Energie aus Sonne und Wind

Die Sonne erzeugt durch die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen Energie und gibt diese in Form von Strahlung an den Weltraum ab. Auf der $150$ Millionen km entfernten Erde kommt natürlich nur ein Bruchteil dieser Strahlungsleistung an, genug aber, um diese zur Energienutzung zu verwenden. Wird die Sonneneinstrahlung direkt über der Erdatmosphäre gemessen, so beträgt diese $1'367$ Watt pro $m^2$ , auf der Erdoberfläche an einem Sonnentag bei klarer Witterung etwa noch $1’000$ Watt pro $m^2$ . Diese Energie kann mit Sonnenkollektoren in Solarwärme (Solarthermie) oder mit Solarmodulen in Solarstrom (Photovoltaik) umgewandelt werden. Nachfolgend ist beispielhaft die Photovoltaik skizziert.

Ein Solarmodul wandelt Solarstrahlung in elektrische Energie um. Je grösser die Modulfläche und je höher der Umwandlungswirkungsgrad, desto mehr Ausgangsleistung produziert ein Modul. Ein typischer Wirkungsgrad eines auf Siliziumhalbleiter basierenden Solarmoduls ist $20 \,\%$ . Das bedeutet, dass an einem sonnigen Tag ein Modul von $1 \,m^2$ Fläche $200$ Watt elektrische Leistung liefert.

Scheint die Sonne fünf Stunden, dann ergibt sich daraus ein Energieertrag von:

$200 \,Watt \cdot 5\ Stunden = 1000 \,Wattstunden \,(oder\, 1\, kWh)$

Zur groben Orientierung, was eine Photovoltaikanlage in der Schweiz leisten kann, gilt folgende Faustregel: Eine nach Süden ausgerichtete Modulfläche von $5\,m^2$ erzielt eine maximale Leistung von $1 \,kW$ und einen Jahresertrag von $1'000 \,kWh$ .

Wie funktioniert die Umwandlung von Strahlung in elektrische Leistung?

Lichtquanten geben ihre Energie im Inneren einer Solarzelle an Elektronen ab. Diese werden aus ihrer atomaren Bindung gerissen und sind für kurze Zeit ungebunden. Aufgrund eines inneren elektrischen Feldes in der Solarzelle driften sie auf die Oberseite der Zelle und sammeln sich dort an. Es entsteht dadurch ein Spannungsgefälle zwischen Ober- und Unterseite, bei Siliziumhalbleitern beträgt dieses $0.6 \,Volt$ . Werden die beiden Seiten mit einem Verbraucher verbunden, treiben die Elektronen diesen an und fliessen über die Unterseite zurück in den Halbleiter. Der erzeugte Strom einer Zelle hängt von der Fläche und Einstrahlungsstärke ab. Eine $100\, cm^2$ grosse Zelle liefert bei schönem Wetter etwa $3{.}3 \, Ampere$ Gleichstrom, was bei $0.6 \,Volt$ einer Leistung von $2 \,Watt$ entspricht.

Einzelne Solarzellen werden in einem Solarmodul in Serie verschaltet, diese dann zu leistungsstarken Solargeneratoren montiert. Der gelieferte Gleichstrom wird über Wechselrichter auf eine Wechselspannung transformiert und dann in das Hausnetz oder öffentliche Stromnetz eingespeist. In der Schweiz werden Stand 2023 etwa $6.3\, \%$ des Strombedarfs über solche Anlagen gedeckt. Durch den weiteren Zubau wächst dieser Anteil jährlich an und soll laut Energiestrategie 2050 etwa $40 \,\%$ erreichen. Um die schwankenden Erträge und den Strombedarf in Einklang zu bringen, werden zukünftig verstärkt Energiemanagement- und Speicherlösungen zum Einsatz kommen.

Weltweit wächst der Solarstrommarkt seit Jahrzehnten jährlich um über $30 \,\%$ . Trotzdem ist noch ein riesiges Potential zur Nutzung der Solarenergie offen. Um den weltweiten Primärenergiebedarf über Solarstrom zu decken, würde eine Fläche in der Sahara von $800\, km \cdot 800 \,km$ ausreichen. Zum Vergleich: In der Schweiz ist bislang eine Gesamtfläche mit einer Kantenlänge von $5 \,km$ installiert. Die für Herstellung, Installation, Betrieb und Entsorgung einer Solarstromanlage benötigte Energie erzeugt diese innerhalb der ersten beiden Jahre. Bei einer Lebensdauer von $30$ Jahren wird also $15$ mal so viel Energie erzeugt wie verbraucht.

Wie entsteht Wind?

Die Energie, welche von der Sonne zur Erde kommt, ermöglicht es uns jedoch nicht nur, dass wir Solarenergie gewinnen können, sondern ist auch die Grundlage für die Entstehung von Wind. Durch die Einstrahlung der Sonne erwärmt sich die Luft und die Erdoberfläche oder es verdampft Wasser, welches durch Konvektion dann zu einer Bewegung in der Atmosphäre führt. Die unterschiedlichen Landschaftszonen der Erde führen nun zu unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten und einer unterschiedlichen Erwärmung der Luft. Dadurch entsteht unser Wetter sowie auch globale Windströmungen. In Europa kennen wir dabei vor allem die Bise, welche bei einem Tiefdruckgebiet im Mittelmeergebiet kalte Luft von Osten nach Westen bringt. Im Alpenraum sorgt der Föhnwind für warmen, trockenen Wind auf der Windrichtung abgewandten Seite von Bergen.

Wie funktioniert eine Windenergieanlage?

Eine Windenergieanlage entnimmt der Windströmung einen Teil ihrer kinetischen Energie und wandelt diese in eine Rotation um, welche wiederum durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei funktionieren die aerodynamischen Rotorblätter der Windenergieanlage nach demselben Prinzip wie bei einem Flugzeug. Durch die Luft, welche das Rotorblatt überströmt, entsteht eine Sogkraft auf der Oberseite und ein Überdruck auf der Unterseite des Rotorblatts. Beim Flugzeug führt dies zu Auftrieb nach oben und bei der Windenergieanlage zu der Drehbewegung, welche den Generator antreibt.

Das Umwandeln der kinetischen Energie des Windes produziert jedoch nicht nur elektrische Energie, sondern verändert auch den Windstrom. Entsprechend dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie nicht erschaffen, sondern nur umgewandelt werden. Somit beinhaltet der Wind hinter der Windenergieanlage weniger Energie als vor der Anlage. Dies ist durch eine verlangsamte Windgeschwindigkeit hinter der Windenergieanlage zu erkennen. Weil ein Teil der Windströmung durch den Rotor und ein Teil um den Rotor herumströmt, ist der maximale Wirkungsgrad von einer Windenergieanlage physikalisch begrenzt. Durch Anwendung der Massen- sowie Energieerhaltungsgesetze kann nachgewiesen werden, dass dieser maximale Wirkungsgrad ca. $59\,\%$ beträgt.

Was sind die Hauptbestandteile einer Windenergieanlage?

Der wichtigste Bestandteil der Windenergieanlage ist der Rotor. Dieser hat bei modernen Anlagen drei Rotorblätter, einen Durchmesser von $90-220$ Metern und wird über eine Welle und einem oder zwei Lager mit der Gondel und dem Generator verbunden. Der Generator hat bei einer solchen Anlage normalerweise eine Leistung von $2-13\, MW$ und befindet sich in der Gondel. Die Gondel selbst befindet sich auf einem Beton- oder Stahl-Turm, welcher eine Höhe vom $80-260$ Meter hat. Je nach Anlagen-Typ hat die Windenergieanlage zusätzlich noch ein Getriebe zwischen dem Rotor und dem Generator.

Schweizerisches Windenergiepotential

Laut einer Studie des Bundesamtes für Energie (BFE) beträgt das Windenergiepotenzial in der Schweiz $39.5 \,TWh$ . Davon würde ein grösserer Anteil von $19 \,TWh$ in den Wintermonaten entstehen und könnte somit helfen, die Winterstromlücke zu schliessen. Die aktuelle Energiestrategie des Bundes sieht vor, dass in der Schweiz ungefähr $1'000$ Windenergieanlagen gebaut werden. Dies würde dann etwa einer Produktion von $5.7 \,TWh$ pro Jahr entsprechen.