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Energie
Jeder
Mensch benötigt zum täglichen Leben Energie ! Der durchschnittliche
Energieverbrauch eines Bundesbürgers liegt bei rund 130 Kilowattstunden
(kWh) pro Tag. Die körperliche Dauerleistung eines durchtrainierten
Mannes beträgt jedoch lediglich 100 Watt, d.h. selbst wenn dieser
Mann 24 Stunden am Tag arbeiten würde, könnte er nur 2,4
kWh Arbeit verrichten, also rund 2 % seines Tagesbedarfs.
Zur Deckung des verbleibenden Bedarfs nutzt der Mensch seit jeher
die unterschiedlichsten Energieträger: Holz für Lagerfeuer,
fließendes Wasser für Kornmühlen, Kohle zum Heizen.
Heutzutage wird unser Energiebedarf durch Nahrung, Elektrizität,
Brenn- und Treibstoffe gedeckt.
Der weltweite Energiebedarf ist jedoch nicht konstant, sondern wächst
sehr schnell. Durch eine drastische Bevölkerungszunahme in Ostasien
(China) und in den Entwicklungs- und Schwellenländern, sowie
durch einen steigenden Lebensstandard und einem damit verbundenen
größeren Energieverbrauch, steigt der Gesamtbedarf: Nach
Aussage des Bundesverband Erneuerbare Energien e.V. (BEE) bräuchten
wir 4 Planeten, um den weltweiten Rohstoffbedarf zu decken, wenn alle
Länder den gleichen Lebensstandard erreichen würden wie
die Industrieländer. Die Internationale Energie Agentur (IEA)
erwartet bereits für das Jahr 2010 einen um 50 % höheren
Weltenergiebedarf als 1991.
Da bisher vor allem fossile Energieträger (Erdöl, Erdgas,
Kohle) genutzt wurden, diese jedoch nur in begrenzter Zahl auf unserem
Planeten vorhanden sind, gehen die Vorräte an fossilen Energieträgern
zu Ende. Diese sind dann unwiederbringlich verloren. Erschwerend kommt
hinzu, dass bei der Nutzung fossiler Energieträger durch Emissionen
von Luftschadstoffen und klimarelevanter Treibhausgase die Umwelt
geschädigt wird.
Auch die Nutzung von atomaren Energieträgern in entsprechenden
Kraftwerken stellt keine langfristig sinnvolle Alternative dar, da
hier die Probleme hinsichtlich des Strahlenrisikos und der Endlagerung
atomarer Abfälle nicht hinreichend gelöst sind.
Regenerative Energie
Um trotzdem langfristig den Energiebedarf der Menschheit zu decken,
bietet sich die Nutzung erneuerbarer bzw. sog. „regenerativer“
Energieträger an.
Neben der Sonnenenergie, welche durch solarthermische und photovoltaische
Anlagen in Nutzenergie umgewandelt werden kann, sind hier Biomasse,
Wind- und Wasserkraft, sowie Geothermie gemeint.
Allen
regenerativen Energieformen ist gemeinsam, dass ...
-
Sie
sich ständig erneuern, und somit unendlich sind.
-
Bei
Ihrer Nutzung keine Treibhausgase freigesetzt werden und sie somit
umweltfreundlich sind.
-
Nahezu an jedem Ort dieser Erde zumindest eine der regenerativen
Energieformen zur Nutzung bereit steht. Somit müssen kaum
Aufwendungen für Transport und Logistik getätigt werden,
und Energie steht jedem Volk zur Verfügung.
Die
Nutzung dieser erneuerbaren, umweltfreundlichen, nahe verfügbaren
und friedensichernden Energieträger sollte daher mit Hochdruck
weiter voran getrieben werden.
Windkraft
Die
Nutzung der Energie des Windes als praktisch unerschöpfliche
Ressource stand schon immer im Menschheitsinteresse: Der Handel über
die Weltmeere wurde vor Erfindung der Dampfmaschine ausschließlich
mit Segelschiffen durchgeführt, Windräder trieben Wasserpumpen
zur Be- oder Entwässerung an, und Windmühlen mahlten das
Korn.
Die moderne Nutzung der Windkraft stellt daher lediglich ein Rückbesinnen
auf einen traditionellen Energieträger dar: Erste Bemühungen
einer Wiederbelebung dieser umweltfreundlichen, ressourcenschonenden
Technologie wurden seit den fünfziger Jahren von deutschen Pionieren
unternommen, aber erst die Ölkrisen der siebziger Jahre und das
verstärkte Umweltbewusstsein haben der Windenergienutzung in
jüngerer Zeit zur Wiedergeburt verholfen.
Doch anders als ihre Ahnen nutzen moderne Windkraftanlagen das Auftriebsprinzip
anstatt des Widerstandsprinzips, d.h. dem Wind wird nicht ein Widerstand
entgegengesetzt, sondern der Wind erzeugt beim Vorbeiströmen
an den Flügeln der Windkraftanlage einen Auftrieb, ähnlich
wie beim Flugzeug, der den Flügel in Rotation versetzt. Kann
mit dem Widerstandsprinzip dem Wind maximal 15 % der Energie entzogen
werden, so sind es bei der Umsetzung im Auftrieb maximal 60 %. Im
Bestpunkt erreichen moderne Windkraftanlagen heute schon einen Wirkungsgrad
von 50 %, der mittlere Wirkungsgrad liegt bei 45 %. Damit sind also
moderne Windkraftanlagen schon sehr nahe an der maximal möglichen
Energieausbeute angelangt.
Die Entwicklung der Windenergiebranche
Die Nutzung der Windkraft ist daher unter den regenerativen Energieträgern
das Segment, welches das stärkste Wachstum aufweist und das größte
Potential innehat. Seit im Jahr 1991, mit breiter Zustimmung aller
im Bundestag vertretenen Parteien, das Stromeinspeisungsgesetz (StrEG)
verabschiedet wurde, ist ein regelrechter Boom in der Entwicklung
der Windenergienutzung in Deutschland zu verzeichnen, denn das Stromeinspeisungsgesetz
garantierte den „Windmüllern“ der neuen Generation
die Aufnahme und Vergütung ihres produzierten Stromes.
Mit Inkrafttreten des Gesetzes für den Vorrang Erneuerbarer Energien,
kurz Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) genannt, am 01. April 2000
wurde ein Referenzertragsmodell eingeführt. Dieser Schritt sichert
den Betreibern von Windkraftanlagen den Betrieb ihrer Anlagen trotz
des gesunkenen Strompreises der letzten Jahre, und bildet die Grundlage
für eine weiterhin positive Entwicklung, da es die notwendige
Investitionssicherheit für die Wirtschaft gewährleistet.
Als Ergebnis dieser gesamten Entwicklung waren im Januar 2003 über
13.500 WKA in Deutschland mit einer installierten Gesamtleistung von
über 12.000 MW in Betrieb (siehe Diagramm). Der potenzielle Jahresenergieertrag
aller WKA im Jahr 2002 lag bei rund 22 Mrd. kWh, und deckte somit
bereits über 4 % des Strombedarfs!
Biomasse
Im
täglichen Leben des Menschen spielte die Biomasse von jeher eine
bedeutende Rolle: Pflanzliche und tierische Produkte waren über
Jahrtausende nicht nur als Werkstoffe, Baustoffe und zu Bekleidungszwecken
verwendet worden, sie waren auch der einzige Zugang zu organischen
Substanzen: Baumharze, Holzteer, Pflanzenfasern, Pflanzenfarbstoffe,
Fette, Seife, Öle und vieles mehr. Im Jahr 2000 wurde in Deutschland
noch immer auf 680.000 ha Biomasse angebaut. Diese werden stofflich
zur Herstellung von Waschmitteln, Pharmazeutika, Fasern, Hydraulikölen,
Lösungsmitteln, Lackharzen, Ölfarben u.a. verwendet. Diese
Rohstoffe sind nachwachsend und damit nicht endlich wie fossile Rohstoffe
und sie sind biologisch abbaubar.
Die thermische Nutzung von Biomasse ist die älteste Form der
Energiegewinnung der Menschheit (Holzfeuer). Energiegewinnung aus
Nachwachsenden Rohstoffen setzt kein zusätzliches Kohlendioxid
(CO2) frei, da das bei der Nutzung freiwerdende CO2 in gleichem Maße
durch das Wachstum der Pflanzen auf der Fläche wieder verbraucht
wird. Das CO2 bewegt sich somit in einem Kreislauf, die absolute Konzentration
in der Atmosphäre bleibt bei der Nutzung der Biomasse gleich.
Im Vergleich zu fossilen Energieträgern spart die Biomasse, die
auf der Fläche eines Fußballfeldes angepflanzt wird, beim
Verbrennen rund 10 Tonnen CO2 ein !
Bei der Biomasse-Primärproduktion wird also die solare Strahlung
der Sonne mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese
in organische Materie umgewandelt. Biomasse stellt damit gespeicherte
Sonnenenergie dar. Dies unterscheidet Biomasse grundsätzlich
von anderen erneuerbaren Energieträgern, die z. T. erheblichen
Angebotsschwankungen innerhalb vergleichsweise kurzer Zeiträume
unterworfen sind (z. B. Windkraft, Solarstrahlung).
Die Nutzung von Biomasse
Biomasse kann zur Deckung der End- bzw. Nutzenenergienachfrage mit
Hilfe einer Vielzahl an Techniken in unterschiedlichste Verfahren
eingesetzt und genutzt werden.
Die verschiedenen Optionen unterscheiden sich dabei in Abhängigkeit
von der eingesetzten Biomasse (z. B. Waldrestholz, Rapssaat, Weizen,
Gülle, Klärschlamm) und des jeweils gewünschten End-
bzw. Nutzenenergieträgers (z. B. Wärme, Strom, Ethanol,
Rapsölmethylester, Pyrolyseöl) erheblich. Darüber hinaus
ist auch der Stand der Technik der für eine energetische Nutzung
von Biomasse geeigneten Verfahren sehr unterschiedlich.
Im
einfachsten Fall beispielsweise wird lignocellulosehaltige Biomasse
wie Holz im Anschluss an eine einfache mechanische Aufbereitung (z.
B. Holzhacken, Zerkleinerung zu Hackschnitzeln oder Verdichtung zu
Holzpellets) direkt in einer Feuerungsanlage verbrannt. Die Verbrennung
stellt dabei das "klassische" Verfahren zur Nutzung fester
Stoffe organischer Herkunft dar, wenn es - und dies ist der Regelfall
- um die Deckung der gegebenen Wärme- und ggf. Stromnachfrage
geht.
Für
zahlreiche Anwendungen (z. B. die mobile oder stationäre Kraftbereitstellung)
ist es sinnvoll oder sogar notwendig, aus festen Bioenergieträgern
flüssige oder gasförmige Sekundärenergieträger
herzustellen. Der letztlich gewollten Umwandlung in End- bzw. Nutzenergie
werden deshalb Veredlungsprozesse vorgeschaltet, bei denen die Energieträger
hinsichtlich einer oder mehrerer der folgenden Eigenschaften aufgewertet
werden.
Bei den Verfahren zur Umwandlung organischer Festbrennstoffe in feste,
flüssige oder gasförmige Sekundärenergieträger
kann zwischen physikalisch-chemischen, thermochemischen und biochemischen
Veredlungsverfahren unterschieden werden.
Physikalisch-chemische Umwandlung
Einige Biomassen (z. B. Raps- oder Sonnenblumensaat) enthalten in
unterschiedlichen Konzentrationen Öle und Fette, die ebenfalls
energetisch genutzt werden können. Sie werden mit Hilfe von physikalisch-chemischen
Verfahren gewonnen:
Pressen
Durch einfaches mechanisches Pressen der ölhaltigen Pflanzenkomponenten
kann die flüssige Ölphase von der festen Phase, dem sogenannten
Presskuchen, getrennt werden. Die dafür notwendige Verfahrenstechnik
ist sowohl kleintechnisch (landwirtschaftlicher Betrieb) als auch
großtechnisch (Ölmühle) verfügbar.
Das Öl kann nach entsprechender Reinigung als Treibstoff in pflanzenöltauglichen
Motoren mobil (z. B. Rapsöl in entsprechenden Traktoren) oder
stationär (z. B. in Blockheizkraftwerken) eingesetzt werden
Extraktion
Bei der (alternativ oder additiv zur Pressung) möglichen Extraktion
wird der ölhaltigen Saat das Öl mit Hilfe eines Lösemittels
(z. B. Hexan) entzogen. Öl und Lösemittel bzw. Extraktionsrückstand
und Lösemittel werden anschließend durch eine Destillation
getrennt. Öl, Extraktionsschrot und Lösemittel sind dann
in Reinform vorhanden, und das Öl kann (wie das ausschließlich
durch Pressung gewonnene Öl) energetisch genutzt werden. Diese
Technik ist ebenfalls großtechnisch vorhanden und im Einsatz.
Umesterung
Häufig wird Öl in Pflanzenölmethylester (PME) umgewandelt,
um es dadurch nahezu wie fossiler Dieselkraftstoff in Diesel-Motoren
einsetzen zu können. Die entsprechenden Verfahren sind großtechnisch
verfügbar. Aufgrund der hohen mit der Bereitstellung von PME
verbundenen Kosten ist derzeit der Markt aber begrenzt.
Thermochemische Umwandlung
Durch eine thermochemische Umwandlung der Biomasse (Verkohlung, Verflüssigung
bzw. Pyrolyse, Vergasung) werden die organischen Stoffe in erster
Linie unter dem Einfluss von Wärme in feste, flüssige und/oder
gasförmige Energieträger mit bestimmten Eigenschaften umgewandelt:
Verkohlung
Unter der Verkohlung von Biomasse wird eine Veredelung mit dem Ziel
einer möglichst hohen Ausbeute an Festbrennstoff definierter
Qualität (Holzkohle) verstanden. Die organische Masse wird dabei
unter Einwirkung von Wärme zersetzt. Die erforderliche Prozesswärme
wird häufig durch Teilverbrennung des Rohstoffs bereitgestellt.
Der durch diesen Prozess gewonnene Energieträger kann anschließend
in entsprechenden Anlagen zur Wärme- und Strombereitstellung
eingesetzt werden. Alternativ ist auch eine stoffliche Nutzung möglich
(z. B. Aktivkohle).
Die entsprechende Technologie zur Holzkohleherstellung ist verfügbar
und befindet sich im großtechnischen Einsatz. Der Großteil
der produzierten Holzkohle wird jedoch stofflich u. a. in der chemischen
Industrie genutzt, für die energetische Nutzung konnte sich die
Verkohlung als Veredlungsschritt aufgrund des geringen Wirkungsgrades
bisher nicht durchsetzen.
Verflüssigung
Bei der Verflüssigung oder Pyrolyse werden die organischen Stoffe
unter dem Einfluss von Wärme und ggf. weiteren Stoffen durch
einen pyrolytischen Abbau und damit durch eine thermische Zersetzung
mit dem Ziel einer möglichst hohen Ausbeute an flüssigen
Komponenten veredelt. Zusätzlich entstehen gasförmige und
feste Stoffe, die teilweise zur Energiebereitstellung für den
Pyrolyseprozess genutzt werden. Die produzierten flüssigen Energieträger
können anschließend (nach einer entsprechenden Reinigung)
als Brennstoff in geeigneten Feuerungsanlagen oder als Treibstoff
in Motoren zur Kraft- (für die Stromerzeugung) und Wärmebereitstellung
oder zur gekoppelten Wärme-Kraft-Bereitstellung eingesetzt werden.
Damit wird die Biomasse in einen flüssigen und gut transportierbaren
Energieträger mit einer relativ hohen Energiedichte umgewandelt,
der dann weitgehend universell einsetzbar ist.
Obwohl die Pyrolyse seit Jahren Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten
ist, befindet sich diese Technologie noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium.
Ursache dafür sind primär die nach wie vor ungelösten
technischen Probleme sowie die hohen Kosten. Daher ist nicht zu erwarten,
dass die Verflüssigung fester Biomasse in den nächsten Jahren
großtechnisch funktionssicher und kostengünstig verfügbar
sein wird.
Vergasung
Bei der Vergasung wird Biomasse bei hohen Temperaturen möglichst
vollständig in einen gasförmigen Energieträger umgewandelt.
Dabei wird der erhitzten Biomasse ein sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel
(z. B. Luft) zugeführt. Die organischen Stoffe werden in brennbare
Verbindungen aufgespalten und der zurückbleibende Kohlenstoff
wird zu Kohlenstoffmonoxid teilverbrannt. Die erforderliche Prozesswärme
wird meist durch eine teilweise Verbrennung der eingesetzten Biomasse
bereitgestellt. Das produzierte niederkalorische Brenngas kann in
Brennern zur Wärmebereitstellung und in Gasmotoren oder -turbinen
zur Stromerzeugung bzw. zur kombinierten Wärme- und Strombereitstellung
eingesetzt werden.
Die Vergasung der Biomasse stellt eine vielversprechende Option, insbesondere
zur Stromerzeugung, dar. Dies gilt aufgrund der realisierbaren hohen
Wirkungsgrade bezogen auf die bereitgestellte elektrische Energie
und wegen der zu erwartenden prozessbedingten geringeren Emissionen
im Vergleich zu einer Stromerzeugung über eine direkte Biomasseverbrennung.
Deshalb wurden in den letzten Jahren auch erhebliche Forschungsanstrengungen
unternommen, diese Technologie großtechnisch verfügbar
zu machen, was bisher aber nur ansatzweise gelungen ist.
Kommerziell werden gegenwärtig nur einige wenige Vergasungsanlagen
ausschließlich zur Wärmebereitstellung betrieben. Anlagen
zur Stromerzeugung existieren derzeit nur als Pilotprojekte im Rahmen
von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Deshalb stellt die
Vergasung bisher nur eine Option für die Zukunft dar. Praktisch
hat sie noch keine Bedeutung.
Biochemische Umwandlung
Bei den biochemischen Veredlungsverfahren erfolgt die Umwandlung der
Biomasse in Sekundärenergieträger bzw. in End- oder Nutzenergie
mit Hilfe von Mikroorganismen:
Anaerober
Abbau
Beim anaeroben Abbau organischer Stoffe, d. h. der Umwandlung unter
Sauerstoffabschluss, wird durch die Aktivität bestimmter Bakterien
ein wasserdampfgesättigtes Mischgas (Biogas) gebildet, das zu
55 bis 70 % aus Methan besteht. Es kann in Gasbrennern oder Motoren
zur Wärme-, Strom- und Kraftbereitstellung eingesetzt werden.
Die dafür notwendige Verfahrenstechnik ist teilweise vorhanden
und im großtechnischen Einsatz (z. B. Klärgasgewinnung),
darüber hinaus hat diese Technik in den letzten Jahren eine begrenzte
Verbreitung auch bei der Vergärung von Gülle erfahren.
Aerober
Abbau
Beim aeroben Abbau wird die Biomasse mit Luftsauerstoff unter Wärmefreisetzung
ebenfalls mit Hilfe von Bakterien oxidiert (Kompostierung). Die freiwerdende
Wärme kann mit Hilfe von Wärmepumpen gewonnen und in Form
von Niedertemperaturwärme verfügbar gemacht werden. Das
Verfahren hat jedoch zur Energiebereitstellung bisher praktisch keine
Bedeutung erlangt.
Alkoholgärung
Alkohol kann aus zucker-, stärke- oder zellulosehaltigen organischen
Stoffen mit Hilfe von Hefen oder Bakterien produziert und anschließend
durch eine Destillation bzw. Rektifikation nahezu in Reinform gewonnen
werden. Werden zellulosehaltige Ausgangsmaterialien eingesetzt, ist
zunächst eine Verzuckerung notwendig. Dies wurde zwar gelegentlich
realisiert, kann aber aufgrund des hohen technischen Aufwandes (z.
B. Säureeinsatz) nicht als großtechnisch verfügbar
angesehen werden.
Ethanol kann als Treib- und Brennstoff in Motoren oder Verbrennungsanlagen
zur Bereitstellung von Wärme, Strom und Kraft eingesetzt werden.
Photovoltaik
„Photo”
(griechisch „phos”; neue deutsche Schreibweise: „Foto”)
bedeutet in Wortzusammensetzungen „Licht”; „Voltaik”
ist als Teilwort abgeleitet vom Namen des italienischen Pioniers bei
der Erforschung der Elektrizität, Volta. Photovoltaik bezeichnet
also die Energietechnik, welche sich mit der Umwandlung von Sonnen-/
Strahlungsenergie in elektrische Energie befasst.
Der photovoltaische Effekt wurde bereits 1839 von dem französischen
Physiker Becquerel entdeckt. Es war jedoch Albert Einstein, der den
photovoltaischen Effekt wissenschaftlich analysierte und erklärte
(dafür erhielt er übrigens den Nobelpreis, und nicht für
seine Relativitätstheorie, wie heute oft angenommen wird): Wenn
Licht auf bestimmte Materialien trifft, löst es geringfügige
elektronische Ströme aus - Einstein erkannte, dass die Lichtphotonen
aus geeigneten Materialien Elektronen herausschlagen, die zu fließen
beginnen. Und so funktionieren heute unsere Solarzellen aus dem Halbmetall
Silizium. Aber erst 1954 nutzten die Amerikaner Chapin, Fuller und
Pearson das Prinzip der direkten Umwandlung von Sonnenstrahlung in
elektrische Energie, begünstigt durch die Entwicklung geeigneter
Halbleiter. Als Halbleiter wird ein Stoff bezeichnet, dessen elektrischer
Widerstand geringer ist als bei einem Isolator und größer
als bei einem Leiter. Halbleiter, wie das Element Silizium, haben
einige wenige freie Elektronen, die als Träger von elektrischen
Strömen fungieren können.
… etwas Physik
Bei Sonneneinstrahlung auf übereinander angeordnete Halbleiterschichten
bewirkt der Energiezufluss von Lichtpartikeln (Photonen) das Freisetzen
von Elektronen. Die freien positiven und negativen Ladungsträger
werden durch das elektrische Feld einer Diodensperrschicht voneinander
getrennt. Um die Leitfähigkeit von Halbmetallen zu steigern,
werden diese gezielt verunreinigt. So wird zum Beispiel dem Element
Silizium (vier Valenzelektronen) Phosphor mit fünf Valenzelektronen
zugesetzt; die Schicht eines negativ(n)-leitenden Halbleiters mit
Elektronenüberschuss (Kathode) entsteht.
Das Dotieren mit einem Element, welches nur drei äußere
Elektronen aufweist, z. B. Bor oder Gallium, ergibt positiv(p)-leitende
Halbleiter-Schichten mit Elektronenmangel, diese „Anoden"
können also zeitweilig Elektronen aufnehmen. Die äußere
Verbindung der n- und p-leitenden Halbleiterschichten stellt eine
elektronische Schaltung dar, bei welcher Strom in eine Richtung fließen
kann. Der Anschluss eines Stromverbrauchers (z.B. einer Lampe) bewirkt
somit ein Fließen von Elektronen über die Verbindungsstellen
zu den Fehlstellen des p-leitenden Halbleiters. Die Stromstärke
– und damit die Leistungsabgabe einer Solarzelle – wird
im Wesentlichen durch ihre Fläche, die Einstrahlungsintensität
und den Lastwiderstand des Stromverbrauchers bestimmt.
Die Höhe der erzeugten Spannung (ca. 0,5 Volt pro Zelle) ist
dagegen abhängig vom Material des Halbleiters, jedoch unabhängig
von der Zellengröße. Die Solarzellen sind in verschiedenen
Formen und Technologien erhältlich:
-
Monokristalline
Zellen: Jede Zelle wird von einem Silizium-Einkristall geschnitten.
Dieser Zellentyp weist die höchste Umwandlungseffizienz auf.
-
Polykristalline
(Mehrkristall-)Zellen: Die einzelnen Siliziumkristalle dieser
Zellen sind gut sichtbar. Die Effizienz gegenüber den monokristallinen
Zellen ist etwas niedriger, dafür sind polykristalline Zellen
kostengünstiger.
-
Amorphe
Zellen: Bei diesem Zellentyp ist keine Kristallstruktur erkennbar.
Die Herstellungskosten und der Wirkungsgrad der Zellen liegen
unter denen von polykristallinen Zellen. Amorphe Zellen werden
häufig in portablen Geräten verwendet (Taschenrechner
usw.). Neuere Produktionstechniken erlauben die Herstellung von
großflächigen Dünnfilm-Zellen, die beispielsweise
in Fassadenelementen Verwendung finden.
Der
in diesen Zellen entstehende Gleichstrom kann direkt zum Betrieb elektrischer
Geräte genutzt oder in Batterien gespeichert werden. Er kann
aber auch in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden:
Durch Schaltung mehrerer Solarzellen in Reihe entsteht ein Modul,
welches in handelsüblicher Größe rund 17 Volt Spannung
erzeugt. Durch Verbindung mehrerer Module zu sog. „Strängen“
können Spannungen zwischen 400 – 600 V erzeugt werden,
welche in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden
und dann dem Netz zugeführt wird.
Nutzung
Photovoltaische Anlagen nutzen sowohl den direkten als auch den diffusen
Anteil der Solarstrahlung, die so genannte Globalstrahlung. Diese
ist in den südlichen Bundesländern im Jahresmittel höher
als im Norden. Pro Quadratmeter fallen in Deutschland jährlich
zwischen 900 und 1200 kWh Strahlungsenergie auf einer horizontalen
Fläche an (vgl. Karte). Sie kann im Schnitt mit einem Wirkungsgrad
von etwa 12 - 15% in Strom umgewandelt werden, woraus sich leicht
der jährliche Flächenertrag einer solchen Anlage errechnen
lässt.
Grundsätzlich lässt sich die Photovoltaik überall dort
anwenden, wo genügend Sonnenlicht einstrahlt. Die beste Ausrichtung
ist eine leichte Neigung gegen Süden (von Südost bis Südwest).
Solaranlagen sollen vorzugsweise auf Flächen bestehender oder
neu erstellter Bauten installiert werde, um Kosten zu reduzieren und
die Beeinträchtigung der Umwelt klein zu halten. Folgende Objekte
sind geeignet:
-
Bestehende
Gebäude mit besonnten Flächen (Flach- und Steildächer,
Fassaden)
-
Neubauten,
evtl. mit Integration der Solarzellen in die Gebäudehülle
-
Infrastrukturbauten
(Umfassungsmauern, Lärmschutzwände usw.)
Genau
abzuklären ist ein möglicher Schattenwurf durch Kamine,
Antennen, Nachbargebäude, Bäume usw. Die Beschattung von
nur einem Teil eines Moduls kann die Stromproduktion der ganzen Anlage
empfindlich vermindern. Eine Studie des Bundesministeriums für
Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit vom März 2003 errechnet
für Gesamt-deutschland folgendes technisches Potenzial zur Nutzung
der Sonnenenergie:
geeignete Dachflächen: 800 km2
geeignete Fassadenflächen: 150 km2
geeignete Siedlungsflächen: 700 km2
Da
jedoch nur 25 % der geeigneten Dachflächen und rund die Hälfte
der geeigneten Siedlungsflächen tatsächlich einer sinnvollen
und wirtschaftlichen Nutzung zuzuführen wären, ergäbe
dies eine Modulfläche von über 700 km2. Auf diesen Flächen
könnte man rund 90.000 MW photovoltaische Leistung installieren,
was in einem Durchschnittsjahr einen Ertrag an elektrischer Energie
von über 80.000.000 MWh liefern würde.
Oder
anders gesagt: Bei aktuellem Stromverbrauch könnte Deutschland
rund ein Drittel seines Strombedarfs aus Photovoltaik decken, wenn
auf der gesamten nutzbaren Dachfläche Solaranlagen installiert
würden!
Um
dieses durchaus erstrebenswerte Ziel zu erreichen, wurden in den letzten
Jahren verschiedenste Bemühungen unternommen, und auch erste
Erfolge konnten verzeichnet werden:
So haben die energiepolitischen Maßnahmen der Bundesregierung
zwischen 1998 und 2002 zu einer Verfünffachung der Stromerzeugung
aus Photovoltaik-Anlagen geführt. Auch die langfristige Entwicklung
kann sich sehen lassen: Die installierte photovoltaische Leistung
konnte von 2 MW im Jahr 1990 auf über 250 MW im Jahr 2002 gesteigert
werden. Gründe für die verstärkte Solarenergienutzung
sind u. a. im „Erneuerbaren Energien Gesetz“ aus dem Jahre
2000 und im 100.000-Dächer-Solarstrom-Programm (bis Juni 2003)
zu sehen.
Diese Entwicklung gilt es zu forcieren und weiterhin auszubauen!
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