Stellen Sie sich vor, dass eine schwarze Bratpfanne in der Wüste liegt. Die Pfanne wird immer heißer und erreicht irgendwann eine Temperatur von über 90 Grad Celsius. Sie schlagen ein Ei in die Pfanne, und in Minutenschnelle ist es gar. Dieses einfache Experiment ist ein gutes Beispiel für die Nutzung von Sonnenenergie.
Bei dem Begriff Sonnenergie denkt man zumeist an die Sonnenkollektoren auf den Dächern von Wohnhäusern. Die gewerbliche Nutzung von Sonnenenergie umfasst jedoch eine Reihe von Anwendungen, die erhebliche Strommengen für die Welt erzeugen. Betrachten wir nun fünf innovative Technologien zur Nutzung von Sonnenkraft.
1) Photovoltaik-Sonnenkollektoren
Photovoltaik-Sonnenkollektoren nutzen Sonnenlicht zur Erzeugung eines Stromflusses. Dies ist aktuell die gebräuchlichste Methode zur Nutzung von Sonnenenergie. Diese Kollektoren mit einer Größe von einigen Quadratzentimetern bis hin zu einigen Quadratmetern bestehen aus vielen PV-Zellen, die in einer komplizierten Matrix angeordnet sind. Je größer die Oberfläche, über die hinweg Sonnenlicht auf PV-Zellen trifft, desto mehr Energie kann erzeugt werden.
Jede PV-Solarzelle besteht im Allgemeinen aus einer Halbleiterverbindungs-Waferstruktur, bei der es sich um eine mono- oder polykristalline Struktur handeln kann. Die zwei dünnen Halbleiter-Wafer der Struktur - ein P-Typ- und ein N-Typ-Wafer, werden separat hergestellt. Die beiden Wafer werden übereinander platziert, und die natürliche Reaktion zwischen den zwei Halbleitertypen erzeugt eine Verarmungszone, die schließlich einen Gleichgewichtszustand einnimmt. Noch wird kein Strom erzeugt. Wenn Lichtphotonen die PV-Zelle durchqueren und mit den Halbleiter-Wafern in Kontakt treten, setzt die Interaktion genug Energie frei, um das Gleichgewicht in der Verarmungszone zu stören. Durch diese Interaktion entsteht ein kurzer Stromfluss. Aufgrund des konstanten Lichteinfalls findet diese Interaktion jedoch kontinuierlich statt und kann so erheblichen Strom erzeugen.
Der von einer einzigen Photonen-Interaktion erzeugte Strom findet vielfach über die gesamte Oberfläche der PV-Zelle hinweg statt. Die PV-Zellen werden in einem Kollektor zusammengefasst, die Kollektoren in einem PV-Kollektor-Array, das erhebliche Ausmaßen annehmen kann. Diese kleine Interaktion in der Verarmungszone ermöglicht so durch vielfache Wiederholung signifikante Strommengen. PV-Solararrays erzeugen jedoch Gleichstrom. Zur Integration in moderne Stromnetzte und damit auch die Steckdose zu Hause muss der Gleichstrom über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Es gibt zahlreiche proprietäre Varianten dieser grundlegenden Technologie, um die Effizienz jeder PV-Zelle auf molekularer Ebene, die Zusammenstellung des Kollektors und die Integration des Kollektors in ein größeres Array zu optimieren.
2) Nutzung von Sonnenwärme: Energie elektromagnetischer Strahlung
Die Sonne erzeugt ein breites Strahlungsspektrum vieler Wellenlängen, darunter auch Infrarot. Das Infrarotspektrum kann Wärmeenergie effizient an Körper, die diese absorbieren können, übertragen. Elemente, die diese elektromagnetische Wärmeenergie effizient absorbieren, werden als 'schwarze Körper' bezeichnet, da die Farbe Schwarz alle für das menschliche Auge sichtbare Strahlungs-Wellenlängen absorbiert. Ein idealer schwarzer Körper kann alle Wellenlängen des elektromagnetischen Strahlungsspektrums absorbieren und abstrahlen.
Elektromagnetische Strahlung wird seit Jahrtausenden in vielen passiven Heizungssystemen verwendet, wie bei unserem Bratpfannen-Beispiel, aber auch in alten römischen Bädern und ägyptischen Wohnhäusern ebenso wie in thermischen Sonnenkollektoren und Thermosiphons. Diese Methoden zur Nutzung von Sonnenwärme fundieren auf Schwarzkörper-Strahlungsphysik und deren Fähigkeit zur Absorption und Übertragung von elektromagnetischer Strahlung. Bei Wohnhäusern wird Wärmeenergie meist zur Wassererhitzung gesammelt. Diese Lösungen eignen sich jedoch weniger zur Energieerzeugung in industriellem Maßstab.
3) Solar-Warmwasserbereiter
Ein gutes Beispiel für eine gebräuchliche Anwendung von Sonnenwärme in sonnigen Klimazonen weltweit ist der Solar-Warmwasserbereiter. Die einfachste Version eines Solar-Warmwasserbereiters umfasst eine Pumpe, mit der kaltes Wasser durch einen Schwarzkörper-Kollektor zirkuliert wird. Dieser Kollektor ähnelt optisch einem PV-Sonnenkollektor; die schwarze Oberfläche absorbiert effizient Wärmeenergie, die daraufhin von zirkulierendem Wasser gekühlt wird, wodurch sich das Wasser erwärmt. Das Wasser wird kontinuierlich durch diese Schleife geführt. Dabei wird durch Sonnenenergie Warmwasser erzeugt. Bei einigen Systemen wird auf das Pumpensystem verzichtet und der Auftrieb von Warmwasser genutzt. Das Warmwasser „schwimmt oben“, kälteres Wasser sinkt nach unten, wodurch im System ein gewisser Fluss entsteht. Dies wird als Thermosiphon bezeichnet. Bei diesen Systemen muss der Lagertank über der Sonnenwärme-Absorptionsvorrichtung liegen, wie hier dargestellt.
4) Vakuumrohr-Solar-Warmwasserbereiter
Moderne und effizientere Solar-Warmwasserbereiter nutzen Vakuumrohre und geschlossene Wärmerohre zur Leitung von Wärmeenergie in einen sekundären Tank. Das Vakuumrohr gewährleistet, dass Strahlungsenergie in das System eintreten kann; die Energie, die in Wärmeenergie umgewandelt wird, bleibt jedoch im Rohr. Das Wärmerohr absorbiert diese Energie und leitet sie daraufhin in den großen Wassertank. Diese Systeme erhitzen Wasser in den kalten Monaten effizienter, da minimale Mengen an Wärmeenergie aus dem Vakuumrohr entweichen, wodurch nahezu alle Strahlungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird.
5) Flüssigsalz-Sonnenenergie
Kürzliche technologische Durchbrüche bei Flüssigsalz-Systemen eröffnen neue Perspektiven bei der Stromerzeugung mit Sonnenenergie. Ähnlich wie bei den bereits erwähnten Solar-Warmwasserbereitern nutzen Flüssigsalz-Sonnenkraftwerke elektromagnetische Strahlung, um Salz zu schmelzen. Dieses Flüssigsalz wird in einen Wärmetauscher geleitet, der Wasser verdampft; der Dampf wiederum wird durch eine Dampfturbine geleitet und erzeugt so Strom. Flüssigsalz-Sonnenkraftwerke wie das Sonnenwärmekraftwerk Ivanpah nutzen ein gewaltiges Netzwerk an Heliostat-Spiegeln, die das Sonnenlicht auf einen zentralen Solarturm konzentrieren. Der Solarturm sammelt die Energie aller umgebenden Heliostate – genug, um Salz mit 815 °C zu schmelzen. Das geschmolzene Salz wird in isolierten Tanks gelagert, wodurch die Energie auch genutzt werden kann, wenn die Sonne untergegangen ist.
Die Zukunft der Sonnenenergie
Sonnenenergie wird zunehmend als Alternative für Strom aus fossilen Brennstoffen genutzt. Es gibt zwar diverse Methoden zur Nutzung von Sonnenenergie, aber sie alle haben gemein, dass die Sonne benötigt wird, um physikalische Arbeit auf bestimmte Weisen auszuführen, für die wir bisher Strom notwendig war. Effizienzsteigerungen und Prozessoptimierungen werden die Produktivität der Sonnenenergie steigern und könnten bis hin zum völligen Verzicht auf fossile Brennstoffe führen.