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Solarenergie nutzen - Vom Brennspiegel zur Photovoltaik und zur künstlichen Photosynthese
Die meisten Menschen werden – gerade in der aktuellen Diskussion über die Umstellung unserer Energieversorgung – bei der Nutzung von Solarenergie zuerst an Photovoltaik und Solarthermie denken. Daneben gibt es aber zahlreiche andere Möglichkeiten, die Strahlungsenergie zu nutzen, die uns der zentrale Himmelskörper unseres Sonnensystems sendet.
Die auf der Erde ankommende Strahlungsleistung der Sonne ist von einer Vielzahl an Faktoren abhängig, so vom Einfallswinkel, dem aktuellen Abstand zwischen Erde und Sonne, von atmosphärischen Störungen (Wolken) oder der Höhe über dem Meeresspiegel. Die sogenannte Solarkonstante E0 gibt die langjährig gemittelte extraterrestrische Bestrahlungsstärke der Sonne an. Ihr Wert wurde von der Weltorganisation für Meteorologie auf 1.367 W/m2 bzw. J/m²*s festgelegt.
Der große Vorteil der Solarenergie besteht darin, dass sie eine erneuerbare Energiequelle ist, die uns mit der Sonnenstrahlung kostenlos, unbegrenzt und an jedem Ort zur Verfügung steht. Solarenergie ist zudem eine der saubersten und umweltfreundlichsten Energiequellen, die wir nutzen können. Ein entscheidender Nachteil besteht in der Volatilität, d.h. wir können die Sonnenenergie nur tagsüber nutzen und wenn das Wetter mitspielt, denn bei starker Bewölkung oder in einem Sandsturm verliert die Sonne deutlich an Kraft.
Solarenergie – frühe Nutzung
Den wärmenden Effekt der Sonnenstrahlung haben schon frühe Kulturen genutzt. Die Solarenergie wurde zum Trocknen von Nahrungsmitteln, Fellen oder Textilien genutzt. Von frühen Hochkulturen weiß man, dass diese bereits Gebäude so ausrichteten, dass die einfallende Sonne diese optimal erwärmen konnte. Die alten Ägypter sollen über ein kompliziertes System an Spiegeln auch das Innere ihrer Pyramiden beim Bau beleuchtet haben.
Das Wissen darum, dass sich die Kraft der Sonne durch Bündelung der Strahlen erhöhen lässt, war bereits in der Antike vorhanden. Mit Brennspiegeln und geschliffenen Gläsern wurde Feuer gemacht und Wasser erhitzt. Einer Legende nach soll der griechische Mathematiker Archimedes die Sonnenenergie auch als Kriegswaffe genutzt haben: Mittels Brennspiegeln habe er Schiffe der angreifenden Römer in Brand gesetzt.
Brennspiegel und dunkle Behältnisse, die das Sonnenlicht absorbieren, waren lange Zeit die einzige Möglichkeit, Solarenergie zu nutzen. Sie wurden und werden z.B. zur solaren Aufbereitung von Trinkwasser genutzt. Dabei wird das Wasser durch die Sonneneinstrahlung erhitzt und so von Bakterien und Viren befreit. Auch solares Backen und Kochen ist auf diesem Wege möglich. Die Solarenergie lässt sich sogar zum Kühlen einsetzen. Auf einfachste Weise gelingt das, indem feuchte Textilien auf ein zu kühlendes Objekt gelegt werden. Die einstrahlende Sonne erwärmt die Feuchtigkeit, die dann in die gasförmige Phase übergeht – aus Wasser wird z.B. Wasserdampf. Bei diesem „Verdunsten“ wird der Umgebung Wärme entzogen (Verdunstungswärme), das entsprechende Objekt gekühlt. Heutzutage verwendet man für die solare Kühlung eine Adsorptionskältemaschine mit einem Kühlkreislauf, ein Prinzip, das aus dem Kühlschrank bekannt ist. Die Erwärmung des Kältemittels erfolgt hier in Solarkollektoren. Auf diese Weise lässt sich z.B. die Luft in Gebäuden abkühlen.
Die konzentrierte Kraft der Sonne - Solarenergie bündeln
Solare Dampfmaschinen
Mit der Renaissance und dem wissenschaftlichen Fortschritt kamen neue Anwendungen für die Sonnenenergie hinzu. So stellte der französische Ingenieur und Erfinder Salomon de Caus um 1615 eine solarbetriebene Wasserpumpe vor. Diese bestand aus einem Satz von Spiegeln, die das Sonnenlicht bündelten und auf einen Kessel mit Wasser lenkten. Durch die Erhitzung des Wassers entstand Dampf, der einen Kolben bewegte und so das Wasser aus einem tiefen Brunnen in den höher gelegenen Garten pumpte. Dass Wasserdampf mechanische Arbeit verrichten kann, war seit langem bekannt. De Caus Verdienst bestand in der Erkenntnis, dass sich der Dampf auch ohne die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugen lässt. Und: Auch heutzutage werden insbesondere in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung noch solarbetriebene Wasserpumpen zur Trinkwasserversorgung und zur Bewässerung von Feldern und Gärten eingesetzt.
Im Jahr 1866 präsentierte der französische Ingenieur Augustin Mouchot eine solarbeheizte Dampfmaschine. Knapp 50 Jahre zuvor hatte James Watt mit seiner Dampfmaschine die Industrieproduktion revolutioniert aber schon damals zeigte sich ein entscheidender Nachteil: Für den Betrieb waren Brennstoffe in großer Menge erforderlich.
Die Erfindung Mouchots wurde von der französischen Regierung finanziert, die sich für eine unabhängige Energieversorgung interessierte, insbesondere für die Versorgung von abgelegenen Orten in Frankreichs Kolonien. Die ersten Solar-Dampfmaschinen wurden in Algerien und im Sudan eingesetzt, um Wasser aus Brunnen zu pumpen oder um Getreidemühlen anzutreiben.
Mouchot setzte auf eine Anordnung parabolischer Spiegel, die das Sonnenlicht auf einen mit Wasser gefüllten schwarzen Kessel konzentriert. Das Wasser wurde durch die Sonnenstrahlung zum Kochen gebracht und der Dampf trieb den Kolben der Dampfmaschine an. Allerdings war die Maschine im Vergleich zu ihren fossilen Konkurrenten eher ineffizient, ihre Einsatzmöglichkeiten aufgrund der Abhängigkeit von der Sonne beschränkt.
Solarthermische Kraftwerke
Anfang des 20 Jahrhunderts unternahm man erste Versuche mit solarthermischen Kraftwerken in Ägypten. Die Konstruktion war jedoch noch nicht ausgereift und konnte sich nicht durchsetzen. Aufgegeben wurde die Idee eines Solarkraftwerkes jedoch nicht - im spanischen Sevilla erzeugt das „Planta Solar 10“ als Europas erstes kommerzielles Solarturm-Kraftwerk eine maximale elektrische Leistung von 11 MW.
Ein solarthermisches Kraftwerk besteht typischerweise aus einem Solarkollektorfeld, in dem zahlreiche Spiegel angeordnet sind. Diese konzentrieren das Sonnenlicht auf einen zentralen Sammelbehälter. In der Regel ist das ein Rohr oder einer Röhre, die mit einer Flüssigkeit wie Wasser oder Öl gefüllt ist. Die Flüssigkeit wird durch die gebündelte Solarenergie erhitzt und in Dampf umgewandelt. Der treibt dann in eine Turbine und damit einen Generator an, der Strom erzeugt. Das kondensierte, heiße Wasser wird wieder zurück in den Sammelbehälter geleitet, um erneut erhitzt zu werden. Das gesamte System ist so ausgelegt, dass es kontinuierlich Strom erzeugen kann, solange die Sonne scheint.
Solarthermie
Die Solarthermie nutzt das Prinzip der Absorption dunkler Körper. Wesentlicher Bestandteil sind die meist tiefschwarzen Sonnenkollektoren, die die Energie der Sonnenstrahlen in Wärme umwandeln. Auf diese Weise wird eine wässrige Flüssigkeit erhitzt, die aus den Kollektoren über Rohrleitungen in einen Pufferspeicher transportiert wird. Dort gibt die Solarflüssigkeit über einen Wärmeüberträger oder -tauscher ihre Wärme an das Trinkwasser oder die Heizung ab. Ist die Solarflüssigkeit abgekühlt, wird sie über das Rohrleitungssystem wieder hoch zu den Sonnenkollektoren gepumpt und der Vorgang beginnt von Neuem.
Als Erfinder der Solarthermie gilt der Schweizer Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure. Sein „Heliothermometer“ bestand aus einem mit Glas abgedeckten Tannenholzkasten, der innen mit schwarzem Kork ausgekleidet war. Unter Sonneneinstrahlung ließ sich das Wasser im Heliothermometer bis über den Siedepunkt erhitzen.
Einen ersten kommerziellen Höhepunkt erlebte die Solarthermie als kostengünstige Heiztechnik zu Beginn des 20. Jahrhunderts in den USA. Als dann im Zweiten Weltkrieg das Kupfer für Rohrleitungen knapp wurde, verschwand die etablierte Technik wieder vom Markt und die Verbraucher setzen fortan auf die Heizung mit billigem Erdgas. Zwar hat die Solarthermie insbesondere in den letzten Jahren wieder einen Aufschwung erlebt, ihr Anteil an der Wärmeerzeugung ist jedoch nach wie vor gering: Laut BSW Solar erzeugten Ende 2022 insgesamt 2,6 Millionen Solarthermie-Anlagen insgesamt 9,9 Terawattstunden Wärmeenergie (PDF). Das macht vom Gesamtbedarf von ca. 2.400 Terawattstunden (Angabe Umweltbundesamt 2021: 8.667 PJ) gerade einmal 0,5 % aus.
Solarenergie bewegt Elektronen
Photovoltaik (PV)
Bei der Photovoltaik entsteht aus Sonnenenergie keine Wärme, sondern elektrischer Strom. Das dahinterstehende Prinzip ist als photoelektrischer Effekt bekannt: Fällt Sonnenlicht auf einen Halbleiter, erhöht sich die Leitfähigkeit des Materials. Die Solarzellen, in denen die Umwandlung von Solarenergie in elektrischen Strom geschieht, sind so aufgebaut, dass eine neutrale Grenzschicht von zwei entgegengesetzt geladenen Halbleiterschichten eingefasst wird. Zwischen der positiven p-Schicht und der negativen n-Schicht bildet sich ein elektrisches Potential aus. Fällt nun Licht auf die Grenzschicht, werden Elektronen freigesetzt. Diese bewegen sich unter Einfluss des Potentials zur p-Schicht und aus der n-Schicht fließen Elektronen in die Grenzschicht nach. Werden die beiden geladenen Schichten mit einem elektrischen Leiter verbunden, erfolgt darüber der Ladungsausgleich – ein Strom fließt. Entdeckt wurde der photoelektrische Effekt bereits Mitte des 19. Jahrhunderts, Albert Einstein lieferte 1907 die theoretische Erklärung für das Phänomen. Erste Solarzellen wurden in den 1940er Jahre gebaut, Anwendung fand die damals noch extrem teure Photovoltaik zwei Jahrzehnte später in der Weltraumforschung. Auf der Erde dienten die Solarzellen und kleinere Module seit den 1980ern zur Stromversorgung von Signalanlagen, von Parkuhren und ähnlichen Anwendungen.
Dem Schweizer Ingenieur Markus Real ist es zu verdanken, dass die Photovoltaik ihren Siegeszug antrat. Der war nämlich der Überzeugung, dass es möglich und sinnvoll sei, Strom für den Haushalt mit einer Photovoltaikanlage selbst zu erzeugen. Mit seinen Ideen und ersten Versuchen gab er den Anstoß für die weitere Entwicklung in diesem Bereich.
Heute sind allein auf deutschen Dächern etwa 2,4 Millionen PV-Anlagen installiert. Im Jahr 2022 deckten diese (laut Statista) knapp 11 Prozent des hiesigen Strombedarfs. Ein Grund für den Erfolg der Photovoltaik: Mittlerweile ist der Solarstrom vom Dach sehr günstig; Experten sprechen von der billigsten Art, Strom zu erzeugen. Mit den aktuell heiß diskutieren „Balkonkraftwerken“, Mini-PV-Anlagen mit ein bis zwei Modulen, wird die Photovoltaik auch für Mieter einsetzbar.
Solarchemische Reaktionen
Eine weitere Möglichkeit, Solarenergie zu nutzen, besteht darin, mit Sonnenlicht chemische Reaktion zu initiieren. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Photokatalysatoren erreicht werden. Das sind Substanzen, die Licht absorbieren und durch Übertragung dieser Energie chemische Reaktionen starten. So befördert z.B. Titandioxid die Reduktion von Kohlendioxid. Das entstehende Kohlenstoffmonoxid dient dann als Brennstoff, der in Gasturbinen zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Weitere Beispiele für solarchemische Reaktion sind die Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff, die Methanolsynthese aus Kohlendioxid und Wasserstoff mithilfe von Sonnenenergie oder die sogenannte Stickstofffixierung, bei der der chemisch wenig reaktive Stickstoff aus der Luft in Verbindungen umgewandelt wird, die Pflanzen zur Herstellung von Proteinen nutzen können.
Als solarthermische Reaktionen werden die chemischen Umwandlungen bezeichnet, bei denen der durch Sonneneinstrahlung erzeugten Wärme eine zentrale Rolle zukommt. Die "solarthermische Chemie" kann bei der Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser oder der Umwandlung von Kohlendioxid in Brennstoffe wie Methanol oder Ethan verwendet werden. Weiterhin zählen dazu die Methanisierung, eine Reaktion, bei der Wasserstoff und Kohlenmonoxid unter hohen Temperaturen und Drücken zu Methan reagieren, die CO2-Methanisierung oder die solarthermische Zersetzung von Methan, bei der Wasserstoff und Feststoffe entstehen, die als Brennstoffe oder als Rohstoffe für die weitere chemische Produktion verwendet werden.
Künstliche Photosynthese
Die Photosynthese ist ein natürlicher aber komplexer Prozess, bei dem Pflanzen, Algen und einigen Bakterien Sonnenenergie in chemische Energie umzuwandeln. Dabei werden aus Kohlendioxid aus der Atmosphäre organische Verbindungen wie Zucker synthetisiert. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler versucht, diesen Prozess im Labor nachzubilden. Das Ziel dieser Forschung ist es, Reaktionen mit hohem Energiebedarf, wie sie z.B. zur Erzeugung chemischer Grundstoffe wie Methan bisher erforderlich sind, unter „Normalbedingen“ (Drücken und Temperaturen) durchzuführen. Auf diesem Wege ließen sich große Mengen an Energie einsparen und zudem das einmal in der Luft befindliche CO2 wieder „einfangen“.
Obwohl die Forschung zur künstlichen Photosynthese noch in den Anfängen steckt, gibt es bereits vielversprechende Fortschritte in diesem Bereich. Derzeit sind die meisten künstlichen Photosynthese-Systeme allerdings noch nicht effizient genug, um in großem Maßstab eingesetzt zu werden. Insgesamt hat die künstliche Photosynthese ein hohes Potenzial für die Einsparung von Energie und eine insgesamt weniger „aggressive“ Chemie.