Sonnenenergie

Dass die Sonne genügend Energie zu unserem Planeten sendet, um ein vielfaches unseres täglichen immens großen Energiebedarfes zu decken, ist hinlänglich bekannt. Die zu bewältigende Aufgabe besteht darin, die Energie einzufangen und in eine nutzbare Form umzuwandeln. Auch Solarenergie ist daher mit einem Verbrauch an letztendlich endlichen Ressourcen verbunden und ein maßvoller Umgang mit Solarenergie ist somit ebenso geboten, wie dies bei fossilen Energien der Fall ist.
Wir stehen allerdings bezüglich der fossilen Energien sehr nahe vor dem Peak, das heißt kurz vor dem Punkt, ab dem die Fördermengen, die täglich gefördert werden können, sinken werden, der Aufwand zu ihrer Förderung steigen wird und ab dem die Förderung der fossilen Rohstoffe mit wesentlich höheren Umweltbelastungen einhergehen wird, als in der Vergangenheit.
Diese Tatsache und die mittlerweile sehr weit entwickelte Technologie zur Nutzung von Solarenergie in verschiedenen Formen haben jedoch dazu geführt, dass die gesamtwirtschaftlichen Kosten der Solarenergie heute merklich niedriger liegen, als die realistischen Kosten zur Nutzung fossiler Energien, zumindest was die Produktion elektrischer Energie betrifft und bezüglich einiger weiterer Nutzungsmöglichkeiten.

Die Nutzung der Sonnenergie wird unterteilt in direkte und indirekte Nutzung der Sonnenenergie:

Zur direkten Nutzung der Sonnenenergie sind in erster Linie Solarzellen zur Produktion von Strom und Sonnenkollektoren zur Wärmeerzeugung (Wasseraufheizung) bekannt. Daneben gibt es auch thermische Solarkraftwerke, die über Spiegel die Sonnenwärme einsammeln und über thermische Kraftmaschinen (beipielsweise Dampfmaschinen oder Auftriebskraftwerke) die thermische Energie in elektrische Energie umwandeln.

Als indirekte Nutzung der Sonnenenergie werden in der Regel Windkraftwerke, Wasserkraftwerke und nachwachsende Rohstoffe bezeichnet.

Windkraft


Windräder sind seit vielen Jahren gegenüber konventioneller Stromproduktion konkurrenzfähig.
Ab Vergütungskosten von etwa 10 ct./kWh können Windkraftwerke gewinnbringend betrieben werden. Dieser Preis liegt derzeit (2014) über dem Börsenpreis für Strom. Der Börsenpreis ist jedoch verfälscht, weil insbesondere deutsche Stromerzeuger mit längst abgeschriebenen Produktionsanlagen (Kohle und Kernkraft) fast zu reinen Betriebskosten anbieten und die Investkosten nicht an den Markt weitergeben. Für neu gebaute Kohlekraftwerke liegen die Wirtschaftlichkeitskalkulationen nicht unter 10 ct./kWh.
Die Windkraft macht in Deutschland (2013) mit etwa 8 bis 10% Anteil an der Gesamt-Stromproduktion den größten Teil der regenerativen Stromproduktion aus. Der Schwerpunkt der installierten Windenergie liegt im Norden Deutschlands. Die Wirtschaftlichkeit wäre auch in den südlichen Regionen Deutschlands an vielen Standorten gegeben. Allerdings sorgen politische Maßnahmen immer wieder dafür dass südlich des Mains die Windenergie kaum Fuß fassen kann. Aktuell (2014) Sorgen Veränderungen in der Abstandsregel (vorgeschriebener Abstand von Windkraftanlagen zu bewohnten Gebieten) zur Eingrenzung theoretisch nutzbarer Räume auf verschwindend wenige Flächen. Die Akquise und Entwicklung von Standorten bzw. Projekten ist somit ein kostentreibener Prozess, der sich in der Regel über viele Jahre hinzieht und mit ungewissem Ausgang versehen ist. Somit ist derzeit für Investoren für den süddeutschen Raum kaum Planungssicherheit gegeben und der weitere Ausbau der Windenergie stagniert oder kommt derzeit nur langsam voran. Ferner sind auch deutschlandweit Maßnahmen im Gespräch, die die Einspeisevergütung für Windkraft im Resultat verringern.

Fotovoltaik


Solarzellen zur Stromerzeugung
Die Fotovoltaik hat durch die Einführung des Erneuerbare Energien Gesetzes bzw. der damit verbundenen Einspeisevergütung eine Kometenhafte Entwicklung genommen. Über viele Jahre war der deutsche Markt für Solarzellen ein weltweiter Treiber der Entwicklung zur wirtschaftlichen Produktion von Solarzellen. Der Autor dieser Homepage war anfänglich ein eher zaghafter Befürworter der Fotovoltaik, weil er in anderen Bereichen bessere Wirtschaftlichkeit gegeben sah. Die rasante Entwicklung der Photovoltaik hat auch ihn überrascht. Die ersten Fotovoltaik-Anlagen wurden mit Vergütungssätzen von über 50 ct./kWh gefördert und lagen somit weit über den Marktpreisen für Strom. Heute können Großanlagen zu Vergütungssätzen von knapp über 10 ct./kWh wirtschaftlich einspeisen und liegen somit in der Wirtschaftlichkeit mit Windkraftanlagen und mit neu gebauten Kohlekraftwerken ungefähr gleich auf.
Da in Zukunft mit stark steigenden Kohle-Preisen auf dem Weltmarkt zu rechnen ist, werden Windkraft und Fotovoltaik in einer sehr nahen Zukunft wirtschaftlich allen anderen Arten der Energieproduktion überlegen sein.

Mit einer signifikanten weiteren Absenkung der Stromproduktionskosten ist heute nicht mehr zu rechnen, da der Anteil der Kosten für die Solarmodule gegenüber den restlichen Kosten immer kleiner wird. Die Kosten für die Montageanlagen der Module ("Unterkonstruktion"), die teilweise erheblichen Kosten für die verkabelung (Kupfer) und die Kosten für die Wechselrichter, die den Gleichstrom aus den Modulen in Wechselstrom für das Netz umwandeln, werden voraussichtlich in Zukunft nicht merklich sinken. Auch die Produktionskosten für Solarmodule haben in den letzten wenigen Jahren nur noch unmerklich nachgelassen.
Fotovoltaik-Anlagen sind üblich als Aufdachanlagen und als Freifeldanlagen. Freilich ist die Erstellung von Aufdachanlagen grundsätzlich zu bevorzugen, da hierdurch ohnehin bereits verbaute Flächen genutzt werden und keine weiteren Flächen verbaut werden müssen. Allerdings ist die potentielle Nutzungsdauer einer Fotovoltaikanlage so groß, dass innerhalb dieser Zeitspanne vielfach mit erforderlichen Umbau- oder Reparaturmaßnahmen auf den betreffenden Dächern zu rechnen ist. Solche Arbeiten können den wirtschaftlichen Fortbestand einer Fotovoltaik-Anlage, wenn diese bereits viele Jahre in Betrieb war, durchaus gefährden. Ferner ist Energieausbeute je Flächeneinheit beispielsweise im Verhältnis zu nachwachsenden Rohstoffen so groß, dass in einer gesamtökologischen Berechnung Freiflächenanlagen durchaus ihre Berechtigung haben. Zudem kann die Fläche zwischen den Solarmodulen von Freiflächen-Anlagen teilweise auch landwirtschaftlich genutzt werden.
Aktuelle Solarmodule erhalten ab Werk üblicherweise eine Garantie darauf, dass die Produktionsleistung innerhalb von 20 Jahren um maximal 10% reduziert wird. Aber dies bedeutet nicht, dass die Solarzellen nicht noch weitere Jahzehnte enorme Strommengen produzieren könnten, sofern sich die Verklebung zwischen den Glas und den Zolarzellen nicht löst oder Wasser eindringt.

Die Einspeisevergütung

Das Erneuerbare Energien Gesetz ("EEG") war das Resultat des enormen Einsatzes einiger Bundestagsabgeordneten und anderer Politiker, allen Voran Hermann Schreer, der leider nicht mehr lebt.
Durch die Förderung der regenerativen Energien über den Strompreis wird der Staatshaushalt entlastet und die Förderkosten werden den Energiekosten beaufschlagt, was grundsätzlich wieder Anreize für den wirtschaftlichen Umgang mit Energie schafft.

Leider wurde das EEG in den letzten Jahren stark demontiert, offensichtlich mit dem Ziel, die hohen solaren Zubauraten der letzten Jahre zum erliegen zu bringen. Seit dem Jahr 2010 wurde die von Anfang an geplante Reduktion der Einspeisevergütung in erheblich größeren und häufigeren Schritten durchgeführt, als dies im Gesetzt vorgesehen war. Dies hatte zunächst den Hintergrund, das trotz der gesetzlich vorgesehenen Absenkungen der Vergütung die Kosten für Solaranlagen noch erheblich rascher sanken, als dies das Gesetz vorsah. Zunächst führte somit die raschere Absenkung der Einspeisevergütung zu einer angemessenen Situation auf dem Markt. Ab dem Jahr 2012 jedoch wurde durch die Deckelung des Zubaus und durch eine zu tiefe Absenkung der Einspeisevergütung ein deutlicher Rückgang des solaren Ausbaus erwirkt. Ferner wurde die in den Jahren zuvor aufgebaute Solarindustrie innerhalb kürzester Zeit wieder zerstört. Dies bedeutet für den Verbraucher, dass er noch über viele Jahre mit der Bezuschussung der alten Anlagen den gewollten Aufbau der deutschen Solarindustrie bezahlen wird. Die Industrie, die uns in einer nahen Zukunft vollkommen ohne Bezuschussung den weiteren solaren Ausbau bewerkstelligen und viele Arbeitsplätze hätte sichern können, wurde jedoch kurz vor der absoluten wirtschaftlichen Eigenständigkeit gewissermaßen bewusst vernichtet.
Eine weitere Ungereimtheit in der gegenwärtigen Ausgestaltung des EEG liegt in der Tatsache, dass die Endverbraucher und die kleine mittelständische Industrie praktisch alleine für die volle Umlage der Einspeisevergütung aufkommen müssen, wohingegen die Großindustrie davon vollständig befreit ist. Somit kann die Großindustrie Strom zu einem historischen Niedrigstpreis beziehen und hat nicht die geringsten Anreize für den wirtschaftlichen Umgang mit Energie.
Trotz all dieser Probleme hat der Anteil regenerativer Energien an der Stromproduktion im Jahr 2013 die 25%-Marke geknackt und liegt heute in Deutschland somit auch höher, als der Kernenergie-Anteil.
Bei aller Freude über den wachsenden Anteil regenerativer Energien an der Stromproduktion darf allerdings nicht vergessen werden, dass der größte Teil der Energienutzung in der Hausheizung liegt und dass für diese und weitere thermische und industrielle Energienutzungen so wie im Verkehrsbereich der regenerative Anteil noch erheblich niedriger liegt. Bislang gibt es außer der direkten thermischen Nutzung der Sonnenenergie und außer der Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen bzw. Bioasse auch noch sehr wenige wirtschaftlich vorteilhafte Nutzungsmöglichkeiten regenerativer Energien außerhalb der elektrischen Energie.

Solarthermie

Sonnenkollektoren sehen zwar auf den ersten Blick ähnlich Solarzellen aus, erzeugen jedeoch keinen Strom, sondern warmes Wasser, welches durch diese hindurchgeleitet wird und direkt durch die Sonnenstrahlung erwärmt wird. Sonnenkollektoren gehören zu den wirtschaftlichsten Sonnenenergienutzungen und erwirtschaften pro genutztem Quadratmeter deutlich mehr Energie, als Solarzellen. Während die Wirkungsgrade von Solarzellen in der Regel unter 20% liegen, erreichen Sonnenkollektoren Wirkungsgrade zwischen 70 und 90%. Im Allgemeinen kommen sie bei der Gebäudeheizung und zur Brauchwasser-Erwärmung unterstützend zur Anwendung.
Allerdings ist der reelle Wert von elektrischer Energie zum jetzigen Zeitpunkt ungefähr um den Faktor 3 höher zu bewerten, als der Wert von Wärmeenergie, da andersherum zur Herstellung von elektrischer Energie bei Verbrennungskraftwerken ungefähr die dreifache Menge an fossilen Brennstoffen erforderlich ist, um eine bestimmte Menge elektrischer Energie zu erzeugen. Die deutschlandweite nominelle Gesamtleistung wurde im Jahr 2009 durch den Betrag installierte Photovoltaik überholt. Leider erfährt die Nutzung solarer Wärme gegenwärtig keine vergleichbare Förderung, so dass sich ihr Anteil momentan nur langsam erhöht.

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Es liegt nahe, Solarstrom in Regionen zu produzieren, in denen eine intensivere Sonneneinstrahlung herrscht und längere Sonnenzeiten. Also beispielsweise in der Sahara. Als Problemlösung des Energietransports wurde in der Vergangenheit immer wieder der Wasserstoff als transportabler Energiespeicher erwähnt. Die Effizienz wäre sehr schlecht und Nebenfolgen wären zusätzlich gegeben. Um so hoffnungsvoller erscheinen hingegen Initiativen zur Vernetzung der Sahara mit Europa durch Hochspannungsgleichstromleitungen (Wikipedia). Die Energieverluste sollen etwa 10% betragen. Bislang waren für die Anwendung in heißen Regionen überwiegend solarthermische Kraftwerke im Gespräch, in denen durch verspiegelte Parabolrinnen das Licht auf ein dünnes wassergefülltes Rohr konzentriert wird. Das erhitzte Wasser (oder eine für höhere Temperaturen geeignete Flüssigkeit) treibt als Dampf Turbinen an. Zur Kühlung des Dampfes kann Meerwasser verwndet werden, welches bei der Gelegenheit zur Trinkwassergewinnung entsalzt wird. Die Technologien sind in der Pilotphase erprobt. Allerdings kamen die entsprechenden Projekte wegen der rapide gesunkenen Preise für Fotovoltaik-Strom massiv wirtschaftlich unter Druck.
Ein Problem scheint die Frage von Elektrosmog um die Hochspannungsleitungen zu sein. Veränderte magnetische Felder sind in einem Bereich von wenigen Kilometern um die Leitung zu messen. Die Leitungen werden nur in einer Richtung verlegt, der rückfließende Strom wird durch das Wasser bzw durch die Erde geleitet. An den elektroden bilden sich relativ geringe Mengen von Clorgas und Wasserstoff, die in die Atmosphäre entweichen. Die Technologien werden vom Club of Rom im Rahmen des Desertec - Projektes vorangebracht. Ein entsprechendes System würde vermutlich immer in der Hand großer Konzerne verbleiben und entspräche nicht dem Ideal einer dezentralen und störungsunanfälligen Energieversorgung. Es ist ferner in den letzten Jahren relativ ruhig um das Desertec-Projekt geworden.

Eignung für mobile Anwendungen

Ganz allgemein lässt sich Solarenergie in mobilen Anwendungen deutlich schlechter nutzen, als in stationären Anwendungen (Ausnahme: Eisenbahnen mit Entnahme der Energie direkt aus dem Stromnetz). Die wesentliche Hürde sind bis heute wirtschaftliche und leichtgewichtige Stromspeicher. Solange es einen merklichen Bedarf an regenerativ erzeugter elektrischer Energie gibt, besteht darin auch kein Problem, denn im Netz kann Strom mit hohem Wirkungsgrad in jede andere Form von Nutzenergie umgewandelt werden. Solange die gesamte Produktion regenerativen Stroms daher noch nicht zumindest zeitweise merklich größer ist, als der gesamte Stromverbrauch, sollte stationären Anwendungen für solaren Strom vorerst der Vorzug gegeben werden.
Elektroautos bieten gegenüber diesel- oder benzinbetriebenen Autos keinen ökologischen Vorteil, solange Strom aus Kohle gewonnen wird und solange nicht im großen Maßstab "Bio-Fuel" hergestellt wird, der in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln steht. Letzteres ändert sich derzeit. Gegenüber pflanzlich hergestellten Treibstoffen von Agrarflächen oder Urwaldflächen oder gegenüber Kohle-Verflüssigung sind elektrisch betriebene Autos ökologisch im Vorteil. Die Batterietechnik entwickelt sich derzeit so rasant, dass Elektroautos unter den so genannten Zero-Emission-Vehicles als die aussichtsreichsten und ökologisch vorteilhaftesten Kandidaten erscheinen.

Elektroautos werden in naher Zukunft ihre Berechtigung erfahren, weil Sie zu Zeiten von Stromproduktionsspitzen Strom tanken können, der eventuell anderweitig nicht mehr genutzt werden könnte. Alternativ müssten sonst solare Kraftwerke abgeschaltet werden. Gleichwohl weisen Elektrofahrzeuge wegen der Batterien, des Kupfers und weiterer wertvoller Rohstoffe, die in größeren Mengen als bei herkömmlichen PKW verbaut werden, einen erheblichen ökologischen Rucksack auf. Daher gilt (wie auch für herkömmliche PKW), dass unnötig große Autos auch als Elektroautos mit dauerhaft nicht zu vertretenden ökologischen Auswirkungen bzw. Ressourcenverbrauch verbunden sind.
die eigentliche Chance der Elektromobilität besteht in wirklich kleinen Fahrzeugen für die Stadt, wie es der City-El war und wie es ein Stück weit noch der Twizzy von Renault ist und sie besteht vor allem im 2-Rad-Bereich einschließlich elektrisch unterstützter Fahrräder. Für derartige Verkehrsmittel eignen sich elektrische Antriebe auch erheblich besser, als Verbrennungsmotoren, da letztere bei so kleinen Größen wesentlich schlechtere Wirkungsgrade aufweisen.

Die Wirtschaftlichkeit im Überblick

 
Jährlicher Energieertrag pro installierter Nennleistung

Der Wert "kWp" bezeichnet die Nennleistung einer Solarzelle oder eines Sonnenkollektoren bei maximaler Sonneneinstrahlung.
"kWh/kWp" gibt den jährlichen Energieertrag im verhältnis zur installierten Nennleistung an. Dieser Wert gilt für Solarzellen und Sonnenkollektoren in ähnlicherweise und gibt Auskunft über die Eignung eines Standortes. Da das Jahr 8760 Stunden hat, hätte eine Solarzelle, die Tag und Nacht die volle Strahlung erhielte (was natürlich nicht möglich ist) rund 8760 kWh/kWp.
Photovoltaik Süddeutschland ca. bis zu 1000 kWh/kWp
Photovoltaik Norddeutschland ca. 800 kWh/kWp
Photovoltaik Südeuropa ca. 1500 kWh/kWp
Photovoltaik Nordafrika ca. 2000 kWh/kWp
Windkraft Norddeutschland onshore ca. 1500 kWh/kWp
Windkraft Norddeutschland offshore über 2000 kWh/kWp
 
Solarzelle (Photovoltaik)
Nennleistung von Solarzellen (kWp/m²) 0,1 - 0,15
Ungefähre Kosten (einschließlich Umrichter, Unterkonstruktion, etc.) netto pro kWp incl. Allem (am Netz) 1500 bis 2000 Euro (Stand 2014)
 
Strom-Produktionskosten
Aktuell typischer Verbraucherstrompreis ca. 20 Ct/kWh
Börsenpreis Sommer 2006 für "sofortige Lieferung" in absoluten Spitzenzeiten bis zu 200 Ct / kWh
Herstellkosten Photovoltaik-Strom (entspricht Einspeisevergütung in Deutschland) ca. 11 Ct/kWh
Herstellkosten Windkraft-Strom (entspricht Einspeisevergütung) ca. 7 Ct / kWh
Herstellkosten Kohle-Strom ca. 6 Ct/kWh
Herstellkosten Kernkraft (im wesentlichen Betriebskosten z. B. ohne Entsorgung oder Invest) ca. 3 Ct/kWh
 
Solarthermie (Sonnenkollektor)
Nenn-Wärme-Leistung / m² ca. 0,8 kWp/m2
Materialkosten Sonnenkollektoren zzgl. Montage / m² ca. 250 Euro / m²
Warmwasser für 4 Personen (8 m2 Solarfläche; 600 l Wasserspeicher) Gesamtkosten ca. 6000 Euro brutto
Typischer Deckungsbeitrag des gesamten fossilen Energiebedars pro Haushalt, wenn nur Warmwasser solar unterstützt wird: 10-15%
Typischer Deckungsbeitrag des gesamten fossilen Energiebedars pro Haushalt, wenn Warmwasser und Heizung solar unterstützt wird: ca. 30%

Letzte Aktualisierung: 24.08.2014


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