Studienarbeit Solarenergie - Lehr- und Forschungsgebiet ...

Studienarbeit
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Von
Stefanie Sandlöbes
Matr.-Nr. 227638
Betreuer:
Dipl.-Ing. Eberhard Büttgen
Lehr- und Forschungsgebiet für Abfallwirtschaft
Aachen, 19.09.2005

Inhaltsverzeichnis
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Inhaltsverzeichnis .................................................................................................... I
Abbildungsverzeichnis........................................................................................... III
Tabellenverzeichnis...............................................................................................IV
Tabellenverzeichnis...............................................................................................IV
1 Einleitung......................................................................................................... 1
2 Energiewirtschaft............................................................................................. 3
2.1 Rechtliche Aspekte................................................................................... 3
2.2 Energie in Zahlen ..................................................................................... 4
3 Regenerative Energien.................................................................................... 8
3.1 Wasserkraft ............................................................................................ 10
3.2 Windkraft ................................................................................................ 12
3.3 Geothermie ............................................................................................ 15
3.4 Biomasse ............................................................................................... 18
3.5 Solarenergie........................................................................................... 23
4 Solartechnik................................................................................................... 24
4.1 Einführung.............................................................................................. 24
4.2 Solarthermie........................................................................................... 24
4.2.1 Turmkraftwerke ............................................................................... 26
4.2.2 Parabolrinnen-Solarkraftwerke........................................................ 28
4.2.3 Aufwindkraftwerke........................................................................... 30
4.2.4 Solarthermochemie ......................................................................... 32
4.2.5 Gebäudeintegrierte Solarkollektoranlagen ...................................... 33
4.3 Photovoltaik............................................................................................ 36
4.4 Photoelektrochemie................................................................................ 40
4.5 Photobiologische Wasserstoffproduktion ............................................... 42
4.6 Stand der Forschung.............................................................................. 43
4.6.1 Solarthermie.................................................................................... 43
4.6.2 Photovoltaik..................................................................................... 45
5 Zusammenfassung........................................................................................ 49
I

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Literaturverzeichnis ..................................................................................................
II

Abbildungsverzeichnis
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 1: Welt-Primärenergiebedarf im Jahr 2001 [13] ..................................... 5
Abbildung 2: Primärenergieverbrauch 2003 Deutschland [13]................................ 6
Abbildung 3: Zukunftsszenario Stromerzeugung in Deutschland [17] .................... 7
Abbildung 4: Stromerzeugung nach Sparten, [12] .................................................. 9
Abbildung 5: Wärmeerzeugung nach Sparten [12] ............................................... 10
Abbildung 6: Stromerzeugung aus Wasserkraft [12] ............................................ 12
Abbildung 7: Bestandteile einer Windenergieanlage [28 ...................................... 14
Abbildung 8: Stromerzeugung aus Windkraft [12] ................................................ 15
Abbildung 9: Wärmeerzeugung aus Geothermie [12]........................................... 18
Abbildung 10: Möglichkeiten der Energiebereitstellung aus Biomasse [18].......... 19
Abbildung 11: Stromerzeugung aus Biomasse [12].............................................. 22
Abbildung 12: Wärmeerzeugung aus Biomasse [12]............................................ 23
Abbildung 13: Wärmeerzeugung durch Solarthermie [12] .................................... 26
Abbildung 14: Funktionsweise eines Turmkraftwerkes......................................... 27
Abbildung 15: Foto des „Solar One“ in Barstow [32]............................................. 28
Abbildung 16: Schematischer Aufbau eines Parabolrinnenkraftwerkes................ 29
Abbildung 17: Parabolrinne mit Absorberrohr [32]................................................ 30
Abbildung 18: Schematische Darstellung eines Aufwindkraftwerkes.................... 31
Abbildung 19: Aufwindkraftwerk bei Manzanares [32] .......................................... 32
Abbildung 20: Solarthermochemisches Verfahren [26]......................................... 33
Abbildung 21: Schematischer Aufbau eines Flachkollektors ................................ 34
Abbildung 22: Schematische Funktionsweise eines Vakuumröhrenkollektors ..... 35
Abbildung 23: Physikalische Vorgänge in einer photovoltaischen Zelle [39] ........ 37
Abbildung 24: Silizium-Solarzelle [33] .................................................................. 39
Abbildung 25: Stromerzeugung durch Photovoltaik [12]....................................... 40
Abbildung 26: Schematische Funktionsweise einer Grätzelzelle [25]................... 41
Abbildung 27: Aufbau von elektrochemisch arbeitenden Systemen [25] .............. 42
III

Tabellenverzeichnis
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Tabelle 1:.............................................................................................................. 38
IV

1 Einleitung
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Die heutige hoch industrialisierte Gesellschaft ist in extremem Maß von Energie
abhängig, ein Leben ohne elektrischen Strom, Kraftfahrzeug- und
Luftfahrtkraftstoffe und künstlich erzeugte Wärme ist nicht denkbar. Dabei werden
von einem Viertel der Menschheit drei Viertel der gesamten Energie verbraucht –
den Industrienationen. 87 % des Weltenergieverbrauchs und 80 % der jährlich
produzierten Menge an elektrischem Strom wird über fossile und damit nicht
erneuerbare Energieträger wie Kohle, Erdgas, Erdöl, sowie Kernenergie gedeckt.
Die natürlichen Ressourcen dieser Rohstoffe sind stark begrenzt, so sind aktuellen
Prognosen zufolge die Erdölreserven in 45 Jahren erschöpft.
Durch die Verbrennung fossiler Energieträger werden laut BMWi weltweit jährlich
24,79 Mrd. t CO2 emittiert. Öffentliche Diskussionen um eine mögliche Mitschuld
dieser CO2-Ausstossungen am Treibhauseffekt und damit einer globalen
Klimaveränderung verdeutlichen eine weitere Problematik der Verbrennung von
Erdöl, Erdgas und Kohle.
Eine Alternative ist in regenerativen Prozessen zu sehen, so in der Strom- und
Wärmeerzeugung mittels Windkraft, Wasserkraft, Geothermie, Biomassenutzung
und Sonnenenergie.
Die Energieumwandlungsprozesse, die auf dem Prinzip der Nutzung regenerativer
Energien beruhen, verursachen keine Emissionen, wie es bei der Verbrennung
fossiler Energieträger der Fall ist und bewirken dadurch keine Veränderungen in
dem natürlichen Gleichgewichtssystem der Erde.
Die Forderungen nach einer ökologisch und ökonomisch sinnvollen
Energiewirtschaft, sowie Nachhaltigkeit und Dauerhaftigkeit begründen die
Forschung und den Einsatz alternativer und regenerativer
Energiewandlungsmethoden.
In der vorliegenden Arbeit werden die Technik und die aktuellen Entwicklungen in
der Solartechnik auf dem Hintergrund der Energiewirtschaft in Deutschland und
1

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
weltweit dargestellt. Dazu werden in Kapitel 2 die rechtlichen sowie die faktischen
Aspekte der Energiewirtschaft in Deutschland dargelegt. Im Anschluss wird in
Kapitel 3 auf die verfügbaren regenerativen Energietechniken eingegangen. In
Kapitel 4 werden die verschiedenen Konzepte der Solartechnik und der aktuelle
Stand der Forschung in Deutschland erläutert. Das Ziel der Arbeit ist eine
Darstellung der Möglichkeiten der Solartechnik als Energiequelle [11, 12, 13, 17,
36].
2

2 Energiewirtschaft
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Aufgrund der ökologischen Notwendigkeit und dem immer größer werdenden
öffentlichen Druck sind die Interessen des Klima- und Ressourcenschutzes zu
einem bedeutendem Diskussionsthema auf deutscher und internationaler Ebene
geworden. So sind in den letzten Jahren nicht nur in Deutschland, sondern auch in
Europa und auf globaler Ebene Verträge, Gesetze und Richtlinien zur Förderung
regenerativer Energien umgesetzt und erlassen worden. Im Rahmen der
vorliegenden Arbeit wird jedoch ausschließlich auf die deutschen
Rahmenbedingungen eingegangen.
2.1 Rechtliche Aspekte
Das erste nationale Gesetz zur Förderung regenerativer Energien war das 1990 in
Kraft getretene Stromeinspeisungsgesetz (StrEG). Hier wurden die Bedingungen
für die Einspeisung und Vergütung von Strom aus regenerativen Energien auf
nationaler Ebene geregelt. Das Stromeinspeisungsgesetz wurde am 01.April 2000
von dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) abgelöst. Das Erneuerbare-
Energien-Gesetz regelt die Abnahme und Vergütung von Strom aus regenerativen
Energiequellen durch die Netzbetreiber. Als Strom aus regenerativen
Energiequellen gilt nach § 3 des EEG Strom aus Wasserkraft, Windkraft, solarer
Strahlungsenergie, Geothermie, Deponiegas, Klärgas, Biomasse und
(gleichgesetzt) Grubengas. Nach dem EEG sind die Netzbetreiber verpflichtet,
Strom aus regenerativen Energien unverzüglich und vorrangig einzuspeisen.
Außerdem muss der eingespeiste Strom aus regenerativen Energiequellen
entsprechend den Vorgaben des Gesetzes vergütet werden. Die Vergütung ist
abhängig von der Sparte der erneuerbaren Energien, der Größe der Anlagen und
dem Standort (Windenergie) [27].
Zudem bestehen in Deutschland zahlreiche Förderprogramme für den Einsatz von
regenerativen Energien. Zu nennen sind an dieser Stelle das mittlerweile
ausgelaufene „100.000-Dächer-Solarstom-Programm“, die Ökozulage für
3

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Eigenheime und das Marktanreizprogramm zur Förderung der Nutzung
erneuerbarer Energien. Das „100.000-Dächer-Solarstrom-Programm“ wurde 1999
ins Leben gerufen und lief zum 1. Juli 2003 aus. Ziel dieses Programms war die
Förderung von Photovoltaikanlagen. Die Ökozulage für Eigenheime lief während
der Zeit von 1995 bis 2003. Im Rahmen dieses Förderprogramms wurde für
Solaranlagen und Wärmepumpen im Eigenheim, sowie für Niedrigenergiehäuser
eine „Ökozulage“ vom Staat gewährt. Das Marktanreizprogramm zur Förderung
der Nutzung erneuerbarer Energien ist eine Förderung, die über
Investitionskostenzuschüsse die Einrichtung von Solarkollektoranlagen,
Wärmepumpenanlagen, Biomasseanlagen, Photovoltaikanlagen, Biogas- und
Wasserkraftanlagen sowie oberflächennahe Geothermieanlagen fördert.
Finanziert wird das Marktanreizprogramm durch die Ökosteuer [17, 27].
2.2 Energie in Zahlen
Der Welt-Primärenergiebedarf im Jahr 2001 lag bei 420.000 PJ. 13,5 % dieser
Energie, das entspricht 54.600 PJ, wurden durch regenerative Energien zur
Verfügung gestellt. Den größten Anteil unter den regenerativen Energien hatte mit
10,8 % die Biomasse. Auch die Energiegewinnung mittels Wasserkraft hatte mit
2,2 % an der gesamten Energieerzeugung eine große Bedeutung. Die restlichen
erneuerbaren Energien, Solarenergie, Windkraft und Geothermie, stellten nur
0,5 % der weltweit erzeugten Energiemenge [12, 13, 17].
Die Abbildung 1 zeigt den Welt-Primärenergiebedarf im Jahr 2001. Die
erneuerbaren Energien wurden nach Sparten aufgesplittet.
4

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 1: Welt-Primärenergiebedarf im Jahr 2001 [13]
Der Primärenergiebedarf in Deutschland für das Jahr 2003 betrug 14.334 PJ, das
entspricht 3,4 % des Welt-Primärenergiebedarfs. Die Verteilung des
Primärenergiebedarfs nach Energieträgern sieht wie folgt aus. Der Anteil aus
fossilen Energieträger lag bei ungefähr 75 %, davon lieferten Mineralöle mehr als
ein Drittel der benötigten Energiemenge, weitere 25 % wurden durch Stein- und
Braunkohle erzeugt und 23 % durch Naturgase. 13 % des deutschen
Primärenergiebedarfs wurden durch Energie aus Kernkraft gedeckt und die
verbleibenden 3 % wurden durch erneuerbare Energieträger gestellt. Im Jahr 2003
lag der Anteil der regenerativen Energien an der nationalen Stromerzeugung bei
8 % und an der Wärmeerzeugung bei 3,6 %. Eine detailliertere Aufschlüsselung
der erzeugten Energien aus erneuerbaren Energien erfolgt in den Kapiteln 3 und 4
der vorliegenden Arbeit [12, 13, 17].
Die Abbildung 2 zeigt eine Aufschlüsselung des Primärenergieverbrauchs in
Deutschland nach Energieträgern.
5

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 2: Primärenergieverbrauch 2003 Deutschland [13]
Die Energieversorgung in Deutschland soll zukünftig zum größten Teil durch
erneuerbare Energieträger gesichert werden.
Die Stromerzeugung aus Atomkraft soll im Jahr 2030 enden und der Abbau von
Steinkohle wird weiterhin bis auf einen Sockelsteinkohleabbau reduziert werden.
Die Genehmigungen des im Rheinischen Revier stattfindenden Braunkohleabbaus
werden voraussichtlich im Jahr 2050 enden und die Wirtschaftlichkeit eines
weiteren Abbaus ist nach Expertenmeinungen fraglich.
Die derzeitigen Anstrengungen in der Förderung und Forschung der erneuerbaren
Energien sollen das Bild des deutschen Energiemarktes wandeln und zu einer
raschen Marktfähigkeit der regenerativen Energien führen. Zudem soll eine
Autarkie in der deutschen Energieversorgung erreicht werden.
Die Abbildung 3 zeigt das Bild der geplanten zukünftigen Stromversorgung in
Deutschland bis zum Jahr 2050 [12, 13, 17].
6

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 3: Zukunftsszenario Stromerzeugung in Deutschland [17]
7

3 Regenerative Energien
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Als regenerative oder erneuerbare Energiequellen werden Stoffe bezeichnet, die
nachwachsend sind und nicht „verbraucht“ werden können, wie es bei fossilen
Brennstoffen der Fall ist. Zu den regenerativen Energiequellen zählen Wind,
Wasser, Erdwärme, Sonne und Biomasse. Durch ökologische Notwendigkeit und
politischen und öffentlichen Druck wurden die Entwicklung und Implementierung
von erneuerbaren Energien in den letzten Jahren stark vorangetrieben. CO2-
Ausstossungen, begrenzte Öl- und Kohlevorkommen, sowie die immer lauter
werdenden Rufe nach einer nachhaltigen Energiewirtschaft werden auch die
zukünftige Entwicklung der globalen Energieversorgung prägen.
Insgesamt lag der Anteil der erneuerbaren Energien an der gesamten
Stromerzeugung in Deutschland im Jahr 2002 bei 8 %. Bis zum Jahr 2010 soll der
Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung auf 12,5 % gesteigert
werden [11]. Die Abbildung 4 zeigt die Entwicklung der Stromerzeugung aus
regenerativen Energien in Deutschland für den Zeitraum von 1990 bis 2003. Zu
sehen ist, dass Windkraft und Wasserkraft den größten Anteil an der
Stromerzeugung haben. Dabei hat die Bedeutung von Windkraft in dem Zeitraum
von 2000 bis 2003 stark zugenommen. Auch der Anteil an Biomasse ist im
gleichen Zeitraum überproportional angestiegen. Die Stromerzeugung mittels
Photovoltaik ist sehr gering, obwohl der Photovoltaik allgemein ein großes
Potential zugesprochen wird [17].
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Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 4: Stromerzeugung nach Sparten, [12]
Der Anteil der erneuerbaren Energien an der Wärmerzeugung lag im Jahr 2002
bei 3,6 %. Auch diese Zahl soll in den nächsten Jahren gesteigert werden. [13, 17]
Die Abbildung 5 zeigt die Wärmeerzeugung durch regenerative Energien während
des Zeitraums von 1997 bis 2002. Danach wird durch Biomasse die meiste
Wärme erzeugt. Die Wärmeproduktion durch Biomasse ist in den letzten Jahren
leicht angestiegen. Den kleinsten Anteil an der Wärmeerzeugung hat die
Geothermie, ihr Anteil ist während des dargestellten Zeitraumes kaum gewachsen.
Die Wärmeerzeugung mittels Solarthermie hat ein enormes Wachstum zu
verzeichnen und ist von 695 GWh/a im Jahr 1997 auf 2.494 GWh/a im Jahr 2003
gestiegen [12, 13, 17].
9

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 5: Wärmeerzeugung nach Sparten [12]
3.1 Wasserkraft
Die Stromerzeugung mittels Wasserkraft beruht auf der Umwandlung der im
Wasser gespeicherten kinetischen und potentiellen Energie in mechanische
Energie über Wasserräder, Turbinen oder andere Formen von Laufrädern.
Entweder wird die gewonnene mechanische Energie für den Antrieb von
Maschinen genutzt oder mittels Generatoren in elektrische Energie umgewandelt.
Der dabei erreichte elektrische Wirkungsgrad liegt bei 90 %. Die Nutzbarmachung
von Wasserkraft ist die älteste und am weitesten verbreitete Form der
Energiegewinnung durch erneuerbare Energiequellen. So bauen Menschen seit
vielen Jahrhunderten neben Flüssen ihre Mühlen und lassen das Mühlrad durch
die Fließgeschwindigkeit des Wasserlaufes antreiben. Auch die Speicherung von
Energie, beispielsweise in Stauseen, hat eine sehr lange Tradition.
Allgemein werden drei Arten von Wasserkraftwerken unterschieden:
• Laufwasserkraftwerke,
10

• Speicherkraftwerke
• Pumpspeicherkraftwerke.
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Laufwasserkraftwerke kommen in Fließgewässern oder in der Kanalisation zum
Einsatz. In Laufwasserkraftwerken wird das anfließende Wasser gestaut und
abgestürzt (Absturzbauwerke). Der durch die Stauung entstehende
Höhenunterschied wird zur Energiegewinnung genutzt. Üblich sind Fallhöhen bis
zu 30 m.
Zur Energiegewinnung in Speicherkraftwerken wird die Höhendifferenz zwischen
einem künstlich angelegten Speicherbecken und einem natürlichen
Speicherbecken mit einem regelmäßigen Wasserlauf genutzt. Das Wasser stürzt
die künstlich angelegte Fallhöhe hinunter und treibt eine Turbine oder ein
Wasserrad an. Speicherkraftwerke werden bedarfsmäßig eingesetzt und kommen
in der Regel zum nur Einsatz, um Lastspitzen abzufangen.
Pumpspeicherkraftwerke dienen der Speicherung von Stromüberschüssen in der
Nacht und dem Ausgleich von Lastspitzen am Tag. Dazu werden künstliche
Speicherbecken angelegt, in die mittels elektrischer Energie Wasser gepumpt
wird. Der Strom, der hierfür genutzt wird, ist billiger Nachtstrom, der nicht benötigt
wird. Die Energie wird gespeichert und kann durch den Absturz der
Wassermassen von einem Becken in ein darunter liegendes in elektrische Energie
zurück gewandelt werden. Sinnvoll wird diese Form der Energiespeicherung durch
die bei der Energiegewinnung mittels Wasserkraft hohen erreichbaren
Wirkungsgrade. Ein Beispiel für ein Pumpspeicherkraftwerk ist im Schwarzwald im
Raum Schluchsee zu finden. Das Wasser wird in insgesamt fünf Stauseen
unterschiedlicher Größe und Höhenlage gepumpt und bei Bedarf über
Verbindungskanäle zwischen den einzelnen Stauseen abgestürzt.
Die Wasserkraft hat im Jahr 2002 mit einer erbrachten Leistung von rund
24 GWh/a einen Beitrag von 4 % zur nationalen Stromerzeugung beigesteuert.
Die Abbildung 6 zeigt die Entwicklung der Stromerzeugung aus Wasserkraft für
den Zeitraum von 1990 bis 2003. Im Mittel ist ein leichter Anstieg von 1990 bis
11

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
2003 zu verzeichnen, allerdings schwankt die Stromerzeugung von Jahr zu Jahr,
so dass kein eindeutiger Aufwärtstrend wie bei den anderen erneuerbaren
Energien zu sehen ist [13, 16, 17, 20].
Abbildung 6: Stromerzeugung aus Wasserkraft [12]
3.2 Windkraft
Windkraftanlagen nutzen die aerodynamische Energie des Windes, um
mechanische Arbeit zu gewinnen. Diese wird in Generatoren in elektrische
Energie umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist.
Stromerzeugung mittels Windenergieanlagen ist in Deutschland weit verbreitet,
viele Landschaften sind geprägt durch die bis zu 130 m hohen Windkraftanlagen.
Die Windenergieanlagen bestehen aus dem Turm, einem Rotor mit einer Nabe
und in der Regel drei Rotorblättern sowie der Maschinengondel. Die Rotorblätter
dienen der Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in mechanische
Energie. Aufgrund der hohen Belastungen, denen die Rotorblätter ausgesetzt
sind, werden sie aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder Kohlenstofffasern
12

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
hergestellt. Beide Werkstoffe bieten eine sehr hohe mechanische Festigkeit bei
einer geringen spezifischen Dichte. Die durch die Rotorblätter gewonnene
mechanische Arbeit wird über ein Getriebe an einen Generator abgegeben. Das
Getriebe dient der Drehzahlwandelung, so dass die für das deutsche Stromnetz
notwendige Maschinendrehzahl von 1.500 min -1 erreicht wird Die deutschen
Stromnetze arbeiten mit einer Frequenz von 50 Hz. Um diese Frequenz zu
generieren, muss eine stabile Drehfelddrehzahl von 1.500 min -1 gewährleistet
werden. Die Generatoren führen die elektromechanische Energiewandlung durch
und können sowohl von synchroner, als auch von asynchroner Bauart sein. Meist
werden asynchrone Drehstromgeneratoren eingesetzt. Die Bremse muss in der
Lage sein, bei zu hohen Windgeschwindigkeiten den Rotor anzuhalten, um die
Anlage vor Schäden zu bewahren. Die Maschinengondel ist in der Regel drehbar
gelagert, um die Rotorblätter bei einer Veränderung der Windrichtung dieser
anpassen zu können [28].
Die Abbildung 7 zeigt den schematischen Aufbau einer Windenergieanlage.
13

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 7: Bestandteile einer Windenergieanlage [28
Kleine Windenergieanlagen haben eine Turmhöhe von 40 bis 65 m bei einer
erreichbaren Nennleistung bis 600 kW. Die größten Onshore-Windenergieanlagen
wurden mit einer Turmhöhe von 120 bis 130 m gebaut, die Nennleistung dieser
Anlagen liegt bei 5 MW.
Zurzeit werden in Deutschland ausschließlich Onshore-Windenergieanlagen
betrieben, der Forschungsschwerpunkt liegt jedoch auf der Errichtung von
Offshore-Windenergieanlagen in der deutschen Ausschließlichen Wirtschaftszone
(AWZ) in der Nord- und Ostsee. In Dänemark, Großbritannien und Schweden
wurden Offshore-Windparks bereits realisiert.
Problematisch bei der Bereitstellung von Energie mittels Windenergieanlagen ist
die Unstetigkeit der Windenergie. Im Fall einer Flaute oder nachlassender
Windgeschwindigkeit muss ein nachgeschaltetes Kraftwerk das Leistungsdefizit
ausgleichen, um eine gesicherte Stromzufuhr zu gewährleisten. Die Notwendigkeit
von Reservekraftwerken, die im Bedarfsfall an- und abgeschaltet werden, stellen
einen großen Kostenfaktor für den deutschen Energiemarkt dar.
Trotz dieser Problematik hat die Windkraft von allen regenerativen Energiequellen
das größte Ausbaupotential. Die Windkraft hatte mit einer erbrachten Leistung von
rund 12.000 MW im Jahr 2002 einen Anteil von 3 % an der gesamten deutschen
Stromproduktion. Mit der Errichtung der geplanten Offshore-Windparks wird für
das Jahr 2030 eine installierte Leistung von 25.000 MW angestrebt [17].
Die Abbildung 8 zeigt die zeitliche Entwicklung der Stromerzeugung aus Windkraft
im Zeitraum von 1990 bis 2003. Deutlich zu erkennen ist der starke Anstieg der
Stromerzeugung aus Windenergie ab 2000, dem Jahr, in dem das Erneuerbare-
Energien-Gesetz in Kraft trat. Aufgrund des geplanten Ausbaus und der
Weiterentwicklung der Windenergieanlagen in Deutschland ist weiterhin mit einem
starken Zuwachs der Stromerzeugung aus Windkraft in den nächsten Jahren zu
rechnen [12, 13, 17, 28].
14

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 8: Stromerzeugung aus Windkraft [12]
3.3 Geothermie
Vor rund 4,5 Milliarden Jahren wurden Gase, Staub, Gesteine und Eis durch
Gravitationskräfte verdichtet und bildeten die Erde. Durch den Zusammenprall der
Massen aufeinander wandelte sich die Gravitationskraft in Wärmeenergie. Teile
dieser Wärme sind bis zur heutigen Zeit in der Erde gespeichert. Zudem entsteht
zusätzliche Wärme durch den Zerfall der geogenen radioaktiven Isotope. Die
geotherme Energie der Erde beläuft sich nach aktuellen Schätzungen auf rund
1.011 Terawattjahre [19].
Es bestehen verschiedene technische Möglichkeiten sich die geothermische
Energie nutzbar zu machen. Dazu gehören petrophysikalische Systeme,
hydrothermale Systeme und oberflächennahe geothermische Systeme.
Petrophysikalische Systeme nutzen die im Stein gespeicherte Energie im Bereich
von Intrusionen. Das am weitesten verbreitete petrophysikalische Verfahren ist die
15

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Hot-Dry-Rock- (HDR-) Methode. Hot-Dry-Rock-Verfahren kommen in trockenem
Gestein zum Einsatz. Es werden zwei oder mehrere Bohrungen abgeteuft und das
dazwischen liegende Gestein wird „gefrackt“, dass heißt, es wird pneumatisch
und/oder hydraulisch beansprucht, so dass ein System aus Rissen und Klüften
entsteht. Dieses System bildet eine unterirdische Verbindung der Bohrlöcher und
dient als Wärmetauscher. Um die geothermische Energie an die Erdoberfläche zu
bringen, wird in eines der Bohrlöcher (Injektionsbohrung) Wasser gepumpt. Das
Wasser fließt durch die Risse und Klüfte im Gestein, um zu dem anderen Bohrloch
(Produktionsbohrung) zu gelangen. Das Wasser dient als Wärmetauschermedium.
Das umgebende Gestein gibt einen Teil seiner Wärme an das Wasser ab, so dass
das in der Produktionsbohrung aufsteigende Wasser eine höhere Temperatur hat.
Diese Wärmeenergie kann beispielsweise als Antrieb eines
Dampfturbinenprozesses dienen. Eine weitere Möglichkeit ist die direkte Nutzung
der geothermen Wärme mittels Wärmepumpen, beispielsweise zur Beheizung von
Schwimmbädern oder Gebäuden. Die direkte Wärmenutzung hat gegenüber der
indirekten Nutzung zur Stromerzeugung den Vorteil, dass die notwendigen
Mindesttemperaturen niedriger sind.
Hydrothermale Verfahren nutzen die Wärmeenergie von Thermalwässern. Es wird
unterschieden zwischen hydrothermalen Systemen mit hoher Enthalpie und mit
niedriger Enthalpie. Zu den hydrothermalen Systemen mit hoher Enthalpie
gehören Dampfsysteme und Hochdruckwassersysteme. Bei hydrothermalen
Systemen mit niedriger Enthalpie werden Thermalwässer genutzt, die über ein
niedrigeres Temperaturangebot verfügen. Es wird unterschieden zwischen
Systemen mit über 100°C warmen Wasser, Systemen mit Wasser zwischen 40
und 100°C und Systemen mit Niedrigtemperaturwasser (20°C bis 40°C).
Hydrothermale Erdwärme wird ebenfalls sowohl zur Strom-, als auch zur
Wärmeerzeugung genutzt.
Oberflächennahe geothermische Systeme dienen ausschließlich der
Wärmegewinnung, da die maximal erreichten Temperaturen dieser Systeme bei
25°C liegen. Von oberflächennahen geothermischen Systemen wird bis in eine
Tiefe von 400 m gesprochen. Bei dieser Technik werden Erdwärmekollektoren,
16

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Erdwärmesonden und Grundwasserbohrungen eingesetzt. Erdwärmekollektoren
sind flache Wärmetauscherrohre, die in eine Tiefe von 80 bis 160 cm in den
Boden eingebaut werden. Erdwärmesonden sind senkrechte Bohrungen, in die Uförmige
Rohre eingelassen werden. Durch das Rohr strömt eine
Wärmetauscherflüssigkeit mittels derer die Erdwärme an die Oberfläche
transportiert wird. Erdwärmesonden werden in einer Tiefe von 50 bis 150 m
eingesetzt. Bei Grundwasserbrunnen wird das natürliche Wärmeträgermedium
Grundwasser genutzt, um die geothermische Energie an die Erdoberfläche zu
transportieren Der Einsatz von Grundwasserbohrungen ist in der Regel
pflegeintensiv, da das Grundwasser aufgrund von Verschmutzungen in
Filtersystemen vorbehandelt werden muss.
Eine weitere Möglichkeit der Nutzung hydrothermaler Energie sind tiefe
Erdwärmesonden. Dazu wird eine Bohrung in große Tiefe (>2.500 m) abgeteuft
und an einen Wärmetauscher angeschlossen. Durch die Verrohrung (Innen- und
Außenrohr) wird ein Wärmetauschermedium, beispielsweise Wasser, im Kreislauf
gepumpt. Auf diese Weise gelangt die geothermische Wärme an die
Erdoberfläche.
Derzeit wird Geothermie in Deutschland ausschließlich zur Wärmeerzeugung
eingesetzt. An der nationalen Wärmeerzeugung im Jahr 2002 hatte die
Geothermie nur einen Anteil von 0,1 %.
Die Abbildung 9 zeigt die zeitliche Entwicklung der Wärmeerzeugung aus
Geothermie von 1995 bis 2003. Zunächst ist in den Jahren von 1995 bis 1997 ein
Abwärtstrend zu sehen, nach 1997 steigt der Wert der jährlichen
Wärmeerzeugung durch Geothermie wieder an und erreicht im Jahr 2003 mit
1.532 GWh/a das bisherige Maximum. Im Jahr 2002 wurde die Geothermie in das
Erneuerbare-Energien-Gesetz aufgenommen [12, 13, 17, 19].
17

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 9: Wärmeerzeugung aus Geothermie [12]
3.4 Biomasse
Unter dem Begriff der Biomasse werden alle rezenten organischen Stoffe
zusammengefasst. Darunter fallen sowohl Pflanzen und pflanzliche
Abfälle/Reststoffe, als auch Tiere und ihre Exkremente, also beispielsweise Dung
und Klärschlamm. Biomasse wird als nachwachsend bezeichnet, da die
Entstehungszeiträume von Biomasse innerhalb relativ kurzer Zeiträume von
wenigen Jahren bis zu mehreren Jahrzehnten im Fall von Bäumen liegen.
Die Möglichkeiten der Nutzbarmachung von in Biomasse gespeicherter Energie
reichen von der Erzeugung von Wärme und Strom bis zur Herstellung von
synthetischen Brennstoffen/Kraftstoffen, also der Speicherung von Energie in
Energieträgern. Die Abbildung 10 zeigt eine schematische Übersicht der
verschiedenen Methoden zur Gewinnung der in Biomasse gespeicherten Energie.
18

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 10: Möglichkeiten der Energiebereitstellung aus Biomasse [18]
Im Gegensatz zu den anderen regenerativen Energieformen muss im Fall der
Energieerzeugung aus Biomasse für eine Bereitstellung des Energieträgers
gesorgt werden. Während Wasser, Wind, Sonne und Erdwärme ubiquitär
vorhanden sind und von dem „System Erde“ geliefert werden, muss Biomasse
gezüchtet, geerntet oder auf anderen Wegen verfügbar gemacht werden (als
Beispiel sei hier auf die klassische „Jauchegrube“ auf Bauernhöfen verwiesen).
Die energetische Umwandlung der Biomasse kann mittels drei unterschiedlichen
Methoden erfolgen:
• der thermochemischen Umwandlung
• der physikalisch-chemischen Umwandlung
• der biochemischen Umwandlung.
19

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Die thermochemische Umwandlung von Biomasse wird weiter untergliedert in die
Verkohlung, die Vergasung und Verflüssigung. Das Ziel der Verkohlung von
Biomasse ist die Erzeugung von Holzkohle, dazu wird die Biomasse unter
Wärmeeinwirkung zu Kohle zersetzt. Bei der Vergasung wird die Biomasse unter
der Zufuhr von Wärme und einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel,
beispielsweise Luft, in einen gasförmigen Bennstoff, das Synthesegas, überführt.
Dazu werden die Kohlenwasserstoffe in gasförmige Verbindungen aufgespalten
und der verbleibende Kohlenstoff wird verbrannt. Die Verflüssigung von Biomasse
wird auch Pyrolyse genannt. Hier werden die organischen Stoffe durch thermische
Zersetzung in flüssige Brennstoffe umgewandelt, das Pyrolyseöl. Holzkohle,
Synthesegas und Pyrolyseöl eignen sich sowohl zur Bereitstellung von
Wärmeenergie als auch von elektrischer Energie.
Die physikalisch-chemische Umwandlung ist für die Arten von Biomasse geeignet,
die Öle und Fette enthalten, wie beispielsweise Raps und Sonnenblumen. Das
Ziel der physikalisch-chemischen Umwandlung ist die Gewinnung dieser Öle und
Fette. Als technische Methoden stehen die Pressung, die Extraktion und die
Umesterung zur Verfügung. Bei der Pressung werden die flüssigen ölhaltigen
Bestandteile durch mechanische Beanspruchung – Pressen – von den festen
Bestandteilen, dem Presskuchen, getrennt. Diese Technik ist auch aus der
Kosmetik, Pharmazie und Lebensmittelindustrie bekannt. Unter einer Extraktion
wird das Entziehen der flüssigen ölhaltigen Bestandteile mittels eines
Lösungsmittels, des Extraktionsmittels, verstanden. Im Anschluss an die
Extraktion müssen das gewonnene Öl und das Lösungsmittel durch Destillation
voneinander getrennt werden. Umesterung bedeutet die Umwandlung von
pflanzlichem Öl in Pflanzenölmethylester (PME). Der Grund für die Anwendung
der Umesterung liegt in der Ähnlichkeit von Pflanzenölmethylester mit
Dieselkraftstoff, wodurch Pflanzenölmethylester in Dieselmotoren verbrannt
werden kann. Eine Notwendigkeit zur Umesterung ist nicht vorhanden, da auch
reines Rapsöl als Dieselersatz eingesetzt werden kann. Ebenfalls möglich ist die
Mischung von herkömmlichen Kraftstoffen mit aus Biomasse gewonnenen
biologischen Krafstoffen.
20

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Bei der biochemischen Umwandlung von Biomasse erfolgt eine Umsetzung der
organischen Substanz mittels Mikroorganismen. Zu unterscheiden sind der aerobe
und der anaerobe Abbau, sowie die alkoholische Gärung. Der aerobe
mikrobiologische Abbau von Biomasse ist besser bekannt unter dem Begriff
Kompostierung. Aerober mikrobieller Abbau findet unter der Zufuhr von
Luftsauerstoff statt. Die vorhandene organische Masse wird von Mikroorganismen
unter der Freisetzung von Wärme abgebaut/oxidiert. Die entstehende Wärme
kann mittels Wärmepumpen gewonnen werden. Beim anaeroben Abbau findet der
mikrobiologische Abbau der organischen Substanz unter Ausschluss von
Sauerstoff statt. Die organische Masse wird zuerst in Alkohole und organische
Säuren und anschießend in Methan umgesetzt. Das so entstehende Biogas
enthält im Durchschnitt 75 % Methan und kann zur Wärme- und Stromerzeugung
verbrannt werden. Bekannt ist der anaerobe Stoffumsatz aus der
Abwasserreinigung und der Vergärung von Klärschlamm. Im Fall der organischen
Gärung werden unter Zuhilfenahme von Hefen oder Bakterien aus zucker-, stärkeund/oder
zellulosehaltigen organischen Stoffen Alkohole gebildet. Der
entstandene Alkohol kann durch Destillation oder Rektifikation in Reinform
gewonnen werden. In einigen südamerikanischen Staaten, beispielsweise
Brasilien, ist die Verbrennung von Alkohol in Kraftfahrzeugen üblich.
Im Jahr 2002 leistete die Energieerzeugung aus Biomasse einen Beitrag von
0,8 % zu der deutschen Stromversorgung und einen Beitrag von rund 3,4 % zu
der nationalen Wärmeerzeugung. In beiden Sparten, der Strom- und der
Wärmeerzeugung mittels Biomasse, ist in den letzten Jahren ein Zuwachs zu
verzeichnen gewesen. Die zukünftige Entwicklung wird durch den Einsatz von
Biomasse (Pflanzenölmethylester) als Biodiesel geprägt sein.
Die Abbildung 11 zeigt den zeitlichen Verlauf der Stromerzeugung aus Biomasse
in den Jahren von 1990 bis 2003 in der Bundesrepublik Deutschland. Auch hier ist
ein deutlicher Zuwachs ab 2000, dem Jahr, in dem das Erneuerbare-Energien-
Gesetz in Kraft getreten ist, zu erkennen.
21

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 11: Stromerzeugung aus Biomasse [12]
Die Abbildung 12 zeigt die zeitliche Entwicklung der Bereitstellung von Wärme
durch Biomasse in Deutschland. Dargestellt ist der Zeitraum von 1997 bis 2003.
Die Erzeugung von Wärme aus Biomasse ist in dem dargestellten Zeitraum von
48.546 GWh/a im Jahr 1997 auf 56.801 GWh/a im Jahr 2003 angestiegen.
Außerdem ist im Jahr 1998 ein Peak in dem Aufwärtstrend zu sehen, der
wahrscheinlich durch den Sturm „Lothar“, der große Waldflächen in Deutschland
zerstörte, verursacht wurde [12, 13, 17, 18, 37].
22

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 12: Wärmeerzeugung aus Biomasse [12]
3.5 Solarenergie
Energiegewinnung mittels Solarenergie bedeutet die Nutzbarmachung der
eingestrahlten Sonnenenergie durch Umwandlung in Strom, Wärme oder auch
Wasserstoff. In Kapitel 4 wird ausführlich auf die verschiedenen Techniken der
Energieerzeugung mittels Solarkraft eingegangen.
23

4 Solartechnik
4.1 Einführung
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Die Möglichkeiten der Nutzung von solarer Energie gliedern sich in die Bereiche
der Solarthermie, der Photovoltaik, der Photoelektrochemie und der
photobiologischen Wasserstoffproduktion. Das besondere Potential dieser
Energiewandlungsprozesse liegt darin, dass die Energie der Sonne genutzt wird,
die jeden Tag „gratis“ zur Verfügung steht. Die Intensität der Sonnenstrahlung an
einem klaren Tag kann bis zu 1.000 W/m² betragen und die jährliche
Strahlungsleistung ergibt das 20.000-fache der benötigten Weltjahresenergie.
Aufgrund der aufwendigen und flächenintensiven Techniken, die notwendig sind,
um sich die Sonnenenergie nutzbar zu machen und einem verhältnismäßig
kleinen Wirkungsgrad von bis zu 30 %, ist der Anteil der Solarenergie auf dem
Weltenergiemarkt mit 0,5 % verschwindend gering. Dennoch wurden
verschiedene Techniken der solaren Energiewandlung bereits erfolgreich
umgesetzt und haben gezeigt, dass großtechnische Solarkraftwerke eine
realistische Alternative gegenüber herkömmlichen Verbrennungskraftwerken
darstellen. Aufgrund des immer größer werdenden politischen und öffentlichen
Interesses an alternativer Energieumwandlung gibt es zahlreiche
Forschungsprojekte auf dem Gebiet der Solarenergietechnik. Die Forschungsziele
liegen in den Bereichen der Wirkungsgraderhöhung und der
Herstellungsoptimierung, um eine ökologisch sinnvolle Nutzung der Sonnenergie
zu ermöglichen [3, 8, 29].
4.2 Solarthermie
Das Prinzip der Solarthermie beruht auf der Umwandlung eingestrahlter
Sonnenenergie in Solarwärme. Bei großtechnischen solarthermischen Anlagen
wird die aufgefangene Wärme anschließend mittels Wind-, Gas- oder
Dampfturbinenkraftwerken in elektrische Energie umgewandelt. Eine weitere
24

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Nutzungsmöglichkeit von solarthermischen Anlagen liegt in der
Kleinanlagentechnik zur Wärmeversorgung.
Die verschiedenen großanlagentechnischen Konzepte der Solarthermie sind:
• Turmkraftwerke
• Parabolrinnen-Solarkraftwerke
• Aufwindkraftwerke.
Zudem besteht die Möglichkeit, solare Wärmeenergie als Energiequelle für
chemische Reaktoren zu nutzen und auf diesem Weg chemische Brennstoffe aus
Sonnenlicht zu gewinnen. Im Folgenden wird dieses Verfahren mit
Solarthermochemie bezeichnet.
Außerdem ist der Einsatz von Sonnenkollektoren zur Wärmeerzeugung an
Gebäuden weit verbreitet. Ende des Jahres 2003 waren in Deutschland ca.
5,6 Mio. m² Kollektorfläche installiert, bis 2006 soll die Solarkollektorfläche in
Deutschland auf 10 Mio. m² ansteigen [13].
Die Abbildung 13 zeigt die Entwicklung der Wärmebereitstellung aus
solarthermischen Anlagen von 1990 bis 2003. Deutlich zu sehen ist ein fast
exponentieller Zuwachs an solarthermischer Wärme innerhalb der letzten zehn
Jahre [1, 12, 29, 30].
25

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 13: Wärmeerzeugung durch Solarthermie [12]
4.2.1 Turmkraftwerke
Turmkraftwerke bestehen aus einem Empfängerturm und einem Heliostatenfeld.
Die Sammlung der eingestrahlten Sonnenenergie erfolgt über hunderte
kreisförmig angeordnete Heliostaten. Heliostaten sind gekrümmte Spiegel, welche
die Sonnenstrahlung zu dem Receiver reflektieren. Der Receiver ist auf der Spitze
des Empfängerturms installiert, der sich in der Mitte des Heliostatenfeldes
befindet. Die reflektierte Strahlung wird zunächst in einem Sekundärkonzentrator
zu einem Brennfleck konzentriert und anschließend in dem Receiver absorbiert.
Der Receiver besitzt eine schwarze Oberfläche, den Absorber, die die
Sonnenstrahlung absorbiert und sich dabei auf Temperaturen von über 1.000°C
aufheizt. Die Wärme wird an einen Wärmeträger abgegeben, der dann die
nachgeschaltete Turbine antreibt.
In der Abbildung 14 wird die schematische Funktionsweise eines Turmkraftwerkes
mit nachgeschaltetem Dampfenergiekreisprozess dargestellt.
26

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 14: Funktionsweise eines Turmkraftwerkes
Das „Solar One“ in Barstow war während einer sechsjährigen Testphase von 1982
bis 1988 als weltgrößtes Turmkraftwerk im Einsatz. Dabei wurden in der
Sommerzeit bis zu 10 MW elektrische Energie am Tag geliefert. Das
Heliostatenfeld von „Solar One“ bestand aus 1.818 Heliostaten, deren
Spiegelfläche jeweils 39,3 m² groß war.
Die Abbildung 15 zeigt den Empfängerturm und einen Teil des Heliostatenfeldes
von “Solar One”. Zu erkennen ist die unterschiedliche Ausrichtung der einzelnen
Heliostaten, die beweglich gelagert waren. So bestand auch bei wechselndem
Sonnenstand die Möglichkeit einer Ausrichtung der solaraktiven Flächen in die
Sonnenstrahlung [1, 8, 31, 32].
27

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 15: Foto des „Solar One“ in Barstow [32]
4.2.2 Parabolrinnen-Solarkraftwerke
Das Solarfeld eines Parabolrinnenkraftwerkes besteht aus mehreren parallel
angeordneten Reihen von Kollektoren. Diese Kollektorenreihen haben jeweils eine
Länge von ca. 100 m und sind unterteilt in Einzelkollektoren. Die Kollektoren
besitzen parabolförmige Spiegel, in deren Brennpunkt sich das Absorberrohr
befindet. Durch das Absorberrohr strömt ein Wärmeträgermedium, das die
Sonnenenergie absorbiert und zu einem Wärmetauscher leitet. Dort wird die
thermische Energie an das Speisewasser eines Dampfenergiekreislaufes
abgegeben.
Die Abbildung 16 zeigt den schematischen Aufbau eines Parabolrinnen-
Solarkraftwerkes.
28

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 16: Schematischer Aufbau eines Parabolrinnenkraftwerkes
In der kalifornischen Wüste wurden neun Parabolrinnenkraftwerke, die SEGS-
Kraftwerke (Solar Electric Generating System) errichtet. Mit einer Gesamtleistung
von 354 MW und einem thermischen Wirkungsgrad von 25 % stellen
Parabolrinnenkraftwerke die bisher kostengünstigste und effizienteste Technologie
dar, um aus solarer Energie Strom zu erzeugen.
Die Abbildung 17 zeigt eine Parabolrinne der SEGS-Kraftwerke. Zu erkennen ist
eine Parabolspiegelrinne und die im Brennpunkt der Parabolrinne liegende
Absorberröhre [1, 8, 31, 32].
29

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 17: Parabolrinne mit Absorberrohr [32]
4.2.3 Aufwindkraftwerke
Die Funktionsweise des Aufwindkraftwerkes beruht auf den physikalischen
Grundlagen des Treibhaus- und Schornsteineffektes, sowie dem Prinzip des
Windrades. Ein Aufwindkraftwerk besteht aus einem flachen, kreisförmigen
Glasdach, das zu allen Seiten offen ist. Zur Mitte hin steigt das Glasdach an und
mündet in einem Kaminrohr. Unter dem Kollektordach erwärmt sich die darunter
befindliche Luft durch die einfallende Sonnenstrahlung. Die warme Luft steigt nach
oben in den Kamin und treibt eine im Kamin installierte Windturbine an, während
durch die offenen Seiten kühlere Luft nachströmen kann.
Die Abbildung 18 zeigt die schematische Funktionsweise eines
Aufwindkraftwerkes unter Sonneneinstrahlung.
30

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 18: Schematische Darstellung eines Aufwindkraftwerkes
In Manzanares, Spanien, wurde in den achtziger Jahren eine Versuchsanlage mit
einer Leistung von 50 kW betrieben. Durch die enorme Größe des
Aufwindkraftwerkes mit einer Kollektordachfläche von 45.000 m², einem
Kamindurchmesser von 10 m und einer Kaminhöhe von 195 m lag der erreichte
thermische Wirkungsgrad bei nur 2 %. Im Jahre 1989 wurde die Anlage durch
einen Sturm zerstört.
Die Abbildung 19 zeigt ein Foto des zerstörten Aufwindkraftwerkes. Der Vergleich
mit den umliegenden Ackerflächen verdeutlicht den Flächenbedarf von
Aufwindkraftwerken. Auch die Höhe des Kamins ist deutlich zu erkennen [1, 8, 31,
32].
31

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 19: Aufwindkraftwerk bei Manzanares [32]
4.2.4 Solarthermochemie
Eine weitere thermische Nutzung der Sonnenenergie ist das Prinzip der
thermochemischen Umwandlung von Sonnenenergie. Durch die Konzentration
des Sonnenlichts auf eine kleine Fläche, kann die entstehende
Hochtemperaturwärme zur Aktivierung chemischer Reaktionen genutzt werden.
So kann beispielsweise mittels der Thermolyse von Wasser elementarer
Wasserstoff gewonnen werden.
Die Abbildung 20 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solarthermochemischen
Verfahrens [26].
32

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 20: Solarthermochemisches Verfahren [26]
4.2.5 Gebäudeintegrierte Solarkollektoranlagen
Eine weitere Möglichkeit der thermischen Nutzung der Solarenergie besteht in der
Integration von Sonnenkollektoren in Gebäude. In Deutschland waren im Jahr
2003 insgesamt 5,6 Mio. m² Sonnekollektorfläche installiert. Eine in ein
Einfamilienhaus integrierte Kollektoranlage ist in der Lage etwa die Hälfte des
Bedarfs an Warmwasser zu decken. Die Verbindung einer Solarkollektoranlage
mit einer Wärmepumpe ermöglicht nicht nur die Gewinnung von Warmwasser,
sondern auch von Wärme für Heizzwecke. Technisch sinnvoll ist die Kombination
von Solarkollektoranlagen mit Wärmespeicheranlagen, da der Nutzungszeitpunkt
der Wärme und Ihr Entstehungszeitpunkt sich selten überlagern. Vom
wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet sind Nahwärmesysteme für ganze
Siedlungen vorteilhaft gegenüber Anwendungen im Einzelhaus. Eine weitere
Entwicklung auf dem Gebiet der gebäudeintegrierten Solarkollektoranlagen ist die
Anwendung von Solarkollektoren als Häuserfassade bei Hochhäusern oder
33

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Büroanlagen. Ein solcher großflächiger Einsatz bietet Vorteile gegenüber den
bisher üblichen kleinflächigen solaraktiven Gebäudebestandteilen.
Die generelle Funktionsweise von Solarkollektoren besteht in der Absorption der
Sonnenenergie über eine schwarze Fläche, den Absorber. Dieser heizt sich auf
und gibt die Wärme an ein zirkulierendes Wärmeträgermedium ab. Wichtig bei der
Konstruktion von Solarkollektoren ist eine wirkungsvolle Wärmeisolierung. Bei
Solarkollektoranlagen kommen in der Regel Flachkollektoren oder
Vakuumröhrenkollektoren zum Einsatz.
Flachkollektoren bestehen aus einem Gehäuse mit einer transparenten
Abdeckung, meist aus eisenarmen Glas, auf der der Sonne zuwandten Seite.
Unter dieser Abdeckung befindet sich die Absorberfläche, durch die ein
rasterartiges Netz aus Wärmeträgerrohren verläuft. Durch die transparente
Oberfläche entsteht in dem Gehäuse ein Treibhauseffekt, der die
Wärmeabstrahlung an die Oberfläche verhindert und so zu einer
Wirkungsgradverbesserung führt.
Die Abbildung 21 zeigt den schematischen Aufbau eines Flachkollektors.
Abbildung 21: Schematischer Aufbau eines Flachkollektors
34

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Vakuumröhrenkollektoren haben keine durchgehende Absorberfläche, sondern
Absorberstreifen, die sich in druckfesten Vakuumröhren befinden. Durch diese
Röhren strömt in U-förmigen Rohren eine Flüssigkeit mit einem niedrigen
Dampfdruck. Bei einer Erhitzung des Absorbers durch Sonneneinstrahlung
verdampft die Flüssigkeit und steigt in dem U-Rohr auf. Mehrere U-Röhren sind
über ein Wärmetauschersystem an eine Sammelleitung angeschlossen. Durch
diese Sammelleitung fließt eine Wärmetauscherflüssigkeit. Das entstandene Gas
gibt über das Wärmetauschersystem die Wärme ab, kondensiert und fließt zurück
in das U-Rohr. Die Wärme wird über die Sammelleitung abtransportiert.
In Abbildung 22 ist schematisch die Funktionsweise eines Vakuumröhrenkollektors
zu sehen.
Abbildung 22: Schematische Funktionsweise eines Vakuumröhrenkollektors
Entscheidend bei der Konstruktion und dem Einbau von gebäudeintegrierten
Solarkollektoranlagen sind effiziente Wärmetauscher- und
Wärmespeichersysteme, damit die aufgefangene Wärme mit einem guten
thermischen Wirkungsgrad genutzt werden kann [8, 29, 30, 33].
35

4.3 Photovoltaik
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Photovoltaische Solarzellen dienen der direkten Umwandlung von Sonnenenergie
in elektrischen Strom. Eine Solarzelle besteht aus einem Halbleitermaterial, meist
Silizium, das auf einer Hälfte mit einem fünfwertigen Element dotiert ist und auf
der anderen Hälfte mit einem dreiwertigen Element. Dabei wird jedes millionste
Atom der Solarzelle durch das jeweilige Fremdatom ersetzt. Bei der fünfwertig
dotierten Seite des Halbleiters spricht man von dem n-Halbleiter, hier herrscht
Elektronenüberschuss, die dreiwertig dotierte Seite nennt man den p-Halbleiter. In
dem p-Halbleiter herrscht ein Elektronenmangel. Dadurch kommt es in der
Solarzelle zu einem Ladungsgefälle. In der Mitte der Solarzelle treffen der n-
Halbleiter und der p-Halbleiter aufeinander. An dieser Grenzschicht entsteht die so
genannte Verarmungszone, in der die negativen Ladungen – freie Elektronen –
des n-Halbleiters die positiven Ladungen – Löcher – des p-Halbleiters in Nähe der
Grenzschicht belegen. Durch die elektrische Neutralisierung der Grenzschicht
bildet sich ein Gleichgewichtszustand aus, der verhindert, dass weitere Elektronen
über die Grenzschicht springen. Wenn Sonnenstrahlung auf eine Solarzelle trifft,
geben die Photonen ihre Energie an den Halbleiter ab. Dadurch werden
Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben und lösen sich aus der
Kristallstruktur. Es entstehen mehr freie Elektronen und dadurch mehr Löcher, als
Folge verschwindet die Verarmungszone. Schließt man an den n-Halbleiter einen
Minuspol und an den p-Halbleiter einen Pluspol an, entsteht ein Stromfluss.
Die Abbildung 23 zeigt schematisch die physikalischen Vorgänge in einer
belichteten Solarzelle.
36

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 23: Physikalische Vorgänge in einer photovoltaischen Zelle [39]
Spannung und Stromstärke von photovoltaischen Solarzellen sind von der
Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung und der Art des Halbleitermaterials
abhängig. Solarzellen werden als monokristalline, polykristalline, amorphe oder
Dünnschichtzellen ausgebildet. Das am häufigsten verwendete Material für
monokristalline, polykristalline und amorphe Solarzellen ist Silizium. Die
Leerlaufspannung variiert in Abhängigkeit von der Kristallstruktur. Während
monokristalline Zellen die höchsten Wirkungsgrade erreichen, aber in der
Herstellung am aufwendigsten und energieintensivsten sind, verfügen
polykristalline und amorphe Solarzellen über einen niedrigeren Wirkungsgrad, sind
aber herstellungstechnisch weniger kompliziert. Eine Alternative bieten
Dünnschichtsolarzellen, deren Wirkungsgrade mit denen einer monokristallinen
Zelle vergleichbar sind, aber in der Herstellung wesentlich weniger Aufwand und
Energie erfordern. Diese Solarzellen bestehen meist aus einem
Verbindungshalbleiter, der Schwefel, Selen oder Tellur beinhaltet, beispielsweise
CdTe/CdS oder Cu(In, GaSe)2 –ZnO.
Die Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die erreichbaren Wirkungsgrade der
verschiedenen Solarzellentypen.
37

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Tabelle 1: Wirkungsgrade photovoltaischer Solarzellen
Monokristalline Siliziumzelle 16 – 18 %
Polykristalline Siliziumzelle 14 – 16 %
Amorphe Siliziumzelle ~ 8 %
Dünnschichtzelle 9 – 17 %
In belichteten Siliziumzellen baut sich eine Leerlaufspannung UL von 0,5 V auf, bei
anderen Materialien kann die Leerlaufspannung höher oder niedriger liegen. Die
Höhe der Leerlaufspannung variiert in Abhängigkeit von der Differenz der Energie
des eintreffenden Photons hf, der Energie, die zum Lösen des Elektrons benötigt
wird (Niveaudifferenz zwischen Leitungs- und Valenzelektron: „Energielücke“,
auch Bandabstand genannt) und der Energie, die in Wärme umgewandelt wird.
Die Stromstärke ist von der Intensität der einfallenden Strahlung abhängig und
steigt proportional mit der Bestrahlungsstärke.
Um Spannung und Stromstärke zu erhöhen werden Solarmodule parallel und in
Reihe geschaltet. Durch die Reihenschaltung zu Strängen wird gemäß den
Gesetzen der Elektrotechnik die Spannung erhöht, während man mittels
Parallelschaltung mehrerer Stränge die Stromstärke erhöhen kann. Problematisch
ist die Tatsache, dass mit steigender Temperatur die Spannung sinkt. Ziel ist es,
mit Oberflächenmaterialien zu arbeiten, die gute Absorptionseigenschaften
aufweisen aber nicht zu aufwendig in der Herstellung sind.
Aufbau und Funktionsweise einer Silizium-Solarzelle sind in der Abbildung 24
dargestellt.
38

Abbildung 24: Silizium-Solarzelle [33]
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Der Einsatz von photovoltaischen Solarzellen in der Bundesrepublik Deutschland
wurde durch das im Jahr 1999 gestartete “100.000-Dächer-Solarstrom-Programm”
gefördert. Im Zuge dieses Förderprogramms wurde auf über 60.000 Dächern eine
Leistung von 350 MW installiert. Außerdem wurden die Bedingungen für die
Vergütung von photovoltaischem Strom durch das am 01. Januar 2004 erlassene
2. Gesetz zur Änderung des EEG (“Photovoltaik-Vorschaltgesetz”) verbessert.
Die Abbildung 25 zeigt die zeitliche Entwicklung der Bereitstellung von Strom
durch Photovoltaik in den Jahren 1990 bis 2003. Der starke Anstieg in den Jahren
2000 bis 2003 ist durch das “100.000-Dächer-Solarstrom-Programm” und anderer
Förderprogramme zu erklären [2, 3, 12, 17, 29, 33, 34, 35, 38, 39].
39

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 25: Stromerzeugung durch Photovoltaik [12]
4.4 Photoelektrochemie
Die Photoelektrochemie umfasst die Bereiche der Umwandlung von
Sonnenenergie mittels elektrolytischer Prozesse in elektrischen Strom und die
direkte solarinduzierte Reduktion von Wasser zu elementarem Wasserstoff.
Das klassische Beispiel für die Anwendung photoelektrochemischer Prozesse ist
die Grätzelzelle. Diese beruht auf der Lichtreaktion der Photosynthese in der
Pflanzenzelle. Ähnlich wie in der Photovoltaik wird die Sonnenenergie genutzt, um
durch Photonenabsorption Elektronen auf ein höheres Energieniveau zu
transportieren. Dazu wird nicht wie in der Photovoltaik ein Stoff verwendet,
sondern zwei: einen meist organischen Farbstoff, der die Elektronen liefert und ein
Halbleitermaterial, häufig TiO2, das die Elektronen leitet. Die Elektrolyt-Lösung
führt durch Reduktion zum Elektronenausgleich im Farbstoff. Durch Anschluss der
Anode an den Halbleiter und der Kathode an die Elektrolyt-Lösung kann ein
elektrischer Strom fließen.
40

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Die Abbildung 26 zeigt die schematische Darstellung der Funktionsweise einer
Grätzelzelle.
Abbildung 26: Schematische Funktionsweise einer Grätzelzelle [25]
Werden die beiden Hälften der Zelle durch eine Ionenaustauschmembran
getrennt, können zwei chemische Reaktionen simultan stattfinden, beispielsweise
die Reduktion von Wasser zu elementarem Sauerstoff und elementarem
Wasserstoff. Das ermöglicht die Umwandlung von solarer Energie in speicherbare
Energie.
Die Abbildung 27 zeigt beide Methoden der photoelektrochemischen Umwandlung
von Sonnenenergie, in der linken Hälfte die klassische und rechts die direkte
Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff.
41

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Abbildung 27: Aufbau von elektrochemisch arbeitenden Systemen [25]
Der Einsatz von Grätzelzellen zur Strom- und Wasserstofferzeugung ist bisher
nicht in einem großtechnischen Maßstab verwirklicht worden. Die
photoelektrochemische Produktion von Wasserstoff würde eine Lösung bedeuten
für den bislang sehr hohen Strombedarf der Wasserstofferzeugung aus fossilen
Brennstoffen [21, 23, 25, 26].
4.5 Photobiologische Wasserstoffproduktion
Die photobiologische Wasserstoffproduktion bedient sich der natürlichen Fähigkeit
bestimmter Mikroorganismen mittels der Enzyme Hydrogenase und Nitrogenase
elementaren Wasserstoff zu bilden. Darunter fallen Algen, photosynthetische
Bakterien und Cyanobakterien. Die von den Enzymen katalysierten Reaktionen
laufen nach folgenden Schemata ab:
Hydrogenase: 2 H + + 2 e - H2
Nitrogenase: N2 + 8 H + + 8 e - 2 NH3 + H2
Die Bakterien und/oder Algen werden in Bioreaktoren gehalten, die über eine
möglichst große lichtdurchlässige Oberfläche verfügen sollten. Außerdem ist es
wichtig, die Mikroorganismen über ein Substrat mit den für sie lebenswichtigen
42

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Stoffen zu versorgen. In einigen Fällen, wie beispielsweise bei der Grünalge
Clamydomonas reinhardtii ist es notwendig, die Mikroorganismen unter Stress zu
setzen, damit nur elementarer Wasserstoff gebildet wird, nicht aber ein anderer
Stoff, wie beispielsweise elementarer Sauerstoff, der die Hydrogenase hemmt und
so die Ausbeute verringert. Eine weitere Möglichkeit, Mikroorganismen zur
Wasserstoffproduktion zu animieren ist die Bakterien-Algen-Symbiose, wie
beispielsweise die Symbiose von Purpurbakterien und Grünalgen. Hier werden die
kombinierten Stoffwechselfunktionen genutzt, bei denen die Symbiosepartner sich
gegenseitig versorgen. So wird im Beispiel der Symbiose von Purpurbakterien und
Grünalgen das im Reaktor zirkulierende Kohlenstoffdioxid von den Grünalgen mit
Wasserstoff beladen und von den Purpurbakterien wieder entladen.
Grünalgen
Purpurbakterien
Substrat + CO2 CH2O CO2 + H2
Probleme bei der großtechnischen Umsetzung solcher Bioreaktoren bestehen
durch die Forderung nach einer großen sonnenlichtempfangenden Oberfläche in
dem großen Flächenbedarf und in der Prozessstabilität im Freien. Die
entstehenden Kosten stehen bisher nicht im Verhältnis zu der möglichen Ausbeute
und machen den photobiologisch erzeugten Wasserstoff teurer als aus fossilen
Energieträgern produzierten Wasserstoff [21, 22, 24].
4.6 Stand der Forschung
4.6.1 Solarthermie
Kernforschungsgebiet in der Solarthermie ist die solarthermische
Kraftwerkstechnik. So wird nach Optimierungs- und Realisierungsmöglichkeiten
43

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
auf den Gebieten der Parabolrinnensysteme, Solarturmkraftwerkssysteme, Dish-
Stirling-Systeme und hybriden Solarkraftwerkssysteme gesucht.
Die Entwicklungsschwerpunkte auf dem Gebiet der Parabolrinnensysteme liegen
in der Automatisierung und der Verbesserung der Speicher- und
Wärmeübertragungsmöglichkeiten. Die Automatisierung von
Parabolrinnenkraftwerken soll eine automatische Betriebssteuerung nach
Wettervorhersage und eine automatische Erfassung und Durchführung der
notwendigen Wartungsarbeiten beinhalten. Die Optimierung der
Speichermöglichkeiten soll in der Entwicklung von Speicherkonzepten für
direktverdampfende Systeme bestehen. Eine Verbesserung der
Wärmeübertragung soll sowohl durch die Entwicklung hocheffizienter Absorber
(Oberflächentemperatur bis 600°C), als auch durch die Erhöhung der
Arbeitstemperatur des Wärmträgers erfolgen.
Im Bereich der Solarturmkraftwerke bestehen derzeit drei Entwicklungskonzepte:
• Salzturmkraftwerke,
• Kraftwerke mit atmosphärischem Luftreceiver
• Kraftwerke mit druckaufgeladenem Luftreceiver.
Bei Salzturmkraftwerken wird Salz als Wärmeträgermedium und Wärmespeicher
genutzt. Die Wärmeübertragung durch Salz erfolgt sehr effizient. Problematisch
bei diesem System ist die Korrosionsanfälligkeit. Die Forschungsschwerpunkte
liegen hier also auf dem Gebiet der Materialtechnik. Der Ansatz des Konzeptes
„Atmosphärischer Receiver“ ist eine Reduzierung der thermischen Verluste. Die
konzentrierte Sonnenstrahlung wird in einer porösen Struktur (beispielsweise
keramische Schäume oder Filze) absorbiert. Dort werden sie in Wärme
umgewandelt, diese wird an die Umgebungsluft abgegeben. Der Receiver saugt
die erhitzte Luft an und wird erwärmt. Vorteilhaft bei dieser Art der
Wärmeübertragung sind die niedrigen thermischen Verluste. Auch das System
des „Druckaufgeladenen Receivers“ soll zu einer Wirkungsgradverbesserung
führen. Bei dieser Technologie erfolgt die direkte Übertragung der Solarenergie
44

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
auf das Arbeitsmedium der nachgeschalteten Turbine (in der Regel Luft). Über
den Receiver wird das Arbeitsmedium auf die Betriebsbedingungen (300 – 400°C
bei 7 – 15 bar) erhitzt und in der Turbine entspannt. Die Effizienz dieses Systems
liegt in der Verkürzung der Wege, da die Wärmeverluste des
Wärmetauschersystems im traditionellen Solarturmkraftwerk eingespart werden.
Dish-Stirling-Systeme werden zur dezentralen Stromversorgung eingesetzt. Dazu
wird die Sonnenenergie in einer Parabolschüssel gebündelt und an einen
Receiver geleitet. Der Receiver gibt die Energie an einen Stirlingmotor ab. Dort
wird sie in mechanische Energie und anschließend in einem Generator in
elektrische Energie umgewandelt. Dish-Stirling-Systeme können also als Ersatz
für Dieselgeneratoren dienen. Bisher ist die Errichtung solcher Dish-Stirling-
Systeme nicht wirtschaftlich möglich. Ein von der EU gefördertes Projekt soll die
Marktfähigkeit dieser Systeme vorantreiben.
Hybride Solarkraftwerke integrieren zwei Energieerzeugungsmechanismen.
Neben der Solarenergie als Hauptenergiequelle soll die Möglichkeit bestehen,
auch andere Energieträger zur Wärmeerzeugung zu nutzen. Das Ziel dieser
Solarkraftwerke ist die gesicherte und zeitlich unabhängige Bereitstellung von
Energie. Dazu muss eine gute Regelbarkeit beider Kreisläufe gewährleistet sein,
weshalb sich der Einsatz flüssiger oder gasförmiger Energieträger wie Erdgas,
Erdöl, Rapsöl, Biogas, oder Methanol anbietet, da die Energiebereitstellung hier
schneller als bei festen Brennstoffen erfolgt. Obwohl beide Systeme an den
gleichen Turbinenkreislauf angeschlossen werden, liegen die
Stromgestehungskosten hybrider Solarkraftwerke weit höher als bei traditionellen
Kraftwerken [2, 8].
4.6.2 Photovoltaik
Die Forschungsansätze in der Photovoltaik konzentrieren sich auf die
Möglichkeiten einer Wirkungsgradverbesserung und die Herstellungsoptimierung.
45

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad von Silizium- und
Galliumarsenid-Solarzellen wird mit 33 % angegeben. Der bisher höchste
erreichte Wirkungsgrad von Photovoltaikzellen liegt jedoch nur bei 25 % und
üblich sind < 20 %. Als Grund für diese Limitierung werden thermische Verluste
bei der Umwandlung der aufgenommen Sonnenenergie in elektrischen Strom
angegeben. Teile der aufgenommenen Energie werden nicht in Strom umgesetzt,
sondern kompensieren die Wärmeverluste auf mikroskopischer Ebene. Bei der
Absorption von Photonen erfolgt neben der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren
immer auch eine Erhitzung der Elementarteilchen. Diese Wärmeenergie wird nicht
gespeichert, sondern sie „verpufft“ nach kürzester Zeit (Abkühlung der Elektronen
und Protonen auf Umgebungstemperatur liegt im Nanosekundenbereich). Treffen
Photonen mit geringer Energie auf die Solarzelle, verursachen sie nur eine
Erwärmung der Solarzelle und keinen Stromfluss.
Es existieren verschiedene Forschungsansätze, die das Ziel haben, diesen Effekt
zu minimieren. Genannt werden sollen an dieser Stelle die thermophotovoltaische
Konversion, Tandemzellen, Störstellenübergänge, Up- und Down-Conversion von
Photonen sowie das Konzept „Heiße Elektronen und Löcher“.
Der Forschungsansatz der thermophotovoltaischen Konversion bedient sich einer
Filtereinheit, die dafür sorgen soll, dass nur „effektive“ Photonen, also nur
Photonen, deren Energie oberhalb des Bandabstandes der Solarzelle liegt, zur
Solarzelle gelangen. Dazu wird ein Absorber mit einer optischen Filtereinheit vor
die Solarzelle gestellt. Die auftreffenden Photonen sorgen für eine Aufheizung des
Absorbers, von diesem Absorber wird eine Sekundärstrahlung emittiert, welche
auf den Filter trifft. Alle Photonen mit einem ausreichenden Energieniveau werden
durchgelassen, alle anderen Photonen werden am Filter reflektiert und sorgen für
eine weitere Erhitzung des „Primärabsorbers“. Die Energie geht also nicht
verloren.
Das Konzept der Tandemzelle besteht in der Kombination verschiedener
Solarzellen mit unterschiedlichen Bandabständen. Dadurch werden Photonen mit
unterschiedlichem Energieniveau nur von der „passenden“ Solarzelle absorbiert
und die Wärmeverluste somit minimiert.
46

Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Bei den Systemen Störstellenübergänge und Up- und Down-Conversion werden
Photonen mit niedriger Energie zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren genutzt.
Das geschieht entweder über eine Up-Conversion dieser Photonen mittels eines
Konverters beziehungsweise der Absorption dieser Photonen in einer Störstelle.
Aufgrund eines thermodynamischen Ungleichgewichts ist die Energie, die zur
Erzeugung freier Elektronen in der Störstelle nötig ist, geringer (siehe Kapitel 4.3,
„Verarmungszone“).
Der Ansatz, der dem Konzept „Heiße Elektronen und Löchern“ zugrunde liegt, ist
die räumliche und zeitliche Kontrolle der Thermalisierung (Abkühlung auf
Umgebungstemperatur). Dadurch soll die Thermalisierungsenergie zur Erzeugung
weiterer Elektron-Loch-Paare genutzt werden.
Ein anderer Ansatz der Wirkungsgradoptimierung besteht in der Konzeption von
MIB-Solarzellen. Bei MIB-Solarzellen wird zwischen das Leitungs- und das
Valenzband ein elektrisches Band (metallic intermediate band) installiert. Dabei
dient das elektrische Band als Katalysator zwischen Valenz- und Leitungsband
und ermöglicht so die Absorption von Photonen, deren Energie unterhalb der
Bandlücke des Halbleiters liegt. Die Herstellung von Solarzellen mit elektrischem
Band ist werkstofftechnisch anspruchsvoll. Die Forschung im Bereich der MIB-
Solarzellen konzentriert sich auf den Einbau mehrerer elektrischer Bänder in eine
Solarzelle, um den theoretisch möglichen Wirkungsgrad zu vervielfachen.
Im Bereich der Materialtechnik von photovoltaischen Zellen wird auf
verschiedenen Gebieten geforscht. Eines davon ist die Entwicklung von
organischen Solarzellen und Polymersolarzellen. Die Ladungsübertragung in
organischen Stoffen ist möglich, aber bisher nur mit Wirkungsgraden weit
unterhalb der Wirkungsgrade von anorganischen Zellen verwirklicht worden.
Gleichzeitig wird intensiv auf dem Gebiet der anorganischen
Dünnschichtsolarzellen gearbeitet.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Realisierung von photovoltaischen
Kraftwerken. Photovoltaische Anlagen werden eingeteilt in „PV-Einzelanlagen“,
„PV-Großanlagen“ und „Very Large Scale Photovoltaic Systems“. „PV-
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Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Einzelanlagen“ sind Anlagen mit einer Leistung zwischen 1 und 100 kW und sind
in der Regel auf Häuserdächern und an Fassaden installiert. Als „PV-
Großanlagen“ werden Anlagen bezeichnet, deren Leistung zwischen 100 kW und
einigen Megawatt liegt. Diese Anlagen haben einen größeren Flächenbedarf und
werden auf Dächern von Verkehrsanlagen und Großbauten oder ungenutzten
Flächen installiert. Von „Very Large Scale Photovoltaic System“ wird gesprochen
bei Anlagen im Kraftwerksmaßstab mit einer Leistung im Gigawattbereich. „Very
Large Scale Photovoltaic Systems“ wurden bisher nicht realisiert. Die
Herausforderung bei der Konstruktion von photovoltaischen Großanlagen liegen in
der elektrischen Konfiguration der Solarmodule und einer effektiven
Flächennutzung. Forschungsschwerpunkt im Bereich der photovoltaischen
Kraftwerkstechnik ist die Flächenminimierung über eine Leistungserhöhung der
einzelnen Solarmodule. Die Errichtung von solchen hochkonzentrierten „Very
Large Scale Photovoltaic Systems“ in der australischen und der USamerikanischen
Wüste ist geplant. Dazu soll die Sonnenstrahlung zunächst mittels
Linsen auf die photovoltaischen Zellen fokussiert und anschließend in elektrischen
Strom umgewandelt werden [1, 2, 8].
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5 Zusammenfassung
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Aufgrund sinkender Öl- und Kohleressourcen und der klimatisch notwendigen
Reduktion von CO2-Emissionen findet derzeit eine intensive Förderung
regenerativer Energien statt. In der Bundesrepublik Deutschland ist die bevorzugte
Behandlung erneuerbarer Energien im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
gesetzlich verankert. Neben den darin verankerten Auflagen findet eine aktive
Förderung der erneuerbaren Energien über verschiedene Programme, wie
beispielsweise dem Marktanreizprogramm zur Förderung der Nutzung
erneuerbarer Energien statt. Die Beiträge der regenerativen Energien zur Stromund
Wärmeerzeugung in Deutschland im Jahr 2003 betrugen 8 %
beziehungsweise 3,6 % und sollen in den nächsten Jahren noch steigen.
Zu den erneuerbaren Energiequellen gehören Wasserkraft, Windkraft, Biomasse,
Geothermie und Sonnenenergie. Unter diesen haben die Wasserkraft und die
Windkraft im Bereich der Stromerzeugung und die Biomasse im Bereich der
Wärmebereitstellung den größten Anteil an der nationalen Energieversorgung.
Die Solarenergie beinhaltet die Gebiete der Solarthermie, der Photovoltaik, der
Photoelektrochemie und der Photobiologie. Die Erzeugung von Energie mittels
Solarthermie bedeutet die Umwandlung der Solarenergie in thermische Energie.
Solarthermische Konzepte finden entweder in kleinem Maßstab zur
Wärmebereitstellung oder im Kraftwerksmaßstab zur Stromerzeugung
Anwendung. Zu nennen sind hier Parabolrinnenkraftwerke, Turmkraftwerke und
Aufwindkraftwerke. In der Photovoltaik wird die Solarenergie mittels
Halbleitermaterialien direkt in elektrische Energie umgewandelt. Die
photovoltaische Stromerzeugung wird derzeit ausschließlich in kleinen und
mittleren Maßstäben umgesetzt. Photovoltaische Großprojekte sind zwar in
Planung, bisher aber nicht realisiert worden. Photoelektrochemische Projekte, bei
der solare Energie zur Strom- oder Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse
eingesetzt wird, wurden bisher nur im Labormaßstab verwirklicht. Bei der
Photobiologie wird die Fähigkeit einiger Mikroorganismen, aus solarer Energie
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Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
Wasserstoff zu gewinnen, genutzt. Auch photobiologische Großverfahren
scheiterten bisher an den dafür notwendigen Investitionen und Betriebskosten.
Gerade im Bereich der Solarenergie besteht ein großes Wachstumspotential und
ist deshalb einer der Forschungsschwerpunkte zur Förderung regenerierbarer
Energien. Die Hauptforschungsgebiete in der Solartechnik sind die Solarthermie
und die Photovoltaik. Die Forschungsziele liegen in den Bereichen der
Wirkungsgraderhöhung und der Herstellungsoptimierung, um eine ökologisch
sinnvolle Nutzung der Sonnenenergie zu ermöglichen.
50

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[39] http://www.educeth.ch: ETH Leitprogramm Physik - Photovoltaik

Als Anlagen beigefügt:
Solarenergie – Techniken und Möglichkeiten
• Forschungsverbund Sonnenenergie (FVS) (Hrsg.): Themen 2002 - Solare
Kraftwerke
• Forschungsverbund Sonnenenergie (FVS) (Hrsg.): Themen 2003 –
Photovoltaik – Neue Horizonte
• Institut für Solare Energieversorgung (ISET(Hrsg.)): ADAPT Photovoltaik
Lehrgang
• Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) (Hrsg.): Jahresbericht
2003 Leistungen und Ergebnisse
• Helmholtz Gemeinschaft (Hrsg.): Jahresheft 2004 – Brains and Tools
• Institut für Solare Energieversorgung (ISET) (Hrsg.): Institutsbericht 2003
• Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg
(ZSW) (Hrsg.): Ergebnisse 2003
• Forschungsverbund Sonnenenergie (FVS) (Hrsg.): Themen 2000 – Sonne
– Die Energie des 21. Jahrhundert
• Institut für Solarenergieforschung (ISFH) (Hrsg.): Jahresbericht 2002