Was ist die Zukunft der Solarenergie?
Im 21. Jahrhundert ist Solarenergie bereits Teil des täglichen Lebens geworden. Von solarbeheizten Schwimmbädern bis hin zu Häusern mit Sonnenenergie gibt es viele Beispiele, die die nützliche Anwendung der sauberen, sicheren und nachhaltigen Kraft der Sonne demonstrieren. Angesichts der wachsenden Besorgnis über die Auswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Möglichkeit, nicht erneuerbare Energiequellen zu erschöpfen, sieht die Zukunft der Solarenergie vielversprechend aus. Ab 2013 ist die Technologie nicht unproblematisch, und bislang waren die Anwendungen größtenteils relativ klein. In diesem Bereich wird jedoch viel geforscht, und es gab eine Reihe vielversprechender Entwicklungen.
Solarenergie nutzen
Die Sonne ist möglicherweise eine riesige Quelle für erneuerbare, saubere Energie. Einige schätzen, dass das Sonnenlicht 10.000-mal so viel Strom produzieren könnte wie die Erde um die Jahrhundertwende. Bei der effektiven Nutzung dieser Energie sind jedoch große technologische Herausforderungen zu bewältigen. Es gibt eine Reihe verschiedener Technologien, die derzeit entwickelt werden und die Sonnenlicht zur Stromversorgung nutzen.
Sonnenlicht kann einfach zum Erhitzen von Wasser verwendet werden, das dann zur Zentralheizung von Häusern verwendet wird. Alternativ kann damit Strom aus Photovoltaik (PV) -Zellen erzeugt werden, die auf Solarmodulen angeordnet sind. Eine dritte Methode besteht darin, das Sonnenlicht auf ein Ziel zu konzentrieren, um Wärme zu erzeugen, die direkt für industrielle Zwecke verwendet werden kann, oder um Elektrizität bereitzustellen.
Solarplatten
Diese Paneele beruhen auf dem photoelektrischen Effekt, bei dem bestimmte Substanzen unter Lichteinwirkung einen geringen elektrischen Strom erzeugen. Photovoltaikzellen sind so konstruiert, dass sie diesen Effekt ausnutzen, und Sonnenkollektoren bestehen aus großen Anordnungen dieser Geräte, die so positioniert sind, dass sie so viel Sonnenlicht wie möglich empfangen. Zusammen können sie erhebliche Mengen Strom erzeugen. Obwohl sie ab 2013 relativ ineffizient sind, weisen sie normalerweise sehr niedrige Betriebs- und Wartungskosten auf und können die Stromversorgung für Privathaushalte sehr effektiv gestalten. Es wird viel geforscht, um die Effizienz zu verbessern und Zellen aus billigeren Materialien herzustellen.
Die meisten Solarmodule bestehen aus kristallinen Silizium-PV-Zellen, die Sonnenlicht zu 18 bis 24% in Elektrizität umwandeln. Eine Reihe von Alternativen wird jedoch untersucht. Dünnschichtzellen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Obwohl diese derzeit weniger effizient als Standard-PV-Zellen sind, sind sie leicht, flexibel und kostengünstiger herzustellen. Multijunction-Zellen können einen Wirkungsgrad von mehr als 43% erreichen. Sie sind so strukturiert, dass verschiedene Teile der Zelle so abgestimmt sind, dass sie Sonnenlicht in bestimmten Wellenlängenbereichen einfangen, anstatt einen einzelnen Rezeptor zu haben, der einen Teil der verfügbaren Energie verfehlt.
Ein weiteres vielversprechendes Gebiet ist die farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC), die nach Michael Gratzel, der sie zum ersten Mal in den neunziger Jahren entwickelte, auch als Gratzel-Zelle bezeichnet wird. Diese nutzen einen Farbstoff, um Sonnenenergie einzufangen und einen Elektronenfluss zu erzeugen, der über eine darunter liegende Flüssigelektrolytschicht nachgefüllt wird. Obwohl sie möglicherweise billig zu produzieren sind, sind sie nur etwa 12% effizient, und es gibt Probleme mit der Haltbarkeit, die die kommerzielle Verwendung beeinträchtigen können. Beispielsweise kann die Flüssigkeit unter kalten Bedingungen gefrieren oder sich ausdehnen, wenn sie warm ist, und auslaufen. Forscher haben eine Version der Zelle entwickelt, bei der der störende flüssige Elektrolyt durch ein festes Material ersetzt wird, was den Weg für billige und langlebige Sonnenkollektoren ebnet.
Ein wichtiger Teil der Zukunft der Solarenergie liegt neben der Entwicklung billigerer und effizienter Photovoltaikzellen im Neubau und der Nachrüstung vieler älterer Gebäude. Einige Experten sagen voraus, dass in den meisten, wenn nicht allen Neubauten Sonnenkollektoren auf Dächern installiert werden. Da diese auch leicht zu montieren sind, erhalten viele ältere Gebäude möglicherweise Upgrades, damit sie von der Sonne mit Strom versorgt werden können. Experten und Umweltschützer hoffen, dass die Regierungen durch großzügige Steueranreize, Steuerbefreiungen und Zuschüsse für die alternative Energienutzung zum Bauen umweltfreundlicher Energien ermutigen.
Sonnenkollektoren auf einem Dach können in einigen Bereichen den gesamten oder den größten Teil des Energiebedarfs eines Hauses decken. In Fällen, in denen Menschen in mehrstöckigen Unterkünften leben, ist die Dachfläche jedoch im Vergleich zur Anzahl der Wohnungen sehr gering. Während kleine, individuelle Anwendungen das Stromnetz etwas entlasten können, muss die Zukunft in großen solarbetriebenen Stromerzeugungsanlagen liegen, wenn die Sonne den Strombedarf von Städten und Industrien decken soll.
Das größte Problem bei der Nutzung von Solarenergie mit PV-Zellen ist der Platzbedarf für den Bau der Kraftwerke. Eine Anlage besteht aus Tausenden von Sonnenkollektoren, ähnlich wie sie derzeit in Häusern mit alternativer Energieversorgung installiert sind. Aus diesem Grund benötigen sie eine durchgehend sonnige Fläche und viel Platz. Derzeit umfasst das größte Kraftwerk der Welt mehr als 16,9 km² und erzeugt genug Strom, um etwa 200.000 Haushalte zu versorgen. Einige Experten schlagen vor, dass für die Stromversorgung der gesamten USA eine Fläche von ca. 160,9 km pro Seite erforderlich ist, wahrscheinlich irgendwo im Wüstenklima des amerikanischen Südwestens.
Alternativen zu Sonnenkollektoren
Es gibt eine Reihe anderer Möglichkeiten, die Kraft der Sonne in großem Maßstab zu nutzen. Ein Beispiel ist die Konzentration der Solarenergie (CSP). Anstatt Elektrizität direkt zu erzeugen, konzentrieren diese Sonnenlicht, um Wasser zu erhitzen, und liefern Dampf, um eine Turbine anzutreiben, die Elektrizität wie ein herkömmliches Kraftwerk erzeugt. Sie können aus Anordnungen von Parabolspiegeln bestehen, die das Sonnenlicht auf ein mit Flüssigkeit gefülltes lineares Rohr fokussieren. Alternativ kann die Sonnenwärme durch einen Parabolspiegel fokussiert werden, um ein Fluid zu erwärmen, das einen Stirlingmotor antreibt, der die mechanische Energie für die Stromerzeugung liefert.
Ein weiteres bewährtes System ist der „Power Tower“, bei dem eine Reihe von sonnennachführenden Flachspiegeln die Sonnenwärme auf einen Flüssigkeitsbehälter lenkt, der zur Dampfversorgung eines Generators verwendet wird. Eine Reihe von Anlagen ist in Betrieb und produziert 10-20 Megawatt Strom. Zukünftige Anlagen können bis zu 200 Megawatt liefern.
Die Zukunft
Ein ermutigender Trend in Bezug auf die Zukunft der Solarenergie ist, dass sich viele der weltweit größten Innovatoren dafür entscheiden, ihre Talente und Mittel auf die Verbesserung alternativer Energietechnologien zu konzentrieren. Viele von verschiedenen Regierungen auf der ganzen Welt finanzierte Vergabesysteme konzentrieren sich auf die wirtschaftliche und groß angelegte Bereitstellung von Solarstrom. In vielen Ländern erhalten die Bürger finanzielle Anreize für den Umstieg auf „grüne“ Energiequellen und die Installation eigener Sonnenkollektoren.
Obwohl es seit 2013 viele ermutigende Anzeichen dafür gibt, dass Regierungen die Notwendigkeit alternativer Energiequellen anerkennen und die Erforschung der Solarenergie fördern, liegt die Antwort zum Teil in den Händen der Weltbürger. Was gewöhnliche Bürger kaufen und unterstützen, wird die Trends der Zukunft beeinflussen. Durch die Installation von Sonnenkollektoren, die Spende an Forschungseinrichtungen im Bereich alternative Energien, den Abschluss eines Hochschulstudiums in einem verwandten Fach und die Abstimmung über Maßnahmen zur Förderung der Entwicklung alternativer Energien kann jeder die Zukunft der Sonnenenergie mitbestimmen.