Neue Wege in der Energieerzeugung: Von Sonnenstraßen und Gezeitenturbinen

Energieerzeugung ohne klimaschädliche Nebenwirkungen gilt als kaum machbar. Energie aus fossilen Quellen ist endlich. Die Suche nach Alternativen ist daher dringlich. Sie hat auch schon einige Lösungen hervorgebracht, die für die Energieversorgung der Zukunft optimistisch stimmen.

Theoretisch steht der Menschheit nach dem Energieerhaltungssatz genug Energie zur Verfügung. Das Problem: wie überführt man diese fast unendlich vorhandene Energie in nutzbare Aggregatzustände? Hier gibt es viele interessante neue Ansätze, die teilweise einen Reifegrad erreicht haben, der die Nutzung solche Methoden im industriellen Maßstab realistisch erscheinen lässt. Ein paar Beispiele.

Energieerzeugung mit Solartechnik an der Effizienzgrenze

Die Erzeugung von Strom aus der eingestrahlten Sonnenenergie mittels des photovoltaischen Effekts ist nichts wirklich Neues. Bereits 1839 wurde das Phänomen durch den französischen Physiker Becquerel entdeckt, konnte aber erst im Laufe der US-amerikanischen Raumfahrtprogramme als Energieerzeugung praktisch realisiert werden. Heute ist diese Technologie ausgereift, bietet aber immer noch Potenzial. Entwicklungsabteilungen von Solarherstellern und wissenschaftliche Labore forschen weltweit an mehreren Teilaspekten, um diese saubere, leise und inzwischen kostengünstige Erzeugung weiter zu optimieren.

Dabei geht es unter anderem um die Erhöhung der Leistung der Anlagen. Darunter versteht man den prozentualen Anteil der Energie, den eine Solarzelle aus der durch die Sonne eingestrahlten Energie produziert. Aktuell liegen marktübliche Solaranlagen bei 18 Prozent, Prototypen neueren Datums schaffen schon mehr als 20%. Der Weltrekord liegt allerdings aktuell bei 46 %, den ein Labor eines deutschen Fraunhofer Instituts im Dezember 2014 erreichte.

Dabei haben die Forscher einen Trick angewendet: Sie haben mehrere Typen von Solarzellen kombiniert. Bei Mehrfachsolarzellen werden mehrere Zellen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien übereinander gestapelt. Die einzelnen Teilsolarzellen absorbieren unterschiedliche Spektralbereiche des Sonnenlichts. Die Rekordzelle ist eine Vierfachsolarzelle, jede Teilzelle wandelt exakt ein Viertel der Photonen im Wellenlängenbereich zwischen 200 und 1750 nm in elektrische Energie um. Wenn man sich vorstellt, in diesen Tagen wären in Deutschland die existierenden Solarflächen bereits auf Weltrekordniveau, dann könnte man in der Mittagszeit auf konventionelle Kraftwerke bereits ganz verzichten…

Energieerzeugung mit Sonnenstraßen

Ein weitere Herausforderung bei der Photovoltaik ist der Flächenverbrauch. Zwar ist die Fläche, die man benötigt, um die ganze Erde mit Strom aus Solarenergie zu versorgen, gar nicht so utopisch groß – etwa die Hälfte der Fläche Korsikas. Problem ist aber, dass dort, wo der Strom im Wesentlichen gebraucht wird, also in den dicht besiedelten Industrieländern, es mit der verfügbaren Fläche (und der Intensität der Sonneneinstrahlung) nicht ganz so rosig aussieht. Deshalb gibt es immer wieder Vorstöße, Solarzellen an Stellen zu verbauen, an denen das bisher nicht möglich war. So haben inzwischen mehrere Hersteller Solarmodule entwickelt, die fast oder zumindest halb transparent sind. Man könnte also all die in den Himmel wachsenden Glaspaläste in der Zukunft als Strom erzeugende Gebäude errichten.

Ein andere Lösung des Platzproblems könnte in der Umwandlung bereits versiegelter Flächen liegen. Insbesondere an einer befahrbaren Solarzelle wird viel geforscht, denn das Potenzial ist riesig. Allein in Deutschland handelt es sich um 650.000 Kilometer Straßen.

In den Niederlanden wird schon eine 700 Meter lange Strecke erprobt. Seit dem Start Anfang Dezember 2014 hat diese Solarstraße nördlich von Amsterdam bereits über 3.500 kWh Strom erzeugt. Die Technik ist relativ simpel. Die Straße, für die Niederlande kaum verwunderlich handelt es sich um einen Fahrradweg, ist aus 8 qm großen Betonwannen zusammengesetzt, in denen innen die Solarmodule liegen und die mit einem strapazierfähigen Spezialglas abgedeckt sind.

Einen anderen Weg zur Solarstraße geht das deutsche Startup Solmove. Die Ingenieure wollen auf bestehenden Straßen eine Art Gitternetz aus kleinteiligen Glasflächen ausrollen. Verschleiß und Rutschfestigkeit haben sie nach eigener Aussage im Griff. Die Leistung kann sich sehen lassen: pro 100 Quadratmeter belegter Fläche wollen die Gründer 100 kWh Strom pro Jahr erzeugen. Um die Dimension zu verdeutlichen: Wenn man die gesamte versiegelte Fläche in Deutschland (1,4 Mrd qm) mit diesem System ausstatten würde, könnte es nach Herstellerangaben 1,4 TWh Strom produzieren. Angesichts des deutschen Gesamtjahresverbrauchs von etwas über 500 TWh ist das zwar ein ordentlicher trotz allem aber nur ein kleiner Beitrag.

Energieerzeugung mit Wasserkraft

Die Energie von fließendem Wasser zu nutzen ist einer der ältesten Kulturtechniken der Menschheit. Mühlen und Hammerwerke an Flussläufen sind Teil der Kulturlandschaft, wie wir sie heute vorfinden. Auch Strom wurde seit Beginn der Elektrifizierung mit Wasserkraftwerken erzeugt. Vorteil dieser Bauwerke, von denen ja auch Energiedienst einige betreibt: das Wasser fließt regelmäßig, und daher sind diese Kraftwerke bis auf Phasen des Niedrigwassers im Sommer grundlastfähig.

Manchmal stößt aber die Errichtung neue Wasserkraftwerke auf Bedenken. Die Eingriffe in die Natur lassen sich selbst bei sorgfältigster Planung nicht vollständig vermeiden. Energiedienst sorgt regelmäßig für den ökologischen Ausgleich; Fischen helfen beim Passieren von Wasserkraftwerken sogenannte Fischtreppen.

Eine Lösung könnten so genannte Strombojen sein. Dabei handelt es um Prinzip um Röhren, in denen sich Turbinen befinden. Diese Röhren werden auf dem Grund eines Flusses verankert und durch das hindurchfließende Wasser angetrieben. Da der Rotoren in so einer Röhre relativ langsam dreht, können Fische einfach so hindurchschwimmen, kein Problem. In der schweizerischen Aare wurden vor kurzem 6 solcher Bojen erstmals für den Dauereinsatz versenkt und sollen dort die nächsten 30 bis 50 Jahre etwa 1,7 GWh Strom pro Jahr liefern, genug für 425 Haushalte.

Starke Wasserbewegungen findet man auch im Meer. Hier ist vor allem an die Unterschiede von Ebbe und Flut zu denken, die mit Gezeitenkraftwerken bereits seit Jahrzehnten mit Erfolg und zuverlässig genutzt werden. Nachteil auch hier: die Bauwerke haben riesige Dimensionen und greifen stark in die Küstenlandschaft ein. Das ist bei dem Projekt MeyGen in einer Meerenge vor der Küste Schottlands anders. Hier werden auf dem Meeresboden frei stehende Turbinen verankert, die Windkraftanlagen recht ähnlich sehen, nur eben unter Wasser. Angetrieben werden die Turbinen von der vorhandenen Tiefenströmung. 175.000 Haushalte sollen ab 2020 damit versorgt werden können.

Künstliches Benzin

Die Energiewende produziert auch Herausforderungen beim Transport der Energie, wie die Diskussion um den Ausbau der Stromnetze in Deutschland zeigt. Wie wichtig diese Fragen sind, wird zum Beispiel an dem mit großen Vorschusslorbeeren bedachten Projekt Desertec deutlich. Die Idee ist eigentlich charmant: Es wird dort Solarenergie erzeugt, wo sie am konzentriertesten zur Verfügung steht: in der Sahara, möglichst nah am Äquator. Nachteil: in der Wüste braucht die Energie niemand. Sie müsste nach Europa transportiert werden. Und das ist nicht mehr ganz so einfach bzw. hat sich als so teuer herausgestellt, dass Desertec so gut wie gescheitert ist. Mit ein paar Stromleitungen ist es nämlich nicht getan, zu ineffizient ist diese Methode selbst mit Gleichstrom.

Da wäre es doch charmant, diese Energiemengen mit Hilfe eines anderen Trägermediums zu transportieren. So wird ja bereits heute aus Strom Wasserstoff erzeugt, der dann in Brennstoffzellen wieder zu Strom und Wasser umgewandelt wird. Die Herausforderung bei dieser Technik: es gibt aktuell keine Wasserstoffinfrastruktur. Die vorhandenen Tankstellen, an denen man Wasserstoff laden kann, lassen sich in Deutschland an zwei Händen abzählen. Die Infrastruktur müsste also erst aufgebaut werden, ganz zu schweigen von der Umstellung der Autoantriebe auf Brennstoffzellen und Elektromotoren.

Da wäre die Überführung in ein Trägermedium, das auf eine bereits vorhandene Infrastruktur und „Verbrauchskultur“ zurückgreift, doch eigentlich die bessere Lösung. Und tatsächlich wollen sächsische Entwickler jetzt eine Methode gefunden haben, um aus Strom, Wasser und CO2 einen flüssigen Kraftstoff zu erzeugen, der ganz normal in Verbrennermotoren genutzt werden könnte. Vor kurzem wurde eine Pilotanlage in Betrieb genommen, die derartigen Synthetikdiesel hocheffizient, frei von schädlichen Nebenstoffen wie Schwefel oder Aromaten und zu fast wettbewerbsfähigen Kosten produziert. In Kombination mit Solarenergie spricht eigentlich nichts gegen ein derartiges Konzept, das ja auch klimaneutral ist, weil vorhandenes CO2 verwendet wird.

Fotonachweis:

• Weltrekordsolarzelle auf einem 100-mm-Wafer mit-ungefähr 500 Konzentratorzellen: ©Fraunhofer ISE/Photo Alexander Wekkeli
• Solaroad
• Stromboje: www.ibbrugg.ch
• Ganz oben: Halbtransparente Fenster mit Solarzellen im Akademiegebäude des Wechselrichterherstellers SMA in Kassel (Foto: Baranek)