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Die Menschen in den hochindustrialisierten Staaten begannen in den letzten Jahren, ihre Einstellung zur Umwelt, zu den Rohstoffen und zu den Energiereserven zu ändern. Die größte Gefahr für die Zukunft der Menschheit ist unsere falsche, umweltzerstörende Energiepolitik. Statt Energie umweltfreundlich aus Sonne, Wind, Wasser und Biomasse zu gewinnen, benutzen wir umweltfeindliche Energiequellen. Mit Öl, Gas und Kohle schaffen wir uns ein lebensfeindliches Treibhausklima. Und Atomkraftwerke sind allein dadurch, dass sie dastehen, lebensgefährlich.
Aus dieser Problematik heraus, angespannt durch die steigenden Energiekosten und Risiken in der Atomenergie, 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. Aber Ingenieure, die die zeitgemäße Technik beherrschen, sehen sich jetzt mit der Technologie der Solarenergienutzung, der \\\"HELIOTECHNIK\\\", häufiger konfrontiert.
Durch ihre Nutzung werden keine Emissionen an die Umwelt abgegeben, die unsere Gesundheit schädigen und weltweit eine Gefahr für unser Klima bedeuten. Es gibt also auch kein Entsorgungsproblem wie z.B. bei der Urannutzung.
Die Sonne
Die Sonne besitzt eine Struktur und Eigenschaften; die die Art der Energie, die die Sonne in den Raum abstrahlt bestimmen. 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. In jeder Stunde empfängt die Erdkugel und die sie umgebenen Atmosphäre 175 Milliarden Megawattstunden
Deutlich gesagt: Bereits der winzige Anteil ihrer Kraft, der nicht in den Tiefen des Raums verschwindet, sondern die Erde trifft, bringt alle 20min eintausendmal mehr Energie als wir pro Jahr verbrauchen. Das Problem vor dem die Techniker heute stehen ist diesen großen Überfluss zu nutzen. Im Moment liegt die Ausbeute dieser Energie bei nur 13% im Vergleich zu min. 30% bei z.B. der Wasserkraft.
Die Solarzelle
Man spricht von Photovoltaik, wenn die Energie des Sonnenlichts mit Solarzellen in Strom verwandelt wird.
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. 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.
Auch wenn die Photovoltaik bisher nur einen verschwindend geringen Anteil an der Deckung des gesamten Strombedarfs hat
(ca.0,02% in der BRD), so liegt dies weniger an ihrem Wirkungsgrad sondern an den bislang noch relativ hohen Kosten und dem beträchtliche Energieaufwand für die Herstellung der Solarzellen.
1) Energie aus der Kraft der Sonne
Direkte Nutzung der Sonnenkraft
a) Photovoltaik
Mit der Photovoltaik wird Sonnenstrahlung und Licht mit Hilfe von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt. Solarzellen wandeln die Strahlungsenergie der Sonne auf photoelektrischem Weg durch Freisetzen von Elektronen im inneren von z.B. Silicium in elektrische Energie um.
Solarfachleute in den USA haben berechnet, daß Solarzellen auf einem Dreihundertstel der Fläche der Vereinigten Staaten den gesamten Strombedarf der Nation liefern würde. Eine Studie des britischen Solarforschers Robert Hill ergab, daß in Großbritannien der gesamte Strom über Photovoltaik-Zellen produziert werden kann, wenn nur 10% der heutigen Gebäudeflächen mit Photovoltaik-Anlagen ausgestattet werden. Auf Neubauten sollten Solaranlagen nicht auf den Dächern und Fassaden angebracht werden, sondern als Dächer oder Fassaden.
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 Elektrotechnologie, um höhere Wirkungsgrade und geringere Kosten zu erzielen. Dem sollen auch neue Materialien und kostengünstigere Herstellungsverfahren dienen.
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.
b) Solarthermische Kraftwerke
Durch Spiegel gebündeltes Licht, das bei einigen Kraftwerkstypen mehrere tausend Grad erreichen kann, wird zur Erhitzung von einer bestimmten Flüssigkeit genutzt. Die Rinnenkollektoren sind hierbei am weitesten entwickelt und werden seit Jahren in Kalifornien eingesetzt. Die neuen Anlagen dieses Typs haben bereits einen Wirkungsgrad von 16%. Diese Kraftwerkstypen sind weltweit das Vorzeigeprojekt für solare Stromerzeugung.
Beispiele für Solarthermische und andere Sonnenkraftwerke:
c) Solarturmkraftwerke
Die Stromerzeugung in Solarturmkraftwerken befindet sich gegenwärtig noch im Entwicklungs- und Erprobungsstadium. In Solarturmkraftwerken reflektieren 182 Hohlspiegel, die auf computergesteuerte Heliostaten montiert sind, die Sonnenstrahlen und bündeln sie auf einen zentralen Strahlungsempfänger, der auf dem sog. Solarturm installiert ist.
Unter dem Hohlraum-receiver befindet sich ein Projektionsfeld auf das sich die Spiegel so einstellen lassen, dass das Sonnenbild sich exakt vereinigen lässt. Sobald das geschehen ist werden alle Spiegel um einen kleinen Winkel nach oben geschwenkt. Das Sonnenbild wandert in die Öffnung des Receivers und beginnt sein Innenleben aufzuheizen. Dort werden Wasser oder andere Wärmeträgermedien erhitzt. Der dabei entstehende Dampf kann in herkömmlichen Kraftwerken in Strom umgewandelt werden. Dieses Kraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 16%.
d) Aufwindkraftwerk
Das Sonnenlicht kann das Foliendach fast ungehindert passieren. Am Boden wandelt es sich zu Wärme um. Das Dach ist bis auf ein großes Loch in der Mitte des "Vordachs" dicht. Hier kann die um 10-20°C erwärmte Luft ungehindert nach oben steigen. Allerdings nicht ins Freie, sondern in den 200m hohen Kamin. Nun setzt der 2.Antriebseffekt ein: die Sogwirkung des Kamins. Sein gesamter Rauminhalt wirkt wie ein Auftriebs- körper. Die leichtere Luft steigt nach oben wie ein Korken unter Wasser. Deswegen ist die Sogwirkung um so stärker, je höher der Kamin ist. Unten im Kamin, 10m über dem Boden treibt der Aufwind eine Turbine an, an die ein Generator zur Stromerzeugung angeschlossen ist.
e) Sonnenfarm
Bei der Sonnenfarm heizt jeder Parabolspiegel in seiner Brennlinie Öl auf. Mulden- förmige Wannen mit exakt parabolischem Querschnitt sind mit Spiegelglas belegt. In der Brennlinie läuft ein schwarz gefärbtes Rohr, in dem ein Thermo-Öl erhitzt wird. An dem einen Ende fließt Öl mit 225°C hinein. Von Pumpen angetrieben läuft es durch alle Kollektoren und kommt an dem anderen Ende auf 295°C erhitzt wieder heraus. Diese Wärmedifferenz kann jetzt mit Wärmetauschern genutzt werden.
2. Indirekte Nutzung der Sonnenkraft
Windkraft
Meteorologische Messungen haben ergeben, daß im ständig wehenden Wind etwa 35mal soviel Energie steckt, wie die Menschheit verbraucht! Da der Wind jedoch ungleichmäßig stark weht und häufig seine Richtung ändert, kann nur ein Bruchteil davon auch praktisch genutzt werden
Keine Form der Energiegewinnung braucht so wenig Platz wie die Windenergie. Die tatsächlich verbrauchte Fläche durch Windkraftanlagen ist minimal und liegt bei unter 1% der für Windkraftanlagen ausgewiesen Fläche - bei 20000 km2 die in Deutschland für die Windenergienutzung in frage kommen sind es demnach 200 km2 für Anlagenplätze. Die heutigen Windenergieszene wird beherrscht von Anlagen, die 30-50 Meter Bauhöhe und einen Rotordurchmesser von 30 Metern haben. Kleinere Windanlagen, mit denen schon vor Jahrhunderten alles angefangen hat, spielen zur Zeit kaum eine Rolle. Es wird in Zukunft aber wieder viele Energieselbstversorger mit kleinen Windmühlen geben: Rotordurchmesser bis 10 Meter, Masthöhe bis 20 Meter, Generatorleistung von 20-30 Kilowatt. Damit können Millionen Menschen ihren Strom selbst erzeugen. Kombiniert mit Solarzellen, kann die eigene Kleinwindanlage eine intelligente, schadstoffarme und preiswerte Energieerzeugung werden.
b) Meereswärme
Meereswärme ist wieder eine Variante der Sonnenenergie. \\\"Ocean Thermal Gradient\\\"-Kraftwerke nutzen den Temperaturunterschied zwischen der Meeresoberfläche und der Tiefe aus und nutzen die durch Sonnenenergie aufgewärmten Oberflächenschichten der Meere. Ihr Potential beträgt mehr als das 100fache des weltweiten Energiebedarfs.
Das Hauptproblem bei der Nutzung der Sonnenenergie besteht darin, die wenig konzentrierte und unregelmäßig einfallende Energie zu sammeln, zu speichern und zu transportieren. Mit Ausnahme der Biomasse ist Sonnenenergie nur mit hohem Aufwand speicher- und transpotierbar. Die solare Technologie wird weltweit die fossilen und atomaren Energieträger nur dann vollständig ersetzen können, wenn es gelingt, einen Energieträger zu finden, der diese Nachteile der Sonnenenergie auf umweltfreundliche Art ausgleichen kann.
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