Sonnenenergie--

D ie Sonnenenergie zu nutzen ist keineswegs eine Idee des 20. Jahrhunderts, vielmehr sind schon seit über 200 Jahren viele Wissenschaftler damit beschäftigt, die Sonnenenergie für die Menschheit nutzbar zu machen. Schon in der Antike war man sich bewusst, dass die Sonne Spenderin allen irdischen Lebens ist. 1774 benutzte John Priestley eine Glaslinse, um Sonnenlicht zu fokussieren, und damit Quecksilberoxid zu erhitzen. Dieses Experiment trug überraschender Weise zur Entdeckung der Sauerstoffs bei. Etwa 100 Jahre später, im Jahre 1872 wurde die Sonnenenergie in Chile zum ersten mal zum Destillieren von Süßwasser benutzt. 4700 m2 Bodenfläche erbrachten täglich über 20000 Liter Süßwasser, destilliert aus Salzwasser des Ozeans. 1878 wurde die Sonnenenergie von Mouchots auf der Pariser Weltausstellung dazu genutzt, Dampf zu erzeugen und damit eine Dampfmaschine anzutreiben. Die dabei erstmals verwendeten Parabolspiegel sind bis heute die beste Möglichkeit Sonnenstrahlung in Wärme, und damit Energie umzuwandeln. In den darauffolgenden Jahren wurden diese Techniken immer weiter verfeinert und größtenteils dazu genutzt, Felder zu bewässern. Weiterhin sorgte um 1960 die aufstrebende Raumfahrt und Satellitentechnik für die Entwicklung der Solarzellen, da die Raumfahrzeuge auch im Weltraum viel Energie benötigten. Was sollte auch gegen diese Art der Sonnennutzung sprechen, die Sonne liefert uns schließlich 20000 mal mehr Energie als wir benötigen. In der ersten Hälfte unseres Jahrhunderts jedoch traten die Bemühungen, die Sonnenenergie intensiv zu nutzen, vorerst in den Hintergrund. Grund hierfür war vor allem die Ansicht, die Sonnenenergie könnte in wirtschaftlicher Hinsicht nicht mit den fossilen Brennstoffen konkurrieren. Diese Situation hat sich bis heute grundsätzlich verändert, fossile Energieträger werden knapp, und die Umweltverschmutzung zieht immer größere Konsequenzen nach sich, so dass bald einfach neue Energiequellen gebraucht werden.
Theoretisch kann die Sonne als unerschöpfliche Energiequelle in Betracht gezogen werden, praktisch jedoch sind die auf der Sonne stattfindenden Kernfusionen, bei denen Wasserstoff in Helium verschmolzen wird, in 5 Milliarden Jahren beendet, da dann aller Wasserstoff der Sonne aufgebraucht ist. Da es sich bei 5 Milliarden Jahren um einen menschlich unendlichen Zeitraum handelt, kann die Sonne aber prinzipiell als unerschöpfliche Energiequelle betrachtet werden.
Die Energie der Sonne erreicht uns hier auf der Erde in Form von Strahlung und wird dann in viele andere Energieformen umgewandelt. Dazu zählen: Wind- und Wellenenergie, Photosynthese, Niederschlag, Erwärmung der Atmosphäre und noch viele andere mehr. Die drei vielversprechendsten Anwendungsgebiete sind die direkte Umwandlung des Sonnenlichtes in Strom, das Erhitzen von Wasser mit Sonnenkollektoren und das Erzeugen solaren Wasserstoffs.
Die Idee elektrischen Strom direkt aus Sonnenstrahlung zu gewinnen geht bis in das Jahr 1839 zurück, als der Physiker A. E. Becquerel den photoelektrischen Effekt entdeckte. Der photoelektrische Effekt beruht darauf, dass ein leitendes Material, das mit Licht (bis heute ist nicht klar, ob Licht Teilchen oder Wellen sind!) "beschossen" wird, Elektronen frei gibt. Die für diesen Prozess benötigten Hilfsmittel nennen wir Solarzellen, die zu vielen zusammengeschaltet ein Solar -modul, -panel oder Solargenerator
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ergeben (solar, lat. = zur Sonne gehörend). Die Solarzellen könnte man auch als Energiewandler bezeichnen, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln. Die Photovoltaik (direkte Umwandlung in Strom) ermöglicht es, Sonnenlicht mittels verschiedener Halbleitermaterialien direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Diese Umwandlung erfolgt durch den photovoltaischen Effekt, der auf der Wechselwirkung zwischen Sonnenlicht und Basismaterial der Solarzelle beruht. Solarzellen werden aus Halbleitermaterialien gefertigt, dabei handelt es sich fast ausschließlich um Silizium, welches in großen Mengen in Quarzsand vorkommt, dessen Bestand also gesichert ist. Eine Zelle besteht nun aus dünnen Schichten Silizium auf der Vorder-, sowie auf der Rückseite. Beide Seiten werden unterschiedlich behandelt, um unterschiedliches Silizium herzustellen. Es ist mit Fremdelementen wie Phosphor und Bor dotiert (verunreinigt) worden. Auf der Oberseite befindet sich das sogenannte N-Typ-Silizium mit überschüssigen Elektronen. Es sind also mehr negative Teilchen vorhanden als notwendig. Bei der Unterseite handelt es sich um sogenanntes P-Typ-Silizium, mit jeweils einem fehlendem Elektron, es gibt also Löcher. Nun haben wir auf beiden Seiten Silizium mit unterschiedlichen Ladungen, die in sich noch so stabil sind, dass sie sich nicht selber ausgleichen. Nun liegt es nahe, dass durch eine bestimmte Energie das zusätzliche Elektron in der oberen Schicht das Loch in der unteren ausfüllt. Diese Anstoßenergie ist jetzt das Licht selbst, denn Licht ist ja nichts anderes als Energie. Das Licht sorgt dafür, dass das freie Elektron (Defelektron) beweglich wird, so dass es das Loch auf der anderen Seite von alleine besetzt. Durch bewegte Elektronen entsteht wieder ein Loch, welches erneut aufgefüllt wird. Solange Licht auf die Zelle trifft, gibt es also Elektronenbewegungen, und Strom ist nichts anderes als bewegte Elektronen, die zwischen Atomkernen durchfließen. Es fließt also Strom, der mit zwei geeigneten Kontakten leicht entnommen werden kann. Es handelt sich dabei um Gleichstrom mit einer von der Fläche unabhängiger Nennspannung von etwa 0,5 Volt. Derzeit werden drei Typen von Solarzellen industriell hergestellt: Monokristalline Zellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 14%, polykristalline Zellen mit etwa 10% Wirkungsgrad und amorphe Zellen, die einen Wirkungsgrad von 5% nicht überschreiten. Der theoretische Wirkungsgrad von bis zu 25% kann leider von keiner bisher gefertigten Zelle erreicht werden, Spitzenwerte lagen in Laboratorien bei 19%. Früher wurde zur Fertigung vom Solarzellen mehr Energie verbraucht, als sie später lieferten. In der Tat ist die Herstellung von Solarzellen sehr kompliziert, heute jedoch gibt es rationellere Verfahren und die Lebensdauer der Solarzellen wurde von 5 auf 30 Jahre erhöht.
Das Anwendungsgebiet der Sonnenkollektoren ist noch um einiges weiter verbreitet. Die einfachste Methode zur Gewinnung von Energie aus der Sonne ist das Umwandeln dieser Strahlung in Wärme, die sogenannte solarthermische Energieumwandlung. Zu dieser Umwandlung werden Sonnenkollektoren benutzt, die Sonnenstrahlen sammeln und ebenso absorbieren. Man unterscheidet grundsätzlich zwei verschiedene Arten von Sonnenkollektoren. Zum einen die konzentrierenden Kollektoren und zum anderen die Flachkollektoren. Die konzentrierenden werden der Sonne nachgeführt und reflektieren die Strahlung auf eine kleine Fläche, wo dann extreme Temperaturen erreicht werden können. Flachkollektoren hingegen sind meist stationär und nutzen das direkt, sowie diffus eingestrahlte Licht, um Wasser oder andere Wärmeträger wie Natrium oder Öl zu erhitzen.
Das Herzstück eines Flachkollektors ist eine schwarz eingefärbte Röhre, die den Wär-
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meträger in sich führt, er wird Absorber genannt. Die Röhren sind schwarz, da somit ein möglichst hoher Grad an Absorption erreicht wird, und so fast bis zu 95% der Strahlung in Wärme umgesetzt wird. Die damit erzeugte Hitze kann vom Verbraucher direkt genutzt werden oder zwecks Zwischenspeicherung in einen Wärmespeicher transportiert werden. Der schwarze Wärmeabsorber befindet sich in einem mit einer Wärmedämmung versehenen Gehäuse mit transparenter Abdeckung, so dass möglichst wenig Wärme entweichen kann. Diese Flachkollektoren werden abhängig von Breitengrad des Standortes, Größe, Gewicht und architektonischen Begebenheiten entweder horizontal, geneigt oder sogar vertikal installiert. Grundsätzlich sollten Flachkollektoren leicht angewinkelt zum Äquator stehen, wobei der Winkel im Sommer kleiner sein sollte als im Winter. Flachkollektoren erreichen unabhängig von der Fläche Höchsttemperaturen bis 90º Celsius und sind relativ preisgünstig, so dass sie größtenteils von Heimanwendern genutzt werden. Schon 5-6 m² nach Süden ausgerichtete Kollektorfläche decken bis 70% des jährlichen Warmwasserbedarfs. Die Kollektoren speisen pro Jahr 3000 kW Wärmeenergie in das Haus und entlasten die Umwelt so um etwa 2 Tonnen CO2, die beim Verfeuern fossiler Brennstoffe entstanden wären.
Die konzentrierenden Kollektoren sind um einiges effektiver als Flachkollektoren, sie erzielen durch ihr gebündeltes Licht und mit Hilfe der Sonnennachführung Temperaturen von mehreren 1000º Celsius. Das Prinzip der konzentrierenden Kollektoren ist relativ einfach. Sie basieren zum einen auf dem Reflexionsprinzip sowie auf dem Brechungsprinzip. Das Ergebnis ist letztendlich dasselbe, Licht wird auf einen kleinen Raum gebündelt und es entsteht eine hohe Energiedichte und damit eine extrem hohe Temperatur. Diese Art von Kollektoren sind aufgrund der komplizierten Mechanik der Nachführungsgelenke im Gegensatz zu Flachkollektoren ziemlich teuer. Auch sind solche Anlagen sehr komplex und können nicht ohne weiteres in einem Garten oder auf dem Dach installiert werden, weshalb sie weitgehend der Industrie vorbehalten sind.
Die konzentrierenden Kollektoren, die auf dem Reflexionsprinzip beruhen, arbeiten mit metallisch ausgekleideten Parabolspiegeln oder Flachspiegeln, die die Strahlung auf einen kleinen Punkt reflektieren, um dort eine sehr hohe Prozesswärme zu erzielen.
Die konzentrierenden Kollektoren, die nach dem Brechungsprinzip arbeiten, funktionieren mit Hilfe verschiedener Linsen, die das eingestrahltes Licht konzentriert auf einen Punkt projizieren.
Die Verwendung der Sonnenenergie, und vor allem der Teilbereich der Photovoltaik, wird sicherlich in nicht allzu ferner Zukunft die Technologie sein, die uns vor dem drohenden Ausgang unserer Brennstoffe bewahren wird. Immer mehr öffentliche Einrichtungen werden mit Solarzellen bestückt, es finden Solar-Rally´s statt und die ersten Sonnenautos gehen in Serienfertigung. In einigen Ländern gibt es Subventionen für Heimanwender und seit 1991 sind Stromkonzerne dazu verpflichtet Strom aus erneuerbaren Energien für einen akzeptablen Preis abzunehmen. Das größte deutsche Solarkraftwerk steht auf der Insel Pellworm. Es wurde 1983 in Betrieb genommen und hat eine Spitzenleistung von 300 kW. Momentan sind Physiker von der Universität Berlin
dabei, eine Art bioorganische Solarzelle zu entwickeln, die nach dem Prinzip der Pflanzenwelt arbeitet. Es warten theoretische Wirkungsgrade von 40%. Solarstrom kostet in Deutschland noch etwa zehnmal soviel wie normaler Strom.