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Erneuerbare Energien: Sonnenenergie

TU-Berlin

Sonnenenergie ist unsere Lebensspenderin. Ohne sie können nur sehr wenige Lebewesen auf der Erde überleben: Wissenschaftler haben tief im Erdinneren Mikrobengemeinschaften entdeckt, die seit Millionen von Jahren einzig von Schwefel- und Wasserstoff leben. Doch höher entwickeltes Erdenleben entsteht ausschließlich durch Sonnenenergie. Sie kommt in vielfältiger Art und Weise vor: z. B. gespeichert und umgewandelt als Kohle, Erdöl und Erdgas, als Biomasse wie Holz oder Raps, ebenso als Windenergie. Einzig die Geothermie, die Meeresenergie und die Kernenergie sind nicht- solare Energiequellen.

Die direkte Nutzung der Sonne zur Erzeugung von Strom und Wärme ist unsere unendliche Garantie für Energie. Diese Energie ist CO2-arm und die Solarzellen sind vielerorts einsetzbar. Photovoltaikanlagen sind längst ein alltäglicher Anblick geworden: Man sieht sie auf Dächern, an Fassaden und integriert in den Sonnenschutz von Wohn- und Geschäftshäusern. Die Anlagen produzieren nicht nur Solarstrom, sondern dienen immer stärker auch der architektonischen Gestaltung. Mehr als 300.000 Photovoltaikanlagen sind aktuell in Deutschland installiert und weltweit boomt die Nachfrage. Prognosen bis zum Jahr 2020 trauen dem PV-Weltmarkt ein jährliches Wachstum von 20 – 30% zu. Die deutschen PV-Hersteller planen daher bereits, in den kommenden Jahren ihre heimischen Produktionskapazitäten zu vervielfachen. Photovoltaik ist eine der Schlüsseltechnologien für eine klimaverträglichere Stromversorgung der Zukunft.

Gegenwärtig ist ihre Nutzung allerdings noch mit relativ hohen Kosten verbunden. In sonnenreichen Ländern gibt es mittlerweile jedoch Ansätze zur Kostensenkung, etwa in Form von Low-Tech-Kollektoren und der Stromerzeugung in Parabolrinnen-Kollektoren. Mit fortschreitender Weiterentwicklung der Solartechnik wird auch deren Wirtschaftlichkeit zunehmen. In absehbarer Zukunft ist es möglich, über die direkte Nutzung der Sonnenenergie einen Großteil der Energieversorgung zu stellen.

Wieviel Strom kann uns die Sonne liefern? Daten und Fakten zur Photovoltaik

Karte der Bundesrepublik Deutschland: Mittlere Jahressummen der Globalstrahlung. Deutscher Wetterdienst

Die durchschnittliche Sonneneinstrahlung (Tag und Nacht) in Deutschland liegt bei ca. 120 W/m2, so dass pro Quadratmeter und Jahr eine Energie von 120 Watt * 8760 h (Stunden des Jahres) = 1.051.200 Wattstunden oder rund 1000 Kilowattstunden (kWh) einfällt. Die maximale Leistung der Sonnenstrahlung beträgt dabei ca. 1000 W/m2 (im Sommer, um die Mittagszeit). Diese Energie kann neben der Gewinnung von Wärme (Warmwasserbereitung in sogenannten Sonnenkollektoren) mit Hilfe von Solarzellen auch zur Stromgewinnung (Photovoltaik) genutzt werden. Eine einzelne Solarzelle liefert physikalisch bedingt eine Spannung von ca. 0,5 Volt und mit heutiger Technik pro 100 cm2 einen Strom von 2 bis 3,5 Ampere, so dass sich bei maximaler Einstrahlung eine Leistung von 100 - 170 Watt pro Quadratmeter Fläche ergibt. Um höhere Spannungen zu erzielen, werden Solarzellen in Reihe geschaltet (z. B. liefern 36 Zellen dann eine (Leerlauf-)Spannung von ca. 18 V) und auf einem gemeinsamen Träger witterungsgeschützt aufgebracht. Eine solche Anordnung heißt Solarmodul. Solarzellen haben zur Zeit einen Wirkungsgrad von ca. 10% bis 17%, es können aus der einfallenden Energie also 100 bis 170 kWh pro Quadratmeter und Jahr „geerntet“ werden. (Quelle: Energie AG)

Solare Stromversorgung für die Bundesrepublik?

Bild: Colourbox.com

Solarmodule haben eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren, es spricht allerdings auch wenig gegen eine viel längere Lebensdauer, da ein Solarmodul keine bewegten Teile enthält und somit außer Witterungseinflüssen praktisch keiner Abnutzung unterliegt. Eine Lebensdauer von 50 Jahren und mehr ist damit keine unrealistische Annahme. Auf der Intersolar 2009 bereits wurden sich selbst repariererende Solarzellen vorgestellt.

Die zu ihrer Herstellung erforderliche Energie haben Solarmodule je nach Typ in ca. 2 bis höchstens 7 Jahren (Tendenz: weiter fallend) wieder in Form von Strom zurückgeliefert. Sie geben also mindestens drei Mal soviel Energie ab, wie zu ihrer Herstellung erforderlich ist. Anderslautende Behauptungen entsprechen dank des technischen Fortschritts bei der Herstellung von Solarmodulen nicht mehr den Tatsachen. Im Vergleich zu herkömmlichen Kohle- und Atomkraftwerken hat ein „Solarkraftwerk“ einen relativ großen Flächenbedarf (z. B. braucht man bis zu 100 km2 Solarzellenfläche, um die Stromproduktion eines großen Kernkraftwerkes, nämlich ca. 9-10 Mrd. kWh oder gut 2% der gesamten Stromerzeugung, zu ersetzen).

Nicht genügend Fläche?

Die Sonne strahlt jedes Jahr rund das 100fache des bundesweiten Primärenergiebedarfs auf das Gebiet der Bundesrepublik: 300.000.000.000.000 Kilowattstunden (kWh) Energie.
In Deutschland liegt die jährliche mittlere Sonneneinstrahlung bei rund 1000 kWh pro m2 - ein Dreipersonen-Haushalt verbraucht durchschnittlich etwa 3000 kWh pro Jahr.
Dies gilt nicht nur in sonnenverwöhnten südlichen Ländern der Erde, sondern auch im "kühlen Norden".
Um den Strombedarf der Bundesrepublik vollständig solar zu decken, sind 3260 km2 PV-Module (Wirkungsgrad 15 Prozent) notwendig. Allein an Dachflächen stehen mehr als 2800 km2 zur Verfügung - rund ein Viertel davon wäre sofort technisch nutzbar. Tausende Südfassaden werden jährlich gebaut, ohne die Sonne als natürliche Energiequelle zu nutzen. Solarenergie ist überall ausreichend vorhanden - es wird Zeit, diese unerschöpfliche Energiequelle für die Menschheit zu erschließen.

Wie sieht die Wirklichkeit aus?

Bild: Colourbox.com

2003 wurden in Deutschland ca. 560 Milliarden kWh Strom erzeugt. Um diese Strommenge solar zu gewinnen, würde man also eine Solarmodulfläche von ungefähr 5600 km2 benötigen (um bei dieser Rechnung auf der sicheren Seite zu bleiben, wird mit dem niedrigen Wirkungsgrad von 10% für die Photovoltaik gerechnet, in Zukunft ist auch der doppelte Wirkungsgrad denkbar). Diese 5600 km2 stellen ungefähr 1,6% der Fläche Deutschlands (357.000 km2) dar. Da aber Solarenergie saisonal im Angebot schwankt (im Sommerhalbjahr fallen ca. 70% - 80% dieser Energie an, im Winterhalbjahr nur 30% - 20%, Strom wird aber im Winter mehr benötigt, als im Sommer!), wäre es nicht sinnvoll, bei uns eine 100%ige Deckung des Strombedarfs aus Solarstrom anzustreben. Eine Deckungsrate von 20% wäre aber durchaus sinnvoll.

Diese 20% bzw. 112 Mrd. kWh könnten nun auf weniger als 0,4% der Fläche Deutschlands erzeugt werden. Das sind ca. 1.120 km2. Wenn man außerdem davon ausgeht, dass sich einerseits unser Stromverbrauch künftig durch konsequente Anwendungen von Einspartechniken in etwa halbieren ließe, andererseits durch Fortschritte bei der Herstellung von Solarzellen der Wirkungsgrad durchaus auf 20% gesteigert werden kann (der theoretische Grenzwert liegt bei deutlich über 40%!), so schrumpft die dann benötigte Fläche auf ein Viertel oder nur noch 280 km2 (Zum Vergleich: bereits mehr als 21.000 km2 sind überbaut, also Hausdächer, Straßen und Plätze.) Man könnte den Anteil von 20% Solarstrom auf etwas mehr als 1,3% der bereits überbauten Dächer, Straßen und Plätze erzeugen.

Da die technischen und wirtschaftlichen (EEG, Marktanreizprogramm) Rahmenbedingungen gut sind, hängt alles an der Politik, um die solare Erschließung der freien Solarflächen durchzusetzen. Die Solarsatzung ist ein Schritt in die richtige Richtung. Denn die Solarsatzung zeigt, dass es politisch möglich ist, rechtliche Instrumente zur Besetzung der Dachflächen mit Solarenergie einzuführen.

Zum Politischen: <a href="http://klimaretter.info/wohnen/nachricht/6258-marburg-setzt-weiter-auf-solarsatzung">Klimaretter.info/marburg-setzt-weiter-auf-solarsatzung</a>
Zum Rechtlichen empfehle ich das Buch: Neue örtliche Energieversorgung als kommunale Aufgabe (Longo, NOMOS-Verlag)

Basiswissen „Photovoltaik“

Wie ist der Weg vom Rohstoff Silizium zum fertigen Modul? Was genau passiert in einer Solarzelle, wenn die Sonne scheint? Diese und andere Fragen beantwortet das jetzt in einer aktualisierten Fassung erschienene basisEnergie-Info „Photovoltaik“. Auf vier Seiten werden die physikalischen, technischen und ökonomischen Grundlagen der Erzeugung von Solarstrom vorgestellt.

Die Basis-Reihe vermittelt Energie-Grundlagen
Die Reihe basisEnergie erklärt grundlegende Themen aus den Bereichen Energieeffizienz und erneuerbare Energien in einer leicht verständlichen und präzisen Form. Die Basisinfos eignen sich für Schulen und Weiterbildungseinrichtungen. In der Beratung können sie zur Vermittlung von Grundwissen eingesetzt werden. Der Aufbau der Reihe umfasst etwa 15 Themen, die kontinuierlich aktualisiert werden. Das neue Basisinfo "Photovoltaik" erhalten Sie hier