Solarenergie

Die Erde erhält eine unglaubliche Menge an Sonnenenergie. Die Sonne, ein durchschnittlicher Stern, ist ein Fusionsreaktor, der seit über 4 Milliarden Jahren brennt. Sie liefert in einer Minute genug Energie, um den weltweiten Energiebedarf für ein Jahr zu decken. An einem Tag liefert es mehr Energie, als unsere heutige Bevölkerung in 27 Jahren verbrauchen würde. Tatsächlich “Die Menge der Sonneneinstrahlung, die über einen Zeitraum von drei Tagen auf die Erde trifft, entspricht der in allen fossilen Energiequellen gespeicherten Energie”.

Solarenergie ist eine kostenlose, unerschöpfliche Ressource, aber ihre Nutzung ist eine relativ neue Idee. Die Möglichkeit, Sonnenenergie zur Wärmeerzeugung zu nutzen, war die erste Entdeckung. Der Schweizer Wissenschaftler Horace de Saussure baute 1767 den ersten thermischen Solarkollektor, der später zum Erwärmen von Wasser und zum Kochen von Speisen verwendet wurde. Das erste kommerzielle Patent für einen solaren Warmwasserbereiter ging 1891 an Clarence Kemp aus den USA. Dieses System wurde von zwei kalifornischen Führungskräften gekauft und bis 1897 in einem Drittel der Häuser in Pasadena installiert.

Die zweite Entdeckung war die Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie. 1839 erkannte ein französischer Physiker namens Edmund Becquerel, dass die Energie der Sonne einen “photovoltaischen Effekt” erzeugen kann (Foto = Licht, Voltaik = elektrisches Potential). In den 1880er Jahren wurden Selen-Photovoltaik-(PV)-Zellen entwickelt, die Licht mit einem Wirkungsgrad von 1-2% in Strom umwandeln konnten (“Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist der Prozentsatz des verfügbaren Sonnenlichts, der von der Solarzelle in Strom umgewandelt wird”), aber wie die Umwandlung erfolgte, wurde nicht verstanden. Die Photovoltaik blieb daher “viele Jahre lang eine Kuriosität, da sie die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom sehr ineffizient machte”. Erst Albert Einstein schlug Anfang des 20. Jahrhunderts eine Erklärung für den “photoelektrischen Effekt” vor, für den er einen Nobelpreis erhielt, begann man den damit verbundenen photovoltaischen Effekt zu verstehen.

“Die Solartechnik avancierte 1908 zu ihrem heutigen Design, als William J. Bailey von der Carnegie Steel Company einen Kollektor mit einem isolierten Kasten und Kupferspulen erfand.” Mitte der 1950er Jahre erreichte Bell Telephone Labs mit Silizium-PV-Zellen einen Wirkungsgrad von 4% und später 11%. Von da an stieg das Interesse an Solarstrom. In den späten 1950er und 1960er Jahren nahm das Raumfahrtprogramm eine aktive Rolle bei der Entwicklung der Photovoltaik ein. “Die Zellen waren perfekte Stromquellen für Satelliten, weil sie robust und leicht waren und den niedrigen Energiebedarf zuverlässig decken konnten.” Leider waren die Zellen für den Einsatz auf der Erde aufgrund der hohen Kosten für ihre Effizienz und ihr geringes Gewicht nicht geeignet, so dass weitere Untersuchungen erforderlich waren.

Die Solarenergie hatte vielleicht ein großes Potenzial, aber sie wurde immer dann auf der Strecke gelassen, wenn fossile Brennstoffe erschwinglicher und verfügbarer waren. “Erst in den letzten Jahrzehnten, als der wachsende Energiebedarf, die zunehmenden Umweltprobleme und die abnehmenden fossilen Brennstoffe uns dazu veranlassten, nach alternativen Energieoptionen zu suchen, haben wir unsere Aufmerksamkeit auf die tatsächliche Nutzung dieser gewaltigen Ressource gerichtet.” So finanzierte das US-Energieministerium die Installation und den Test von über 3.000 PV-Systemen während des Ölembargos 1973-1974. Ende der 1970er Jahre hatten Energieunternehmen und Behörden in die PV-Industrie investiert, und “es kam zu einer enormen Beschleunigung der Modulentwicklung”. Während des Golfkriegs in den 90er Jahren wurde erneut nach Verbesserungen der Solarenergie gesucht.

Wenn man bedenkt, dass “die ersten praktischen Solarzellen vor weniger als 30 Jahren hergestellt wurden”, sind wir einen langen Weg gegangen: Die Verschwendung von Solarprofis, die einzigartige und spezifische Solarsysteme für einzelne Häuser entwerfen, bedeutet, dass es keine Entschuldigung mehr gibt, die Solarenergie für Ihr Zuhause nicht in Betracht zu ziehen. Die größten Effizienzsprünge gab es “mit dem Aufkommen des Transistors und der dazugehörigen Halbleitertechnologie”. Die Produktionskosten sind auf fast 1/300 dessen gesunken, was sie während des Raumfahrtprogramms der Mitte des Jahrhunderts waren, und die Anschaffungskosten sind von 200 $ pro Watt in den 1950er Jahren auf möglicherweise nur 1 $ pro Watt heute gestiegen. Der Wirkungsgrad ist drastisch auf 40,8% gestiegen, der neue Weltrekord des National Renewable Energy Lab des US-Energieministeriums vom August 2008.

Wir nutzen die Sonnenenergie auch heute noch in den beiden gleichen Formen, thermisch und photovoltaisch. Die erste konzentriert das Sonnenlicht, wandelt es in Wärme um und wendet es auf einen Dampferzeuger oder eine Maschine an, um es in Strom umzuwandeln, um “Gebäude zu erwärmen, Wasser zu erwärmen, Strom zu erzeugen, Trockenfrüchte zu erzeugen oder gefährliche Abfälle zu vernichten”. Strom wird erzeugt, wenn das erwärmte Fluid Turbinen oder andere Maschinen antreibt. Die zweite Form der Solarenergie produziert Strom direkt ohne bewegliche Teile. Die heutige Photovoltaikanlage besteht aus Zellen aus Silizium, dem zweithäufigsten Element der Erdkruste. “Strom wird erzeugt, wenn Sonnenlicht auf das Halbleitermaterial trifft und einen elektrischen Strom erzeugt.” Die kleinste Einheit des Systems ist eine Zelle. Zusammengeschaltete Zellen bilden ein Modul, und zusammengeschaltete Module bilden ein Panel. Eine Gruppe von Feldern wird als Array bezeichnet, und mehrere Arrays bilden ein Array-Feld.

Es gibt mehrere Vorteile der photovoltaischen Solarenergie, die sie zu einer der vielversprechendsten erneuerbaren Energiequellen der Welt machen. Es ist umweltfreundlich, hat keine beweglichen Teile, die ausfallen könnten, erfordert wenig Wartung und keine Überwachung und hat eine Lebensdauer von 20-30 Jahren bei niedrigen Betriebskosten. Es ist besonders einzigartig, da keine große Installation erforderlich ist. Abgelegene Gebiete können leicht ihre eigene Stromversorgung herstellen, indem sie je nach Bedarf so klein oder so groß eines Systems bauen. Solarstromerzeuger werden einfach an Haushalte, Schulen oder Unternehmen verteilt, wo ihre Montage keine zusätzliche Entwicklung oder Landfläche erfordert und ihre Funktion sicher und ruhig ist. Wenn die Gemeinden wachsen, kann mehr Solarenergiekapazität hinzugefügt werden, “so dass die Stromerzeugung mit dem wachsenden Bedarf Schritt halten kann, ohne dass die Erzeugungskapazität überbaut werden muss, wie es bei herkömmlichen Großkraftwerken oft der Fall ist”. Vergleichen Sie diese Merkmale mit denen von Kohle, Öl, Gas oder Kernkraft, und die Wahl ist einfach. Solarenergietechnologien bieten eine saubere, erneuerbare und häusliche Energiequelle.

Photovoltaik hat sogar Vorteile gegenüber Windkraft, Wasserkraft und Solarthermie. Die letzten drei erfordern Turbinen mit beweglichen Teilen, die laut sind und gewartet werden müssen.

Solarenergie ist heute am meisten gefragt in Entwicklungsländern, dem am schnellsten wachsenden Segment des Photovoltaikmarktes. Die Menschen verzichten auf Strom, wenn die Sonne auf das Land fällt, was die Solarenergie zur naheliegenden Energiequelle macht. “Die Regierungen finden ihren modularen, dezentralen Charakter, ideal, um den elektrischen Bedarf der Tausenden von abgelegenen Dörfern in ihren Ländern zu decken.” Sie ist viel praktischer als der Ausbau teurer Stromleitungen in abgelegene Gebiete, in denen die Menschen nicht das Geld haben, um für konventionellen Strom zu bezahlen.

Indien entwickelt sich zu einem der weltweit größten Produzenten von PV-Modulen, mit Plänen zur Versorgung von 100.000 Dörfern und zur Installation von solarbetriebenen Telefonen in seinen 500.000 Dörfern. Bis zum Jahr 2000 plant Mexiko, 60.000 Dörfer mit Solarstrom zu versorgen. Das Krankenhaus Bulape in Zaire versorgt 50.000 ambulante Patienten pro Jahr und wird vollständig mit Sonnenenergie betrieben, von der Klimaanlage bis zur Röntgenanlage. Und in marokkanischen Basaren liegen Teppiche, Zinngeschirr und Solarmodule nebeneinander zum Verkauf. Das wohl herausragendste Beispiel für das Engagement eines Landes in Sachen Solarstrom ist Israel. Im Jahr 1992 erwärmten über die Hälfte aller Haushalte (700.000) ihr Wasser mit Solaranlagen. Und es gibt jedes Jahr 50.000 neue Installationen.

Solarstrom ist in besiedelten Gebieten, die an das lokale Stromnetz angeschlossen sind, genauso praktisch wie in abgelegenen Gebieten. “Ein durchschnittliches Haus hat mehr als genug Dachfläche, um genügend Solarstrom zu produzieren, um seinen gesamten Energiebedarf zu decken. Mit einem Wechselrichter, der Gleichstrom (DC) von den Solarzellen in Wechselstrom (AC) umwandelt, worauf die meisten Haushaltsgeräte laufen, kann ein Solarhaus sehr ähnlich aussehen und funktionieren wie ein Haus, das an eine Stromleitung angeschlossen ist.”

Die Energieversorgung der Haushalte ist nur eine Nutzung der Sonnenenergie. Es gibt derzeit vier große Kategorien, die sich für die Nutzung der Solarenergie unterscheiden lassen: Industrie, ländliche Wohnflächen, netzgekoppelte Gebäude und Verbraucher/Industrie. Industrielle Anwendungen stellen die größten Anwendungen der Solarenergie in den letzten 30 Jahren dar. “Telekommunikation, Ölgesellschaften und Verkehrssicherheitseinrichtungen verlassen sich alle auf Solarenergie für zuverlässigen, konstanten Strom fernab von Stromleitungen.” Straßenrufnummern und beleuchtete Autobahnschilder sind auf die Energie der Sonne angewiesen, um zuverlässige Dienste ohne vergrabene Kabelverbindungen oder Dieselgeneratoren zu erbringen. Navigationssysteme wie Schiffsbojen und andere unbemannte Anlagen in entlegenen Gebieten sind ebenfalls ideale Anwendungen für die Solarenergie, da “die Lastanforderungen bekannt sind und die Anforderungen an eine zuverlässige Stromversorgung die höchsten sind”. Die ländlichen Siedlungen umfassen “Hütten, Häuser, Dörfer, Kliniken, Schulen, Bauernhöfe sowie individuell betriebene Leuchten und Kleingeräte”. Netzgekoppelte Systeme koppeln Solarstrom mit einem bestehenden Netz, um einen gewerblichen Standort mit genügend Energie zu versorgen, um eine hohe Nachfrage zu decken oder die Haushaltsversorgung einer Familie zu ergänzen. Verbraucher-/Indoor-Anwendungen von PV-Zellen umfassen Uhren und Taschenrechner, PV-Module, Leistungscomputer und Radios.

Die Praktikabilität und Umweltverträglichkeit von Solarstrom beeinflusst die Menschen weltweit, was sich im Geräteverkauf zeigt. Laut Seimens Solar hat sich die Produktion von PV-Zellen und -Modulen von 40 MW im Jahr 1990 auf rund 120 MW im Jahr 1998 verdreifacht. “Der weltweite Umsatz ist in den letzten zehn Jahren im Durchschnitt jedes Jahr um etwa 15% gestiegen. Wir glauben, dass es eine realistische Möglichkeit gibt, dass der Markt bis ins nächste Jahrzehnt hinein mit einer Wachstumsrate von etwa 15% weiter wächst. Bei dieser Rate würde die weltweite Produktionskapazität bis 2010 1000 MW betragen, und die Photovoltaik könnte eine Industrie von 5 Milliarden Dollar sein.”

Es gibt nur zwei wesentliche Nachteile bei der Nutzung von Solarstrom: die Menge an Sonnenlicht und die Kosten für die Ausrüstung. Die Menge an Sonnenlicht, die ein Standort erhält, “variiert stark je nach geographischer Lage, Tageszeit, Jahreszeit und Wolken. Der Südwesten der Vereinigten Staaten ist eines der besten Gebiete der Welt für Sonnenlicht. Weltweit gibt es auch andere Gebiete mit sehr hohen Solarintensitäten, darunter Entwicklungsländer in Asien, Afrika und Lateinamerika….” Siehe auch nachhaltige Hausgestaltung

Aber ein in Sibirien lebender Mensch würde von dieser erneuerbaren Ressource nicht viel profitieren. Und während “die Solarenergietechnologien enorme technologische und finanzielle Verbesserungen gebracht haben, sind sie immer noch teurer als traditionelle Energiequellen”. Allerdings amortisieren sich Solaranlagen irgendwann in 2 bis 5 Jahren, je nachdem, wie viel Sonne ein bestimmter Standort erhält. Dann steht dem Anwender bis zum Ende der Lebensdauer der Anlage eine nahezu kostenlose Energiequelle zur Verfügung, so das Papier “Energy Payback Time of Crystalline Silicon Solar Modules”. Zukünftige Verbesserungen werden die Amortisationszeit auf 1 bis 3 Jahre verkürzen.

Der beste Weg, die Kosten der Solarenergie zu senken, ist die Verbesserung des Wirkungsgrades der Zelle, so Larry Kazmerski, Direktor des National Center for Photovoltaics des DOE. “Wenn die Wissenschaftler und Forscher des NCPV die Grenzen des Solarzellenwirkungsgrades überschreiten, können wir uns den Tag vorstellen, an dem die Energie der Sonne einen erheblichen Teil des Strombedarfs des Landes erzeugen wird.” Auch für Raumfahrtanwendungen sind Verbesserungen und damit verbundene Kostensenkungen unerlässlich, und versuchen Sie, das richtige Elektrizitätsunternehmen zu finden, um Geld zu sparen. Energieversorger können Ihnen helfen, mit solchen Entscheidungen zu profitieren.

Mit sinkenden Preisen für Solarstrom und steigenden Preisen für konventionelle Brennstoffe tritt die Photovoltaik “in eine neue Ära des internationalen Wachstums ein”. So sehr, dass Solarenergie “eine ausgezeichnete Energieoption bleiben wird, lange nachdem das momentane Modell fossiler Brennstoffe in Rauch aufgeht”.