Solartechnik

Solarenergie wird immer billiger und effizienter. Bald soll sie unseren Alltag erobern – vom solargetriebenen Handy bis zur Energieversorgung von Wolkenkratzern. Sonnenenergie ist nicht nur gut für das Klima, sondern auch für unsere Brieftaschen.

Das Handy gehört heute zum Alltag. Es erscheint uns längst selbstverständlich, dass wir damit jederzeit und überall telefonieren können. Wenn wir es aber dringend brauchen und der Akku versagt, dann sind wir irritiert – oder verloren. Auf einer Expedition: verloren in der Wüste, und keine Möglichkeit, den Standort zu melden. Auf einer Bergtour: verirrt im Gelände, und keine Möglichkeit, den Rettungsdienst zu holen. Mitten in der Stadt: heillos im Berufsstress, und keine Möglichkeit, das entscheidende Telefonat zu führen. Mit anderen Worten: Wenn uns der »Saft« ausgeht, sind wir aufgeschmissen.

Das soll nie wieder passieren. Rettung verspricht die US-amerikanische Firma Konarka: Handys, die immer genug Energie haben – dank Sonnenkraft! Die von Konarka entwickelten lichtempfindlichen Folien sind so dünn, dass sie auf Handys, auf Laptops, aber auch auf Rucksäcke und Zeltplanen aufgebracht werden können. Kein Wunder, dass sich besonders das Militär dafür interessiert.

Solargetriebene Handys sind nur eine von vielen revolutionären Anwendungen der Solartechnik, also der Methode, Sonnenlicht direkt in Strom oder Wärme umzuwandeln. Schon bald, so glauben Experten, wird Sonnenenergie unseren Alltag durchfluten – von solargetriebenen Parkuhren über Einfamilienhäuser bis zum Wolkenkratzer.

Erste Anwendungen der Solartechnik gab es schon in den 1970er Jahren. Mancher wird sich noch schmunzelnd an die solargetriebenen Armbanduhren erinnern, die andauernd stehen blieben. Doch was einst als Spinnerei von ökologiebewegten Tüftlern galt, sehen viele heute als eine der wichtigsten Energieformen des 21. Jahrhunderts. Hohe staatliche Förderung und der technische Fortschritt haben weltweit einen regelrechten Solar-Boom ausgelöst.

Das Bewusstsein der Beschränktheit unserer natürlichen Rohstoffe und die Angst vor einer globalen Erwärmung bringen die Menschen dazu, neue Energieformen zu suchen. Und da bietet sich das unerschöpfliche und kostenlose Sonnenlicht als natürliche Quelle an. Die eingestrahlte Sonnenenergie übertrifft den Energieverbrauch der gesamten Menschheit um den Faktor 10000!

Im Gegensatz zum konventionellen Energiesystem in den technisierten Ländern bietet Solarenergie den Vorteil einer dezentralen, sprich: privaten Energieversorgung. Und darin unterscheidet sie sich wesentlich von Erdöl, Gas, Kohle und Atomkraft, aber auch von Wind- und Wasserenergie. Jeder kann sich sein eigenes Sonnenkraftwerk aufs Dach zimmern oder aufs Handy kleben.

Insbesondere in Deutschland hat die Solartechnik in den letzten Jahren einen immensen Aufschwung erfahren. Grund dafür war das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Darin wird festgelegt, dass der Staat jede privat erzeugte solare Strom-Kilowattstun- de mit derzeit rund 50 Cent (je nach Förderung) vergütet. Da Solaranlagen rund 20 bis 25 Jahre halten, ist der Anschaffungswert nach acht bis 13 Jahren getilgt, und den Rest der Zeit macht der Betreiber seines Privatkraftwerks Gewinn.

Der Solarboom ist unübersehbar: Seit 1995 hat die weltweite Solarzellenproduktion um durchschnittlich 35 Prozent pro Jahr zugenommen. Bis 2010 wird sie nach konservativen Schätzungen weiter um jährlich 25 Prozent steigen. In Deutschland sind bereits heute rund 30000 Menschen in der Solarindustrie beschäftigt. Und mit den Aktien deutscher Solarhersteller konnte man in den letzten Jahren viel Geld verdienen.

Allerdings: Was private Solargeneratoren bisher ins allgemeine Stromnetz einspeisen, erreicht bislang nur 0,2 Prozent des deutschen Strombedarfs. Zudem kostet die Bereitstellung von Solarstrom zehn- bis 20-mal so viel wie bei fossilen Energieträgern. Gegner spielen diese Zahlen gern gegen die Solarenergie aus.

Diese Rechnung berücksichtigt allerdings nicht die Folgeschäden des Einsatzes von Erdöl oder Kernenergie, von der immer noch ungeklärten Entsorgung radioaktiven Abfalls bis hin zu den Kosten jener Kriege, die um das schwarze Gold geführt werden. Und eines ist sicher: Die Kosten für fossile Energieträger werden steigen, die für Solartechnik hingegen fallen – schließlich gibt es den Rohstoff selbst ja umsonst. Ins Leere geht auch die Kritik an den hohen staatlichen Förderungen: Denn neue Energieformen wurden zu allen Zeiten subventioniert – das galt für den preußischen Kohlebergbau ebenso wie für die Kernkraft.

Zudem: Solar ist nicht Solar. Es gibt erstaunlich viele Möglichkeiten zur Nutzung der Sonnenenergie, vom kleinen Elektrizitätsmodul zur privaten Verwendung bis hin zu gigantischen Sonnenkraftwerken in einer Wüstenregion, vom Mini-Kocher für einsame Wohngebiete bis zum Hochtechnologiemodul für einsame Parkuhren. Mit folgenden Methoden läßt sich Energie aus Sonnenlicht gewinnen:

- Photovoltaik (Stromerzeugung aus Solarzellen). In früheren Zeiten wäre dies reine Magie gewesen: Sonnenlicht scheint auf eine dünne Platte aus reinem kristallinen Silicium und erzeugt eine elektrische Spannung, die durch Verschalten möglichst vieler solcher Module Strom liefert. Eine Solarzelle funktioniert im Prinzip wie eine umgekehrte Leuchtdiode – die eine macht aus Strom Licht, die andere aus Licht Strom.

Photovoltaik ist deshalb die einfachste und eleganteste Art, aus Sonnenlicht direkt Elektrizität zu gewinnen. Solarmodule werden so zusammengeschlossen, dass sie eine Dachfläche bedecken. Ihr Wirkungsgrad beträgt derzeit rund 16 Prozent, er kann aber laut Meinung der Forscher auf 20 Prozent gesteigert werden.

Für diese Technik gibt es verschiedene Verfahren. In der Praxis haben sich Solarzellen aus reinstem, sorgfältig kristallisiertem Silicium durchgesetzt. Silicium gibt es wie Sand am Meer – und das wörtlich, denn Silicium (in Verbindung mit Sauerstoff) ist Sand. Siliciumscheiben, so genannte Wafer, bilden auch die Grundlage für die Herstellung von Computerchips. So gibt es derzeit einen Engpass an Solarsilicium, sodass die Forscher nach Alternativen suchen.

Bei der »Dünnschichttechnologie« versucht man, mit amorphem (nicht kristallisiertem) Silicium auszukommen. Das funktioniert auch, allerdings ist der Wirkungsgrad deutlich geringer. Dafür sind Dünnschicht-Solarzellen wegen des geringeren Materialverbrauchs in der Herstellung deutlich billiger.

Eine zweite Ausweichmöglichkeit besteht in der Kombination eines Elements der dritten mit einem Element der fünften Gruppe des Periodensystems. Solche Elemente sind etwa Aluminium, Gallium, Indium (Gruppe III) und Arsen (Gruppe V). Die Forscher streben dabei einen Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent an.

Als langfristig zukunftsträchtigste Technik gilt die Verwendung organischer Stoffe. Diese Materialien können zu hauchdünnen Nano-Schichten verarbeitet werden, in denen einzelne Moleküle das Licht sammeln. Solche Solarzellen wären drastisch billiger als konventionelle Siliciumzellen. Der Wirkungsgrad beträgt bisher aber nur einige wenige Prozent.

Plastik-Solarzellen etwa bestehen aus einem leitfähigen Kunststoff (einem Polymer), in den spezielle, fußballförmige Kohlenstoffmoleküle namens »Buckyballs« eingebettet sind. Die »Buckyballs« nehmen Elektronen auf, die durch das Sonnenlicht in Bewegung gesetzt werden – so wird Stromfluss möglich.

Solarzellen aus Farbstoffen basieren auf einem Netz aus leitfähigen Titandioxid-Nanoteilchen. Die Sonnenstrahlen werden dabei durch lichtempfindliche Farbstoffe absorbiert und in Strom verwandelt, ein Prinzip ähnlich dem des grünen Farbstoffs Chlorophyll in den Pflanzen. Solche Folien können mit einer Art Tintenstrahldrucker hergestellt oder als flüssiger Lack auf Autokarosserien aufgesprüht werden.

Visionäre Designer stellen sich vor, dass in Zukunft die gesamte Autokarosserie von solchen aufsprühbaren Solarzellen bedeckt wird. Zumindest könnte die zweite Haut eines PKWs der Zukunft genügend Strom für die immer wichtiger werdende Elektronik liefern. Kleidungsstücke aus diesen Stoffen sind ebenfalls denkbar. Der Mensch der Zukunft, der alle elektronischen Geräte, die ihm lieb sind, ganz ohne Batterien betreiben kann – ein wandelndes Solarkraftwerk!

Der Riesenvorteil dieser Stromerzeugungsmethode liegt darin, dass sie an jedem Ort (wo die Sonne scheint) tagsüber angewandt werden kann und kein Kraftwerk und auch keine sonstigen Einrichtungen oder Materialien benötigt. Der Nachteil ist, dass es nachts keinen Strom gibt und dass die Speicherung von Elektrizität immer noch Probleme macht.
Energiespeicherung ist dagegen nur mit der folgenden Methode machbar:

- ‚Solarwärme. So genannte Sonnenkollektoren bestehen aus schwarz beschichteten und mit Kanälen durchzogenen Metallkörpern. Ihr Prinzip ist außerordentlich einfach: Die Kollektoren absorbieren Sonnenlicht und erhitzen sich dabei. Die Wärme wird über die Innenkanäle weitergeleitet und auf Wasser übertragen. Sonnenkollektoren liefern also Warmwasser für den täglichen Gebrauch und auch für die Zentralheizung. Ihr Wirkungsgrad beträgt bis zu 75 Prozent – in unseren Breiten. In südlichen europäischen Ländern finden sich Sonnenkollektoren auf vielen Dächern, einfach als schwarz gestrichene zylindrische Wasserbehälter. Da bis zu 50 Prozent des stationären Energieverbrauchs auf das Erwärmen von Wasser und das Heizen von Räumen entfallen, stellt jeder Einsatz von Sonnenkollektoren eine große Entlastung der Energiebilanz dar.

In Oberburg/BE (Schweiz) baut das Solarunternehmen »Jenni Energietechnik« momentan das erste völlig solar beheizte Mehrfamilienhaus Europas. Der Solarspeicher hat 205000 Liter Inhalt, 17 Meter Höhe, vier Meter Durchmesser und 15 Tonnen Gewicht. Er soll künftig die Wärme für den Winter für acht Mietwohnungen speichern. Neben dem Speicher besteht die Solaranlage aus 276 Quadratmetern Sonnenkollektoren zur Erzeugung und Speicherung von Sonnenwärme. Diese werden auf dem nach Süden gerichteten Dach installiert. Das Gebäude wird ohne jegliche Zusatzheizung auskommen: Nur die Solaranlage wird für angenehme Raumtemperaturen und genügend Warmwasser während des ganzen Jahres sorgen.

Für den sinnvollen und effektiven Einsatz von Solarkollektorwärme muss das ganze Haus entsprechend konzipiert werden. Am allerwichtigsten ist eine möglichst gute Wärmeisolierung – technisch heute kein Problem, in alten Häusern nachträglich einzubauen aber schwierig.

Unter günstigen Voraussetzungen könnten 70 Prozent des Warmwasserbedarfs durch Sonnenwärme gedeckt werden. Erstaunlich: Die meisten Sonnenkollektoren gibt es, absolut und relativ (pro Kopf der Bevölkerung) in China, und das ganz ohne staatliche Förderung!

- Solarkocher. Eine einsame Gegend abseits der Zivilisation: Kein Strom weit und breit, brennbare Stoffe sind rar oder schwer zu benutzen, Lebensmittel und Wasser müssen aber aus hygienischen Gründen erhitzt oder gekocht werden. Da hilft ein primitives Gerät in verschiedensten Ausführungen: Ein Kocher, der allein von Sonnenenergie lebt. Im einfachsten Fall genügt eine innen schwarz ausgeschlagene Kiste mit einem ebenen Spiegel, der das Sonnenlicht ins Innere leitet.

Durch eine Glasabdeckung entsteht ein Treibhauseffekt. Der Boden erwärmt sich so stark, dass sogar in unseren Breiten Wasser innerhalb einer Viertelstunde kocht. Für höhere Effektivität sind diese Kocher mit Parabolspiegeln ausgestattet. Solche Geräte können sogar kommerziell genutzt werden, zum Färben, für die Seifenherstellung, zum Aufbereiten von Naturfasern.

Interessant ist die Technik natürlich besonders für Entwicklungsländer, zum Schutz der Wälder und zum Schutz der Gesundheit. Und Deutschlands Regierung lieferte vor kurzem eintausend Solarkocher nach Indonesien, um den Wald zu schonen und Treibhausgase zu reduzieren. Neu ist die Methode übrigens nicht, auch wenn ihre erste geschichtlich verbürgte Anwendung, wie nicht anders zu erwarten, im Krieg erfolgte: Der geniale griechische Mathematiker und Mechaniker Archimedes vernichtete angeblich die Schiffe der römischen Angreifer, indem er sie mittels überdimensionierter Brennspiegel in Brand setzte.

- Solarkühlung. Aufsteigende erwärmte Luft kann natürlich auch zur Kühlung eingesetzt werden, was besonders vorteilhaft in Ländern ist, in denen es keinen Strom und viel Hitze gibt. Die Luft wird absorbiert und entfaltet so ihre kühlende Wirkung durch das absorbierende Medium. Solarkühlung wäre aber auch in zivilisierten Ländern sinnvoll, zumal immer mehr Bürogebäude voll klimatisiert werden. Bei Sonnenkühlung könnten bis zu 70 Prozent Stromkosten gespart werden.

- Solarkraftwerke. Die bisher beschriebenen Verfahren können dezentral, von Einzelpersonen, sozusagen privat in Betrieb genommen und eingesetzt werden. Doch sind auch Kraftwerke sinnvoll, die sich das Prinzip des Sonnenkollektors oder Solarkochers im Großen zunutze machen. So wird in Parabolrinnenkraftwerken das Sonnenlicht durch längliche Parabolspiegel auf Rinnen konzentriert, in denen Thermoöl oder Wasser erwärmt wird.

Das Wasser erhitzt sich zu Dampf und treibt gewöhnliche Dampfturbinen an. Ähnlich funktionieren Solarturmkraftwerke. In ihnen wird das Sonnenlicht durch Rundum-Parabolspiegel oder durch Fresnellinsen auf einen Punkt innerhalb eines Turms konzentriert. Die Luft erhitzt sich, steigt auf und kann damit wiederum Turbinen antreiben. Durch die Konzent-ration auf einen Punkt können Temperaturen bis zu 4000 Grad Celsius erreicht werden, sodass diese Vorrichtungen auch als Schmelzöfen Verwendung finden.

Sinnvoll ist der Einsatz solcher Kraftwerke in Ländern mit viel Sonnenschein, weshalb sie besonders in Südkalifornien und in Spanien gebaut und genutzt werden. Sie liefern bis zu 200 Megawatt Strom. Laut einer Studie der Umweltschutzorganisation Greenpeace und des europäischen Solarthermie-Industrieverbands ESTIA könnte mit solarthermischen Kraftwerken im Jahr 2040 weltweit mehr Strom erzeugt werden als heute mit Atomkraft oder Wasserkraft – rund fünf Prozent der gesamten dann benötigten Elektrizitätsmenge.

Sollen Solarstrom und Solarwärme jedoch wirklich Sinn haben, müssen sich die Politik und unsere Auffassung von Stromerzeugung und -verbrauch grundlegend wandeln.

Erstens müssen wir anders bauen. Im Kleinen macht dies das Architekturbüro von Rolf Disch in Freiburg. Der Pionier des Solarhauses entwirft Privathäuser, Bürohäuser und ganze Siedlungen, die er »Plusenergiehäuser« nennt, weil sie nämlich einen Energieüberschuss produzieren. Unter anderem entwarf er ein »Övolutionshaus«, das nur noch eine geringe Zusatzheizung benötigt. Auf der Südseite der Häuser sorgen Solarkollektoren und Wasserspeicher für die Erwärmung des Brauchwassers von Dusche, Geschirrspüler, Waschmaschine und Heizung. Die Photovoltaik-Anlage auf dem Dach produziert den elektrischen Strom. Eine kontrollierte Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung sorgt für geringe Wärmeverluste und ein angenehmes Raumklima.

Ein anderes Konzept wurde von internationalen Architekten entwickelt. »Grünes Bauen« zielt ab auf ein ökologisches Gesamt-Design von großen Bürobauten. Auch Wolkenkratzer können von Sonnenergie leben, vor allem, wenn man bedenkt, dass Bürogebäude etwa in den USA gut ein Drittel des gesamten Energieverbrauchs schlucken. Neben der energieeffizienten Konstruktion von Fenstern und einer exzellenten Isolierung können Solarzellen auf dem Dach bis zu 20 Prozent der – besonders tagsüber benötigten – Elektrizität liefern. Der geplante »Freedom Tower« im Süden Manhattans, der das zerstörte World Trade Center ersetzen soll, wurde nach dieser Philosophie konzipiert.

Derzeit beherrschen einige wenige große Energieerzeugungsunternehmen den deutschen und europäischen Strommarkt. Solarenergie aber ist in erster Linie dezentral, und das ist auch einer ihrer Vorzüge. Eine Umstellung des stationären Energieverbrauchs (im Haus) auf Solarenergie würde also die Macht der Monopole beschränken oder gar aufheben. Dagegen werden die sich wehren. Je mehr Menschen in Eigeninitiative auf Solarenergie setzen, desto weniger Macht wird (langfristig) den Stromunternehmen bleiben.

Auch die Politik kann dazu beitragen. So möchte Schweden bis 2020 total unabhängig vom Erdöl werden. Bereits heute befriedigt das skandinavische Land 25 Prozent seines Energiebedarfs durch Solarenergie. Spanien hat im März dieses Jahres ein Gesetz verabschiedet, das einen solaren Deckungsgrad der Warmwasserbereitung von bis zu 70 Prozent vorschreibt – für alle Neubauten und Sanierungen. Marokkos Programm zur Elektrifizierung sieht vor, dass 2010 alle Haushalte auf dem Land mit Strom versorgt werden sollen. Das geht aber nicht mit einer zentralen Stromversorgung, dazu sind die Dörfer zu abgelegen. Deswegen wird der Einsatz dezentraler Photovoltaikanlagen gefördert. Sie versorgen Haushalte weit ab von den Zentralen mit genügend Strom für Beleuchtung und den Betrieb eines Radios oder Fernsehers.

In Brasilien hat der Unternehmer Fabio Rosa ein Projekt gestartet, den Bewohnern nicht elektrifizierter Dörfer Solaranlagen zu vermieten. In Brasilien sind 25 Millionen Menschen von der elektrischen Energieversorgung ausgeschlossen (und werden es vermutlich auch bleiben). Obwohl die Menschen in diesen Gegenden arm sind, macht Rosa Gewinn. Er verlangt für die Miete seiner Solaranlagen nur ganz geringfügig mehr, als die Dorfbewohner für Kerosin oder Petroleum ausgeben, das sind ungefähr zehn Dollar pro Monat. Die Dorfbewohner gewinnen ebenfalls, vor allem Lebensqualität. Aber auch der Staat als solcher ist Nutznießer von Rosas durchaus nicht uneigennützigem Geschäft. Denn mit eigener Elektrizität entfällt oft der Wunsch, in die Großstadt zu ziehen, und die Verelendung der Großstädte wird dadurch verringert.

Hinzu kommt, dass Nutzer eigener Solaranlagen, egal, welcher Form, viel bewusster mit Energie und ihrem Verbrauch umgehen und damit von vornherein auch Energie sparen. So zwingt uns diese umweltfreundliche und jederzeit verfügbare Technik auch zu einem radikalen politischen und ökologischen Umdenken. Sonnengetriebene Handys sind erst der Anfang.