Thema: Solarenergie vorgelegt von: Name: Ben Hoßbach Solarenergie Einleitung Begründung des Themas Ich habe mich für dieses Thema entschieden, weil ich mich schon seit einer langen Zeit für Solartechnik, aber vor allem für Fotovoltaik interessierte. Ich fragte mich immer:,,wie kann man mit so komischen, blauen Platten zum Beispiel eine Glühbirne zum Leuchten bringen. Deswegen hab ich dann auch mein vertiefendes Betriebspraktikum, in BO (Berufsorientierung), bei der SMA Solar Technology AG absolviert. Und nun konnte ich mich durch diese Arbeit nochmal etwas tiefer in die Materie der Solartechnik einarbeiten. Entdeckung der Solarenergie Die Entdeckung der Solarenergie umfasst eine lange Geschichte. Die Sonne spendet unmessbare Energie, die man mit keinem Kraftwerk der Welt vergleichen kann. Die gesamte solare Energie die auf unsere Erde trifft ist fünftausendmal größer als der jetzige Energiebedarf der gesamten Menschheit. Bereits in der Antike wussten die Menschen dass die Sonne eine enorme Kraft hat, die auch damals bereits genutzt wurde. Zum Beispiel leiteten sie mit Spiegeln das Licht in Räume, um sie zu
erleuchten, außerdem erhitzten sie Wasser ganz allein mit Sonnenenergie. Des Weiteren gibt es viele Mythologien und Geschichten, die mit der Sonne zu tun haben. Egal ob für Pflanzen, Tiere oder auch uns Menschen ohne die Sonne gäb es kein Leben auf unserer Erde. 1839 entdeckte ein französischer Physiker den fotoelektrischen Effekt und 1907 setzte Albert Einstein den ersten Grundstein für die Solartechnik die wir heute nutzen. 1954 baute ein Forscherteam des Belle Phone Laboratories, auf der Basis von Silizium, die erste Solarzelle. In den 80er Jahren konnten dann die Kosten gesenkt werden, da man immer mehr Verwendungszwecke für Solarenergie fand. In den 90er Jahren wuchs auch das Interesse der privaten Haushalte. Inzwischen ist Solartechnik, egal ob als Heizung oder zur Stromerzeugung, nichts Außergewöhnliches mehr. Jeder hat die Möglichkeit sich eine Anlage auf sein Dach zu bauen und so ein ganzes Haus allein mit Sonnenenergie zu beheizen, der Staat fördert die einzelnen Anlagen und wir haben im Weltall Raumstationen mit gigantischen Solarzellen. Die Solarenergie ist inzwischen als erneuerbare Energie unverzichtbar und viele Menschen sind der Meinung dass Solarenergie unsere Zukunft im Bereich erneuerbare Energie ist. 2. Zu was wird Solarenergie genutzt? 2.1 Solarthermie 2.1.1 Erfindung Solarthermie bedeutet Wärmegewinnung durch die solare Einstrahlung. Die Geschichte der Solarthermie geht bis in die antike 800 v. Chr. zurück. Damals wurde die Sonne schon genutzt um zum Beispiel Wasser zu erwärmen. Dies taten sie indem sie Spiegel nutzten um die Lichtstrahlen auf einen bestimmten Punkt oder zu einem bestimmten Ort zu bringen. Die Ägypter bauten ihre Häuser so, dass die Eingangstür auf der sonnenabgewandten Seite war und in der griechischen Geschichte erzählt man, dass der Erfinder Archimedes mit gebündelten Sonnenstrahlen eine Schiffsflotte ausschaltete. Im 18. Jahrhundert erfand der Geologe, Naturforscher und Botaniker Horace Bénédict de Saussure die erste Version eines Solarkollektors, der sich bis heute kaum verändert hat. 1891 wurde dann das erste Patent von Clarence M. Kemp für einen Warmwasserkollektor angemeldet. Und heute haben wir Anlagen mit denen wir effizient die Sonne zum
Heizen nutzen können, wir können die Wärme auf chemischen Weg speichern oder die Wärme in Strom umwandeln. Die Anschaffung einer Anlage kostet zwischen 2000 und 3000 und sie kann in einem Haus mit ausreichender Dämmung andere Heizungen ersetzen. Noch ein Vorteil ist, dass es mit so einer Anlage keinen Brennstoffbedarf gibt und somit nur ca. 8 im Jahr an Stromkosten für die Pumpe zusammenkommen 2.1.2 Funktion In der heutigen Zeit wird eine Solarthermieanlage in einem Haushalt hauptsächlich zum Heizen genutzt, egal ob es um das Heizen von Räumen oder von Wasser geht. Das Prinzip ist recht einfach, Es gibt mehrere so genannte Kollektoren, die die Sonnenenergie aufnehmen an eine Wärmeträgerflüssigkeit abgeben, die meistens ein Wasser-Glykol-Gemisch ist. Durch dieses Gemisch ist der Kollektor auch bei Temperaturen bis -23 frostgeschützt. Diese Flüssigkeit wird dann mit Hilfe einer Pumpe durch einen Trinkwasserspeicher gepumpt wird und so kann die Wärme an das Wasser im Speicher abgegeben werden. Durch zwei Temperaturfühler wird automatisch für eine bestimmte Zeit die Wärmeträgerflüssigkeit in das Rohr im Tank gepumpt. Wenn das Wasser die gewünschte Temperatur hat, wird die Flüssigkeit wieder raus gelassen und die Pumpe schaltet sich aus. Es gibt viele verschiedene Arten von Kollektoren. Die zwei, die zum Gebrauch in einem normalen Haushalt genutzt werden, sind Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren. -Flachkollektor Der Flachkollektor ist die kostengünstigere Variante der Kollektoren. Er besteht aus einer durchsichtigen Abdeckung, einer Dämmung um den Verlust von Wärme zu verhindern und einem großen Kupferblech welches die Wärme aufnimmt und an die Wärmeträgerflüssigkeit, die sich in einer so genannten Kollektorwanne befindet und dann in Rohren zum Wasserspeicher gebracht wird, abgibt. Der Kollektor ist jedoch
nicht sonderlich für eine kleine Dachfläche geeignet, da er viel Platz benötigt. Er schafft durchschnittliche Temperaturen von 80 Grad. -Vakuumröhrenkollektor Der Vakuumkollektor ist die etwas teurere Variante ist dafür jedoch in einigen Punkten praktischer als der Flachkollektor, da er bis zu 150 Grad Durchschnitts- Temperatur schafft und durch seine geringe Größe auch auf kleineren Dachflächen genug Platz hat. Er besteht aus Röhren, die alle aus einer äußeren und einer inneren Röhre bestehen. Zwischen diesen beiden Röhren befindet sich ein Vakuum, das den Wärmeverlust verhindert. In der inneren Röhre befindet sich die Wärmeträgerflüssigkeit, die von dort aus wie beim Flachkollektor zum Wasserspeicher gepumpt wird. Außerdem gibt es inzwischen auch Vakuumkollektoren, die mit einem Reflektor an jeder Röhre ausgestattet sind, der das Licht noch mal mehr auf die Kollektorröhre lenkt. Weitere Informationen Des Weiteren gibt es auch so genannte Sonnenwärmekraftwerke, die durch das Umleiten von Lichtstrahlen auf einen bestimmten Punkt extreme Temperaturen erreichen können. Von diesen Kraftwerken gibt es auch wieder viele verschiedene Versionen wie zum Beispiel das Solarturmkraftwerk. Es besteht aus einem Turm auf den durch weit verbreitete um ihn herum aufgebaute und auf ihn gerichtete Reflektoren, die die Lichtstrahlen auf ihn Lenken. Dieses Kraftwerk kommt auf Temperaturen von bis zu 1000 erzeugt. Dieser Wärme wird zu Dampf umgewandelt, der dann eine Turbine antreibt die Strom erzeugt. Neben dem Solarturmkraftwerk gibt es auch noch das Fallwindkraftwerk, das Parabolrinnenkraftwerk, Paraboloidkraftwerk, das Solarteichkraftwerk und die Fresnel-Kollektoranlage. 2.2 Fotovoltaik 2.2.1 Erfindung
Die Erfindung geht bis ins Jahr 1939 zurück. Der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel (1820 bi 1891) entdeckte gemeinsam mit seinem Vater den fotoelektrischen Effekt. Im Jahr 1873 gelang es dem britischen Ingenieur Willoughby Smith einen weiteren Fortschritt für die Fotovoltaik zu machen. Er entdeckte, dass Selen seinen elektrischen Wiederstand verändert, wenn es von Sonnenlicht bestrahlt wird. Drei Jahre später entdeckte William Grylls Adams, dass Selen das Licht direkt in Strom umwandeln kann, wenn es dem Licht ausgesetzt ist. Und dann im Jahr 1883 baute Chareles Fritts das erste Solarmodul aus Selen. Nun war der Grundstein für unsere heutigen Module gesetzt. Es folgten lange Jahre der Forschung. Immer mehr Physiker beschäftigten sich mit diesem Phänomen und 1907 erstellte Albert Einstein eine theoretische Erklärung für den fotoelektrischen Effekt. Dafür bekam Einstein im Jahr 1921 den Nobelpreis verliehen. In den Jahren zwischen 1912 und 1216 konnte Robert Andrew Millikan Einsteins Theorie durch Experimente in die Tat umsetzen. Er erhielt im Jahr 1923 ebenfalls einen Nobelpreis für seine Arbeit. Im Jahr 1940 entdeckte dann Russel S. Ohl das Silizium einen ähnlichen Effekt wie Selen aufweist.. Und dann im Jahr 1953 wurde in den Bell Laboratories, die damals als die erfolgreichsten Laboratorien galten, eine 2 cm² große Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 4 Prozent entwickelt. Wirkungsgrad bedeutet, wie viel Prozent des gesammelten Lichts in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. 1958 wurde auch ein Satellit der USA mit einer Solarzelle zur Stromversorgung ins All geschickt. Diese Errungenschaft wanderte durch die Presse und im 2002 wurde dann diese Solarzelle überarbeitet. Nach dieser Überarbeitung brachte sie einen Wirkungsgrad von 11 Prozent. In den Jahren von 1994-2003 gab es das so genannte "Dächer- Programm" in den Ländern Japan, USA und auch bei uns in Deutschland. Das Ziel dieses Programmes war es eine bestimmte Anzahl von Dächern mit Fotovoltaikanlagen auszustatten. Bei uns in Deutschland wurden, im Gegensatz zu Japan mit 144,000 von gewünschten 70.000, nur 65.000 Dächer von gewünschten 100.000 erreicht. 2.2.2 Funktion Fotovoltaik bedeutet eine direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Dies geschieht ohne Umwege, wie z.b. über Dampf. Dazu werden die so genannten Solarzellen benötigt. Diese bestehen aus einer Glasscheibe, die zum
Schutz benutzt werden, einem Aluminium Rahmen und der eigentlichen Solarzelle, die aus zwei verschieden dotierten Halbleitermaterialien besteht. Dotiert heißt im Grunde nichts anderes, als dass der Halbleiter, Silizium, mit anderen Atomen vermischt wird. Dann hat man eine positiv dotierte Halbleiterschicht, die durch das Hinzufügen von Indium, Elektronen zu wenig hat und eine negativ dotierte Halbleiterschicht, die durch das Hinzufügen von Arsen, Elektronen zu viel hat. In der negativen Schicht (n-schicht) können sich die überschüssigen Elektronen relativ frei bewegen und in der positiven Schicht (p-schicht) entstehen, durch die fehlenden Elektronen, Löcher. Dadurch, dass die Elektronen in die Löcher nachrücken können, fangen die Löcher an zu wandern. Dort wo beide Schichten aufliegen, wandern die überschüssigen Elektronen der p-schicht in die Löcher der n-schicht, es entsteht die Grenzschicht. Wen dann die Sonne auf diese Grenzschicht trifft, wird durch die Energie ein Elektron von seinem Atom gelöst, nun ist wieder ein Loch und ein freies Elektron vorhanden. Dann wandern beide zum jeweiligen Pol, das Elektron wird über eine Kontaktschicht abgeleitet und fließt durch einen Leiter, durch den dann elektrischer Strom fließt. Doch damit wir den Strom nutzen können, brauchen wir nicht nur die Solarzellen sondern auch ein Wechselrichter, der den von der Solarzelle produzierten Gleichstrom in den für uns zu gebrauchenden Wechselstrom umwandelt. Der größte und erfolgreichste Hersteller kommt direkt aus Kassel und ist inzwischen international gefragt. Die Rede ist natürlich von der SMA Solar Technology AG. Der Strom läuft, nach der Umwandlung durch einen Zähler und wird ins Stadtnetz eingeleitet und kann dann von allen genutzt werden. Wenn im Haushalt Strom verbraucht wird, wird dieser vom Stadtnetz durch einen anderen Zähler geleitet, der den Verbrauch misst. Nun kann man ablesen wie viel produziert und wie viel verbraucht wurde, je nachdem, wie viel das ist bekommt man den Strom, den man verbraucht und bezahlt, vom Netzbetreiber vergütet.
3. Vergleich mit anderen Energiequellen Im Vergleich zu anderen Energiequellen ist die Solarenergie, nach meiner Einschätzung, die vermutlich beste Methode um Strom zu erzeugen. Jeder ist in der Lage den Strom selbst herzustellen und sich somit, auf eine naturschonende Art, selbständig zu machen. Im Jahr 2011 deckte die Solarenergie 3,5 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland. Außerdem ist unsere bisherige Energiequelle zum Heizen, das Öl, in ungefähr 70 Jahren aufgebraucht. Und noch dazu kommt, dass die Abgase, die beim Verbrennen der Rohstoffe entstehen, verantwortlich sind für unseren Klimawandel. Es gibt neben der Solarenergie natürlich auch noch andere erneuerbare Energien. Hier sind zu nennen Wasserkraftwerke, Biogasanlagen und Windkraftwerke. Jedoch haben vor allem die Wind- und Wasserkraftwerke einige Nachteile im Gegensatz zur Solartechnik. Das wohl größte Problem, bei Windkraft, ist das die Windkraftwerke, welche bei uns in Deutschland sehr verbreitet sind, viel Platz verbrauchen. Deshalb bauen wir sie auch schon aufs Meer, da es dort zum einen kein Hindernis für den Wind gibt und zum anderen stört es dort niemanden. In die Windkraft wird große Hoffnung gesetzt. Im Jahr 2009 gab es bereits 21.164 Windanlagen. Im Jahr 2011 deckten die Windkraftwerke 7,6 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland ab. Als zweites möchte ich auf die Wasserkraftwerke eingehen: der Nachteil bei den Wasserkraftwerken ist, dass sie den natürlichen Weg der Flüsse unterbrechen und so Fische nicht ihrem bestimmten Weg folgen können. Um dem entgegen zu kommen haben die Menschen sich inzwischen verschiedene Möglichkeiten einfallen lassen dies alles so natürlich wie möglich zu halten. Durch Fischtreppen z.b. können die Fische ihrem natürlichen Weg folgen. Trotzdem kommt es vor, dass Fische in die Turbinen schwimmen und dort sterben. Im Jahr 2011 deckten die Wasserkraftwerke 3,2 Prozent des gesamten Strombedarfs in Deutschland. Also sieht man, dass Windenergie das größte Potenzial hat unsere neue Energiequelle der Zukunft zu werden. Doch die Solarenergie hat ebenfalls ein großes Potential da jeder, der eine Anlage besitzt, nicht nur für sich selbst sondern für alle Strom erzeugt. Doch klar ist, dass Solarenergie, aufgrund der Wetterabhängigkeit und der zu teuren Möglichkeiten zum Speichern der Energie, nicht allein funktionieren kann. Dennoch sollte die Solarenergie weiter gefordert werden, da sie die umweltschonenste aller Energiequellen ist.
Fazit Solarenergie ist die Zukunft Die Solartechnik hat sich in dieser langen Zeit extrem weiter entwickelt. Wir können absolut umweltschonend Strom erzeugen und sogar ganze Häuser heizen. Jeder, der genug Geld hat, kann sich eine Anlage zulegen und damit sogar Geld verdienen. Es gibt keinen Mangel an Materialien zur Herstellung einer Anlage und auch wenn die Solaranlagen unseren Stromverbrauch nicht komplett abdecken können, vor allem wegen der Wetterabhängigkeit, können sie gemeinsam mit Wind- und Wasserenergie für ein grüneres und umweltbewussteres Deutschland sorgen und wenn wir genug Geld in die erneuerbaren Energien stecken können wir vielleicht sogar eines Tages auf andere Kraftwerke wie Atom- oder Kohlekraftwerke verzichten. Auch wenn das in weiter Ferne liegt, kann man gespannt sein, was die Forschung von Solartechnik noch hervorbringen wird und ob es reichen wird, um unseren gesamten Stromverbrauch abzudecken. Quellenangabe Wikepedia: -"Sonnenenergie", 3.11.2013, http://de.wikipedia.org/wiki/sonnenenergie -"Geschichte der Photovoltaik", 3.11.2013, http://de.wikipedia.org/wiki/geschichte_der_photovoltaik -"Solarthermie", 3.11.2013, http://de.wikipedia.org/wiki/solarthermie -"Photovoltaik", 4.11.2013, http://de.wikipedia.org/wiki/photovoltaik -"Vakuumröhrenkollektor", 4.11.2013, http://de.wikipedia.org/wiki/vakuumr%c3%b6hrenkollektor -"Solarzelle", 5.11.2013, http://de.wikipedia.org/wiki/solarzelle Weitere Quellen: - www.solarenergie-sonnenenergie.com, "Geschichte der Solarenergie", 3.11.2013, http://www.solarenergie-sonnenenergie.com/geschichte.html -www.heiz-tipp.de, "Röhrenkollektor", 4.11.2013, http://www.heiz-tipp.de/ratgeber-558-roehrenkollektor.html
- www.stiebel-eltron.de, "Wie funktioniert ein Flachkollektor", 4.11.2013, http://www.stiebel-eltron.de/erneuerbare-energien/informierenplanen/wissen/grundlagen/funktion-flachkollektor/ -www.enerpoint.de, "Die Solarzelle", 5.11.2013, http://www.enerpoint.de/photovoltaic_technology_2.php -Klimainfo.net, "Bedeutung von Photovoltaik im Bezug auf erneuerbare Energien und den Klimawandel", 3.11.2013, http://klimainfo.net/solarenergie/solarenergie-vergleich.php