Nachhaltige Energiequellen

Wissenschaft und Technik 2009:

Trotz groß angelegter Zukunftsprojekte in Wüstenregionen schreitet die Entwicklung der Solarenergienutzung insgesamt eher langsam, aber an vielen Fronten gleichzeitig voran. So erregen derzeit neben den schon seit längerem eingesetzten Silizium-Solarzellen neuerdings auch die nach ihrem Erfinder Michael Grätzel benannten Farbstoff- oder Grätzel-Zellen zunehmend Interesse, die der Marktreife immer näher kommen. Es handelt sich dabei um Nanokristalle aus Titanoxid, die mit organischen Farbstoffen beschichtet sind. Sie wandeln einfallendes und sogar diffuses Sonnenlicht bis zu 10% in elektrischen Strom um. Zwar eignen sie sich wegen des vergleichsweise geringen Wirkungsgrades nicht für große Solaranlagen, wohl aber zum Betrieb kleinerer Einzelgeräte. Interessant ist eine Anwendung, bei der die Oberbekleidung zur Spannungsquelle wird. Textilien, die mit den farbbeschichteten winzigen Kristallen ausgestattet sind, könnten portable Geräte wie Handys oder Laptops mit Strom versorgen.

Die für große Photovoltaikanlagen heute üblichen Sili­ziumzellen lassen sich in ihrem Wirkungsgrad dadurch verbessern, dass man immer reineres Silizium verwendet. Hier stößt der technische Fortschritt an eine Wirtschaftlichkeitsgrenze. Hochreines Material ist extrem teuer. An der Universität Jena deutet sich jetzt eine kostengünstige Alternative an: die Dünnschicht-Solarzelle. Sie besteht aus dem Halbleitermaterial Cadmium-Tellurid (CdTe), das durch den Einbau von Fremdatomen gezielt so verändert wird, dass seine elektrische Leitfähigkeit stark steigt. Die Solarzellen aus CdTe sind wesentlich preiswerter als Siliziumzellen mit vergleichbarem Wirkungsgrad. Sie wandeln derzeit 16% der Sonnenenergie in elektrische Energie um. Es ist aber zu erwarten, dass der Wirkungsgrad schon bald auf über 20% gesteigert werden kann.

Ein neuartiges Konzept zur Elektrizitätsgewinnung in größerem Stil nutzt die Energie von Meereswellen. Wie die Sonnen- und Windenergie steht sie großflächig mit nur geringer Energiedichte zur Verfügung. Trotzdem lässt sie sich durch geeignete, technisch einfache Anlagen kostengünstig nutzen und könnte schon derzeit ohne die heute bei alternativen Energiequellen üblichen großzügigen Subventionen arbeiten. Allerdings dürfte ihr Anteil am Gesamtenergiebedarf meeresnaher Industriestaaten auch auf Dauer nur wenige Prozent ausmachen. Die Technik eignet sich also für Energiemix-Konzepte.

Im Bau sind derzeit Anlagen nach zwei grundsätzlich verschiedenen Techniken. Zwei US-amerikanische und ein niederländisches Verfahren arbeiten mit bojenartigen Wellen­energieabsorbern. Dabei ist in 30 bis 100 m tiefem Wasser am Meeresboden ein senkrechter Stahlzylinder verankert, um den eine Spule gewickelt ist. An der Meeresoberfläche umgibt diesen Zylinder ein ringförmiger hölzerner Schwimmer, der innen mit Permanentmagneten ausgekleidet ist. Bewegt er sich mit den Wellen auf und ab, dann induziert er Strom in die Spule.

Ein zweites, in Schottland entwickeltes Konzept arbeitet mit vier gelenkig miteinander verbundenen, jeweils 30 m langen Rohrelementen, die immer rechtwinklig zur Wellenlaufrichtung im Wasser schwimmen. Mit den Wellen heben und senken sich die hermetisch abgedichteten Rohre dieses Pelamis-Kraftwerks rhythmisch, aber gegenphasig. Hydrauliksysteme an den Gelenken setzen dadurch eine Flüssigkeit unter Druck, die dann einen Turbogenerator antreibt.

2010 sollen aus Bojenkraftwerken die ersten 500 kW und aus Pelamis-Kraftwerken die ersten 750 kW elektrischer Leistung fließen.