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der Mensch in den hochindustrialisierten Ländern hat in den letzten Jahren begonnen, seine Einstellung zur Umwelt, zu Rohstoffen und Energiereserven zu ändern. Die größte Bedrohung für die Zukunft der Menschheit ist unsere falsche, umweltzerstörerische Energiepolitik. Statt umweltfreundliche Energie aus Sonne , Wind, Wasser und Biomasse zu erzeugen, nutzen wir umweltschädliche Energiequellen. Mit Öl, Gas und Kohle schaffen wir ein feindliches Treibhausklima. Von diesem Problem, belastet durch die steigenden Energiekosten und Risiken in der Kernenergie , versuchen verantwortungsbewusste Techniker, Energie sparsamer zu nutzen und die verfügbaren Energieressourcen effektiver zu nutzen. Seit einigen Jahren unternimmt Europa besondere Anstrengungen, um die Solarenergie zurückzugewinnen und zu recyceln. Doch Ingenieure, die moderne Technik beherrschen, werden immer häufiger mit der Technologie der Solarenergienutzung, der “HELIOTECHNIK”, konfrontiert: Durch ihre Nutzung werden keine Emissionen in die Umwelt emittiert, die unsere Gesundheit schädigen und unser Klima weltweit bedrohen. Es gibt auch kein Entsorgungsproblem, wie bei Uran (Uran ist ein chemisches Element mit dem Symbol U und der Ordnungszahl 92), zum Beispiel.
Die Sonne hat eine Struktur und Eigenschaften, die den Energietyp bestimmen, den die Sonne in den Raum abstrahlt. Während der Kernfusion (In der Kernphy
sik ist die Kernfusion eine Reaktion, bei der zwei oder mehr Atomkerne nahe genug kommen, um einen oder mehrere verschiedene Atomkerne und subatomare Teilchen zu bilden) auf und in der Sonne , etwa 650 Millionen Tonnen Wasserstoff (Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem chemischen Symbol H und der Ordnungszahl 1) werden jede Sekunde in etwa 646 Millionen Tonnen Helium (Helium ist ein chemisches Element mit dem Symbol He und der Ordnungszahl 2) umgewandelt. Die Differenz wird als Strahlungsenergie in den Raum geschickt (Materie wird in Energie umgewandelt). Die Erde erhält nur den 2.000 Milliardstel Teil entsprechend der Entfernung. Jede Stunde erhalten der Globus und die ihn umgebende Atmosphäre 175 Milliarden Megawattstunden
Klar formuliert: Selbst der winzige Teil seiner Energie, der nicht in den Tiefen des Weltraums verschwindet, sondern auf die Erde trifft, produziert alle 20 Minuten tausendmal mehr Energie als wir pro Jahr verbrauchen. Das Problem, mit dem die Techniker heute konfrontiert sind, besteht darin, diese große Fülle zu nutzen. Die Ausbeute dieser Energie beträgt derzeit nur 13% gegenüber mindestens 30% für z.B. Wasserkraft .
Die Solarzelle
Wir sprechen von Photovoltaik , wenn die Energie des Sonnenlichts mit Solarzellen in Strom umgewandelt wird. Grundsätzlich gehen alle fossilen und erneuerbaren Energien auf die Sonne zurück. Dies gilt für Kohle, Erdgas (Erdgas ist ein natürlich vorkommendes Kohlenwasserstoffgasgemisch, das hauptsächlich aus Methan besteht, aber üblicherweise auch andere höhere Alkane und manchmal einen geringen Anteil an Kohlendioxid , Stickstoff und Schwefelwasserstoff enthält, oder Helium ) und Öl sowie Wasserkraft (Wasserkraft oder Wasserkraft ist Energie, die aus der Energie von fallendem Wasser oder schnell fließendem Wasser gewonnen wird, das für nützliche Zwecke genutzt werden kann), Windenergie , Biogas (Biogas bezeichnet in der Regel ein Gemisch aus verschiedenen Gasen, die durch den Abbau organischer Stoffe in Abwesenheit von Sauerstoff entstehen) und nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen. Photovoltaik ist sicherlich die eleganteste Art, Sonnenenergie in Strom umzuwandeln: Man muss nur die Solarzelle dem Licht aussetzen und den elektrischen Strom an ihren Kontakten anzapfen. Die Solarzelle (Eine Solarzelle , oder Photovoltaikzelle, ist ein elektrisches Gerät, das die Energie des Lichts durch den photovoltaischen Effekt, der ein physikalisches und chemisches Phänomen ist, direkt in Strom umwandelt) ist sozusagen ein elektrisches Minikraftwerk. Er ersetzt Dampfkessel, Turbine und Generator. Sie wandelt Sonnenenergie direkt in Strom um. Physiker haben errechnet, dass der Wirkungsgrad von Solarzellen, je nach Material, theoretisch bei etwa 30 % liegen könnte.
Auch wenn die Photovoltaik bisher nur einen vernachlässigbaren Anteil an der Deckung des gesamten Strombedarfs
hat (ca. 0,02% in Deutschland ), ist dies weniger auf ihren Wirkungsgrad zurückzuführen als auf die relativ hohen Kosten und den erheblichen Energieaufwand für die Herstellung von Solarzellen.
1) Energie aus der Kraft der Sonne
Direkte Nutzung der Sonnenenergie
a) Photovoltaik (Photovoltaik ist ein Begriff, der die Umwandlung von Licht in Strom mit Hilfe von Halbleitermaterialien, die den photovoltaischen Effekt aufweisen, ein in der Physik studiertes Phänomen, umfasst, Photochemie und Elektrochemie)
Sonnenstrahlung (Sonneneinstrahlung ist die Leistung pro Flächeneinheit, die von der Sonne in Form von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des Messgerätes empfangen wird) und Licht wird mit Hilfe von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt. Solarzellen wandeln die Strahlungsenergie der Sonne auf photoelektrischem Wege um, indem sie z.B. Elektronen im Inneren von Silizium in elektrische Energie umwandeln. Eine Studie des britischen Solarforschers Robert Hill (Für andere Leute namens Robert Hill, siehe Robert Hill) zeigte, dass in Großbritannien der gesamte Strom mit Photovoltaikzellen erzeugt werden kann, wenn nur 10% der heutigen Gebäudeflächen mit Photovoltaikanlagen ausgestattet sind. Bei Neubauten sollten Solaranlagen nicht auf Dächern und Fassaden, sondern als Dächer oder Fassaden installiert werden. Photovoltaikanlagen auf Basis von kristallinem und amorphem Silizium (Amorphes Silizium ist die nicht-kristalline Form von Silizium für Solarzellen und Dünnschichttransistoren in LCD-Displays) sind bereits in großem Umfang verfügbar, aber es besteht noch erheblicher technischer Entwicklungsbedarf. Heute umfasst der Markt im Wesentlichen Kleingeräte (Computer, Uhren, etc.), netzferne Wohnungen (Beleuchtung, Pumpen, etc.), netzferne gewerbliche Nutzung (Kommunikation, Signalanlagen, etc.) und netzgekoppelte Anlagen (Wohn- und Fabrikgebäude, Kraftwerke ).
Die technische Entwicklung konzentriert sich auf Fortschritte in der Elektrotechnik, um höhere Wirkungsgrade und niedrigere Kosten zu erreichen. Dazu sollen auch neue Materialien und kostengünstigere Herstellungsverfahren dienen. Theoretisch können mit Solarzellen beliebige Spannungen und Ströme erreicht werden. Einfach die einzelnen Module in Reihe (höhere Spannung) oder parallel (höherer Strom) schalten, wie bei Batterien. Der erzeugte Strom kann in Batterien eingespeist werden, so dass er auch bei Dunkelheit zur Verfügung steht. Der Solarstrom (Solarstrom ist die Umwandlung von Energie aus Sonnenlicht in Strom, entweder direkt durch Photovoltaik oder indirekt durch konzentrierte Sonnenenergie) kann auch über Wechselrichter ins Netz eingespeist werden. In der Praxis ist Photovoltaik-Strom jedoch immer noch so teuer und benötigt so viel Platz, dass er derzeit nur für spezielle Anwendungen im Schwachlastbereich geeignet ist. So sind Solarzellen beispielsweise ideale Stromerzeuger für Taschenrechner, Kopfhörerfunkgeräte, Elektrozäune, Messstationen, Signalgeräte und andere verbrauchsarme Elektronik. Auch Fernsehkonverter werden teilweise mit ihnen betrieben.
b) Solarthermische Kraftwerke
Durch Spiegel konzentriertes Licht, das in einigen Kraftwerkstypen mehrere tausend Grad erreichen kann, wird zur Erwärmung einer bestimmten Flüssigkeit verwendet. Die Kanalsammler sind die fortschrittlichsten und werden seit Jahren in Kalifornien eingesetzt. Die neuen Anlagen dieses Typs haben bereits einen Wirkungsgrad von 16%. Solche Kraftwerke sind weltweit das Vorzeigeprojekt für die solare Stromerzeugung.
Beispiele für solarthermische und andere Solarkraftwerke:
c) Solarturmkraftwerke
Stromerzeugung in Solarturmkraftwerken befindet sich derzeit noch in der Entwicklungs- und Testphase. Im Solarturm (Der Solarturm, auch bekannt als “Zentralturm”-Kraftwerke oder “Heliostat”-Kraftwerke oder Kraftwerke, ist eine Art Solarofen mit einem Turm zur Aufnahme des gebündelten Sonnenlichts), reflektieren 182 konkave Spiegel auf computergesteuerten Heliostaten die Sonnenstrahlen und fokussieren sie auf einen zentralen Strahlungsempfänger, der auf dem sogenannten Solarturm installiert ist. Unter dem Hohlraumempfänger befindet sich ein Projektionsfeld, auf dem die Spiegel so eingestellt werden können, dass das Sonnenbild exakt vereinigt werden kann. Sobald dies geschehen ist, werden alle Spiegel um einen kleinen Winkel nach oben geneigt. Das Sonnenbild bewegt sich in die Öffnung des Empfängers und beginnt sein Innenleben zu erwärmen. Wasser oder andere Wärmeübertragung (Wärmeübertragung ist der Austausch von Wärmeenergie zwischen physikalischen Systemen) Medien werden dort erwärmt. Der entstehende Dampf kann in konventionellen Kraftwerken in Strom umgewandelt werden. Dieses Kraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 16%.
/> d) Aufwindkraftwerk
Sonnenlicht kann das Foliendach nahezu ungehindert passieren. Auf dem Boden wandelt es sich in Wärme um. Das Dach ist bis auf ein großes Loch in der Mitte der Haube dicht. Hier kann die um 10-20°C erwärmte Luft ungehindert ansteigen. Aber nicht draußen, sondern im 200 m hohen Schornstein. Nun beginnt der 2. Antriebseffekt: die Sogwirkung des Schornsteins. Sein gesamtes Volumen wirkt wie ein schwimmender Körper. Die leichtere Luft steigt wie ein Korken unter Wasser auf. Je höher der Schornstein, desto stärker die Saugwirkung. Unten im Schornstein, 10 m über dem Boden, treibt der Aufwind eine Turbine an, an die ein Generator zur Stromerzeugung angeschlossen ist.
e) Solarpark
Jeder Parabolspiegel (ein Parabolspiegel ist eine reflektierende Fläche, die zum Sammeln oder Projizieren von Energie wie Licht, Schall oder Radiowellen dient) erhitzt Öl in seiner Brennlinie. Rinnenförmige Wannen mit exakt parabolischem Rechteckschnitt werden mit Spiegelglas abgedeckt. In der Brennlinie verläuft eine schwarze Röhre, in der ein Thermoöl erhitzt wird. Das Öl fließt an einem Ende bei 225°C ein. Angetrieben von Pumpen läuft er durch alle Kollektoren und wird am anderen Ende wieder auf 295°C erwärmt. Diese Wärmedifferenz kann nun mit Wärmetauschern genutzt werden.
2 Indirekte Nutzung der Sonnenenergie
Meteorologische Messungen haben gezeigt, dass der ständig blasende Wind etwa 35 mal so viel Energie enthält, wie die Menschheit verbraucht! Da der Wind jedoch ungleichmäßig bläst und oft die Richtung ändert, kann nur ein Bruchteil davon praktisch genutzt werden
Keine Form der Energiegewinnung benötigt so wenig Platz wie die Windenergie . Die von Windkraftanlagen tatsächlich verbrauchte Fläche ist minimal und beträgt weniger als 1% der für Windkraftanlagen vorgesehenen Fläche – 20000 km2, die in Deutschland für Windenergie genutzt werden könnte, sind 200 km2 für Windkraftanlagen (eine Windkraftanlage ist ein Gerät, das die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandelt). Die heutige Windenergie -Szene wird von Anlagen dominiert, die 30-50 Meter hoch sind und einen Rotordurchmesser von 30 Metern haben. Kleinere Windkraftanlagen, mit denen vor Jahrhunderten alles begann, spielen derzeit kaum eine Rolle. In Zukunft wird es aber wieder viele Energie-Selbstversorger mit kleinen Windkraftanlagen geben: Rotordurchmesser bis 10 Meter, Masthöhe bis 20 Meter, Generatorleistung von 20-30 Kilowatt. Damit können Millionen von Menschen ihren eigenen Strom erzeugen. In Kombination mit Solarzellen kann die eigene Kleinwindkraftanlage (Eine Kleinwindkraftanlage ist eine Windkraftanlage, die zur Mikrogenerierung eingesetzt wird, im Gegensatz zu großen kommerziellen Windkraftanlagen, wie sie in Windparks mit höherer individueller Leistung zu finden sind) zu einer intelligenten, emissionsarmen und kostengünstigen Energieerzeugung werden.
b) Meereswärme
Meereswärme ist wieder eine Variante der Sonnenenergie. “Ocean Thermal Gradient\”-Kraftwerke nutzen die Temperaturdifferenz zwischen der Meeresoberfläche und der Tiefe und nutzen die Oberflächenschichten der durch Sonnenenergie beheizten Ozeane. Ihr Potenzial ist mehr als das 100-fache des weltweiten Energiebedarfs. Das Hauptproblem bei der Nutzung der Sonnenenergie besteht darin, die wenig konzentrierte und unregelmäßig einfallende Energie zu sammeln, zu speichern und zu transportieren. Mit Ausnahme von Biomasse (Biomasse ist ein Branchenbegriff für die Energiegewinnung durch Verbrennung von Holz und anderen organischen Stoffen) kann Sonnenenergie nur mit hohem Aufwand gespeichert und umgesetzt werden. Die Solartechnik kann fossile und nukleare Energieträger weltweit nur dann vollständig ersetzen, wenn es ihr gelingt, eine Energiequelle zu finden, die diese Nachteile der Solarenergie (Solarenergie ist strahlendes Licht und Wärme der Sonne, die durch eine Reihe sich ständig weiterentwickelnder Technologien wie Solarthermie, Photovoltaik, Solarthermie, Solararchitektur, Salzschmelzkraftwerke und künstliche Photosynthese genutzt wird) umweltfreundlich kompensieren kann.