Infoblatt Solarenergie

Beschreibung der verschiedenen Möglichkeiten zur Nutzung solarer Strahlung





Die Energiequelle Sonne

Die Sonne stellt physikalisch gesehen einen Fusionsreaktor dar. Aufgrund ihrer hohen Masse und der damit einhergehenden Massenanziehung werden vorwiegend Wasserstoffatome miteinander verschmolzen und zu Helium umgewandelt. Ein kleiner Teil der dadurch entstehenden Energie erreicht als elektromagnetische Strahlung nach 150 Millionen Kilometern und etwa 8,3 Minuten die Erde.
Die gesamte Sonneneinstrahlung oder Globalstrahlung wird in direkte und in diffuse Strahlung differenziert. Die direkte Strahlung erreicht ohne Ablenkung auf direktem Weg die Erde, wohingegen die diffuse Strahlung durch Wolken oder Schmutzpartikel in der Atmosphäre gestreut wird. Da diese aus sämtlichen Richtungen auf die Erde trifft, kann sie im Gegensatz zur direkten Strahlung nicht gebündelt bzw. konzentriert werden. Die Anteile direkter und diffuser Strahlung schwanken je nach Jahreszeit, d. h. durch klare Tage im Sommer steigt die direkte Strahlung und damit der Energiegehalt der Globalstrahlung, durch trübe Tage im Winter sinkt sie durch einen höheren Anteil an diffuser Strahlung. Weiteren Einfluss auf die Energiemenge nehmen der Wechsel von Tag und Nacht und die Jahreszeiten. Im Winter ist die Energiemenge durch die kürzeren Tage und die niedrig stehende Sonne deutlich geringer als im Sommer.
Um sich die Energie der Sonne technisch nutzbar zu machen, existieren verschiedene Möglichkeiten. Diese sind Photovoltaik, solarthermische Kraftwerke, Sonnenkollektoren und darüber hinaus die passive Nutzung der Solarenergie.


Photovoltaik

Bei der Photovoltaik werden sowohl die direkte wie auch die diffuse Strahlung mittels Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt. Kern einer Solarzelle ist ein Halbleiter, der in der Regel aus Silizium besteht. Durch den photovoltaischen Effekt entstehen durch bestimmte übereinander angeordnete Halbleiterschichten unter dem Einfluss von Licht freie positive und negative Ladungen, die mittels eines elektrischen Feldes getrennt werden und über einen elektrischen Leiter abfließen können. Der so gewonnene Gleichstrom kann für elektrische Geräte genutzt, in Batterien gespeichert oder nach Umwandlung in Wechselstrom ins Stromnetz eingespeist werden. Der Leistungsbereich erstreckt sich von wenigen Watt bis hin zu einigen Megawatt.





Solarthermische Kraftwerke

Solarthermische Kraftwerke nutzen direkte Solarstrahlung und eignen sich daher nicht für einen weltweiten Einsatz, sondern sind auf Standorte mit entsprechend hoher Sonneneinstrahlung beschränkt. Darunter fallen z. B. die ariden Zonen in Südeuropa, in Nordafrika und auf der arabischen Halbinsel. Sie dienen der Stromerzeugung oder Kraft-Wärme-Kopplung, also der gleichzeitigen Stromproduktion und Nutzung der Prozesswärme. Dies erfolgt über eine Konzentration der solaren Strahlung mittels Kollektoren, bei der enorme Temperaturen entstehen. Diese treiben dann konventionelle Kraftanlagen an.
Der heutige Stand der Technik spiegelt sich in bisher fünf unterschiedlichen Kraftwerkstypen wider.

• Parabolrinnenkraftwerke - Über Parabolspiegel mit Längen bis zu 150 m wird ein Absorberrohr auf ca. 400 ºC erhitzt. Diese Wärme wird über ein Thermoöl abgeführt und dann über einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung verwendet, durch den wiederum eine Turbine angetrieben wird. Diese Art von Kraftwerke können also sowohl Strom als auch Wärme erzeugen. Mittlerweile besitzen Parabolrinnenkraftwerke in Kalifornien eine Gesamtleistung von 354 MW. Seit 2007 befindet sich auch in Nevada eine Anlage mit einer Leistung von 64 Megawatt.
• Solarturmkraftwerke - Mit bis zu tausenden, der Sonne nachgeführten Einzelplanspiegeln (Heliostate) wird die Sonnenstrahlung auf einen zentralen Wärmetauscher auf dem Turm (Receiver) gelenkt und konzentriert, sodass sich effizient einige 100 MW an Strahlungsleistung kompakt übertragen lassen. Mit der konzentrierten Strahlung können im Absorber bis zu 1.100 °C bereitgestellt werden, die dann über ein Dampf- oder Gasturbinenkraftwerk Strom erzeugen können. Die 1996 errichtete Testanlage "Solar Two" in Kalifornien erreicht eine Leistung von 10 Megawatt. Die 2009 in Jülich in Deutschland erbaute Demonstrationsanlage erreicht 1,5 Megawatt. Aufgrund der hohen Investitionen werden Solarturmkraftwerke jedoch erst ab einer Leistung von 30 Megawatt wirtschaftlich sinnvoll.
• Paraboloidkraftwerke (auch Dish-Stirling-Anlagen genannt) - Dabei erfolgt die Konzentration der Sonnenstrahlung über einen Parabolspiegel mit einem Durchmesser von 3 - 25 m auf einen direkt im Brennpunkt installierten Absorber, der die Strahlung als Wärme an einen Stirlingmotor abgibt, der mit Helium oder Luft eine Gasturbine antreibt. Die elektrische Leistung erreicht dabei typischerweise 5 bis 50 Kilowatt. Vieler solcher Module könnten auch zu einem großen Kraftwerk zusammengeschlossen werden.
• Aufwindkraftwerke - In riesigen Glashäusern wird Luft erwärmt, die zu einem mittig angeordneten Kamin strömt, in diesem aufsteigt und darin eingebaute Windturbinen antreibt. Von 1986 - 1989 bewies eine Pilotanlage in Manzanares in Spanien mit einer Spitzenleistung von 50 Kilowatt die Realisierbarkeit von Aufwindkraftwerken. Mittlerweile befinden sich Vorstufen für 100 und 200 Megawatt-Kraftwerke in der Erprobungsphase, die allerdings Turmhöhen von bis zu 1.000 m bedürfen. Bislang sind jedoch alle Bauvorhaben an den immensen Kosten gescheitert. Seit 2007 wird in Fuente el Fresno (Spanien) ein 750 m hoher Aufwindturm errichtet, der bis zu 40 Megawatt liefern soll. Nun soll auch in La Paz County, Arizona ein Kraftwerk realisiert werden, das dann den Stromverbrauch von 150.000 Haushalten (á 4.000 kWh/a) decken soll.
• Fresnel-Spiegel-Kollektoren - Sie sind die Weiterentwicklung der Parabolrinnen. Die Anlagen bestehen aus parallelen, geraden Spiegelfacetten, die das Sonnenlicht auf ein Absorberrohr bündeln. Ein zusätzlicher Sekundärspiegel hinter dem Rohr lenkt die Strahlung auf die Brennlinie. Diese Art von Kollektoren erzeugen zwar vergleichsweise geringe Energieerträge, sind dafür jedoch einfach und relativ kostengünstig aufzubauen. Die Forschungen sind jedoch noch nicht abgeschlossen.
• Sonnenöfen - Große Sonnenöfen bestehen aus mehreren, der Sonne nachgeführten Fangspiegeln, welche die die Sonnenstrahlung punktgenau in einem Absorber konzentrieren, der sich in einem z.T. haushohen Hohlspiegel befindet. Die dabei erzeugte Temperatur kann bis zu 4.000 °C betragen. Das verdampfte Medium treibt einen Generator an. 1972 wurde in Odeillo in den französischen Pyrenäen ein Sonnenofen zu Forschungszwecken installiert. Auch bei Almería wurden in den 1980er Jahren Testanlagen errichtet. Sonnenöfen haben sich bislang jedoch nicht als Energieerzeuger im großen Umfang durchsetzen können. Erfolgreich genutzt werden Sonnenöfen vor allem als handliche Solarkocher oder Solarkochkisten in Afrika oder Indien für die Zubereitung von Nahrung. Sie bieten eine zeitsparende Alternative zu Brennholz oder Kuhdung.

Europäische Forschungen zu solarthermischen Kraftwerken werden vor allem an Testanlagen in Spanien vorangetrieben. Beispielhaft ist der Solarpark Planta Solar bei Sevilla. Bis 2013 sollen in dem Solarpark unterschiedliche Technologien mit einer Gesamtleistung von 302 Megawatt fertiggestellt werden. Ende März 2007 ging als erstes ein Solarturmkraftwerk mit 11 Megawatt ans Netz. dem in der zweiten Ausbaustufe eine Turmanlage mit 20 Megawatt folgte. Eine weitere Anlage mit 20 MW sowie drei Parabolrinnenkraftwerke mit je 50 Megawatt befinden sich in der Planung.


Sonnenkollektoren

Wie bei Photovoltaikanlagen kann mit Sonnenkollektoren sowohl direkte wie auch diffuse solare Strahlung genutzt werden. Es erfolgt eine Wärmeumsetzung der Sonnenstrahlung, die dann für das Erhitzen von Wasser oder zur Gebäudeheizung verwendet wird. Während einzelne Solarzellen nur etwa 1,5 Watt Leistung erbringen, können aus mehreren Solarzellen verschaltete Solarmodule 50 bis 300 Watt erzeugen. Eine Leistungsgrenze gibt es generell allerdings nicht. In Deutschland wurden beispielsweise im Jahr 2008 etwa 8 GWth Solarwärme-Leistung installiert.
Dies erfolgt im simpelsten Fall über schwarze Kunststoffmatten (Absorber), durch die ein Wärmeträgermedium fließt. Die Temperaturen hierbei sind nicht sehr hoch, können aber zum Beispiel Wasser in Freibädern erwärmen. Eine ausgereiftere Form stellen die Flachkollektoren dar, deren metallische Absorber sehr viel besser isoliert sind. Die sonnenzugewandte Seite ist durch eine Glasscheibe bedeckt, die Rückseite durch Dämmmaterial. Es können höhere Temperaturen erreicht werden und daher setzt man sie bevorzugt zum Erhitzen von Brauchwasser ein. Fast ohne Wärmeverluste arbeiten Vakuumröhrenkollektoren, bei denen der Absorber in vakuumverschlossenen Glasröhren liegt, was vergleichbar mit Thermoskannen ist. Der Wirkungsgrad ist hier am höchsten, wodurch sie sich besonders für das Beheizen von Gebäuden eignen. In jedem Fall wichtig sind Speicher, da Wärmeenergie besonders im privaten Gebrauch (Brauchwassererwärmung, Beheizung) zu unterschiedlichsten Zeitpunkten zur Verfügung stehen muss, also auch dann, wenn keine Sonne scheint.


Passive Solarnutzung

Eine weitere Möglichkeit der Verwendung von Direkt- und Diffusstrahlung ist die passive Solarnutzung. Die Besonderheit hierbei ist, dass keine aktive Technik eingesetzt wird. Vielmehr bedient man sich spezieller Bauteile und Architektur der Häuser, um so zur Raumheizung beizutragen. Dazu eigenen sich alle lichtdurchlässigen Bereiche des Hauses, u. a. große Fenster und Wintergärten.