Energie von der Sonne

Eine Leistung von etwa 170 Terawatt erreicht die Erdatmosphäre von der Sonne. Ungefähr 30% werden wieder hinaus ins All reflektiert und weitere 20% werden in der Atmosphäre absorbiert. Dies lässt aber immer noch eine enorme Menge an Strahlungsleistung übrig: etwa 90 Terawatt, die auf der Erdoberfläche absorbiert werden und schließlich von uns genutzt werden könnten.

Das Sonnenlicht technisch zur Stromerzeugung zu nutzen, ist eine relativ neue Idee. Eine Methode, die wir Menschen hierzu entwickelt haben, ist die der Photovoltaik. Durch Photozellen sind wir in der Lage, Licht in elektrischen Strom zu konvertieren. Doch wie funktionieren diese überhaupt?

Sie bestehen meist aus zwei Schichten Silikon, einem Halbleitermaterial. Eine dieser Schichten, die sogenannte n-Schicht, ist mit einem chemischen Element dotiert, das ein Elektron mehr zur Verfügung hat als Silikon — das wäre zum Beispiel Phosphor — und damit leicht Elektronen abgibt. Die zweite Schicht, die p-Schicht, ist mit einem Element dotiert, das ein Elektron weniger aufweist als Silikon und daher leicht Elektronen aufnimmt. Dieses Ungleichgewicht veranlasst die Elektronen dazu, von der n-Schicht zur p-Schicht zu driften, wodurch ein elektrisches Feld entsteht. Trifft ein Photon den Halbleiter, kann ein Elektron aus dem Material herausgelöst werden, welches dann im elektrischen Feld driftet und als Strom genutzt werden kann.

Photozellen können in zahlreichen Varianten Anwendung finden. Dies reicht von einzelnen kleinen Zellen, die zum Beispiel Taschenrechner oder Armbanduhren aufladen, über Gruppen von Zellen, die Solarpanele auf Hausdächern bilden, bis hin zu großen Kraftwerken auf dem Land oder in der Wüste.

Die Photovoltaik ist, wie jede andere Technologie, seit ihrer Erfindung stets weiterentwickelt worden. Durch den Fortschritt der Technologie wurden Solarzellen günstiger, was sie zu einer lohnenden Alternative zu fossilen Ressourcen wie Öl oder Kohle gemacht hat. Dies führt auch direkt zu ökologischen Vorteilen, da wir weniger auf eine Kohlenstoffdioxid-intensive Energieproduktion angewiesen sind. Zudem ist die Sonne eine für unsere Maßstäbe unerschöpfliche Quelle — ganz im Gegensatz zu den fossilen Brennstoffen.

Nichtsdestotrotz bietet die Photovoltaik einige Herausforderungen. Die Intensität der Sonneneinstrahlung variiert je nach Ort, Wetter, Tages- und Jahreszeit enorm. An sonnigen Tagen müssen wir in der Lage sein, die hohe Menge an Energie für spätere Zeit zu speichern, da sie sonst unverbraucht verloren geht und uns eventuell zu einer anderen Zeit fehlt.

Wir benötigen somit Speichermöglichkeiten für die Energie, zum Beispiel elektrischer Art, wie Batterien, oder mechanische Speicher, wie Pumpspeicherkraftwerke. Aber auch diese haben Kapazitätsgrenzen.

Zudem benötigen Solarkraftwerke eine vergleichsweise große Sammelfläche für Sonnenlicht, um eine sinnvolle Menge an Strom zu erzeugen.

Die Nutzung Solarenergie beschränkt sich nicht auf Solaranlagen für den Privatgebrauch auf Hausdächern und Kraftwerken, die das allgemeine Stromnetz speisen, um unsere Straßenlaternen zu erleuchten oder uns Strom nach Hause zu liefern. Es wird auch im Weltraum genutzt. Raumschiffe und -stationen, wie die Internationale Raumstation ISS, nutzen große Solarsegel um Energie zu gewinnen. Die Solarsegel der ISS sind zum Beispiel jeweils ca. 34 m lang und 12 m breit und liefern mehr als 30 Kilowatt Leistung.

Dies ist nur ein Fall für den kreativen und manchmal überraschenden Einsatz dieser Technologie, doch gibt es noch weitere beeindruckende Beispiele.

Eines hiervon kann in Kerala, Indien, am Cochin International Airport gefunden werden. Er ist auf Platz sieben der meist-frequentierten Flughäfen Indiens mit mehr als 1.000 Flügen pro Woche. Bis vor kurzem musste sich der Flughafen mit extremen Stromrechnungen auseinandersetzen, doch da ein Initiativexperiment mit 400 Solarpanelen auf dem Dach des Flughafens die Kosten drastisch senken konnte, wurden bald weitere 46.000 Photovoltaikpanele installiert, die eine Gesamtleistung von 12 Megawatt liefern. Cochin ist nun der erste Flughafen weltweit, der ausschließlich durch Solarenergie betrieben werden kann. Die Leistung entspricht derjenigen, die etwa 10.000 Familien versorgen könnte und ein Teil des überschüssigen Stroms wird auch in das allgemeine Stromnetz eingespeist.

Nicht nur Projekte auf solch riesigen Größenordnungen revolutionieren den Energiemarkt. Selbst in unserem alltäglichen Leben erreicht uns die Solarenergie auf viel kleineren Skalen. Dies geht über die erwähnten Taschenrechner und Uhren hinaus. Was wäre, wenn Sonnenlicht uns mit transportablen Geräten nutzbar gemacht würde. So könnten Solarzellen auf Rücksäcken genug Energie liefern, um jederzeit Handys, Kameras oder Tablets aufzuladen. Diese umweltfreundlichen Generatoren können mit einer Lithium-Batterie ausgestattet sein, um Energie zudem speichern zu können.

Die Möglichkeiten, die die Solarenergie für die Menschheit bereithält, scheinen grenzenlos. Falls wir diese Herausforderungen z.B. durch die Entwicklung von effektiven Energiespeichern annehmen, können wir viel von diesem Potential für uns nutzbar machen. Denn solange die Sonne scheint – was noch etwa fünf Milliarden Jahre der Fall sein wird – haben wir eine umweltfreundliche und leistungsfähige Energiequelle zur Verfügung.