Alternative Energiequelle zur Kernenergie: Die Sonne?

[email protected] (Marc Tuxhorn)
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Alternative Energiequelle zur
Kernenergie: Die Sonne?
Die Menschen in den hochindustrialisierten Staaten begannen in
den letzten Jahren, ihre Einstellung zur Umwelt, zu den
Rohstoffen und zu den Energiereserven zu ändern. Die größte
Gefahr für die Zukunft der Menschheit ist unsere falsche,
umweltzerstörende Energiepolitik. Statt Energie umweltfreundlich
aus Sonne, Wind, Wasser und Biomasse zu gewinnen, benutzen
wir umweltfeindliche Energiequellen. Mit Öl, Gas und Kohle
schaffen wir uns ein lebensfeindliches Treibhausklima. Und
Atomkraftwerke sind allein dadurch, dass sie dastehen,
lebensgefährlich.
Aus dieser Problematik heraus, angespannt durch die
steigenden Energiekosten und Risiken in der Atomenergie,
bemühen sich verantwortungsbewußte Techniker, mit
Energie sparsamer umzugehen und die vorhandenen
Energiequellen effektiver nutzbar zu machen. Ganz
besonders bemüht man sich in Europa seit wenigen Jahren,
wieder Sonnenenergie zu gewinnen und zu verwerten. Aber
Ingenieure, die die zeitgemäße Technik beherrschen,
sehen
sich
jetzt
mit
der
Technologie
der
Solarenergienutzung, der "HELIOTECHNIK", häufiger
konfrontiert.
Durch ihre Nutzung werden keine Emissionen an die Umwelt
abgegeben, die unsere Gesundheit schädigen und weltweit eine
Gefahr für unser Klima bedeuten. Es gibt also auch kein
Entsorgungsproblem wie z.B. bei der Urannutzung.
pflanzliche Rohstoffe. Die Photovoltaik ist aber sicher die
eleganteste Art, die Sonnenenergie in Strom zu verwandeln: Man
braucht lediglich die Solarzelle dem Licht auszusetzen und an
ihren Kontakten den elektrischen Strom abzugreifen. Die
Solarzelle stellt sozusagen ein elektrisches Mini-Kraftwerk dar.
Sie ersetzt Dampfkessel, Turbine und Generator. Sie wandelt die
Sonnenenergie ganz unmittelbar in Strom um. Physiker haben
errechnet, daß der Wirkungsgrad von Solarzellen, je nach
Material, theoretisch an die 30 % betragen könnte.
Auch wenn die Photovoltaik bisher nur einen verschwindend
geringen Anteil an der Deckung des gesamten Strombedarfs hat
(ca.0,02% in der BRD), so liegt dies weniger an ihrem
Wirkungsgrad sondern an den bislang noch relativ hohen Kosten
und dem beträchtliche Energieaufwand für die Herstellung der
Solarzellen.
Energie aus der Kraft der
Sonne
1. Direkte Nutzung der Sonnenkraft
a) Photovoltaik
Die Sonne
Die Sonne besitzt eine Struktur und Eigenschaften; die die Art der
Energie, die die Sonne in den Raum abstrahlt bestimmen. Bei der
Kernfusion auf und in der Sonne werden in jeder Sekunde ca. 650
Millionen Tonnen Wasserstoff in ca. 646 Millionen Tonnen
Helium umgewandelt. Die Differenz wird als Strahlungsenergie in
den Weltraum gesandt (Materie wird in Energie gewandelt). Die
Erde empfängt entsprechend der Entfernung nur den 2000
milliardsten Teil auf. In jeder Stunde empfängt die Erdkugel und
die sie umgebenen Atmosphäre 175 Milliarden Megawattstunden
Deutlich gesagt: Bereits der winzige Anteil ihrer Kraft, der nicht
in den Tiefen des Raums verschwindet, sondern die Erde trifft,
bringt alle 20min eintausendmal mehr Energie als wir pro Jahr
verbrauchen. Das Problem vor dem die Techniker heute stehen ist
diesen großen Überfluss zu nutzen. Im Moment liegt die Ausbeute
dieser Energie bei nur 13% im Vergleich zu min. 30% bei z.B.
der Wasserkraft.
Die Solarzelle
Man spricht von Photovoltaik, wenn die Energie des Sonnenlichts
mit Solarzellen in Strom verwandelt wird.
Im Grunde gehen alle fossilen und erneuerbaren Energien auf die
Sonne zurück. Das gilt für Kohle, Erdgas und Öl ebenso wie für
Wasserkraft, Windenergie, Biogas oder nachwachsende
Mit der Photovoltaik wird Sonnenstrahlung und Licht mit Hilfe
von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt. Solarzellen
wandeln die Strahlungsenergie der Sonne auf photoelektrischem
Weg durch Freisetzen von Elektronen im inneren von z.B.
Silicium in elektrische Energie um.
Solarfachleute in den USA haben berechnet, daß Solarzellen auf
einem Dreihundertstel der Fläche der Vereinigten Staaten den
gesamten Strombedarf der Nation liefern würde. Eine Studie des
britischen Solarforschers Robert Hill ergab, daß in
Großbritannien der gesamte Strom über Photovoltaik-Zellen
produziert werden kann, wenn nur 10% der heutigen
Gebäudeflächen mit Photovoltaik-Anlagen ausgestattet werden.
Auf Neubauten sollten Solaranlagen nicht auf den Dächern und
Fassaden angebracht werden, sondern als Dächer oder Fassaden.
Photovoltaische Systeme auf Basis kristallinen und amorphen
Siliziums sind zwar bereits in größerem Umfang verfügbar, doch
besteht noch ein erheblicher technischer Entwicklungsbedarf. Der
Markt umfaßt heute im wesentlichen der Kleingerätebereich
(Rechner, Uhren u.ä.), das netzferne Wohnen (Beleuchtung,
Pumpen u.ä.), die netzferne kommerzielle Nutzung
(Kommunikation, Signalanlagen u.ä.) und die netzgekoppelten
Anlagen (Wohn- und Fabrikgebäude, Kraftwerke).
Die technische Weiterentwicklung konzentriert sich auf
Fortschritte in der Elektrotechnologie, um höhere Wirkungsgrade
[email protected] (Marc Tuxhorn)
und geringere Kosten zu erzielen. Dem sollen auch neue
Materialien und kostengünstigere Herstellungsverfahren dienen.
Theoretisch lassen sich mit Solarzellen beliebige Spannungen und
Stromstärken erzielen. Man braucht nur die einzelnen Module wie bei Batterien - entsprechend hintereinander (höhere
Spannung) oder parallel (höhere Stromstärke) zu schalten.
Der erzeugte Strom läßt sich in Batterien einspeisen, so daß er
selbst dann zur Verfügung steht, wenn es dunkel ist. Ebenso kann
der Solarstrom über Wechselrichter ins Netz eingespeist werden.
In der Praxis ist der photovoltaisch erzeuge Strom allerdings noch
so teuer und erfordert einen derart hohen Flächenbedarf, daß er
bislang nur für spezielle Anwendungen im Schwachlastbereich in
Frage kommt. Zum Beispiel sind Solarzellen ideale
Stromerzeuger für Taschenrechner, Kopfhörer-Radios, elektrische
Weidezäune, Meßstationen, Signaleinrichtungen und sonstige
verbrauchsarme Elektronik. Auch Fernsehumsetzer werden
mitunter schon mit ihnen betrieben.
b) Solarthermische Kraftwerke
Durch Spiegel gebündeltes Licht, das bei einigen Kraftwerkstypen
mehrere tausend Grad erreichen kann, wird zur Erhitzung von
einer bestimmten Flüssigkeit genutzt. Die Rinnenkollektoren sind
hierbei am weitesten entwickelt und werden seit Jahren in
Kalifornien eingesetzt. Die neuen Anlagen dieses Typs haben
bereits einen Wirkungsgrad von 16%. Diese Kraftwerkstypen sind
weltweit das Vorzeigeprojekt für solare Stromerzeugung.
Beispiele für Solarthermische und andere Sonnenkraftwerke:
Solarturmkraftwerke
Die Stromerzeugung in Solarturmkraftwerken befindet sich
gegenwärtig noch im Entwicklungs- und Erprobungsstadium. In
Solarturmkraftwerken reflektieren 182 Hohlspiegel, die auf
computergesteuerte Heliostaten montiert sind, die Sonnenstrahlen
und bündeln sie auf einen zentralen Strahlungsempfänger, der auf
dem sog. Solarturm installiert ist.
Unter dem Hohlraum-receiver befindet sich ein Projektionsfeld
auf das sich die Spiegel so einstellen lassen, dass das Sonnenbild
sich exakt vereinigen lässt. Sobald das geschehen ist werden alle
Spiegel um einen kleinen Winkel nach oben geschwenkt. Das
Sonnenbild wandert in die Öffnung des Receivers und beginnt
sein Innenleben aufzuheizen. Dort werden Wasser oder andere
Wärmeträgermedien erhitzt. Der dabei entstehende Dampf kann
in herkömmlichen Kraftwerken in Strom umgewandelt werden.
Dieses Kraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 16%.
Aufwindkraftwerk
Das Sonnenlicht kann das Foliendach fast ungehindert passieren.
Am Boden wandelt es sich zu Wärme um. Das Dach ist bis auf
ein großes Loch in der Mitte des „Vordachs“ dicht. Hier kann die
um 10-20°C erwärmte Luft ungehindert nach oben steigen.
Allerdings nicht ins Freie, sondern in den 200m hohen Kamin.
Nun setzt der 2.Antriebseffekt ein: die Sogwirkung des Kamins.
Sein gesamter Rauminhalt wirkt wie ein Auftriebs- körper. Die
leichtere Luft steigt nach oben wie ein Korken unter Wasser.
Deswegen ist die Sogwirkung um so stärker, je höher der Kamin
ist. Unten im Kamin, 10m über dem Boden treibt der Aufwind
eine Turbine an, an die ein Generator zur Stromerzeugung
angeschlossen ist.
Sonnenfarm
Bei der Sonnenfarm heizt jeder Parabolspiegel in seiner
Brennlinie Öl auf. Mulden- förmige Wannen mit exakt
parabolischem Querschnitt sind mit Spiegelglas belegt. In der
Brennlinie läuft ein schwarz gefärbtes Rohr, in dem ein ThermoÖl erhitzt wird. An dem einen Ende fließt Öl mit 225°C hinein.
Von Pumpen angetrieben läuft es durch alle Kollektoren und
kommt an dem anderen Ende auf 295°C erhitzt wieder heraus.
Diese Wärmedifferenz kann jetzt mit Wärmetauschern genutzt
werden.
2.
Indirekte
Sonnenkraft
Nutzung
der
a) Windkraft
Meteorologische Messungen haben ergeben, daß im ständig
wehenden Wind etwa 35mal soviel Energie steckt, wie die
Menschheit verbraucht! Da der Wind jedoch ungleichmäßig stark
weht und häufig seine Richtung ändert, kann nur ein Bruchteil
davon auch praktisch genutzt werden
Keine Form der Energiegewinnung braucht so wenig Platz wie die
Windenergie. Die tatsächlich verbrauchte Fläche durch
Windkraftanlagen ist minimal und liegt bei unter 1% der für
Windkraftanlagen ausgewiesen Fläche - bei 20000 km2 die in
Deutschland für die Windenergienutzung in frage kommen sind es
demnach 200 km2 für Anlagenplätze. Die heutigen
Windenergieszene wird beherrscht von Anlagen, die 30-50 Meter
Bauhöhe und einen Rotordurchmesser von 30 Metern haben.
Kleinere Windanlagen, mit denen schon vor Jahrhunderten alles
angefangen hat, spielen zur Zeit kaum eine Rolle. Es wird in
Zukunft aber wieder viele Energieselbstversorger mit kleinen
Windmühlen geben: Rotordurchmesser bis 10 Meter, Masthöhe
bis 20 Meter, Generatorleistung von 20-30 Kilowatt. Damit
können Millionen Menschen ihren Strom selbst erzeugen.
Kombiniert mit Solarzellen, kann die eigene Kleinwindanlage
eine
intelligente,
schadstoffarme
und
preiswerte
Energieerzeugung werden.
b) Meereswärme
Meereswärme ist wieder eine Variante der Sonnenenergie.
"Ocean
Thermal
Gradient"-Kraftwerke
nutzen
den
Temperaturunterschied zwischen der Meeresoberfläche und der
Tiefe aus und nutzen die durch Sonnenenergie aufgewärmten
Oberflächenschichten der Meere. Ihr Potential beträgt mehr als
das 100fache des weltweiten Energiebedarfs.
Das Hauptproblem bei der Nutzung der Sonnenenergie
besteht darin, die wenig konzentrierte und unregelmäßig
einfallende Energie zu sammeln, zu speichern und zu
transportieren. Mit Ausnahme der Biomasse ist
Sonnenenergie nur mit hohem Aufwand speicher- und
transpotierbar. Die solare Technologie wird weltweit die
fossilen und atomaren Energieträger nur dann vollständig
ersetzen können, wenn es gelingt, einen Energieträger zu
finden, der diese Nachteile der Sonnenenergie auf
umweltfreundliche Art ausgleichen kann.
©99 by Marc Tuxhorn, Kevin Keller, Benny Kriwanek