die erste Solarzelle wurde in den USA im Jahre 1954 von Chapin,
Fuller und Peerson entwickelt. Sie war auf der Basis von kristallinem
Silizium aufgebaut. Sie besaß einen Wirkungsgrad von 6%. Der
heutige mittlere Wirkungsgrad von Solarzellen liegt bei 14%. Technologische
Weiterentwicklung ermöglicht heutzutage sogar eine Ausbeute
von 32%.
Die Leistung gemessen in kW, die eine Photovoltaikanlage erbringen
kann, hängt von mehreren Faktoren ab. So existieren Solarzellen
mit dünneren und dickeren Schichten. Die dünnschichtigen
erzielen einen geringeren Wirkungsgrad, sind aber kostengünstiger.
Mittlerweile zieren sie zahlreiche moderne Fassaden (vgl. Abb.6).
Einen weiteren Faktor stellt die unterschiedliche Intensität
der Sonneneinstrahlung an einem Ort dar. Die maximale Intensität
wird bei klarem, blauem Himmel erreicht. Schon bei leichter Wolkenbedeckung
reduziert sie sich um ca. 40% und erreicht an trüben Wintertagen
die geringste Intensität mit lediglich 10% des höchsten
Wertes. Ebenso entscheidend für eine bestmögliche Ausnutzung
der Sonnenenergie ist die richtige Ausrichtung (Himmelsrichtung)
der Solaranlage und ihr Aufstellungs-Neigungswinkel. Auf weitere
Faktoren wird im Rahmen dieses Referates nicht näher eingegangen.
Der mittlere Stromverbrauch eines 4-Personen-Haushaltes in der
Bundesrepublik Deutschland beläuft sich auf ungefähr 4000
kWh/Jahr. Eine Photovoltaikanlage, die eine Leistung von 1000 Watt
erbringt, benötigt in unseren Breitengraden eine Dachfläche
von ca. 10m2. Ein realistischer Wert für eine Dachfläche
wäre ungefähr 20m2. Für unsere Breitengrade kann
die Faustformel angewandt werden, dass pro kW installierter Leistung
(in Form von Solarmodulen) 700 – 1300 kWh Solarstrom im Jahr
erzeugt werden. Somit könnte eine Familie mit einer 20m2 großen
Solaranlage 1400 – 2600 kWh Strom produzieren. Dies wären
schon 50% des eigenen Jahresverbrauchs.
Abb.6: Gebäudefassade verkleidet mit Solarmodulen
Quelle: http://www.ee-netz.de/bilder/renewables7June/Solararchitektur2.JPG
3.2.3 Kosten einer Photovoltaikanlage und Staatliche Subventionen
Die Kosten, die bei der Anschaffung einer Photovoltaikanlage anfallen,
richten sich nach 1000 Watt installierter Leistung. Pro kW fallen
zurzeit 5500 – 6000 € inklusive Installation und Mehrwertsteuer
an. Bei Großanlagen sinken die Kosten auf ca. 5200 €/kW.
Die anfallenden Kosten werden nicht als Einzelauszahlung vom Staat
zur Förderung erneuerbarer Energie ausgezahlt, sondern müssen
von Privatpersonen getragen werden.
Bei so hohen Kosten würde sich wohl kaum ein Bürger trotz
aller Umweltfreundlichkeit für die Installation einer solchen
Anlage entscheiden. Um die Nutzung erneuerbarer Energien dennoch
zu fördern, hat der Bundestag im Jahre 2000 ein Gesetz verabschiedet.
Das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien - Erneuerbare-Energien-Gesetz
(EEG) regelt die Abnahme und die Vergütung von ausschließlich
aus erneuerbaren Energiequellen gewonnenem Strom durch Versorgungsunternehmen,
die Netze für die allgemeine Stromversorgung betreiben.
Erzeuger von Solarstrom erhalten 45,7 Cent pro Kilowattstunde als
Grundvergütung. Für Solaranlagen auf Gebäuden erhöht
sich die Vergütung um 11,7 Cent pro Kilowattstunde bis 30 kW
Leistung, Für eine Solaranlage auf dem eigenen Hausdach erhält
ein Haushalt somit 57,4 Cent, sofern er den erzeugten Strom an einen
Netzbetreiber verkauft. Bei Anlagen, die mit mehr als 30kW Leistung
ist der Anteil der Zusatzvergütung geringer als 11,7 Cent.
Zusätzlich gibt es einen Bonus von 5 Cent pro Kilowattstunde
für fassadenintegrierte Anlagen (siehe Abb.6).
Finanziert wird die Förderung über eine bundesweite Umlage
auf alle Stromkunden in Höhe von rund 0,35 Cent pro Kilowattstunde.
Nach dem EEG rentiert sich die Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage
bei der aktuellen Einspeisevergütung nach 20 Jahren mit einer
Einnahme von ca. 7700€. Für den Stromerzeuger ergibt sich
nach dieser Zeit bei Anschaffungspreisen pro kW Leistung von 5500
– 6000 € sogar ein Gewinn.
Die Garantie auf die Anlagen wird dementsprechend für einen
Zeitraum von 20 Jahren gewährt. Die tatsächliche Lebensdauer
einer Solaranlage beträgt 30-40 Jahre, wobei sehr geringe Wartungsarbeiten
anfallen.
Die Finanzierung solcher Anlagen wird von staatlicher Seite unterstützt.
So haben einzelne Bundesländer regionale Förderprogrammen
und von einigen Kreditgebern werden für diese Anschaffung zinsgünstige
Darlehen vergeben.
Für Anlagen in der Agrarwirtschaft gibt es zusätzlich
ein Agrarinvestitionsprogramm (AFP), welches aus Mittel der EU,
des Bundes und der Länder finanziert wird.
3.2.4 Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik
| Durch die Verbindung einer großen Zahl
von Solarzellen zu Modulen konnten die Kosten der photovoltaischen
Stromerzeugung zwar deutlich gesenkt werden, zur Stromerzeugung
im großen Maßstab sind sie jedoch immer noch zu
teuer. Teilweise ist ihr Einsatz aber auch schon wirtschaftlich
möglich, so bei der Stromversorgung von einzelnen Häusern
oder Ortschaften, die nicht an das Stromnetz angeschlossen
sind. Auch bei der Stromversorgung dezentraler oder mobil
genutzter Geräte wie Bojen, Taschenrechnern oder Uhren
sowie in der Raumfahrt, bei Systemen für die Wasserversorgung
und in der Telekommunikation setzen sich Solarzellen immer
mehr durch. In Deutschland werden Solarzellen vereinzelt bereits
genutzt. Im Rahmen der Technologien zur Nutzung erneuerbarer
Energien nimmt die Photovoltaik eine Schlüsselrolle ein.
Im Jahr 2001 betrug der Anteil des deutschen Stroms, der aus
Photovoltaikanlagen stammt lediglich 0,05%. Der Markt für
Solarmodule wächst weltweit pro Jahr um etwa 15 %.
Abb.7: Photovoltaisch betriebenes Parkuhrsystem in Hannover
(2005), Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/28/Parking-meter_hannover_20050625_111.jpg |
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4. Speicherung von Sonnenenergie
Aufgrund der täglichen und jahreszeitlichen Schwankungen der
Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche ist es wichtig, dass
überschüssige Sonnenenergie in Zeiten niedrigen Verbrauchs
gespeichert werden kann. So kann der Bedarf in Jahres- oder Tageszeiten
trotzdem gedeckt werden, auch wenn die zur Verfügung stehende
Sonnenenergie nicht in der Lage wäre, diesen zu decken. Neben
einfachen Wasser- und Bodenspeichersystemen gibt es kompaktere Speichermethoden,
die sich die Phasenübergangseigenschaften eutektischer Salze
zunutze machen. Unter eutaktischen Salzen versteht man Salze, die
einen niedrigen Schmelzpunkt besitzen. Darüber hinaus können
Batterien als Speicher für überschüssige elektrische
Energie dienen. Andererseits ist es auch möglich, überschüssige
Energie in das allgemeine Stromnetz einzuspeisen und in Zeiten,
in denen das Angebot an Sonnenenergie gering ist, den Fehlbedarf
aus dem Stromnetz zu auszugleichen. Allerdings kann diese Alternative
aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Versorgungssicherheit
nicht unbegrenzt angewendet werden.
5. Quellennachweise
5.1. Literaturnachweise
Solar-Info-Portal
Microsoft encarta professional 2003
http://www.solarenergie.com
http://www.solarserver.de/wissen/photovoltaik.html
http://www.iwr.de/
http://www.stern.de/computer-technik/technik/
http://www.sunenergy-gmbh.de/photovoltaik.php
http://www.maanen.de/photovoltaik/index.html
5.2 Bildnachweise
www.ee-netz.de
www.solarenergie-fuer-afrika.org
www.maanen.de
www.saon.de
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