Im 21. Jahrhundert ist Solarstrom bereits zum Alltag geworden. Von solarbeheizten Schwimmbädern bis hin zu sonnenbetriebenen Häusern gibt es viele Beispiele, die die sinnvolle Anwendung der sauberen, sicheren und nachhaltigen Kraft der Sonne demonstrieren. Da die Besorgnis über die Auswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Möglichkeit der Erschöpfung nicht erneuerbarer Energiequellen wächst, sieht die Zukunft der Solarenergie rosig aus. Stand 2013 ist die Technologie nicht unproblematisch und bisher waren die Anwendungen meist relativ klein, aber auf diesem Gebiet wird viel geforscht und es gab eine Reihe sehr vielversprechender Entwicklungen.
Solarenergie nutzen
Die Sonne ist potenziell eine riesige Quelle erneuerbarer, sauberer Energie. Einige schätzen, dass Sonnenlicht 10,000-mal so viel Energie produzieren könnte, wie die Erde zu Beginn des 21. Jahrhunderts verbrauchte. Es gibt jedoch große technologische Herausforderungen, um diese Energie effektiv zu nutzen. Es gibt eine Reihe verschiedener Technologien, die Sonnenlicht zur Stromerzeugung nutzen und sich in der Entwicklung befinden.
Sonnenlicht kann einfach zum Erhitzen von Wasser verwendet werden, das dann zur Zentralheizung von Häusern verwendet wird. Alternativ kann es zur Stromerzeugung mit Photovoltaik (PV)-Zellen verwendet werden, die auf Sonnenkollektoren angeordnet sind. Eine dritte Methode besteht darin, Sonnenlicht auf ein Ziel zu konzentrieren, um Wärme zu erzeugen, die direkt für industrielle Zwecke verwendet werden kann oder um Elektrizität bereitzustellen.
Solarplatten
Diese Paneele basieren auf dem photoelektrischen Effekt, bei dem bestimmte Substanzen bei Lichteinwirkung einen kleinen elektrischen Strom erzeugen. Photovoltaikzellen werden konstruiert, um diesen Effekt auszunutzen, und Sonnenkollektoren bestehen aus großen Anordnungen dieser Geräte, die so positioniert sind, dass sie so viel Sonnenlicht wie möglich aufnehmen. Zusammen können sie erhebliche Mengen an Strom erzeugen. Obwohl sie seit 2013 relativ ineffizient sind, haben sie normalerweise sehr niedrige Betriebs- und Wartungskosten und können sehr effektiv bei der Stromversorgung von Haushalten sein. Es wird viel geforscht, um die Effizienz zu verbessern und Zellen aus billigeren Materialien zu bauen.
Die meisten Sonnenkollektoren bestehen aus kristallinen Silizium-PV-Zellen, die 14-16% effizient Sonnenlicht in Strom umwandeln. Eine Reihe von Alternativen wird jedoch geprüft. Dünnschichtzellen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Obwohl diese derzeit weniger effizient sind als Standard-PV-Zellen, sind sie leicht, flexibel und kostengünstiger in der Herstellung. Multijunction-Zellen können einen Wirkungsgrad von mehr als 43% erreichen. Sie sind so strukturiert, dass verschiedene Teile der Zelle darauf abgestimmt sind, Sonnenlicht in bestimmten Wellenlängenbereichen einzufangen, anstatt einen einzelnen Rezeptor zu haben, der einen Teil der verfügbaren Energie verfehlt.
Ein weiteres vielversprechendes Gebiet ist die farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC), manchmal auch Gratzel-Zelle genannt, nach Michael Gratzel, der sie in den 1990er Jahren erstmals entwickelt hat. Diese nutzen einen Farbstoff, um Sonnenenergie einzufangen und einen Elektronenfluss zu erzeugen, der über eine darunter liegende flüssige Elektrolytschicht wieder aufgefüllt wird. Obwohl sie potenziell billig in der Herstellung sind, haben sie nur einen Wirkungsgrad von etwa 12 %, und es gibt Probleme mit der Haltbarkeit, die sich auf die kommerzielle Nutzung auswirken können. Beispielsweise kann die Flüssigkeit bei Kälte gefrieren oder sich bei Wärme ausdehnen und auslaufen. Forscher haben eine Version der Zelle entwickelt, bei der der lästige flüssige Elektrolyt durch ein festes Material ersetzt wird, was den Weg für billige und langlebige Solarmodule ebnet.
Neben der Entwicklung günstigerer und effizienterer Photovoltaikzellen liegt ein wichtiger Teil der Zukunft der Solarenergie im Neubau und der Nachrüstung vieler älterer Gebäude. Einige Experten sagen voraus, dass die meisten, wenn nicht sogar alle neuen Gebäude mit Sonnenkollektoren auf Dächern ausgestattet werden. Da diese auch leicht zu montieren sind, können viele ältere Gebäude aufgerüstet werden, um mit Strom von der Sonne betrieben zu werden. Experten und Umweltschützer hoffen, dass umweltfreundliche Gebäude von den Regierungen durch großzügige Steueranreize, Ausnahmen und Zuschüsse für die Nutzung alternativer Energien gefördert werden.
Sonnenkollektoren auf einem Dach können in einigen Bereichen den gesamten oder den größten Teil des Energiebedarfs eines Hauses decken. In Fällen, in denen Menschen in mehrstöckigen Wohnungen leben, ist die Dachfläche jedoch im Verhältnis zur Anzahl der Wohnungen sehr gering. Kleine, individuelle Anwendungen können zwar das Stromnetz entlasten, aber wenn die Sonne den Strombedarf von Städten und Industrien decken soll, muss ihre Zukunft in großen solarbetriebenen Stromerzeugungsanlagen liegen.
Das größte Problem bei der Nutzung von Solarenergie mit PV-Zellen ist der Platzbedarf für den Bau der Kraftwerke. Eine Anlage besteht aus Tausenden von Sonnenkollektoren, ähnlich denen, die derzeit in Häusern mit alternativer Energie installiert sind. Aus diesem Grund benötigen sie einen durchgehend sonnigen Standort und viel Platz. Derzeit umfasst eines der größten Kraftwerke der Welt mehr als 10 km² und erzeugt genug Strom, um etwa 16.9 Haushalte zu betreiben. Einige Experten vermuten, dass zur Stromversorgung der gesamten Vereinigten Staaten eine Fläche von etwa 2 km pro Seite erforderlich wäre, wahrscheinlich irgendwo im Wüstenklima des amerikanischen Südwestens.
Alternativen zu Solarmodulen
Es gibt eine Reihe weiterer Möglichkeiten, die Kraft der Sonne im großen Stil zu nutzen. Ein Beispiel ist die konzentrierende Solarenergie (CSP)-Technologie. Anstatt direkt Strom zu erzeugen, konzentrieren diese Sonnenlicht zum Erhitzen von Wasser und liefern Dampf, um eine Turbine anzutreiben, die wie ein konventionelles Kraftwerk Strom erzeugt. Sie können aus Anordnungen von Parabolspiegeln bestehen, die das Sonnenlicht auf eine mit Flüssigkeit gefüllte lineare Röhre fokussieren. Alternativ kann die Sonnenwärme durch einen Parabolspiegel fokussiert werden, um eine Flüssigkeit zu erhitzen, die einen Stirlingmotor antreibt, der die mechanische Energie für die Stromerzeugung liefert.
Ein weiteres bewährtes System ist der „Power Tower“, bei dem eine Reihe von der Sonne nachgeführten flachen Spiegeln die Wärme der Sonne auf einen Flüssigkeitsbehälter bündeln, der als Dampf für einen Generator verwendet wird. Mehrere Anlagen sind in Betrieb und produzieren 10-20 Megawatt Strom. Zukünftige Anlagen können bis zu 200 Megawatt liefern.
Die Zukunft
Ein ermutigender Trend in Bezug auf die Zukunft der Solarenergie ist, dass viele der weltweit größten Innovatoren ihre Talente und Mittel auf die Verbesserung alternativer Energietechnologien konzentrieren. Viele Vergabeprogramme – finanziert von verschiedenen Regierungen auf der ganzen Welt – konzentrieren sich auf die wirtschaftliche und großflächige Bereitstellung von Solarstrom. In vielen Ländern erhalten die Bürger finanzielle Anreize für den Umstieg auf „grüne“ Energiequellen und die Installation eigener Sonnenkollektoren.
Obwohl es seit 2013 viele ermutigende Anzeichen dafür gibt, dass Regierungen die Notwendigkeit alternativer Energiequellen anerkennen und die Erforschung der Solarenergie fördern, liegt die Antwort zum Teil in den Händen der Weltbürger. Was gewöhnliche Bürger kaufen und unterstützen, wird die Trends der Zukunft beeinflussen. Durch die Installation von Sonnenkollektoren, Spenden an Forschungseinrichtungen, die sich mit alternativen Energien beschäftigen, einen Hochschulabschluss in einem verwandten Fach zu erwerben und für Maßnahmen zur Förderung der Entwicklung alternativer Energien zu stimmen, kann jeder die Zukunft der Solarenergie mitbestimmen.