Sonnenenergie

Autor/in: DIPL. MED. ROBERT KIRSCH (Neurologe, Valens, CH)

Ausgabe: April/2018 - Sonne

Juhe, wir bauen eine Solaranlage!

 «Papa, was machst du da?»
«Oh, Peter, schön, dass du schon da bist. Ich beginne die neue Solaranlage aufzubau­en. Wenn alles steht und ange­schlossen ist, produzieren wir unseren eigenen Strom!»
«Toll! Und wenn es einen Stromausfall gibt, sind wir dann die Einzigen, die noch Strom haben?» – «Äh, na ja, zumindest, wenn die Sonne scheint.»
«Papa, was passiert da ei­gentlich? Braucht man da nicht noch einen Generator wie bei einer Dampfmaschine?»
«Nein, da bewegt sich nichts. Unser Nachbar ist doch Physiker, der kann uns das nä­her erklären. Hallo, Herr Zwei­stein, haben Sie unseren Bei­trag zur Energiewende schon gesehen?»
«Hallo, Herr Meier, hallo, Peter, ich habe mich schon ge­wundert, was Sie mit dem gan­zen Material vorhaben.»
«Können Sie uns sagen, wie das mit der Sonnenener­gie funktioniert, dass am Ende Strom herauskommt?»

Herr Zweistein erklärt

«Das muss ich etwas aus­holen. Unsere Sonne ist ein bemerkenswerter Stern, im Grundsatz ein riesiger, unverstellbarer heißer Gasball aus Wasser­stoff, den um die Erde und die meisten anderen Planeten kreisen. Im Inneren der Sonne herr­schen extreme Druckbedingun­gen, dass die Kerne der Wasserstoffatome zu Helium­kernen verschmelzen. Diesen Vorgang nennt man Kernfusi­on. Dabei wird eine gigantische Energiemenge frei, nicht zu ver­gleichen mit der Knallgasreakti­on von Wasserstoff, die du aus der Schule kennst, und die ist ja schon heftig. Die Sonne strahlt nun nach und nach diese Ener­gien insbesondere in Form von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlän­gen ins Weltall ab, von sehr kurz­welligen Röntgenstrahlen bis hin zu langen Radiowellen. Die Sonne ist im Vergleich zu an­deren Sternen nicht besonders groß und spektakulär, aber da­für sehr stabil. D.h., die Intensitätsschwankungen sind dankenswer­weise nicht so groß, dass sie unser Leben auf der Erde gefährden. Bei den meisten anderen Sternen, die man beobachten kann, sieht das viel un­gemütlicher aus.
Die Atmosphäre unserer Erde sorgt für uns schädliche Gam­ma-, Röntgen- und ultravio­lette Strahlung auf ein erträgli­ches Maß abzuschwächen. Na­türlich Im Inneren der Sonne herrschen so extreme Druckbedingungen, dass die Kerne der Wasserstoffatome zu Heliumkernen verschmelzen. Diesen Vorgang nennt man Kernfusi­on. (Textfortsetzung) wäre aber Pflanzen gegenüber Piloten und Flugbegleitern arbeiten deshalb vorübergehend als Bodenperso­nal, weil die Höhenstrahlung für Ungeborene ein erhöhtes Risiko darstellt. Die höchste In­tensität der Sonnenstrahlung liegt übrigens im Bereich des sichtbaren Lichts.»

«Aber jetzt haben wir immer noch keinen elek­trischen Strom!»

«Geduld, Peter, die Menschheit hat Jahrtausende ohne Strom überlebt und trotz­dem die Sonnenenergie ge­nutzt. In unseren Breiten kom­men bei guten Bedingungen etwa 1000 Watt pro Quadrat­meter an Sonnenenergie an. Das muss man sich einmal vor­stellen, das ist etwa so viel wie ein typischer Toaster heizt! Da­mit werden der Boden, das Was­ser und die Luft erwärmt und damit wachsen alle Pflanzen durch Fotosynthese. Fast die gesamte Sonnenenergie, die wir nutzen könnten, steckt dann also im Wind, der weht, im Re­gen- oder Schneewasser, das die Berge herunterfließt, und ist im Holz in allerlei Formen als Biomasse gespeichert.»

«Ist das Erdöl auch Sonnenenergie?»

«Ja sicher, natürlich schon. Unsere Reserven an Erdöl, Kohle und Gas sind nichts an­deres als hochkonzentrierte Bio­massen von Pflanzen, die über einen sehr langen Zeitraum die Sonnenlicht gewachsen sind. Weil wir sie aber in einem viel kürzeren Zeitraum verbrau­chen, als das Wachstum dieser Pflanzenge- dacht hat, sind diese Energieträger nicht nachhaltig oder erneuerbar. Au­ßerdem deutet sehr viel darauf hin, dass die massive Ver­brennung dieser sogenannten fossilen Energieträger durch den ra­schen Anstieg an Kohlendioxid (CO₂) unser Klima in den näch­sten Jahrzehnten weltweit durch­einanderbringen wird. Deshalb ist es so wichtig, dass man sich rechtzeitig überlegt, wie man die erneuerbare Energi e mög­lichst vernünftig nutzt und ausbaut, bevor das Öl unbezahlbar wird und der Klima­wandel zu noch größeren Pro­blemen führt.»

Der ökologische Fußabdruck in unserem Land liegt etwa bei 3, d.h. wir verbrauchen dreimal so viele Ressourcen, wie unsere Erde langfristig verkraften kann.

«Ja, aber wie funktio­niert das mit den Solarmodulen?»

«In jedem unserer Solarmo­dulen sind viele Fotodioden, die sichtbares Licht durch den fo­toelektrischen Effekt in direkten elektrischen Strom umwandeln. Davon lassen sich bei optimalen Bedingungen je nach Bauweise 15 % bis 30 % in Strom umwandeln. Diese Dioden und Module können fast beliebig kombiniert werden, sodass man je nach Platzangebot einen Taschen­rechner oder eine Raumstation mit Sonnenener­gie versorgen kann.
Wie viele Quadrat­meter habt ihr da drüben?»
«10 m² mit 1600 Watt Spitzen­leistung!»
«Die 1600 Watt sind schon ordentlich, so wie bei einer normalen Steckdose. Aller­dings hat man das nur an einem warmen, sonnigen Tag, wenn die Sonne senkrecht darauf scheint. Bei eurer Anlage dürfte ihr da­mit pro Jahr etwa 1600 kWh erzeugen.»
«Kilowattstunden?? Ich verstehe nur Bahnhof.»
«1600 kWh entsprechen der Energiemenge, die man be­nötigt, um 1600 Stunden lang Brot mit einem 1000-Watt-Toas­ter zu toasten. Das klingt nach viel, und ich will euch jetzt nicht die ganze Freude an der neuen Anlage verderben, aber gleich­mäßig übers Jahr verteilt, wären das nur knappe 200 Watt.»
«Moment! Mein Physiklehr­er meint immer: Ihre Physik ist gut, aber sie können nicht rech­nen! Wenn räte, die ständig auf Standby sind, mit Zeitschaltuhren ver­sehen würden und nicht im­mer unnötig das Licht brennen ließen, könnte fast jede Familie im Schnitt etwa 100 Watt ein­sparen! Das heißt, allein 5 m² brauchen wir bereits, um unsern völlig unnötigen Stromver­brauch zu decken?»
«Da hast du leider Recht, Peter. Den wenigsten Menschen um uns herum ist bewusst, wie viel kostbare Energie wir ver­schwenden. Besonders ärgert es mich, wenn manche Zeiter­mossen meinen, mit etwas Fo­tovoltaik, Fairtrade-Kaffee – am besten noch in Plastikbechern! – und CO₂-Abschlagzahlungen bei den Flugtickets hätten sie schon beinahe die Welt geret­tet. Das ist jetzt ziemlich über­spitzt, aber oft verkehrt im Punkt. Photovoltaik ist zwar sinnvoll, wo sie unmittelbar ge­braucht wird, z. B. bei Klima­geräten während der Mittags­hitze oder bei Industriebetrieben, die tagsüber den meisten ihrer Strombedarf haben, oder wo man ganz autark (unabhängig) sein will. Der große Nachteil der Fotovoltaik und Windparks be­steht darin, dass man den Strom nur schlecht speichern kann. Da Speicherkraftwerke für viele gute Lösungen mit großen Ak­kus, aber die sind noch sehr teu­er, sodass heute nur reiche Idea­listen so etwas in ihren Häusern installieren. Für thermische So­larkraftwerke, bei denen ein Öl oder Salz so stark aufgeheizt wird, dass auch noch Stunden später, mitten in der Nacht, da­mit Dampf zur Stromgewinnung erzeugt wird, ist die Sonnen­strahlung nördlich der Alpen viel zu schwach und unbestän­dig. Fast der ganze überschüs­sige Strom, der durch Windkraft und Fotovoltaik produziert wird, wird direkt ins Stromnetz ein­gespeist. Der Strombedarf ent­spricht aber praktisch nie dem schwankenden Anteil aus den erneuerbaren Energien. Des­halb muss die Differenz stän­dig mit Kohle- und Gaskraftwer­ken reguliert werden, wodurch die gesamte Stromerzeugung nicht umweltfreundlicher wird. Die Regulierung nur mit Was­serkraft hinzukriegen ist bei un­seren Energiemengen in ganz Europa gar nicht mehr mög­lich. Teilweise stehen die not­wen­di­gen Kraftwerke in ganz ande­ren Ländern, wo wir gar keinen Einfluss mehr darauf haben, wie deren Umweltschutzt dort ge­normt wird.»

«Oje, dann haben wir doch die Solaranlage völlig vergeblich gekauft?»

«Nein, in dieser Größenordnung hilft sie Ihnen auf jeden Fall, den eigenen unmittelbaren Strombedarf zu decken, ohne das gesamte Stromnetz nachteilig ZU beeinflussen.

Wenn Sie ohne Komforteinbußen unabhängig werden wollen, dann bräuchten Sie mindestens eine zehnmal so große Fläche und heute leider noch sehr teure Akkuspeicher. Worauf ich hinaus will, ist Folgendes: Wenn die Motivation zur Nutzung der Sonnenenergie wirklich der Umweltschutz ist, dann ist es viel sinnvoller, sich zu überlegen, wo man Energie einsparen kann.

Der ökologische Fußabdruck in unserem Land liegt etwa bei 3, d.h., wir verbrauchen drei­mal so viele Ressourcen, wie unsere Erde langfristig verkraften kann.»

«Wo könnten wir denn sonst noch Energie spa­ren?»

«Da gibt es unzählige klei­ne Beispiele, z. B. die Wäsche möglichst im Freien zu trock­nen oder zu duschen, statt ein Vollbad zu nehmen. Einfache Sonnenkollektoren (Solarther­mie) auf dem Dach sind eine exzellente Methode, das Warm­wasser direkt aufzuheizen und damit Strom oder Heizöl zu spa­ren. Generell kann man als nor­maler Bürger am meisten be­wirken, wenn die Wohnräume modern isoliert sind und man nur so viel heizt, wie man wirk­lich braucht, und nicht gleich in jedem Raum Mittelmeerklima einstellt. Vielleicht ist ja der nächste Urlaub am Bodensee sogar schöner als irgendwo vie­hundert Kilometer weit wen die Flugstunden entfernr? Die re­gionalen Energieversorger und Beratungsstellen können einen heute sehr gut und individuell beraten. Auch wenn man damit vielleicht zunächst nur eine große Menge Öl und Gas gespart wird, hilft dies bereits, die Abhängig­keit von fossilen Energieträgern so weit zu mindern, dass genug Zeit bleibt, ausreichende und wirtschaftliche Speicherthech­nologien zu entwickeln, um das nächstgrößere gemeinsame An­ge­bot an Sonnenenergie für un­seren gesamten Energiebedarf zu nutzen.»

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📚 Weiterführende Informationen:

Harald Lesch: «Quantenmechanik für die Westentasche», PIPER, 2007, ISBN: 978-3492051255
Robert B. Laughlin: «Der Letz­te macht das Licht aus: Die Zukunft der Energie», PIPER, 2013, ISBN: 978-3492302784
Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme: «Aktuelle Fakten zur Fotovoltaik in Deutschland», 2018, www.pv-fakten.de
http://www.2000watt.ch/
https://www.bfs.admin.ch/bfs/ de/home/statistiken/nachhaltige-entwicklung/oekologischer-fussabdruck.html

„Im Inneren der Sonne herrschen extreme Druckbedingungen, dass die Kerne der Wasserstoffatome zu Heliumkernen verschmelzen. Diesen Vorgang nennt man Kernfusion.“