Die Sonnenenergie (Solar energy, Solar Power)

Auf der Karte, die das Insolationniveau darstellt, kann man sehen, dass Europe keine günstige Lage für die Ausnutzung hat. Trotzdem ist die direkte Ausnutzung der Sonnenenergie in Europa im Aufstieg.

Die Sonne ist unser nächste Stern und ( direkt oder indirekt ) die Quelle der fast ganzen verfügbaren Energie auf der Erde. Die Sonnenenergie stammt von den nuklearen Reaktionen im Zentrum der Sonne, wo die Temperatur 15 Millionen °C beträgt. Das ist die Fusion, wobei die Wasserstoffatome sich verbinden. Dadurch entsteht das Helium und große Menge der Energie wird freigelassen. Jeder Sekunde werden ungefähr 600 Millionen des Wasserstoffs ins Helium übertragen. Diese Energie verbreitet sich in der Form vom Licht und der Hitze in das Weltall und ein kleiner Teil kommt auch auf die Erde. Nukleare Fusion geschieht auf der Sonne seit 5 Milliarden Jahre (das Alter der Sonne) und das wird sich um noch so lange fortsetzen. Die Sonnenenergie ist der Ausgangspunkt der meisten Energiequellen, aber in diesem Abschnitt wird mehr über die direkte Ausnutzung der Sonnenenergie geschrieben. Unter optimalen Bedingungen kann man auf der Erdoberfläche 1 KW/m² gewinnen. Der reale Wert hängt von der Lokalität, Jahres- und Tageszeit, den Wetterbedingungen ab. Auf der Karte, die das Niveau der Sonnenstrahlung darstellt, ist zu sehen, dass Europa keine gute Position für die Ausnutzung hat. Trotzdem ist die direkte Ausnutzung der Sonnenenergie im Aufstieg. Das ist meistens das Resultat der Politik einiger Länder, die die Installation der Elemente für den Wandel der Sonnenenergie in nützliche Form der Energie subventionieren. Grundlegende Probleme sind die kleine Dichte des energetischen Laufes, große Oszillationen der Strahlungsintensität und große Investitionskosten.

Die wichtigsten Prinzipien der direkten Ausnutzung der Sonnenenergie sind:

• Solarkollektoren – die Vorbereitung des heißen Wasser und das Erwärmen der Räume
• Photovoltaik – der direkte Wandel der Sonnenenergie in die elektrische Energie
• Die Konzentration (das Fokussieren) der Sonnenenergie – der Verbrauch in großen energetischen Anlagen

Solarkollektoren (Solar Collectors, Solar Thermal Heat)

Solarkollektoren werden am häufigsten auf das Dach montiert. Sie sind besonders günstig für das Aufwärmen des Wassers beim sonnigen Wetter. Beim schlechten Wetter können sie in der Kombination mit dem elektrischen Wasserwärmer verwendet werden.

Solarkollektoren helfen beim Wandel der Sonnenenergie in die thermale Energie des Wassers. Systeme für die Heizung des Wassers können offen oder gesperrt sein. Bei den offenen Systemen geht das Wasser direkt durch den Kollektor auf dem Dach und bei den gesperrten Systemen sind Kollektoren mit dem Antifriz ausgefüllt. Gesperrte Systeme können irgendwo verwendet, auch wenn die Außentemperatur unter 0°C ist. Während des Tages beim schönen Wetter kann das Wasser nur in den Kollektoren aufgewärmt werden. Beim schlechten Wetter wird das Aufwärmen durch Kollektoren unterstützt und der Verbrauch des Stroms wird reduziert. Solarkollektoren sind auch beim Aufwärmen der Wasserbecken sehr nützlich. Im diesen Fall ist die Wassertemperatur sehr niedrig und es ist einfacher die Temperatur mit Hilfe von offenen Heizungssystemen zu erhalten. Auf dieser Weise bleibt die Temperatur des Wasserbeckens für einige Wochen im Jahr ohne eine Wasserheizung optimal. Es gibt Kollektoren, die direkt die Luft aufwärmen. Die Luft zirkuliert durch die Kollektoren und auf dieser Weise wird Energie auf die Luft übertragen. Diese Luft endet in einem gewärmten Raum und dient zur Erhaltung der Temperatur. Mit Hilfe von Kombination der Luft- und Wasserheizung kann eine große Ersparnis erreicht werden.

In der EU wird die Quantität der installierten Systeme für die Wasser- und Raumheizung immer größer. Im 2000 wurde zum ersten Mal die Grenze von 1 Million m² installierten Sonnenkollektoren bestimmt (104614 m² installierter Sonnenkollektoren). Deutschland und Österreich sind die Anführer, was die Ausnutzung der Sonnenenergie für die Heizung angeht. Deutsche Kampagne für die Promotion der thermalen Sonnenenergie "Solar Na Klar" zeigte große Wirkung. Im 2001 wurde 900 000 m² und im 2000 615 000 m² der Systeme installiert (+46.3%). Im Vergleich mit dem ganzen Europa wurde in Deutschland im 2000 mehr als 60% der Systeme installiert. Der Plan der EU ist, bis 2010 100 Millionen m² zu installieren. Im Augenblick zeigen die Indikatoren, dass bis 2010 80% der Systeme installiert wird.

Photovoltaik (Photovoltaic)

Sie sind die Halbleiter, die direkt die Sonnenenergie in die elektrische Energie verwandeln. Die Wirkung beträgt 10% für die billigeren Aufführungen mit dem amorphen Silizium und 25% für die teueren Aufführungen. In diesem Augenblick sind sie noch nicht rentabel, weil ihr Preis ungefähr 6000 $/KW beträgt. Auf dem Bild rechts ist das Prinzip der Herstellung der Photovoltaik zu sehen. Sie können als selbstständige oder zusätzliche Energiequellen dienen. Als eine selbstständige Energiequelle wird an den Satelliten, Straßenzeichen, Taschenrechnern und entfernten Objekten verwendet, weil sie langfristige Energie fordern. Im Weltall ist die Kraft der Sonnenstrahlung viel größer, weil die Atmosphäre einen großen Teil der Strahlung absorbiert und die gewonnene Energie ist größer. Als zusätzliche Energiequelle können Photovoltaik an das elektrische Netz verbunden werden, aber das ist für jetzt nicht zahlbar.

Der fotoelektrische Effekt wurde 1839 von Henri Becquerel erforscht und am Beginn des 20. Jahrhunderts wurde zum Gegenstand vieler Forschung. Der einzige Nobelpreis wurde Albert Einstein für die Forschung der Solarenergie zuerteilt. 1954 hat Bell Labs in den USA das erste fotoelektrische Gelenk präsentiert, das die verwendbare Quantität der elektrischen Energie generiert hat. bis 1958 hat man mit dem Einbauen in einigen Applikationen (besonders für das Weltraumprogramm) begonnen.

In der EU wächst die installierte Kraft der Photovoltaik im Augenblick um 40%. Es handelt sich eigentlich um kleine Quantitäten und deswegen hat dieser Wuchs keinen größeren Einfluss auf die gesamte Vertretung solcher Energiequellen. Im 2000 wurde 183.5 MWp installiert. Das ist um 43.6% mehr als im 1999. Auch in diesem Gebiet ist Deutschland der führende Staat in Europa (113.8 MWp + 100 MWp an dem elektrischen Netz). So großer Anteil kann man dem Deutschen Gesetz über die erneuerbaren Energiequellen danken. Diesem Gesetz nach ist der einlösbare Preis der Energie aus den Photovoltaik 0.5€/KWh für die ersten 350 MWp. Der Plan der EU ist die Installation von 3000 MWp bis 2010, aber im Augenblick zeigen die Indikatoren, dass bis dann 1780 MWp installiert wird.

Die Fokussierung der Sonnenenergie (Concentrating Solar Power)

"Dish" System der Fokussierung.

"Power Tower" Konfiguration der Spiegel fokussiert die Sonnenenergie auf die Spitze des Turms.

Die Fokussierung der Sonnenenergie wird für den Betrieb der großen Generatoren oder thermale Betriebe verwendet. Die Fokussierung wird mit Hilfe von vielen Linsen oder häufiger von Spiegeln in der Konfiguration eines Tellers oder Turms erreicht. Auf den Bildern sind Konfigurationen "Power Tower" und "Dish" zu sehen. "Power Tower" Konfiguration benutzt das mit Hilfe von Computer kontrolliertes Feld der Spiegel für die Fokussierung der Sonnenstrahlung auf den zentralen Turm, der dann den Generator antreibt. Bis jetzt hat man darlegende Systeme mit der Ausgangskraft über 10 MW hergestellt. Diese neuen Systeme besitzen die Möglichkeit der Arbeit auch Währen der Nacht und des schlechtes Wetters. Das passiert durch das Bewahren des heißen fließenden Gewässers in einem sehr wirksamen Speicher (eine Art von Thermoflasche). "Dish" Systeme folgen die Bewegung der Sonne und auf dieser Weise fokussieren sie die Sonnenstrahlung. Es gibt noch das "Trough" System, das sehr wirksam sein kann. Solche Kraftwerke können sehr stark sein: in Kalifornien wurde ein Kraftwerk der Kraft von 354 MW installiert. Wenn es nicht genug Sonnenenergie gibt, können sich diese Systeme ohne Probleme auf das Treibhausgas oder auf eine andere Energiequelle übertragen. Das ist möglich, weil die Sonnen für das Aufwärmen des Gewässers verwendet werden. Beim schlechten Wetter wird das Gewässer auf eine andere Art aufgewärmt. Das Problem bei der Fokussierung ist der Bedarf an großen Raum für das Kraftwerk. Eine Lösung könnte das Unterbringen des Kraftwerks in die Wüste sein. In den Wüsten ist die Kraft der Sonnenstrahlung am deutlichsten. Noch ein Problem ist der hohe Preis der Spiegel und Systeme für die Fokussierung.