Die Sonnenenergie

Einleitung
Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle. An ihrer Oberfläche herrscht eine Temperatur von etwa 
6000 °C. Von ihr gelangen große Mengen von Energie in Form von Sonnenstrahlung zur Erde. Einige Beispiele, die das Ausmaß dieser Energiemenge veranschaulichen:

• Die Menge an Sonnenenergie, die die Erde erreicht, entspricht etwa dem Energieausstoß von 200 Mill. Kernkraftwerken.
• In weniger als einer Stunde erreicht die Erde von der Sonne eine Energiemenge, die der weltweit verbrauchten Energie innerhalb eines Jahres entspricht.
• Das Sonnenlicht, das an einem Sommertag auf einen m² fällt, entspricht etwa der Leistung von zehn 100Watt-Glühbirnen.

Die Nutzungspotentiale dieses besonders umweltfreundlichen Energieträgers sind also sehr groß. Schon die Römer wussten die Sonnenenergie zum Beheizen ihrer Häuser zu verwenden und im 19. Jahrhundert hatten schon viele Privathäuser Solaranlagen zur Warmwasserbereitung. Doch als zu Beginn des 20. Jahrhunderts der Preis für fossile Brennstoffe stark sank, war Sonnenenergie kein Thema mehr. Da diese Brennstoffe aber nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen, kehrt man heute wieder verstärkt zu erneuerbaren, unerschöpflichen und umweltfreundlicheren Energiequellen zurück.
In Österreich stammen 22 % der Energieerzeugung und etwa 80 % der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energieträgern. Österreich ist damit weit an der Spitze aller europäischen Länder, in denen der Durchschnitt bei der Energieerzeugung aus erneuerbarer Energie bei zirka 3 % liegt. Wir haben deshalb auch im internationalen Vergleich eine sehr niedrige CO₂-Emission pro Kopf der Bevölkerung.
Sonnenenergie kann direkt in den in dieser Arbeit beschriebenen Arten genutzt werden oder indirekt – durch Windenergie, Wasserkraft, Wärmepumpen,..., denn die Voraussetzungen für diese Energiequellen werden von der Sonne geschaffen. Alle diese Nutzungsmöglichkeiten zählen zu den "erneuerbaren Energiequellen", die sich im Kreislauf der Natur immer wieder neu bilden und der Menschheit praktisch unendlich lange und in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen.
Das größte Problem der Nutzung der Sonnenenergie ist ihre Zeit- und Ortsabhängigkeit, wodurch sich die Notwendigkeit von Energiespeicherung und Energietransport ergibt, sowie die zeitliche und geographische Ungleichmäßigkeit der Sonnenstrahlung, die damit in engem Zusammenhang steht.
Zur geographisch ungleichmäßigen Verteilung der Sonnenstrahlung sei angemerkt, dass oft gerade ärmere Länder, deren Energiebedarf wesentlich geringer ist, in den Gebieten intensiver Sonnenstrahlung liegen. Sie können diese aber auf Grund des fehlenden technischen Know-hows und der fehlenden Wirtschaftskraft kaum nutzen. Länderübergreifende Kooperationen (z.B. Westeuropa – Nordafrika) könnten eine Lösung dieses Problems darstellen, wobei immer noch die Frage des Transports gewonnener Energie unbeantwortet bleibt.

Begriff: Direkte und diffuse Strahlung
Die Sonnenstrahlung kann in direkte und diffuse Strahlung unterteilt werden. Direkt Strahlung kommt (ohne Richtungsänderung) direkt von der Sonne, während diffuse Strahlung beim Durchdringen der Atmosphäre gestreut wird und daher keinen bestimmte Strahlungsrichtung hat, sondern aus allen Richtungen des Raumes kommen kann. In technischer Hinsicht besteht der Unterschied darin, dass nur direkte Strahlung konzentriert werden kann. Diffuse und direkte Strahlung zusammen ergeben die Globalstrahlung.

Aktive und passive Nutzung der Sonnenergie
Die Sonnenenergie kann aktiv und auch passiv genutzt werden. Die aktive Nutzung wird im Anschluss genauer beschrieben. Bei der passiven Nutzung handelt es sich vor allem um architektonische Maßnahmen, z.B. gute Wärmedämmung, große Fenster an der Südseite, verglaste Räume und Wintergärten, die direkt von der Sonne erhitzt werden (Treibhauseffekt) – die Wärme wird dann von Wänden und Boden gespeichert; gute Standortwahl beim Hausbau (Berücksichtigung der Sonneneinstrahlung bei der Planung) etc.
Sonnenenergie kann auf zwei sehr unterschiedliche Arten aktiv genutzt werden. Sonnenlicht kann in Wärme umgewandelt werden, diesen Prozess nennt man Solarthermik. Es kann aber auch mit Hilfe von Solarzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt werden, diesen Prozess bezeichnet man dann als Photovoltaik.

Solarthermik
Grundsätzlich unterscheidet man bei der Solarthermik – also der Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme - den Hoch- und den Niedrigtemperaturbereich, wobei sich diese im Wesentlichen in der Art der Kollektoren unterscheiden.
Im Grunde funktioniert die Solarthermik ähnlich wie die Erwärmung der Erde. Nur in folgenden Punkten gibt es Unterschiede: Anstatt der Erdoberfläche gibt es hier die dunkle Absorberplatte und anstatt der Lufthülle eine Glasscheibe. Dieses Gesamtsystem nennt man Kollektor, das Herzstück einer Solaranlage.
Hauptbestandteile einer Solaranlage sind die Solarkollektoren (Flachkollektoren oder konzentrierende Kollektoren), der Wärmeträger und der Wärmespeicher.
Im Kollektor wird die Sonnenstrahlung gesammelt, dabei können im Inneren des Kollektors Temperaturen von 120 – 200°C erreicht und in Wärme umgewandelt werden, welche dann vom Wärmeträger zu den Verbrauchern transportiert wird. Mit Hilfe des Wärmespeichers werden Zeiten geringer oder ohne Sonnenstrahlung überbrückt

Bestandteile einer Solaranlage
Im Grunde funktioniert die Solarthermik ähnlich wie die Erwärmung der Erde. Nur in folgenden Punkten gibt es Unterschiede: Anstatt der Erdoberfläche gibt es hier die dunkle Absorberplatte und anstatt der Lufthülle eine Glasscheibe. Dieses Gesamtsystem nennt man Kollektor, das Herzstück einer Solaranlage.
Hauptbestandteile einer Solaranlage sind die Solarkollektoren (Flachkollektoren oder konzentrierende Kollektoren), der Wärmeträger und der Wärmespeicher.
Im Kollektor wird die Sonnenstrahlung gesammelt, dabei können im Inneren des Kollektors Temperaturen von 120 – 200°C erreicht und in Wärme umgewandelt werden, welche dann vom Wärmeträger zu den Verbrauchern transportiert wird. Mit Hilfe des Wärmespeichers werden Zeiten geringer oder ohne Sonnenstrahlung überbrückt.

Der Kollektor
Der einfachste Kollektor ist ein schwarzer Behälter oder ein Gartenschlauch, der mit Wasser gefüllt ist. Dunkle Materialien erwärmen sich stärker, da sie dementsprechend mehr Sonnenlicht in sich aufnehmen, weiße Fläche reflektieren fast das ganze Sonnenlicht.
In den Solarkollektoren befindet sich daher eine dunkle Absorberplatte, die Licht in Wärme umwandelt, welche durch den Wärmeträger dann zum Verbraucher geleitet wird.
Für die Umwandlung von Sonnenstrahlung in Niedertemperaturwärme werden meist Flachkollektoren (auch Niedertemperaturkollektoren) verwendet. Diese sind nur für Temperaturen unter 100°C geeignet, die erreichbaren Temperaturen sind je nach Bauart und Betriebsweise verschieden.
Der Wirkungsgrad eines Flachkollektors ist bei niedrigen Betriebstemperaturen relativ gut. In gemäßigten Breiten werden aber trotz allem nur Systemwirkungsgrade von etwa 25% erreicht, da die Energieverluste relativ groß sind.
Ideal wäre eine ständige Anpassung des Kollektors an den Sonnenstand, sodass die Sonnenstrahlen immer senkrecht auf die Oberfläche treffen – so ist eine optimale Nutzung möglich. Aufgrund der hohen Kosten einer ständigen Anpassung wird bei den meisten Anlagen als Kompromiss-Lösung eine Ausrichtung nach Süden gewählt. Bei der Montage des Kollektors sollte darauf geachtet werden, dass die größte Wirkung erzielt werden kann, wenn die Sonnenstrahlen im rechten Winkel auf den Kollektor auftreffen. Um ein gutes Jahresergebnis zu erzielen, ist es daher sinnvoll, die Kollektoren auf den Sonnenstand der Übergangszeit auszurichten (40 bis 60° Neigung).
Für höhere Temperaturen sind Konzentratoren (Spiegel, Linsen) notwendig, die die Strahlungsintensität auf die Absorberfläche erhöhen (daher: konzentrierende Kollektoren oder Hochtemperaturkollektoren). Das reflektierende Material der Konzentratoren lenkt direkte Sonnenstrahlung auf eine relativ kleine Empfängerfläche. Die diffuse Strahlung kann in diesem Fall nicht genutzt werden. Die Konzentratoren müssen mit dem Sonnenstand mitgeführt werden, damit die Strahlen immer auf die Fläche gelenkt werden können. Mit diesen Kollektoren können Temperaturen deutlich über 100°C gewonnen werden: mind. 250-550°C bereits bei niedrigen Konzentrationsgraden., bis zu 4000°C bei hohen Konzentrationsgraden.
Bei hohen Konzentrationsgraden werden bis 4000°C erreicht, wie z.B. im Sonnenofen von Odeillo, Frankreich. Die Sonnenstrahlen werden in diesem Fall, wie auf der Skizze zu sehen, sogar zwei Mal konzentriert, zuerst werden sie von den Spiegeln am Hang auf den Parabolspiegel gelenkt und von dort dann auf den Brennpunkt (4) konzentriert. Die enorme Hitze dient in diesem Fall zum Einschmelzen von Metallen zu Forschungszwecken.

Der Wärmeträger
Der Wärmeträger transportiert die im Kollektor absorbierte Wärme direkt zum Verbraucher oder indirekt vorerst in einen Wärmespeicher. Geeignete Wärmeträger sind verschiedene Flüssigkeiten und Gase, wobei bis 100°C meist Wasser verwendet wird, das mit Frostschutz-mittel und anderen Zusätzen versetzt wird. Diese Zusätze stören nicht, da im Zweikreissystem das Wärmeträger-Wasser und das Brauchwasser vollkommen getrennt sind. Bei konzentrierenden Kollektoren wird häufig Öl verwendet.

Der Wärmespeicher
Da die Sonnenenergie eine stark zeitabhängige (Witterung und Jahreszeiten) Energiequelle ist und oft nicht mit den Zeiten des Bedarfs zusammenfällt, sind Speichermöglichkeiten unbedingt notwendig.
Die Wärmespeicherung kann durch sensible Wärmespeicher (Temperaturerhöhung eines flüssigen oder festen Stoffes), durch latente Wärmespeicher (der Stoff ändert seinen Zustand: Schmelzen bzw. Erstarren, Verdampfen bzw. Kondensieren, Sublimieren od. Kristallisieren - aus praktischen Gründen, der Frage der Größe des Behälters, kommt wegen der geringsten Volumensveränderung hauptsächlich die Umwandlung fest-flüssig in Frage.) oder durch Heterogen-Verdampfungsspeicher (als chemisch gebundene Energie) erfolgen. Bei Warmwasser und Raumheizung haben sich hauptsächlich sensible Wärmespeicher als zweckmäßig erwiesen. Speicher und Kollektor müssen gut miteinander abgestimmt werden, dabei müssen Witterungsverhältnisse und Verbrauchergewohnheiten berücksichtigt werden.
Grundsätzlich ist es möglich, Wasser mit 80°C bei entsprechender Wärmedämmung 6-7 Monate zu speichern (Temperaturabnahme etwa 2°C), allerdings sind solche Lösungen noch nicht wirtschaftlich realisierbar.

Anwendungsmöglichkeiten
Niedertemperaturwärme kann zur Schwimmbadheizung, zur Warmwasserbereitung, zur Heizung, für Kühlanlagen, in Sonnenöfen und sogar in Anlagen zur Trinkwassererzeugung und Salzgewinnung angewendet werden.

• Typische Anwendung  in Privathaushalten
• Anwendung im öffentlichen Bereich
• Solarthermische Kraftwerke

Typische Anwendung in Privathaushalten
Eine Schwimmbadheizung ist auch für Privathaushalte relativ leicht wirtschaftlich realisierbar. Doch auch viele öffentliche Bäder werden auf diese Weise geheizt. Das Wasserbecken selbst dient als Wärmespeicher, dem die Solarwärme zugeführt wird. Eine Kollektorfläche in der Größe von etwa 50% der Wasseroberfläche reicht aus, um die Temperatur (gegenüber der Umgebung) um einige Grad zu erhöhen.
Im Bereich der Warmwasserbereitung ist unbedingt eine Speichermöglichkeit (in Form eines Boilers) notwendig, da Warmwasser nicht nur während des Sonnenscheins zur Verfügung stehen soll.
Eine Anlage zur Warmwasserbereitung benötigt daher einen Warmwasserspeicher mit einem eingebauten Wärmetauscher, der im Zweikreissystem das Brauchwasser erwärmt. Der Vorteil dieses Zweikreissystems ist, dass so die Verwendung von Spezialflüssigkeiten im Kollektorkreis möglich ist.
Die Raumheizung mit Hilfe von Sonnenenergie ist wirtschaftlich besonders interessant, da der Wärmebedarf hier sehr groß ist. Alleine durch solargerechte Architektur (Isolierverglasung bei Fenstern, Ausrichtung nach Süden, geeignete Baumasse, die Wärme speichert, gute Wärmedämmung) lässt sich der Energiebedarf in diesem Bereich schon um 50% senken. Zweckmäßigerweise werden auch hier meist Niedertemperaturanlagen (diese haben einen umso höheren Wirkungsgrad, je niedriger die Arbeitstemperatur ist).
Das größte Problem bei der Raumheizung ist die Tatsache, dass Angebot und Nutzung zeitlich ziemlich auseinander liegen und daher eine Langzeitspeicherung notwendig ist, wenn man nur mit Sonnenenergie auskommen möchte. Die Wärme wird vor allem während der Sommermonate produziert, und vor allem während der Wintermonate verbraucht. In die Monate November-Februar fallen 60% des Raumwärmebedarfs, aber nur 12 % des jährlichen Sonnenenergieangebots. Für Langzeitspeicherung gibt es aber noch keine wirtschaftliche Lösung.

Anwendung im öffentlichen Bereich
Das Kühlen (Klimatisieren) mit Sonnenenergie hat vor allem in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung große Bedeutung (z.B. USA). Der Vorteil hierbei ist, dass das Angebot an Sonnenenergie und Nachfrage zeitlich zusammen fallen.
Sonnenenergie wird, wie schon erwähnt, auch zur Trinkwassererzeugung (aus verschmutztem oder Meerwasser) angewandt. Das Wasser wird dabei in flachen Behältern mit einem Glasdach zum Verdunsten gebracht. Der Dunst (reines Wasser) sammelt sich am Dach und rinnt von dort in Sammelbehälter, Schmutz und Salz bleiben im Behälter zurück. Vor allem in Gebieten mit Meerwasser, aber ohne Trinkwasser wird diese Technik sehr häufig genutzt. Als Nebenprodukt entsteht dabei Sole (mit Salz angereichertes Wasser), die zur Salzgewinnung benötigt wird.

Solarthermische Kraftwerke
Durch solarthermische Kraftwerke kann solarthermisch erzeugte Wärme auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Allerdings werden für Sonnenkraftwerke mit einer Leistung von 1000 MW je nach Klima zwischen 20 und 50 km² Fläche benötigt.
Die Umwandlung in elektrische Energie erfolgt wie bei konventionellen Wärmekraftwerken. In diesem Bereich werden hauptsächlich konzentrierende Kollektoren verwendet, weil sich nur so der Gesamtwirkungsgrad wesentlich steigern lässt. Grundsätzlich könnten zur Stromerzeugung beide Kollektortypen verwendet werden.
Bei solarthermischen Kraftwerken unterscheidet man folgende zwei Konzepte: das Solar-Turm- und das Solar-Farmkonzept.
Beim Solar-Turmkonzept lenkt ein Spiegelfeld (bestehend aus fast 2000 Spiegelsegmenten, die dem Sonnenstand angepasst werden können) die Sonnenstrahlung auf einen zentralen Strahlungsempfänger (auf einem Turm). In diesem Turm wird die Wärme in Strom umgewandelt.
Der Flächenbedarf eines solchen Sonnenkraftwerks beträgt etwa 300 x 300m, wobei das Spiegelfeld den Großteil der Fläche einnimmt. Es können während 2000 Betriebsstunden etwa 500 kW erzeugt werden.
Das Solar-Farmkonzept besteht aus vielen linear angeordneten Parabolkollektoren, in deren Brennlinie sich eine Absorberröhre befindet, durch die die Wärme abgeführt wird. Die Kollektoren werden ständig dem Sonnenstand angepasst. Die gesamte Kollektorfläche ist ca. 5300 m² groß (benötigte Bodenfläche 250 x 300m), ihre elektrische Nettoleistung beträgt 500 kWh.
Generell haben bei Sonnenkraftwerken die Investitionskosten einen Anteil von 90%, nur 10% sind Betriebskosten. (Bei Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen befeuert werden, ist dieses Verhältnis genau umgekehrt.)

Wirtschaftlichkeit
Lange wurden Solaranlagen als Unabhängigkeitsutopien angesehen. Viele Hauseigentümer dachte, die Kosten und der „ohnehin ständige Regen“ würde auf jeden Fall gegen eine Investition in eine Solaranlage sprechen. Derartige Ansichten sind allerdings längst überholt. Heute werden die verschieden Methoden, Sonnenenergie zu nutzen, viel mehr als ausgereifte und immer billiger werdende Energiekonzepte verstanden.
Dies beweist auch die verstärkte Nutzung der Sonnenenergie durch Solaranlagen. Die in Österreich jährlich installierte Kollektorfläche betrug im Jahr 1985 rund 33.000 m². Zehn Jahre später hat sich diese Zahl fast versiebenfacht.
Die Preise für Solaranlagen sinken tatsächlich permanent. So waren Kollektoren (für Heizung und Warmwasseraufbereitung) 1996 um 25% billiger als im Jahr davor. Die Preise für Photovoltaik-Kollektoren sanken um beinahe 50%. Außerdem gibt es für Solaranlagen zahlreiche, spezielle Förderungen durch Länder und Gemeinden, die bis zu 30% der Anschaffungskosten abdecken. Im Jahre 1996 wurden rund 1,8 % der gesamten Umweltförderung in Österreich für Solaranlagen aufgewendet.
Der Preis einer fertigen Solaranlage zur Warmwassergewinnung für einen Vier-Personen-Haushalt liegt heute bei rund ATS 40.000 – 60.0000 ohne Förderungen. Bei Solaranlagen mit teilsolarer Raumheizung muss man mit Systemkosten zwischen ATS 7.000 und 10.000 pro m² Kollektorfläche rechnen, doch kann man somit in der Übergangszeit fast kostenlos, und vor allem umweltfreundlich und CO2-neutral heizen.
Folgende Faktoren werden herangezogen, um die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage (ebenso aber auch einer Photovoltaikanlage) zu beurteilen:

• Anschaffungskosten von Kollektoren, Speicher ...
• Lebensdauer der Anlage
• Wärmeerzeugungskosten des vorher oder ansonsten verwendeten Energieträgers
• Intensität der Sonneneinstrahlung am jeweiligen Ort
  

Photovoltaik
Der photovoltaische Effekt wurde zwar schon 1839 vom Physiker Edmonde Alexandre Becquerel entdeckt, wurde aber erst 1958 in der Raumfahrt erstmals technisch genutzt. Zuvor machte man sich diesen Effekt (zwei in Säure getauchte Metallplatten erzeugen mehr Energie, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt sind) nur in der Fotografie zur Belichtungsmessung zunutze.

Die Solarzelle
Die Solarzelle stellt das Grundelement einer Photovoltaikanlage dar. Grundsätzlich gibt es mono- und polykristalline Siliziumzellen und Dünnschichtzellen, die nur mehr ein Hunderstel so dick sind wie die kristallinen Zellen.
Silizium wird aus Quarzsand gewonnen und ist das zweihäufigste Element der Erdkruste, die Vorräte sind unerschöpflich. Siliziumzellen arbeiten am besten bei niedrigen Temperaturen. Bei stärkerer Materialerwärmung beginnt ihre Leistung zu sinken, daher werden manche Module gekühlt.
Die drei gängigsten Typen von Solarzellen sind:
Monokristalline Siliziumzellen: Diese sind am aufwendigsten in der Herstellung (Kosten und Energie), haben aber den höchsten Wirkungsgrad von 12-18% (d.h. es werden 12-18% der eingestrahlten Energie in Strom umgewandelt, auf der Erdoberfläche können max. 35% Wirkungsgrad erreicht werden) und werden daher auch am häufigsten eingesetzt.
Polykristalline Siliziumzellen: für deren Herstellung werden billigere und weniger energieaufwendige Verfahren benutzt. Sie erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 11 – 14 %.
Amorphe Zellen (Dünnschichtzellen): Sie sind am billigsten in der Produktion, allerdings sind sie den kristallinen Zellen im Wirkungsgrad (nur 5-8%) noch unterlegen. Bei vielen Anwendungen kommt es aber nicht auf höchste Effizienz an, sondern auf geringe Stromkosten pro Watt. In diesen Bereichen haben sie aufgrund sinkender Produktionskosten gute Zukunftsperspektiven. Sie werden vor allem für Taschenrechner und Armbanduhren verwendet.
Auch die Produktion von Kupfer-Indium-Diselenid – Solarzellen und von Cadmium-telluridzellen (hier sind zur Zeit zwei Fabriken mit jeweils 10 Megawatt Jahreskapazität im Bau – in Kalifornien und in Deutschland) hat bereits begonnen. Ihre Wirkungsgrade liegen bei bis zu 10%. Ihre Zukunftschancen sind groß, ebenso die der Photo-elektrische Zellen. Forscher arbeiten auch schon an mikrokristallinen und mikroamorphen Solarzellen.
Die Standardsolarzelle (aus monokristallinem Silizium) hat eine Leistung von 1 Watt, je nach benötigter Leistung wird die Zelle geteilt oder eine bestimmte Anzahl an Zellen zusammengesetzt, Dünnschichtzellen können schon bei der Produktion auf die benötigte Größe gebracht werden. Dadurch haben Photovoltaiksysteme ein großes Leistungsspektrum (von Versorgung von Taschenrechnern – wenige Milliwatt - zu Großkraftwerken mit einigen Megawatt).
Durch internes Verschalten mehrerer Solarzellen erhält man Module, welche wiederum zu einem Generator zusammengeschaltet werden. Ob die Verschaltung der Module parallel oder in Serie erfolgt, hängt von der Anwendung ab. Durch Parallelschaltung erhöht sich der verfügbare Strom, durch Serienschaltung erhöht sich die verfügbare Spannung.

Anwendungsgebiete
Das ursprüngliche Hauptanwendungsgebiet der Photovoltaik ist die Raumfahrt. Sie ist der einzige Weg Wetter- und Nachrichtensatelliten und Raumschiffe über längere Zeit mit Energie zu versorgen. In den letzten Jahren entstanden aber auch immer mehr Anwendungsmöglichkeiten auf der Erde.

Inselanlagen
Bei terrestrischen Photovoltaikanlagen unterscheidet man grundsätzlich netzgekoppelte Anlagen und Inselanlagen. Inselanlagen sind Photovoltaikanlagen, die eine autonome Stromversorgung ohne öffentlichen Netzanschluss ermöglichen (dezentrale Energieversorgung). Diese Anlagen kommen vor allem an entlegenen Orten zum Einsatz, an denen keine wirtschaftlich zu rechtfertigende Anbindung an das Netz eines Energieversorgers möglich ist (Berghütten, entlegene Gehöfte, Wochenendhäuser, Telekommunikationsstationen, Notrufsäulen entlang der Autobahnen...). Auch verschiedene Projekte wie z.B. Wasserpumpsysteme in Spanien, Holland und Deutschland oder das höchste Observatorium der Welt auf dem amerikanischen Mount Evans sind mit Photovoltaik-Inselanlagen ausgestattet. Die elektrische Energie, die die Photovoltaikanlage produziert, wird in Batterien gespeichert und entweder direkt daraus entnommen (Gleichspannungs-Verbraucher) oder mittels eines Wechselrichters in 230V Wechselspannung umgewandelt.

Ein Beispiel für die Anwendung von Photovoltaikanlagen stellt die Starkenberger Hütte in Tirol dar. Hier hat man einen Photovoltaik-Generator mit 4,95 kW Spitzenleistung gemeinsam mit einem mit Flüssiggas betriebenen Blockheizkraftwerk mit 14 kW Nennleistung installiert. So wird die Hütte mit einem Minimum an Transportaufwand, Umweltbelastung und Wartung unter allen Witterungsbedingungen zuverlässig mit Strom und Wärme versorgt.
Der batterieunterstützte Inselbetrieb ist eine mögliche Anwendung, doch auch der Markt für netzgekoppelte Anlagen wächst rasch.

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen
Bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen wird der gewonnene solare Gleichstrom über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und dann in das Stromnetz des jeweiligen Energieversorgungsunternehmens eingespeist. Dafür erhält man vom Energieversorger eine Einspeisevergütung für den nicht selbst verbrauchten Strom. Die Netzkoppelung hat einleuchtende Vorteile: Untertags, wenn die Sonneneinstrahlung am stärksten ist, erreicht auch der Stromverbrauch seine Spitzen: Die Photovoltaikproduzenten speisen ihre Überschüsse ins Netz. Während der Nacht, wenn genügend Strom im Netz fließt, holen sich die Eigenerzeuger einen Teil ihrer Tageseinspeisung zurück.
Die Betreiber der Leitungsnetze übernehmen infolge der Dezentralisierung der Stromproduktion immer stärker die Aufgabe, verschiedene Energieerzeuger zu koordinieren und auszugleichen.

Wirtschaftlichkeit
Die rasche Entwicklung dieser Technologie bewirkte Kostensenkungen (bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades), die heute das Argument, photovoltaische Energieerzeugung sei nicht wirtschaftlich, erstmals in Frage stellen. Seit den Anfängen der Photovoltaik in den 60er Jahren wurde sie von vielen als zwar elegante, aber unbedeutende Technik eingestuft. Man meinte, sie könne nur in der Raumfahrt und in einigen Nischenmärkten eine Rolle spielen. Doch diese Einstellung beginnt sich immer mehr zu ändern. Führende Industrieländer setzen verstärkt auf Stromerzeugung durch Sonnenenergie und es wird erstmals deutlich, dass diese in Zukunft eine ganz wesentliche Rolle spielen könnte.
Gerade in den vergangenen Jahren entstanden viele neue, durchaus wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeiten. Nur im Vergleich mit konventionellen Kraftwerken sind die Kosten noch ein starkes Argument.
Die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage ist umso größer, je kleiner die Anlage ist. Die Faktoren, die herangezogen werden, um die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage zu beurteilen, sind die gleichen, wie bei Solaranlagen (siehe daher Seite 7).
Die Nennleistung einer Photovoltaikanlage in unseren Breiten liegt bei etwa 100 W/m² - eine Photovoltaikanlage von 10 m² erreicht (bei einem Nennwert von einem KW) eine Jahresleistung von rund 850 kWh, das sind 25% des durchschnittlichen Jahresstromverbrauchs eines Haushalts. Um den Strombedarf eines Durchschnittshaushalts (4000 kWh/Jahr) mittels Photovoltaik zu erzeugen, benötigt man daher eine Anlage in der Größe von 40 m².
Die Kosten einer Photovoltaikanlage betragen je nach Größe rund ATS 10.000 für ca. 1 Quadratmeter. Auch für die Anschaffung von Photovoltaikanlagen gibt es zahlreiche Förderungen von Ländern und Gemeinden. Im Bundesland Wien zum Beispiel gibt es eine Investitionsförderung von bis zu 50 %.

Die Energiebilanz der Herstellung
Lange dachte man, dass Photovoltaikanlagen eine schlechte Energiebilanz aufwiesen, d.h. dass zu ihrer Erzeugung fast genauso viel Energie benötigt werde, wie sie selbst danach bereitstellen. Um die Rolle der Photovoltaik in der Weltenergieversorgung stärker auszubauen, ist ein möglichst kurzfristiges Energy-Pay-Back zu erreichen.
Die Generatoren müssen die Energiemenge, die zu ihrer Herstellung eingesetzt wurde, durch Solarenergieumwandlung möglichst schnell wieder hereinbringen.
Die Energy-Pay-Back-Time einer Photovoltaikanlage mit 3 KW Leistung beträgt nur mehr 1,1 Jahre (bei Verwendung von amorphen Siliziumzellen). Die Hersteller garantieren 10 Jahre Lebensdauer der Solarmodule, tatsächlich können Photovoltaikanlagen aber durchaus Funktionszeiten von mehr als 20 Jahren erreichen. Das heißt, dass diese Anlagen bei heutiger Technologie bereits 20 Mal so viel Strom gewinnen können, wie man zu ihrer Produktion benötigt.

Größere Rentabilität durch Massenfertigung
Der Solarstrom kostet noch ATS 7 bis 12 pro kWh. Man hält allerdings eine Halbierung dieses Preises bis zum Jahr 2010 durchaus für möglich. (Ab diesem Preis wird die Photovoltaik dann auch für die Deckung der Spitzenlast in der Stromversorgung interessant.) Um diesen Preis zu reduzieren, müssen Photovoltaikanlagen jedoch verstärkt in industrieller Massenfertigung hergestellt werden. Schon im Jahre 2005 rechnen Wissenschaftler mit Photovoltaik-Strompreisen um 2 Schilling 

Marktentwicklung - Photovoltaik wird zur Wachstumsindustrie
Um die Marktentwicklung von Photovoltaikanlagen zu stimulieren werden (vor allem in Deutschland) große Demonstrationsanlagen (mit Leistungen im Mega-Watt-Bereich) installiert, deren Strom ins öffentliche Netz eingespeist wird. Auch in Japan will man aus diesem Grund etwa 70.000 Dächer mit Photovoltaikanlagen ausstatten.
Die Europäische Union will bis zum Jahr 2010 eine Million Miniphotovoltaikkraftwerke installieren. Die solare Stromkapazität soll damit auf 3000 MW steigen.
In den USA rechnet man für 2010 mit 60 Mrd. Dollar Marktvolumen. Im Jahre 1997 ist die Produktion von Photovoltaikanlagen in den Vereinigten Staaten um 47% gestiegen.

Die Zukunft der Photovoltaik: Chancen und Möglichkeiten
Es wurde errechnet, dass Photovoltaikanlagen mit einem Wirkungsgrad von nur 10% in der Sahara-Wüste auf einer Fläche von 500.000 km² ausreichen würde, um die gesamte Menschheit mit Sonnenenergie zu versorgen. Solarfachleute in den USA haben berechnet, dass Photovoltaikanlagen auf einem Dreihundertstel der Fläche der Vereinigten Staaten den gesamten Strombedarf der Nation liefern würden.
Eine große Herausforderungen stellen vor allem die über zwei Milliarden Menschen dar, die noch immer ohne Elektrizität leben. Dies sind vor allem Menschen in den Entwicklungsländern, aber auch eine Million EU-Bürger zählt dazu. Ideal wäre es, diese gar nicht erst an große Stromnetze zu hängen, sondern ihnen bei der Entwicklung unabhängiger solarer Stromversorgung (ergänzt durch andere alternative Energieträger) behilflich zu sein.  Beispiele, wie die Elektrifizierung in Indien und Kuba oder Wasserpumpen in Mexiko und Senegal, zeigen, wie die Elektrifizierung der dünnbesiedelten Gebiete der Erde vorangehen kann.
Es geht dabei in erster Linie um die elektrische Basisversorgung, die für TV, Licht, Kühlschrank und ein weiteres Elektrogerät reicht. 1998 wurden weltweit bereits 200.000 solche Solar-Home-Systems installiert, die den Menschen auch neue Bildungs- und Arbeitsmöglichkeiten bieten und damit zur Reduzierung der Landflucht beitragen.
Dass die Zukunftsperspektiven der Photovoltaik vielversprechend sind, zeigt auch die Tatsache, dass der größte Ölkonzern der Welt, die Shell-AG, regenerative Energie zu seinem fünften Geschäftsfeld erhoben hat. Die Shell AG rechnet damit, dass der Anteil der Solarenergie am gesamten Weltenergieverbrauch im Jahr 2050 bei 10% liegen wird. Shell hält ein jährliches Wachstum von bis zu 30% für realistisch.

Gründe für die wachsende Bedeutung der Photovoltaik

• Der Energieverbrauch der Menschheit wird auch weiterhin stark steigen. Viele fossile Energieträger werden aber in wenigen Jahrzehnten erschöpft sein und langfristig nicht mehr für die Weltenergie- versorgung zur Verfügung stehen.
• Die besondere Attraktivität der Photovoltaik: Zum ersten Mal verfügt die Menschheit über eine Energiequelle ohne Wachstumsgrenzen. Die Ressourcen sind für alle Zeiten unbeschränkt verfügbar und die Sonnenenergie ist absolut umweltfreundlich, die Umweltbelastung äußerst gering.
• Ein weiterer Vorteil der Photovoltaik ist die Möglichkeit, die Größe der Generatoren maßgenau an die Anwendungen anzupassen, so dass nur die wirklich nötigen Kosten entstehen.
• Außerdem haben Solarzellen auch bei bedecktem Himmel einen hohen Wirkungsgrad und eignen sich daher gut für den Einsatz in Mittel- und Nordeuropa.
• Die Photovoltaik ermöglicht die Realisierung der Grundversorgung der gesamten Menschheit mit elektrischem Licht, Kühlung verderblicher Lebensmittel und Kommunikation mit TV und Telefon.

Umweltbelastungen durch Sonnenenergie
Die Sonnenenergie ist die Energiequelle mit den geringsten Umweltbelastungen. Lediglich manche Nebeneffekte können bei einer Nutzung im großen Stile die Umwelt beeinflussen. So könnte z.B. die Albedo gebietsweise leicht verändert werden und so das Klimasystem beeinflusst werden. Oder es könnte Probleme geben, dadurch dass große Mengen an Energie nicht dort freigesetzt wird, wo sie eingefangen wurde (z.B. bei Anlagen in wenig besiedelten Gebieten z.B. in der Sahara). Diese Probleme spielen aber derzeit noch keine Rolle, da die Sonnenenergie in noch eher geringem Ausmaß genutzt wird. Mögliche zukünftige Probleme in derartiger Hinsicht sind nur schwer abzuschätzen.

Adressen für weitere Informationen

Firmen wie z.B.:

und noch viele andere.

Weiters:

Gezeitenenergie
Die Gezeiten (Ebbe und Flut) beruhen auf den schwankenden, auf die Erde wirksamen Gravitationskräften von Erde, Sonne, Mond und Planeten. Durch Ebbe und Flut (Tidenhub) erhalten die dadurch bewegten Wassermassen entsprechende Bewegungsenergie. Diese Energie zu nutzen, ist das Ziel von Gezeitenkraftwerken.
Voraussetzung für die Nutzung in einem solchen Kraftwerk ist ein Tidenhub von mind. 5 m. (Der Tidenhub an den Atlantik- und Pazifikküsten beträgt etwa 6-8m, im Mittelmeer nur ca. 10cm. In seltenen Fällen kann er bis zu 21 m betragen.)
Es spielen aber auch geographische Bedingungen eine Rolle für den Bau eines Gezeitenkraftwerkes, wie z.B. die Ausdehnung und Tiefe von Meeresbuchten und Flussmündungen, durch die der Tidenhub kanalisiert wird.
Aufgrund dieser speziellen Voraussetzungen gibt es nur wenige mögliche Standorte für solche Kraftwerke und ihre Bedeutung ist hauptsächlich lokal. Durch die geringe Anzahl bestehender Kraftwerke (St. Malo an der Rance-Mündung in Nordfrankreich oder Kislogubsk am Barents-See in der Sowjetunion, ein weiteres in China) kann dieser Energieträger keinen wesentlichen Beitrag zur Weltenergieversorgung leisten. Obwohl der Gesamtwirkungsgrad von Gezeitenkraftwerken immerhin 80-90% beträgt.

Mögliche weitere Standorte
Folgende Küsten eignen sich für den Bau weiterer Gezeitenkraftwerke:

• Europa: Küsten der Bretagne und der Normandie, sowie die Westküste Englands,
• Amerika: die Ostküste von Nord- und Südamerika, besonders an der Grenze zwischen Kanada und den USA,
• Küsten Australiens

Funktionsweise eines Gezeitenkraftwerks
Zur Nutzung der Gezeitenenergie wird ein Damm in schmale Wasserarme, Meeresbuchten oder Flussmündungen gebaut. In dem dahinter entstehenden Staubecken kann bei Flut das Hochwasser durch Schleusen einfließen und zurückgehalten werden, um es dann während der Ebbe zur Elektrizitätserzeugung zu nutzen, indem es durch Turbinen (die sich im Inneren des Dammes befinden) abfließt. Dies ist das einfachste System – die, nur in einer Richtung arbeitende, Einbeckenanlage. Turbinen in anderen Anlagen arbeiten sowohl bei der Füllung des Beckens als auch bei der Entleerung während der Ebbe.

Das Gezeitenkraftwerk in St.Malo
Das erste Gezeitenkraftwerk der Erde entstand 1966 in St. Malo. Hier gibt es einen Tidenhub von bis zu 12m. Das hinter dem Damm entstandene Staubecken hat eine Oberfläche von 22 km². Das Kraftwerk verbirgt unter seinem 750 m langen Damm 24 Turbinen. Deren Leistung deckt etwa 0,2% des französischen Energiebedarfs.

Weitere geplante Projekte
In Großbritannien existieren schon seit mehreren Jahrzehnten Pläne für ein Gezeitenkraftwerk in der Severn-Mündung am Bristol-Kanal, das etwa 7000 MW Strom erzeugen könnte und somit ca. 5% des Strombedarfs Großbritanniens abdecken würde. Aufgrund der hohen Kosten wurde dieses Projekt aber bisher noch nicht in Angriff genommen. Auch Kanada plant, an Nebenbuchten der Fundy - Bai, die Kraft von Ebbe und Flut auszunutzen und jährlich 1,6 Milliarden kWh zu gewinnen.

Umwelt- und andere Probleme
Die Umweltbelastungen durch Gezeitenenergie sind sehr gering. Es wird lediglich die natürlichen Wasserbewegungen phasenverschoben. Manche Wissenschaftler befürchten bei großen Kraftwerken auch Veränderungen der Küstenlandschaft und der Meeresbiologie. Ein technisches Problem stellt die Versandung dar.

Literaturverzeichnis

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• Frisch, F. (1999) Die elektronische Stromgewinnung wird zur Wachstumsindustrie. Wien: http://www.datenwerk.at/arge_ee
• Fronius Vertrieb GmbH&CoKG. (1998) Das Solarmodul. http://www.fronius.co.at/photovoltaik/grundlagen
• Fronius Vertrieb GmbH&CoKG. (1998) Wie funktioniert eine Inselanlage? http://www.fronius.co.at/photovoltaik/grundlagen
• Stenographisches Protokoll. Nationalrat, XX.GP. 70. Sitzung /138. Wien: http://www.parlinkom.gv.at/pd/pm
• Mair, F. (1999) Die Sonne, unsere Energiequelle. Salzburg: http://www.land-sbg.gv.at/pimg
• Wiener Umweltanwaltschaft. (1999) Sonnenenergie. Wien: http://www.magwien.gv.at/wua/wua
• Grathwohl, M. (1983), Energieversorgung. Ressourcen – Technologien – Perspektiven. Verlag Walter de Gruyer & Co, Berlin. S. 162-184 und S.234-278.
• Jollands, D. (1985) Wissen Universal. Energie, Kraft und Rohstoffe. Tessloff Verlag, Hamburg. S. 56-59.
• Twist, C. (1992) Wissenschaft für die Jugend. Was ist das? Kraft und Energie. ÖBV, Wien und Stuttgart. S. 32-36 u. 45.

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	Autor: Sylvia Mager  Pädagogischen Akademie der Diözese Linz Layout. Maria Astleithner Letzte Aktualisierung:   15 Sep 2000
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