Solarenergie durch Fotovoltaik

In recht wenigen Jahren sind die Vorräte der herkömmlichen fossilen Energieträger wie Erdöl, Erdgas oder Kohle auf der Erde erschöpft bzw. ist der Abbau unrentabel. Zudem belasten diese Energieträger durch deren Verbrennung die Umwelt. Es lohnt sich also über Alternativen nachzudenken, auch wenn einige Industrien daran eher wenig interessiert sind.

Nachdenken über Solarenergie
  • Hintergrund ↓
    Solarauto Die Zukunft der Sonnenenergie
    Während z.B. das Erdöl auf der Erde in wahrscheinlich 60 Jahren verbraucht sein wird, machen sich sicher noch viel länger Menschen Gedanken darüber, wie man Energie erzeugen kann, ohne auf wertvolle Ressourcen der Erde zurückgreifen zu müssen und ohne unsere Umwelt zu zerstören. Was liegt da näher, als sich die Energie der Sonne nutzbar zu machen. Die Sonne entstand vor etwa 5 Milliarden Jahren und man nimmt an, dass sie noch weitere 5 Milliarden Jahre leuchten wird. [links: Solar-Spielzeug]
    Bild zum Vergrößern anklicken!
  • regenerative Energiequellen → u.a. die Solarenergie, Wasserkraft [inklusive Gezeitenkraft], Windkraft, Geothermie und Bioenergie aus Biomasse bzw. Energiepflanzen
  • Wozu Fotovoltaik? → Ganz einfach: Energiegewinnung aus Sonnenenergie produziert kein schädliches Treibhausgas Kohlenstoffdioxid [CO2].
    Kohlenstoffdioxid-Emission in Tonnen CO2 pro Billion Joule erzeugter Energie
    Erdöl Erdgas Atomenergie Solarenergie
    96 74 16 2
    Quelle: Ernst Klett Verlag GmbH Stuttgart 1999
  • Einsatz der Sonnenenergie → Sonnenenergie lässt sich zum einen in elektrische Energie mit Hilfe der Fotovoltaik [Solarzellen] umwandeln und zum anderen auch in Wärme mit Hilfe von Sonnenkollektoren [d.h. Erzeugung von heißem Wasser].
  • Zukunft Solarenergie? → Der Anteil der Fotovoltaik am gesamten Stromerzeugung in Deutschland lag 2012 gerade einmal bei 5,3 % [Windenergie rund 8,5 %, Biomasse 7,8 % und Wasserkraft 4 %]. Erneuerbare Energien decken in Deutschland derzeit [2012] insgesamt knapp 26 % des gesamten Energieverbrauches ab.
  • Solaranlagen in Deutschland → 2012 gab es laut Bundesnetzagentur in Deutschland ca. 1,3 Millionen Fotovoltaikanlagen [große und kleine], die insgesamt 32,4 GW Leistung erbrachten.
  • Energetische Zukunft → Steigender Energieverbrauch, Umweltzerstörung und Klimawandel zwingen eigentlich sehr schnell zu Lösungen. Die Profitgier der Automobil- und Mineralölkonzerne lässt viele bereits vorhandene Konzepte im Dornröschenschlaf schlummern. Erste Ansätze zur Nutzung der Sonnenenergie gab es schließlich bereits in der Antike. Also ist Umdenken notwendig! Wasserstoff, Brennstoff- und Solarzellen haben dabei sicher die besten Zukunftschancen. Ergänzung findet dies durch Wasserkraft, geothermische sowie Aufwindkraftwerke, Windkraft, Energiegewinnung aus Biomasse [Bioabfällen] und anderes mehr. Wobei die beste Methode immer noch die ist: Energie einsparen.
Fotovoltaik [Prinzip der Solarzelle]
  • Bau und Arbeitsweise von Fotovoltaikelementen ↓
    • Aufbau → Halbleiterfotoelemente, die z.B. aus dünnen Scheiben von Siliciumkristallen [meist Abfälle aus der Chip-Produktion] bestehen, welche gezielt mit Fremdatomen versetzt [dotiert] sind
    • negative Dotierung → Boratome z.B. nutzen zum Binden in das Kristall fremde Elektronen und sind daher negativ geladen [negativ dotiertes n-Silicium]
    • positive Dotierung → dadurch entstehen positiv geladene Elektronenlöcher, die wieder von anderen Elektronen gefüllt werden.- so wandern die Löcher sozusagen [positiv dotiertes p-Silicium]
    • Größe → monokristalline Solarzellen haben einen Durchmesser von bis zu 10 cm [ausreichend z.B. für den Betrieb eines Taschenrechners]
    • Effektivität → für eine nennenswerte Leistung muss man aber viele Solarzellen leitend verbinden
    • Stromfluss → durch Auftreffen von Sonnenstrahlen [Fotonen, Photonen] lösen sich negativ geladene Elektronen aus der Siliciumschicht; sie fließen auf eine Seite der Zelle, die sich negativ auflädt; auf der anderen Seite überwiegen dadurch positive Ladungen - verbindet man beide Seiten, so fließt ein Strom, der z.B. eine LED zum Leuchten bringt
  • Effektivität → Wirkungsgrad je nach Typ zwischen wenigen Prozent bis über 40% [im Durchschnitt rund 20%; Öl- oder Kohlekraftwerk etwa 38%; die Fotosynthese nur 2% Wirkungsgrad]
  • nutzbare Leistung → bis zu 2,5 kWh je Quadratmeter Solarzellen pro Jahr [bei uns hier 1 kWh]
  • Perspektive → riesige Solarparks möglich, besonders in sonnenreichen Regionen [z.B. Wüsten]
  • Prinzip einer Solarzelle ↓
    Aufbau und Arbeitsweise einer einfachen Solarzelle aus Silicium.
    Zum Vergrößern Grafik anklicken!
  • direkte Energieumwandlung → Sonnenenergie [elektromagnetische Wellen] in elektrische Energie
  • Vorteile → umweltfreundlich; Silicium-Abfälle aus der Chip-Herstellung einsetzbar; dezentral erzeugte Energie direkt am Verbrauchsort [kaum Transport nötig]
  • Nachteile → lichtabhängig; kann Energie nicht speichern [man benötigt also zum Speichern zusätzlich einen Akkumulator]; Herstellung von Silicum erfordert viel Energie; hohe Herstellungskosten; große Fläche für ausreichend Stromausbeute nötig
  • Einsatzgebiete der Fotovoltaik → Erzeugung von elektrischem Strom; in elektrische Geräte [Solarlampen und -radios, Uhren, Taschenrechner, etc.], Solarfahrzeuge, Messstationen, Parkscheinautomaten, Solarhäuser [z.B. Selbstversorgung von Einfamilienhäusern mit Elektroenergie], Weidezäune, Solarkocher [z.B. in Afrika für Dörfer ohne Stromanschluss], in der Weltraumtechnik ...
Wasserstofferzeugung mit Solarenergie
  • Hintergrund → Natürlich lässt sich die Sonnenenergie auch dazu nutzen, um per Elektrolyse aus ganz normalem Wasser den Energieträger Wasserstoff herzustellen, der dann wieder zu Wasser verbrannt wird. Alternativ sind auch die wesentlich effektiveren Brennstoffzellen eine mögliche zukünftige Hauptenergiequelle.
  • Wasserstoff-Erzeugung durch Elektrolyse von Wasser ↓
    Mit Hilfe von Solarzellen kann man elektrische Energie in chemische Energie von Wasserstoff umwandeln. Dadurch wird es möglich, Sonnenenergie zu Speichern, da Wasserstoff ein umweltfreundlicher Energieträger ist. Denn bei seiner Verbrennung entsteht lediglich Wasserdampf.
    Zum Vergrößern Grafik anklicken!
  • Einsatzgebiete → Wasserstoff eignet sich dann als Energieträger, indem er wieder zu Wasser verbrannt wird [dabei bildet sich kein Treibhausgas CO2]; u.a. Einsatz in Kraftfahrzeugen mit Wasserstoff-Betankung, als Energiespeicher-Möglichkeit in großen Wasserstofftanks, Umwandlung des Wasserstoffs per Verbrennung in Elektroenergie möglich [umweltfreundliches Aufladen von Elektroautos]
  • Wasserstoff als Energiespeicher → ungenutzte Sonnenenergie kann man in speicherbaren Wasserstoff umwandeln, der bei Bedarf verbraucht werden kann
  • Vorteile → Wasser in den Meeren ausreichend vorhanden - zudem entsteht beim Verbrennen wieder Wasser [Kreislaufeffekt]; Umweltfreundlichkeit
  • Nachteile → Wasserstoff muss in Druckgasbehältern aufbewahrt werden [Material- und Energieeinsatz nötig], wenn er effektiv gespeichert werden soll; Wasserstoff ist brennbar und damit im Gemisch mit Luft explosiv [erfordert Umgangsschutzmaßnahmen]
  • Energieumwandlung → Sonnenenergie in elektrische Energie, anschließend elektrische in chemische Energie
Vorteile der Sonnenenergie
  • Hintergrund → Die Sonne ist Quelle und dank der Fotosynthese in den Pflanzen auch Grundlage allen Lebens auf der Erde. Ihre ungeheure Energie kann sich der Mensch angesichts allmählich zu Ende gehender fossiler Energieträger zu Nutze machen. Probleme wie Treibhauseffekt und Umweltverschmutzung fordern neue, umweltschonende Energiequellen. Dazu zählen auch die Fotovoltaik, die Elektroenergiegewinnung mittels Solarzellen, sowie die Solarthermie [Wärmegewinnung mit Sonnenenergie in Sonnenkollektoren].
Wärmeerzeugung mit Sonnenkraft [Solarthermie]
  • Prinzip → durch Sonnenwärme wird in einem Röhrensystem eine Wärmeträger-Flüssigkeit erwärmt [über Pumpe bewegt] - diese wärmt dann Wasser auf
  • private Nutzung → Heizzwecke, Warmwasserversorgung
  • Wärmegewinnung durch Sonnen-Energie ↓
    Die Solarthermie.
    Ein sog. Flach-Kollektor ist eine Möglichkeit, die Sonnenwärme auf die absorbierende Fläche [dunkel beschichteter Absorber] zu lenken, die dann den Wärmeträger in den dünnen Rohren aufwärmt.
    Wärmeträger
    ist ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch [60:40]. Dieses kann besser Wärme aufnehmen als Wasser allein [Siedetemperatur steigt auf 150°C] und schützt außerdem vor dem Einfrieren bei Frost. Die Anlagen arbeiten meist bei 80°C.
    Zum Vergrößern Grafik anklicken!
  • Energieumwandlung → Sonnenenergie in thermische Energie
  • andere Sonnenkollektoren → beispielsweise ...
    • Vakuumröhren-Kollektoren → zwischen den Röhren befindet sich ein Vakuum, dadurch gibt es viel weniger Wärmeverluste; Wärmeträger ist ein Wasser-Glykol-Gemisch
    • Parabolrinnen-Kollektoren → lange Rinnen von Parabolspiegeln lenken die Sonnenwärme auf Röhren, in der sich die Wärmeträgerflüssigkeit befindet [Strahlenbündelung in einer Linie; Wärmeträger sind Öle [da hier eine Aufheizung auf bis zu 500°C erfolgt]
      Parabolrinnenkollektor quer.
      Ein Parabolspiegel ist ein gekrümmter Hohlspiegel, der hier als lange Rinne ausgeführt ist. Sonnenlicht wird im Brennpunkt des Parabolspiegels gebündelt. Die Wärme wird auf den stabförmigen Kollektor mit der Wärmeträgerflüssigkeit gelenkt, die so erwärmt wird. Pumpen bewegen die Flüssigkeit zu einem Wärmeaustauscher, wo Wasser erwärmt werden kann.
      Bei vielen Anlagen sind die Parabolrinnen beweglich [Elektromotor], um an den Stand der Sonne angepasst zu werden.
      Zum Vergrößern Grafik anklicken!
    • Solarkocher [Solarofen] → einfache Anwendung eines meist runden Parabolspiegels [konkav-konvex gekrümmte, spiegelnde Fläche], in dessen Brennpunkt eine Halterung angebracht ist, in der z.B. ein Topf eingehangen werden kann, um Wasser oder Speisen zu erwärmen; sie lassen sich auch nach der Sonne ausrichten [praktische Modelle aus deutscher Produktion siehe auch unter sun-and-ice.de]
  • Einsatzgebiete der Solarthermie → z.B. Warmwasserbereitung und Heizungen [Wohnhäuser, Schwimmbäder etc.], solare Trocknungsanlagen
Solarenergie für Afrika
  • Problem → Nur 78% der Menschheit verfügen über Elektrizität [d.h. mindestens 1,5 Milliarden nicht]. In einigen Regionen gibt es noch arge Defizite; z.B. hat in Indien nur die Hälfte der ländlichen Bevölkerung Zugang zu Elektroenergie. Und in Äthiopien haben ca. 83% der Bevölkerung keinen elektrischen Strom.
  • Lösung → in Afrika liefert die Sonne pro Quadratkilometer 300 Gigawatt, oft ungenutzt [selbst für Europa wäre das eine energetische Zukunft, auch wenn dafür lange Kabel nötig wären]
  • technische Möglichkeiten → in Afrika z.B. Solarkocher, Solarlampen, Solarwasserspeicher, Solarkühlschränke, Solarpumpen, Solar-Akkus, "Tankstellen" für Elektrofahrzeuge usw.
  • Engagement ist gefragt → z.B. der Verein SEWA aus Ettlingen setzt sich für Solarenergie in Burkina Faso ein [in den letzten 15 Jahren wurden dort 60% des Baumbestandes abgeholzt - das meiste davon als Brennholz, um kochen zu können; ginge es so weiter, wäre das Land in 25 Jahren nur noch Wüste]
  • Folgen des Verfeuerns von Holz für die Menschen → nutzt man besser ...
    • Kinder gehen nicht zur Schule, da sie Brennholz suchen müssen
    • 1/3 des Einkommens geht für Feuerholz drauf oder man muss 4 Stunden täglich Holz suchen
    • Lungenerkrankungen, entzündete Augen u.ä.
    • Abholzung heißt Artensterben
    • Begünstigung der Wüstenbildung
    • Fördern des Treibhauseffekts und des Klimawandels
    • ... etc.
Hinweise und einige Fachbegriffe
  • regenerative Energiequellen → erneuerbare Energiequellen [z.B. Solar- oder Windenergie]
  • Glykol → 1,2-Ethandiol [Nomenklatur-Regel siehe hier], das u.a. auch bei Kraftfahrzeugen als Frostschutz ins Kühlwasser kommt
  • konkav-konvex → Linse, bei der eine Seite konvex [hier unten], die andere konkav [hier oben] gekrümmt ist [auch Meniskus, im Falle der Sonnenkollektoren ein Hohlspiegel], z.B.
    Parabol-Spiegel
  • konvexe Linse → Sammellinse [beid- oder einseitig nach außen gewölbt], z.B.
    Parabol-Spiegel
  • konkave Linse → Zerstreuungslinse [beid- oder einseitig nach innen eingedellt], z.B.
    Parabol-Spiegel
Quellenangaben
  • Die Inhalte dieser Webseite wurden urheberrechtlich durch den Autor zusammengestellt und eigenes Wissen sowie Erfahrungen genutzt. Bilder und Grafiken sind ausschließlich selbst angefertigt.

  • Für die Gestaltung dieser Internetseite verwendeten wir zur Information, fachlichen Absicherung sowie Prüfung unserer Inhalte auch folgende Internetangebote: wikipedia.de, regenwald.org, schuelerlexikon.de, seilnacht.com, dlr.de, darüber hinaus die Schroedel-Lehrbücher Chemie heute SI sowie SII [Ausgaben 2001 bzw. 1998 für Sachsen]. Zitate oder Kopien sind entsprechend gekennzeichnet.

Hinweise

Falls Du diese Seite drucken willst, musst du vorher sämtliche Tabs öffnen, die Du ausgedruckt haben möchtest [oder gar alle]. Oder nutze unsere Druckversion als PDF bzw. DOC. Alle Sachverhalte auf dieser Seite sind überwiegend auf dem Niveau der Realschule dargestellt.

eqiooki.deKontaktInspektorImpressumTreibhauseffektBrennstoffzelle
 
 
  
A B C D     
Seite nach oben scrollen