Sonnenenergie
Für die Stromerzeugung durch Sonnenenergie stehen die Möglichkeiten der Photovoltaik (Photozellen) und der solarthermischen Kraftwerke zur Verfügung.
„Die Sonne schickt uns täglich 15.000 mal mehr Energie, wie alle Menschen zusammen verbrauchen.“ Franz Alt (Lit. 18). Stimmt das?
a) Photovoltaik
Bei dieser Umwandlungsart wird die Energie des Sonnenlichts in Solarzellen durch den photovoltaischen Effekt direkt in Strom umgewandelt. Bild 8.
Bild 8) Vorgänge in einem solaren Flachkollektor, aus: Quaschning, (Lit. 151) S. 136
Da die Spannung einer einzelnen Zelle für die meisten Anwendungen zu gering ist, werden Gruppen von Zellen zu sog. Modulen zusammengeschaltet. Die elektrische Leistung einer Solarzelle ist proportional zur Zellenfläche, sodass Solarzellen großflächig dimensioniert werden.
Bild 9 zeigt den typischen Aufbau einer Si-Solarzelle. Die beleuchtete Deckfläche ist mit einem Netz von dünnen Kontaktfingern zur Stromableitung überzogen (Lit. 19 u. 20).
Bild 9) Aufbau und Vorgänge in einer Solarzelle, aus: Quaschning, (Lit. 151) S. 105
Als umweltfreundliche Methode der Energieumwandlung hat die Solarzelle in gewissen Bereichen gute Zukunftschancen, sofern es gelingt, den Wirkungsgrad weiter anzuheben. Der bisher höchste Umwandlungswirkungsgrad wurde mit einer kleinen Tandem-Galliumarsenid-Solarzelle im Labor erreicht und er liegt bei 31 Prozent (Lit. 21). Um die Photovoltaik einem breiten Verbraucherkreis nutzbar zu machen, sind noch erhebliche Anstrengungen vonnöten, wobei der Wirkungsgrad weiter anzuheben ist (bisher ca. 20 %) und die Kosten zu senken sind.
Derzeit liegen die Kosten für eine Kilowattstunde Solarstrom aus Photovoltaikanlagen bei etwa 9,8 cts/kWh. Damit ist das Preisniveau immer noch deutlich über dem Niveau moderner Kohle- und Gaskraftwerke. Langfristig hält man jedoch bis zum Jahr 2050 auch ein Absinken bis auf 2 - 4 cts/kWh für möglich (Lit. 22). Zur Überbrückung von Dunkelzeiten müssen die Solargeneratoren mit Akkumulatoren gepuffert werden.
Das bisher größte Solarkraftwerk der Bundesrepublik (771 kWp) steht auf der Nordseeinsel Pellworm mit einer Spitzenleistung von 300 kW. Der Strompreis beträgt dort 3,75 cts/kWh und ist damit billiger als Strom aus thermischen oder nuklearen Kraftwerken.
Um ein Kernkraftwerk der heutigen 1300 MW-Generation zu ersetzen, müsste man eine Fläche von 100 Quadratkilometern mit Sonnenkollektoren in der Wüste zubauen. Der erzeugte Solarstrom müsste dann aber mit hohen Leitungsverlusten über viele tausende Kilometer zu den Verbrauchern nach Deutschland transportiert werden.
Aufgrund der geringen Energiedichte und der derzeitig hohen Kosten wird auch die CO2-Reduzierung durch die Photovoltaik gering ausfallen, wenn es nicht gelingt, billige Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden zu entwickeln. Die Zukunft der Solarenergie dürfte daher im Sonnengürtel der Erde liegen, wo heute schon Voraussetzungen für einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz gegeben sind: hohe Sonneneinstrahlung und weite, große nutzbare Flächen. Es bleibt aber der Nachteil der fehlenden Stromnetze und der fehlende Energiebedarf der Verbraucher.
Netzgebundene Solarstromanlagen arbeiten bisher in Deutschland noch nicht wirtschaftlich. Die Erzeugung von Solarstrom wird daher durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz staatlich gefördert. Inhaber von Solarstromanlagen erhalten derzeit eine Vergütung von 12,30 bis 19,40 cts/kWh je nach Inbetriebnahmedatum, Größe und Art der Anlage (Lit. 23). Diese Kosten für die Solarstromerzeugung werden auf fast alle Stromverbraucher umgelegt. Die EEG-Förderung beträgt heute (2017) für Solaranlagen bis 750 kW zunächst 8,91 cts/ kWh und soll bis zum Jahre 2023 nach Berechnungen der Organisation „Agora Energiewende“ weiter ansteigen. Für Solaranlagen mit einer installierten Leistung größer als 750 kW besteht die Pflicht zur Ausschreibung nach einer Änderung des Erneuerbaren-Energien-gesetzes vom 8. 7. 2016. Danach müssen die meisten erneuerbaren Energien-Anlagen zukünftig im Wettbewerb über Ausschreibungen ihre Förderung beantragen (Lit. 23).
Dadurch verbleibt der Haushaltsstrompreis in Deutschland extrem hoch. Trotzdem hat sich die installierte Leistung der Photovoltaik seit 2010 bis Ende 2014 mehr als verdoppelt, und zwar von 18 auf 38 GW.
In Deutschland kann es durch den starken Ausbau der Photovoltaik passieren, dass mehr Solarstrom erzeugt wird, als das deutsche Netz aufnehmen kann. Dieser überschüssige Solarstrom muss dann gratis an das Ausland abgegeben und verschenkt werden.
b) Solarthermische Kraftwerke
Solarthermische Kraftwerke wandeln die Sonnenstrahlen in Wärme um. Das Sonnenlicht wird mithilfe von parabolisch geformten Spiegeln konzentriert. Im Brennpunkt dieser Spiegel ist ein Absorber installiert, durch den ein Wärmeträgermedium strömt. Bild 10. Die Spiegel drehen sich elektronisch gesteuert stets in Richtung der Sonne. Als Absorber dient synthetisches Thermoöl. Dieses Öl verwandelt über einen Wärmetauscher Wasser in Dampf, der schließlich eine Turbine antreibt (Lit. 24). Wenn Nacht oder Nebel ist, kann die Prozesswärme zusätzlich durch Erdgas erzeugt werden. Damit lässt sich im Gegensatz zur Photovoltaik eine tägliche, kontinuierliche Leistungsabgabe garantieren (Lit. 25).
Bild 10) Einachsig nachgeführte Reflektoren für Linienkonzentratoren, aus: Quaschning, (Lit. 151) S. 165
Eine derart aufgebaute Solaranlage steht in Harper Lake und in Kramer Junction in Süd-Kalifornien. Diese Anlagen gehören zu den größten Solarkraftwerken der Welt (Lit. 26). Zusammen liefern sie 354 Megawatt Strom. Harper Lake produziert allein 160 MW. Der Strom soll zu 10,92 US-Cent/kWh geliefert werden. Die Kosten für den Bau der Anlage lagen bei 1,6 Billionen Dollar.
Solarthermische Dampfkraftwerke, die ihre von Spiegeln aufgefangene Hitze auf Turbinen übertragen, mögen in Kalifornien oder der Sahara einen kostengünstigen Strom liefern. Eine solche günstige Solarstromanlage ist aber in Deutschland nicht denkbar, da hierzulande die Sonneneinstrahlung zu gering ist.
Die Untergrenze für die nutzbare Sonneneinstrahlung liegt bei 1700 Kilowattstunden pro Quadratmeter im Jahr. In Deutschland beträgt die nutzbare Sonneneinstrahlung aber nur 900 bis 1200 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (Lit. 27). Die hiesige Gegend kommt daher für die Nutzung solarthermischer Kraftwerke kaum infrage. Die Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt fand jedoch heraus, dass innerhalb der Europäischen Union Gebiete in Griechenland, Italien, Portugal und Spanien sehr wohl für die Nutzung solarthermischer Kraftwerke geeignet sind. Mit deutscher Unterstützung wurde daher eine auf 50 Millionen Euro Kosten geschätzte Demonstrationsanlage im spanischen Almeria errichtet.
Auch wenn ein Kraftwerk in Spanien kostengünstigen Solarstrom wird liefern können, bleibt das Problem der Energiefortleitung. Ohne verlustfreie Fortleitung mithilfe der Technik der Supraleitung bleibt ein solches Vorhaben wohl reine Utopie.
Ob sich solarthermische Kraftwerke wirklich durchsetzen können, muss zweifelhaft erscheinen, wenn man erfährt, dass die größte Solarfarm 354 MW in der kalifornischen Mojave-Wüste, etwa 50 km südlich von Las Vegas, in Konkurs gegangen ist. Die Gründe hierfür liegen in den ungewöhnlich gestiegenen Kosten für den Bau des Solarkraftwerks (2,018 Mrd. Dollar) bei gleichzeitig gefallenen Strompreisen (Lit. 28). Eine ebenfalls ungünstige Bilanz ergibt sich mit dem Projekt „Solarer Wasserstoff“ aus Neunburg vorm Wald, welches auf Solarbasis Wasserstoff zu einem günstigen Preis liefern sollte.
c) Windenergie
Die Windenergie ist mit insgesamt 50,018 Gigawatt an Land und auf See die am stärksten ausgebaute Energiesparte 2016 in Deutschland. Die Windenergie war auch 2016 die investitionsstärkste Sparte, die mit Zuwächsen von 4625 MW an Land den höchsten Anteil an den Zuwächsen der Erneuerbaren Energieen hatte.
Der Ausbau der Windenergie dürfte wie geplant voranschreiten. Nach Plänen der Bundesregierung sollen bis zum Jahr 2030 rund 65 GW am Netz sein. Bis 2030 sollen sich in Nord- und Ostsee Windkraftanlagen mit einer Kapazität von 25 GW Offshore-Leistung drehen (Lit. 29).
Laut Fraunhofer Institut ISE lagen 2014 die Stromgestehungskosten für On-Shore-Windstromanlagen bei guten Standorten unter 9,2 cts/kWh. Bei guten Windstrom-Standorten traten sogar nur Stromgestehungskosten von 4,5 cts/kWh auf (Lit. 30 + 31). Sie betragen damit weniger als die von neuen Steinkohle- und Gaskraftwerken, die Stromgestehungskosten von 6,3 bis 8,0 cts/kWh bzw. 7,5 bis...
