Solarenergie: Wie man die Kraft unserer Sonne effektiv nutzen kann

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Aktualisiert am: 14 Dec 2020

In zwei Stunden bestrahlt die Sonne die Erde mit so viel Energie wie wir weltweit in einem Jahr verbrauchen .

Lasst uns zunächst über Licht sprechen, bevor wir uns damit beschäftigen, wie Solarzellen dieses in nutzbare Energie umwandeln.

Was ist eigentlich Licht?

Wir können uns Licht als eine Welle vorstellen . Die Entfernung zwischen zwei Wellenbergen nennt man Wellenlänge. Rotes Licht hat eine Wellenlänge von ca. 700 Nanometern (700 Milliardstel Meter), während blaues Licht eine Wellenlänge von ca. 450 Nanometern hat :

Image of Wellenlängen des Lichts

Wellenlängen des Lichts

Die Gesamtheit aller Wellenlängen nennt man elektromagnetisches Spektrum . Nur ein kleiner Teil davon ist das Licht, das wir sehen können:

Image of elektromagnetisches Spektrum

elektromagnetisches Spektrum

Licht transportiert Energie – je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher ist es .

Image of Spektrale Intensität der Sonnenstrahlung

Spektrale Intensität der Sonnenstrahlung

Wir beginnen mit der Solarthermie, weil es die naheliegendste Energieform ist.

Solarthermie

An einem sonnigen Tag empfindet man es in der Sonne wärmer als im Schatten, richtig? Das liegt daran, dass die Haut die Sonnenstrahlen absorbiert und dabei ein Teil von ihnen in thermische Energie umgewandelt wird. Diese Wärme können wir nutzen !

Solarthermische Kraftwerke mit Strahlungsbündelung (englisch concentrated solar power, CSP) nutzen eine große Anzahl von Spiegeln, um das Sonnenlicht auf eine kleine Fläche zu fokussieren. Die gebündelten Sonnenstrahlen erwärmen eine Flüssigkeit (Wasser, Öl, geschmolzenes Salz) auf eine hohe Temperatur. Diese Wärme kann entweder

  • zum Heizen verwendet werden,
  • für später gespeichert werden,
  • oder in Elektrizität umgewandelt werden. Hierbei wird die Wärme verwendet, um Wasser zu verdampfen und mit dem Dampf eine Turbine anzutreiben. Das Funktionsprinzip ist identisch zu den meisten Kraftwerken. Hier ist der gesamte Prozess in einem Bild zusammengefasst:
Image of Solarthermisches Kraftwerk mit Strahlungsbündelung (englisch <em>concentrated solar power</em>, CSP)

Solarthermisches Kraftwerk mit Strahlungsbündelung (englisch concentrated solar power, CSP)

Heutzutage ist Strom aus Solarthermie zwar teuer , hat aber einige spezifische Vorteile :

  1. Mit einem integrierten Wärmespeicher kann Strom je nach Bedarf geliefert werden.
  2. Dadurch trägt es zur Stabilität und Flexibilität des Stromnetzes bei.

Solarthermie kann außerdem zum Heizen von Häusern genutzt werden . Solarthermische Sonnenkollektoren absorbieren die Energie der Sonnenstrahlen und erwärmen dabei eine Flüssigkeit, die durch sie hindurchfließt. Diese Flüssigkeit kann nun wiederum dazu genutzt werden, Wasser zu erwärmen, was in zahlreichen Haushaltsanwendungen Gebrauch findet (z. B. Warmwasser, Heizung).

Die umgekehrte Glühbirne: Licht in Elektrizität umwandeln?

Image of Solarzelle, Solarmodul und Solaranlage

Solarzelle, Solarmodul und Solaranlage

Mit Photovoltaik (PV) wird Licht direkt in Strom umgewandelt . Die Preise für Solarstrom aus Photovoltaik und Strom aus fossilen Brennstoffen liegen bereits auf einem ähnlichen Niveau . Klingt vielversprechend, oder? Wie funktioniert das?

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silicium. Silicium besitzt vier Außenelektronen (Elektronen in seiner äußersten Atomhülle). Wenn viele Siliciumatome zusammen kommen, bilden sich zwischen ihnen kovalente Bindungen und sie formen ein Kristallgitter. Das sieht dann folgendermaßen aus:

Image of Struktur von Silicium

Struktur von Silicium

Wenn wir nun eine kleine Anzahl von Atomen mit fünf Außenelektronen (z. B. Phosphor) hinzugeben, wird die daraus entstandene chemische Verbindung trotzdem weiterhin ein Kristallgitter bilden. Allerdings werden sich darin einige Elektronen frei bewegen, weil sie keinen festen Platz in der Kristallstruktur haben .

Andererseits können wir auch ein Element mit nur drei Außenelektronen (z. B. Bor) hinzufügen und erhalten ein seltsames Elektronenloch in der Struktur.

Das Hinzugeben kleinerer Mengen eines Fremdstoffes bezeichnet man als Dotierung.

Image of n- und p-Halbleiter

n- und p-Halbleiter

Wie können wir diese Materialien benennen?

  • Silicium mit einem Element mit fünf Außenelektronen bezeichnet man als n-Halbleiter (n für negativ). Die Bezeichnung rührt daher, dass Silicium normalerweise nur vier Außenelektronen hat. Mit dem fünften Außenelektron besitzt es nun einen Elektronenüberschuss, weshalb wir es als negativ bezeichnen.
  • Silicium mit einem Element mit drei Außenelektronen bezeichnet man als p-Halbleiter (p für positiv).

Diese Bezeichnungen können bisweilen irreführend sein, weil sowohl n‑Halbleiter als auch p‑Halbleiter elektrisch neutral sind (weder positiv noch negativ geladen). Warum nennen wir sie dann negativ oder positiv? Schauen wir uns dafür die oben stehende Abbildung an. Der n‑Halbleiter besitzt ein zusätzliches, negativ geladenes Elektron, während der p‑Halbleiter ein positiv geladenes Elektronenloch besitzt.

Wenn es ein freies Elektron von der n‑Seite auf die p‑Seite schafft, füllt es dort ein Loch auf .

Image of p‑n‑Übergang

p‑n‑Übergang

Das Auffüllen der Löcher geschieht in einem kleinen Abschnitt, in dem sich n- und p-Halbleiter berühren. Dieser Abschnitt heißt Raumladungszone (oder auch Verarmungszone), weil es in ihm keine frei beweglichen Elektronen oder Löcher gibt.

Dieser Vorgang dauert so lange, bis sehr viele Löcher mit Elektronen aufgefüllt wurden. Die negative Ladung ist nun so stark, dass weitere Elektronen aus der Raumladungszone abgestoßen und keine Löcher mehr aufgefüllt werden. Es hat sich ein elektrisches Feld gebildet.

Image of Abstoßung der Elektronen in den n-Halbleiter

Abstoßung der Elektronen in den n-Halbleiter

Wo kommt das Sonnenlicht ins Spiel?

Licht transportiert Energie. Wenn Licht auf die Verarmungszone trifft, kann es Elektronen dazu bringen, die Löcher zu verlassen, die sie vorher aufgefüllt haben .

Image of Wie Elektronen mobilisiert werden, wenn Licht die Raumladungszone trifft

Wie Elektronen mobilisiert werden, wenn Licht die Raumladungszone trifft

Die negativ geladenen Ionen stoßen das herausgelöste Elektron in das n-Typ Material zurück. Das Elektronenloch bleibt zurück. Mit einem Elektron weniger ist nun wieder Platz für ein weiteres, welches dieses Loch auffüllen kann!

Elektronen, die sich durch ein Kabel bewegen? Das ist ein elektrischer Strom! Und so bekommen wir Strom aus Photovoltaik .

Image of Funktionsweise einer Solarzelle

Funktionsweise einer Solarzelle

Wenn sich das Elektron wieder im p-Typ Material befindet, ist die Solarzelle wieder in ihrem Ausgangszustand und der Prozess wiederholt sich, solange die Sonne scheint . Wunderbar!

Zusammenfassend geschieht immer wieder der folgende Zyklus:

  1. Ein Elektron in einem Loch wird von Licht getroffen. Die Energie des Lichtes schlägt das Elektron heraus.
  2. Das elektrische Feld der Ionen in der Verarmungszone drückt das Elektron in den n-Typ Halbleiter.
  3. Jetzt gibt es ein zusätzliches Loch im p-Halbleiter, das gefüllt werden möchte.
  4. Ein Elektron nimmt die Hintertür durch ein Kabel oder einen Schaltkreis, um diesen Platz einzunehmen.

Ist Solarenergie nachhaltig?

Image of Energierückgewinnungszeit von Solarzellen

Energierückgewinnungszeit von Solarzellen

Aber was passiert nach den 25 bis 30 Jahren mit den Solarmodulen? Leider ist das eine aktuell noch offene Frage . Um uns auf den Zeitpunkt vorzubereiten, wenn die Solarmodule von heute der Abfall von morgen sind, müssen wir in großem Maßstab bezahlbare Recyclingmethoden entwickeln .

Wie viel Landfläche benötigen wir, um unseren gesamten Energiebedarf durch Photovoltaik zu decken?

Wir benötigen drei Größen, um eine grobe Schätzung vorzunehmen:

  1. Die Menschheit verbraucht 157.000 TWh Energie pro Jahr .
  2. In den USA treffen im Durchschnitt 250 MW Sonnenstrahlung pro km² auf die Erde .
  3. Moderne Solarmodule arbeiten mit einer Effizienz von ca. 20 %. Sie können also 20 % der Energie aus dem Sonnenlicht, das auf die Module trifft, in Elektrizität umwandeln.

Bei einer Effizienz von 20% gewinnt man aus einem 1 km² Solarzellen 50 MW Leistung. Vielleicht erinnerst du dich, dass Energie = Leistung x Zeit ist. Damit ergibt sich für die in einem Jahr erzeugte Energie 50 MW x 365 Tage x 24 Stunden = 438 GWh. Dies entspricht 0,438 TWh.

Um den Bedarf der Menschheit mit 157 000 TWh abzudecken, benötigen wir demzufolge eine Fläche mit Solarzellen von 157 000 / 0,438 = 358 500 km². Oder anders ausgedrückt: die Fläche von Deutschland .

Image of Benötigte Fläche an Solarzellen, um die gesamte Menschheit mit Energie zu versorgen

Benötigte Fläche an Solarzellen, um die gesamte Menschheit mit Energie zu versorgen

Das ist zwar viel, aber nicht undenkbar. 34% der Landfläche der Erde wird von uns landwirtschaftlich bewirtschaftet . Im Vergleich dazu wirkt eine Solaranlage auf der Fläche von Deutschland (0,3 % der Landfläche der Erde ) gar nicht mehr so unrealistisch.

Allerdings bringt die Bereitstellung von Solarenergie in sehr großem Maßstab auch Probleme mit sich , die in obiger Berechnung nicht sichtbar sind. Eines der Hauptprobleme ist, dass das Angebot an Solarenergie sehr unbeständig ist: Nachts können wir keine Energie erzeugen, aber wenn die Sonne scheint, erzeugen wir auch schnell zu viel ! Wie wir dies lösen können, schauen wir uns später an.

Können wir Photovoltaik und Solarthermie noch verbessern?

Es gibt viele verschiedene Arten von Photovoltaik. Kristalline Silizium Solarzellen (die Technologie, die wir eben besprochen haben) absorbieren circa 20% der auftreffenden Solarenergie . Andere Technologien zeigen eine bis zu 40%ige Effizienz, sind in der Herstellung aber wensentlich teurer .

Sogenannte Dünnschichtsolarzellen haben das Potenzial noch billiger und umweltfreundlicher als die heutigen PV Module zu werden . Um dir ein Gefühl für die Entwicklungsgeschwindigkeit in diesem Sektor zu geben, schau dir das folgende Diagramm an:

Image of Effizienz von Solarzellen im zeitlichen Verlauf

Effizienz von Solarzellen im zeitlichen Verlauf

Solarthermische Kraftwerke mit Strahlungsbündelung (CSP) könnten schon heute flächendeckend aufgestellt werden, denn wir besitzten die Rohstoffe, um sie zu bauen . Obwohl CSPs aktuell noch teurer als fossile Brennstoffe sind, haben sie das Potential in Zukunft rentabler zu werden, wenn sie in großem Maßstab betrieben werden .

Eine weit weniger erforschte, aber dennoch vielversprechende Technologie ist künstliche Photosynthese . Falls wir diese in der Praxis nutzbar machen könnten, würde sie viele unserer Probleme lösen - mehr dazu im Kapitel über Wasserstoff. Aber springe nicht direkt dort hin! Die folgenden Kapitel behandeln ebenso spannende und wichtige Technologien.

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