Sonnenenergie intelligent gewinnen

Drei Problemfelder erfordern eine zielgerichtete Weiterentwicklung unserer heutigen Energiesysteme: Der Schutz unserer natürlichen Lebensgrundlage, die Bekämpfung der Energiearmut in weiten Teilen der Welt und die Reduzierung geopolitischer Konfliktpotenziale. Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wird hierbei eine entscheidende Rolle spielen. In Wissenschaft und Technik wird daher - insbesondere auch in Deutschland - mit Hochdruck an der Entwicklung und Optimierung der benötigten Energiekonversionsverfahren gearbeitet.

Viele Techniken haben ihre Funktionsfähigkeit längst bewiesen. Hauptproblem der erneuerbaren Energien sind nach wie vor die im Vergleich zur fossilen Energiebereitstellung zu hohen Kosten. Würden allerdings auch die wirtschaftlichen Auswirkungen der ökologischen Schäden berücksichtigt, fiele die Bilanz in vielen Fällen bereits heute zu Gunsten der erneuerbaren Energieträger aus. Nichts desto trotz muss es vorrangiges Ziel von Forschung und Entwicklung sein, die Kosten von Strom, Wärme und Treibstoffen aus erneuerbaren Energiequellen drastisch zu senken.

Die Artikel dieses Heftes (A.d.R. "Physik in unserer Zeit") zu solarthermischen Kraftwerken und Foliensolarzellen aus Silizium sprechen besonders diesen Punkt an. Robert Pitz-Paal und Giso Hahn zeigen, wie sich durch ein Zusammenspiel zwischen naturwissenschaftlicher Analyse und ingenieurwissenschaftlicher Umsetzung Verfahren der solaren Energiekonversion realisieren lassen, die ein hohes Kostensenkungspotenzial besitzen.

Die photovoltaische Energiekonversion über Solarzellen und die solarthermischen Stromerzeugungsverfahren werden häufig als Konkurrenztechnologien diskutiert. Dies liegt meines Erachtens zum einen an der Tatsache, dass die Photovoltaik zwar einen seit gut zehn Jahren global kräftig wachsenden Markt mit beeindruckenden Preisreduktionen vorzuweisen hat, die Kosten für eine Kilowattstunde elektrischen Stroms in Deutschland aber immer noch im Bereich von 50 Cent liegen. Zum anderen werden für aktuell in Spanien projektierte solarthermische Kraftwerke der 50-MW-Klasse Stromkosten vorhergesagt, die weniger als die Hälfte dieses Wertes betragen.

Diese derzeitigen Unterschiede weisen die beiden Technologielinien aber weniger als kompetitiv, sondern vielmehr als komplementär aus: Die hochmodulare Photovoltaik kann diffuse wie direkte Strahlung gleich gut in Strom wandeln, in Gebieten mit hoher direkter Solarstrahlung spielt dagegen die solarthermische Konversion ihren Vorteil aus, besonders kostengünstig zu arbeiten. Allerdings dürften ihre kleinsten Einheiten mittelfristig deutlich über 50 MW liegen. Für eine Stromversorgung Mitteleuropas müsste außerdem der solarthermisch gewonnene Strom aus südlichen Ländern heran transportiert werden. Sobald sich Großspeicher für thermische Energie kostengünstig realisieren lassen, hätte diese solare Stromquelle den Vorteil, auch in der Nacht zur Verfügung zu stehen.

In Zukunft könnten zwei weitere Technologien das Spektrum der solarelektrischen Energiekonversion noch deutlich erweitern, indem sie Teilsysteme dieser beiden Verfahren kombinieren: optisch fokussierende Kraftwerke mit photovoltaischer statt thermischer Energiewandlung und Großsysteme von photovoltaischen Flachmodulen, die dem Sonnenstand nachgeführt werden. Beide Kraftwerkstypen dürften vor allem in sonnenreichen Gegenden eingesetzt werden. Ihre Modularität wird im MW-Bereich liegen - zwischen der von gebäudeintegrierten Photovoltaikanlagen und der von solarthermischen Kraftwerken.

Auf der Basis des bisher Erreichten muss die solarelektrische Energiekonversion mit ihrem nach menschlichen Maßstäben unerschöpflichen Potenzial im Wechselspiel zwischen industrieller Anwendung und naturwissenschaftlicher Forschung strategisch weiter voran getrieben werden. Nur so lässt sich eine wirklich nachhaltige globale Energieversorgung realisieren. Es gibt hier viel zu tun - vor allem auch für Physiker!

Prof. Dr. Jochim Luther leitet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg und ist Physikprofessor an der dortigen Universität

Quelle: Physik in unserer Zeit 1/2004