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Sonnenenergie



Solarenergie – Die unerschöpfliche Energie von Oben



Die Solarenergie gehört zu den erneuerbaren Energien. Zukünftige Energiekrisen sollen mit ihr verhindert oder wenigstens mit so wenig Schaden wie möglich überstanden werden. Deutschland vergrößert den Solarstromanteil am Energienetz zwar langsam, aber sicher. Allein zwischen 2007 und 2008 gab es einen Solarstromzuwachs von etwa 800 MW, und Ende 2009 betrug die Gesamtleistung 9760 MW.

Photovoltaik

Mit Solarenergie wird besonders die Photovoltaik in Verbindung gebracht. Neben vielen anderen Nutzungsmöglichkeiten ist sie die gebräuchlichste. Photovoltaik ist die Stromerzeugung durch Solarenergie mit Hilfe von Solarzellen oder Photovoltaikanlagen (kurz: PV-Anlagen).


http://www.photovoltaik-finanzierungen.de/Photovoltaik Finanzierung PV Anlage.JPG

Die Stromgewinnung funktioniert durch Sonnenbestrahlung. Die Abbildung zeigt das Prinzip der Photovoltaik.


http://www.schenk-waerme.de/pictures/photovoltaik_01.jpg

Eine Solarzelle besteht aus zwei Schichten Silizium, welche übereinander gelagert sind. Die obere Schicht ist negativ, und die untere Schicht ist positiv dotiert. Das bedeutet, dass es „Elektronen-Löcher“ und „Elektronen-Überschüsse“ gibt. Silizium ist vierwertig, kann höchsten vier gleichwertige Nachbaratome im Atomgitter besitzen. Um es negativ zu dotieren, wird ein fünfwertiges Atom in das Siliziumgitter eingefügt. Ein Beispiel für ein fünfwertiges Atom ist Phosphor. Anschließend herrscht ein Elektronenüberschuss, da Atome zur Bindung Elektronen benötigen (Abbildung unten links). Das Gegenteil einer negativ Dotierung ist eine positiv Dotierung mit beispielsweise Bor, welches nur dreiwertig ist, um ein Elektronenloch zu erzeugen (Abbildung unten rechts). Die Punkte an den Atomen auf den Abbildungen entsprechen den Elektronen.



http://www.sonnenanzapfer.de/bilder/dotierung.gif

Die Sonneneinstrahlung auf diese Siliziumschichten erzeugt nun einen Elektronenfluss, also eine Spannung, welche immer einen Strom zur Folge hat. In einem Solarspiegel befinden sich nun unzählige dieser sehr kleinen „Energiewandler“. Diese nun neu gewonnene elektrische Energie kann im Haus genutzt werden und die überschüssige Energie wird gespeichert oder ins regionale Stromnetz eingespeist, wofür man pro kWh bezahlt wird. Jedoch ist der Verkauf von selbstgemachtem Solarstrom ineffektiv und lohnt sich kaum. Und das Speichern ist auch schwierig, da es keine Akkus gibt mit ausreichend Kapazität. So ist der Solarstrom nur kurzzeitig verwendbar, wenn nicht gerade die Sonne scheint. Eine effizientere Ausbeute der Solarenergie stellt der Solarkollektor dar, denn das was er herstellt kann man fast verlustfrei eine Zeit lang aufbewahren.

Solarkollektoren

Zusätzlich gibt es noch zahlreiche weitere Möglichkeiten aus der Sonnenenergie elektrische Energie zu gewinnen. Allerdings funktionieren alle anderen Methoden mit der Solarthermik, sie nutzen also die durch die Sonneneinstrahlung erzeugte Hitze. Diese Hitze in Form von heißer Luft oder heißem Wasser wird durch eine Turbine geschickt, welche dann die elektrische Energie erzeugt. Unter diese Methoden der Energieerzeugung fallen Aufwind- und Fallwindkraftwerke, Solartürme und Solarkollektoren. Letztere nutzen die durch die Sonne erzeugte Hitze, um meistens Wasser für Heizung und Sanitäreinrichtungen zu erwärmen. Ein solcher Kollektor wird meist auf zur Sonne ausgerichteten Dächern installiert. Er besteht im groben Aufbau aus drei einfachen Schichten. Lässt man die Auflagefläche (der Boden des Kollektors) weg, so ist die unterste Schicht ein Wärmeisolator. Darauf ist ein in Schlangenlinien angeordnetes Rohr befestigt, auch Absorber genannt, da es die Sonnenstrahlung absorbiert. Es muss sowohl aus Hitze- als auch UV-beständigem Material gefertigt sein. Dieses Rohr ist schwarz lackiert, um es schneller und effizienter zu erhitzen. Auf dem Rohr,  und somit parallel zur untersten Schicht, befindet sich eine Platte aus durchsichtigem Material, welches meistens Glas oder Plexiglas (Eine Art Plastik) besteht.



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/thumb/f/f7/Sonnenlichtkollektor.png/800px-Sonnenlichtkollektor.png

Logischerweise werden mehrere Kollektoren auf den Dächern angebracht, um die Sonne effizienter zu nutzen. Treffen nun Sonnenstrahlen auf die Anlagen, so erwärmt sich je nach Sonnenstand und Sonnenintensität das Rohr. Natürlich spielt der Umweltfaktor „Wetter“ eine wichtige Rolle bei der Energiegewinnung, aber das ist bei der Photovoltaik nicht anders. Das Rohr wird anschließend mit einer Kühlflüssigkeit durchflossen. Dazu bietet sich Öl hervorragend an, jedoch greift man auch oft auf Wasser zurück, bei dem die Gefahr besteht, im Winter zu gefrieren. Diese Kühlflüssigkeit wird nun ins Haus, genauer in einen Wärmetauscher geleitet, welcher sich entweder im Keller oder auf dem Dachboden des Hauses befindet und einen Wasserkreislauf erwärmt. Das erwärmte Wasser kann, dank guter Isolation fast verlustfrei, längere Zeit in einem Tank aufbewahrt (gespeichert) werden. Über Pumpen wird das warme bis sogar heiße Wasser im ganzen Haus verteilt und dadurch für jeden erreichbar und nutzbar. Dieses Prinzip wird grob vereinfacht auf der Abbildung dargestellt.



http://www.solarverkauf.de/fileadmin/templates/Solarverkauf_neu/images/Solaranlage-Frischwasserspeicher-Heizungsunterstuetzung.jpg

Der Aufbau eines Solarkollektors ist unkompliziert und deshalb ist es sehr einfach einen nachzubauen. Beispielsweise ein schwarz angemalter Gartenschlauch als Rohr und eine Styroporplatte als Wärmeisolator eignen sich gut zum Eigenbau. Das ist die einfachste erneuerbare Energieform, welche man, beim Bau angefangen, komplett selber herstellen kann.

Solartürme

Die Idee der Solartürme ist noch nicht ausgereift und Wissenschaftler verfügen zurzeit noch nicht über den Wissensstand wie in der Photovoltaik.


Solarturm und Kollektorfeld in Spanien

http://frank-media.info/fileadmin/khammas/pics/320_solarturmkraftwerk_ps_10_spanien.jpg

Trotzdem bewegen sich die Wissenschaftler weiter in diese Richtung. Flächen (so genannte Kollektorfelder) von einigen Fußballfeldern werden besetzt mit riesigen Spiegeln (so genannte Heliostate; jeder etwa ein halbes Tennisfeld groß), die Sonnenstrahlung bündeln und auf einen Punkt, den Solarturm, konzentrieren. Der Turm hat am höchsten Punkt, wo die Strahlung konzentriert wird, eine Kammer in welcher locker Temperaturen von über 700°C entstehen. Pumpen leiten ein Wärmemedium  in die Turmspitze (Receiver). Dieses Medium wird nun aus dem Turm hinaus und in ein Wärmetauschsystem geleitet. Am anderen Ende des Wärmetauschsystems kommt nun heißer Wasserdampf raus, welcher eine herkömmliche Dampfturbine betreibt. Im restlichen oberen Teil des Turmes befindet sich ein Speicher, sodass die gewonnene Energie auch beispielsweise nachts oder an wolkigen Tagen zur Verfügung steht.




Die Heliostate Richten sich automatisch in die Richtung der Sonne, sie folgen dem Sonnenstand ständig. Auf diese Weise wird die von der Sonne abgestrahlte Energie von Sonnenaufgang bis –untergang effektiv genutzt. Die spanische Stadt Sevilla hat eine Aktion ins Leben gerufen, welche beinhaltet, dass die Stadt ihren kompletten Energiebedarf mit insgesamt neun solcher Solartürme decken will. Diese Idee ist vertretbar und idealistisch, jedoch leider zu teuer im Vergleich zu anderen Alternativen. Denn  für solch ein großes Vorhaben wird eine riesige, ebene Fläche, sehr viel Geld und das Wissen darüber benötigt, wie viel Energie man jederzeit zu Verfügung stehen muss.

Solarenergie in der Wirtschaft

Momentan ist die Aufrüstung eines Hauses mit Solarzellen und / oder Solarkollektoren noch sehr preisintensiv. Der Staat fördert die Aufrüstung zwar mit einem Umweltbonus, jedoch ist die Sonneneinstrahlung sehr gering. Aus diesem Grund dauert es zunächst ein paar Jahre, bis das für die Aufrüstung ausgegebene Geld wieder durch die Solaranlage rein gewirtschaftet wurde. Deshalb importiert Deutschland solarerzeugten Strom aus sonnenreichen Ländern, wie zum Beispiel Marokko. 2009 wurde bereits eine Kooperationserklärung mit Marokko unterzeichnet, die den Solarstromimport bis 2050 garantiert. Auf diese Weise wird Deutschland langsam aber sicher energieunabhängiger. Etwa 1,5% des deutschen Stromes liefern Solaranlagen, die innerhalb von Deutschland installiert sind (Stand Ende 2009, Tendenz steigend). Dabei könnten es viel mehr sein. In Osnabrück wurde es bereits in der Theorie getestet: Wenn alle in frage kommenden Dächer in der ganzen Stadt (ohne Vororte) mit Solarzellen ausgestattet würden, ließe sich fast der gesamte Stromverbrauch decken.
Auf der abgebildeten Deutschlandkarte sieht man die Sonneneinstrahlung in kWh/m². Da Osnabrück weiter nördlich liegt und sich der gesamte Stromverbrauch fast decken lässt, fragt man sich doch ob sich das Prinzip nicht Deutschlandweit anwenden lässt. Theoretisch lässt es sich Deutschlandweit anwenden. Und auf der Karte kann man sehen, dass je südlicher man lebt, die Sonneneinstrahlung zunimmt. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass man sogar noch Strom übrig hätte! Natürlich muss man sich gegen wolkige Tage absichern, jedoch wäre Deutschland ein Energieunabhängiges Land! Leider kostet eine solche Aktion locker ein paar Milliarden und ist somit nicht in näherer Zukunft zu erwarten, aber mit der Studie aus Osnabrück ist bewiesen, dass es möglich ist! Und genau das ist der Punkt an dem unsere und die nachfolgenden Generationen anpacken müssen.


http://gruenecker-haustechnik.de/pix/solar_deutschlandkarte.jpg