Viel Energie von der Sonne

Einige Wolken - aber trotzdem sonnige Aussichten für die Energieversorgung

von Fred Solzbacher, Solar e.V. WBW, im November 2009

Inhalt:

• Schlüsselrolle der Sonnenenergie
• Sonnenkraftwerke
• Strom aus Photovoltaik-Anlagen

Schlüsselrolle der Sonnenenergie

Zurzeit verbrauchen die Menschen alle fossilen Energievorräte in atemberaubender Geschwindigkeit. In Jahrmillionen wurde viel Energie der Sonnenstrahlung auf der Erde gespeichert – in Form von Kohle, Erdöl oder Erdgas. Doch die Menschheit verbrennt diese Vorräte eine Million mal schneller, als die Natur sie erneuern kann. Dabei sind die Entstehungsformen der Kohle und des Erdöls unwiederbringlich, da die geologischen und geophysikalischen Wandlungsprozesse aus der Frühzeit der Erdgeschichte nicht mehr eintreten. Irgendwann in der Zukunft werden die Ölfelder der Erde weniger Öl liefern, als die wachsende Menschheit braucht. Viel Diskussion besteht unter den Fachleuten, wann der Zeitpunkt gekommen sein wird, zu dem die Öl- und Gasfelder der Erde weniger liefern als nachgefragt wird. Doch niemand zweifelt daran, dass dieser Zeitpunkt kommen wird.

Aber Erdöl ist viel zu wertvoll, als dass es verbrannt werden sollte.
Denn die Petrochemie und die Kunststoffindustrie hängen wesentlich davon ab.

Schon heute lassen sich Zukunftsszenarios zeigen, in denen die Nutzung der Sonnenenergie die Schlüsselrolle spielt.
Es gibt keinen Mangel an Energie, sondern Lücken in der Verfügbarkeit bestimmter Energieformen und in der Verteilung dieser Energien: Die Sonne schickt ständig knapp 3000-mal mehr Energie auf die Erdoberfläche als die Menschheit braucht. Bezogen auf den ganzen Globus sind es sogar 10000-mal mehr. Viele Techniken befinden sich in Entwicklung, um die Sonnenenergie in Strom zu verwandeln.

Also: Wir brauchen auch in Zukunft eine Energieversorgung, die sicher und wirtschaftlich ist. Auch in Zukunft wird der Strom aus verschiedenen Energiequellen produziert werden. Doch die Sonne wird eine immer größere Rolle spielen.

In 50 Jahren, so meinen kritische Schätzungen [2], werden zwar immer noch 50% des Energiebedarfs in Deutschland aus fossilen Energieträgern abgedeckt.
Doch 30 bis 35% könnten heimische erneuerbare Energien liefern und die restlichen 15 bis 20% könnten in Form von Sonnenstrom aus südlichen Ländern importiert werden, aus Spanien, aus Nordafrika oder aus dem Nahen Osten.

Sonnenkraftwerke

In den sonnigen Regionen des spanischen Südens experimentieren die Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Großkraftwerken, die die Energie mit hohem Wirkungsgrad nutzen. Das DLR beschäftigt etwa 200 Mitarbeiter auf dem Gebiet der Erneuerbaren Energien, davon 15 in Almeria in Spanien. Dort könnten Sonnen-Kraftwerke mit 100 MW Leistung aufgebaut werden, also mit einer Leistungsfähigkeit, die sich mit den großen Kohle- und Gaskraftwerken messen kann.

Fossile Kraftwerke sind technisch seit mehr als hundert Jahren erprobt und zur Stromgewinnung optimiert. Im Grundsatz wird immer mit einer Energiequelle Dampf erzeugt, der eine Turbine antreibt, die wiederum mit einem Stromgenerator gekoppelt ist. Die Energiequellen (Kohle, Öl, Gas, Sonne) sind austauschbar. Die Sonnenenergie lässt sich dafür effizient nutzen, wenn im Brennstrahl von Spiegeln die Hitze konzentriert wird. Damit kann sogar Metall geschmolzen werden.

Bei dem DLR gibt es inzwischen viel Erfahrung mit so genannten Parabol- Rinnen- Kollektoren: das sind lange, dachrinnenartige und parabolförmig gebogene Spiegel, die der Sonne nachgeführt werden. Sie sammeln das Sonnenlicht auf einem Rohr, das über den Rinnen im Brennpunkt verläuft. In diesem Rohr befindet sich Öl, das auf 400 Grad erhitzt wird. In einem Wärmetauscher wird damit dann Dampf erzeugt.
Bei Granada in Spanien wurde diese 50 MW-Anlage (Andasol) installiert [4], die seit 2008 täglich bis zu 7,5 Stunden in Betrieb ist.
Das erste Patent für dieses Prinzip stammt von 1907, erteilt wurde es in Stuttgart. Das erste Kollektorfeld sollte 1912 in Ägypten helfen, sich von der Importkohle aus England unabhängig zu machen.

Eine weitere Technik ist das Solarturm- Kraftwerk. Viele fast flache Spiegel sind auf einer großen Fläche rund um einen Turm angeordnet und werfen das Sonnenlicht auf einen festen Punkt, den so genannten „Receiver“ oben am Kopf dieses Turms. Dort entstehen Temperaturen von 1000 Grad und mehr. Dampf oder erhitzte Luft treiben dann eine Turbine an. Damit ist eine zweite Turbine verbunden, die die Restwärme nutzt. Der Wirkungsgrad der gesamten Energieumsetzung kann bis auf 30 Prozent gesteigert werden.

In so genannten Dish-Stirling-Anlagen [5] wird die Sonnenenergie direkt auf einen Stirling-Motor konzentriert und mit diesem Motor sowie einem gekoppelten Generator der Strom erzeugt.

Eine weitere Möglichkeit besteht mit dem Aufwind-Kaminkraftwerk, dessen Funktions-fähigkeit in Australien bereits nachgewiesen wurde.

Der große Vorteil aller dieser Kraftwerke besteht darin, dass sie Strom erheblich billiger produzieren können, denn der Wirkungsgrad der Anlagen ist hoch und die Sonneneinstrahlung in den südlichen Regionen wesentlich intensiver.

Was müsste aber investiert werden, um in Europa bis 2050 die Hälfte des Energiebedarfs aus erneuerbaren Energien zu decken: Das DLR und Prof. Müller-Steinhagen schätzen den Finanzbedarf auf 400 Milliarden Euro, das ist eine gewaltige Summe (400.000.000.000 €), aber umgelegt auf alle Europäer „nur“ rund 1.000 € pro Einwohner und die verteilt über längere Zeit, also durchaus nicht utopisch.

Strom aus Photovoltaik-Anlagen (PV)

In Deutschland wird Solarstrom – abgesehen von wenigen Forschungskraftwerken – nur mit Photovoltaikanlagen erzeugt. Zum 1.4.2000 wurde das EEG beschlossen und es folgten weitere Novellierungen. Seitdem beschleunigte sich der Ausbau gewaltig. Die Solarstrombranche boomt.

Weltweit hat dieser wachsende Trend bereits Ende der 1990er-Jahre eingesetzt und das Diagramm 1 macht deutlich, wie stark dabei die Rolle von Deutschland ist. Die jährlichen Steigerungsraten seit 2000 liegen bei fast 60%, wie auch das Diagramm 2 im logarithmischen Maßstab zeigt. Solche Wachstumsraten gibt es in kaum einem anderen Wirtschaftszweig und selbst ein „gestandenes“ Unternehmen wie BOSCH steigt jetzt mit eigener Forschung in die Produktion von Zellen und Modulen ein.

Die gesamte in Deutschland installierte Leistung lag Ende 2007 bei etwa 3.950 MW, Ende 2008 waren es rund 5.800 MW [6]. Der Ausbau der PV- Anlagen und deren installierte Leistungen wachsen beständig und damit sind auch die Stromerträge aus Photovoltaik-Anlagen in den letzten Jahren kräftig gestiegen. In 2008 konnte damit etwa 0,9 % des deutschen Stromverbrauchs gedeckt werden, der 1%-Anteil wird in 2009 sicher überschritten.

Deutschland dürfte in 2009 mit einem weiteren Zubau von 2.000 bis 2.500 MW wieder der weltgrößte Absatzmarkt für Photovoltaik-Anlagen werden. Auf dem zweiten Platz dürften die USA mit einem Zubau zwischen 340 und 1.500 MW folgen [6].

Zwar sind einige dunkle Wolken aufgezogen, die den Ausbau der PV-Stromproduktion bremsen könnten, daraus kann man aber noch keine längerfristigen Auswirkungen ableiten.

Dazu gehören:

• Der Ausbau stockt durch die Wirtschaftskrise.
• Die deutschen Solarmodulhersteller stehen unter scharfem Wettbewerb aus China und Japan. Die deutsche Produktion ist in 2009 um etwa 30% gegenüber dem Vorjahr gesunken.
• Die Verlängerung der Laufzeiten von mehreren KKW wird wahrscheinlich von der neuen deutschen Regierung beschlossen. Über die Senkung der Einspeisevergütung nach dem EEG ab 2011 wird debattiert. Die umzulegenden Subventionen von rund 35 Mrd. Euro in den nächsten 20 Jahren würden reduziert [7].
• Eine Senkung könnte die Ausbaugeschwindigkeit bremsen.

In Deutschland wurden im Jahr 2008 Solarzellen mit einer Leistung von 1.460 MW hergestellt. Damit kam Deutschland auf den zweiten Platz hinter China, wo Solarzellen mit einer Leistung von rund 2.500 MW produziert wurden. Während Deutschland und Japan in 2008 Weltmarktanteile an der Zellfertigung verloren, konnten insbesondere China, aber auch Taiwan und weitere asiatische Länder deutlich Weltmarktanteile gewinnen. Mittlerweile kommt rund jede dritte weltweit verkaufte Solarzelle aus China, aus Deutschland kommen rund 19 Prozent der Weltproduktion [6].

Der Fortschritt ist also keine Schnecke: Wenn man vergleicht, dass Deutschland in 2007 fast soviel installierte PV-Anlagenleistung besaß, wie die weltweiten Anlagen in 2003 und damit nahezu ein Drittel der Anlagen im Vergleichsjahr, dann zeigt dies, wie unglaublich dynamisch sich der Aufbau dieser Anlagentechnik ausgeweitet hat.

Quellen:
[1] Die Energie der Sonne nutzbar machen, Rainer Klüting, Stuttgarter Zeitung (StZ), 9. März 2009
[2] Aus der Vortragsreihe der Stuttgarter Zeitung an der Universität Stuttgart mit
Prof. Hans Müller-Steinhagen, DLR und Institut für Technische Thermodynamik an der Universität Stuttgart, 6. März 2009
[3] 1990–2002 nach Fachverband Solarenergie, 2002-2007 nach Ersol
[4] Parabolrinnenkraftwerk Andasol 1, Spanien bei SCHOTT Solar – Referenzen für große Solarkraftwerke wie Desertec, Wüstenstrom etc.
[5] Wikipedia / Solaranlage (Stand 5.11.2009)
[6] Wikipedia / Solarstrom (Stand 5.11.2009)
[7] Artikel in FOCUS und StZ