Photovoltaik ist die Energie der Zukunft | Terra-X-Kolumne
Kolumne
Terra X - die Wissens-Kolumne:Warum Photovoltaik die Energiewende gewinnt
von Axel Kleidon
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Photovoltaik boomt. Zu Recht: Es gibt gute Gründe, warum sie in vielerlei Hinsicht besser ist als andere Arten der Energieerzeugung - das sagt uns allein die Physik.
Aus der Energie des Sonnenlichts lässt sich eigentlich viel machen. Denn das Licht, das uns von der Sonne erreicht, ist unvorstellbar energiereich. Konkreter: Der Energiegehalt des Sonnenlichts entspricht der Oberflächentemperatur der Sonne, etwa 5.500 Grad Celsius. Auf der Erde hingegen liegen die Temperaturen im Mittel bei 16 Grad Celsius.
Aus dieser Differenz lässt sich viel Energie gewinnen. Aber die Sache hat einen Haken: Jedes Mal, wenn Energie umgewandelt wird, wird der nutzbare Anteil geringer.
In der Terra-X-Kolumne auf ZDFheute beschäftigen sich ZDF-Wissenschaftsjournalistinnen und -journalisten wie Harald Lesch, Mirko Drotschmann und Jasmina Neudecker sowie Gastexpert*innen jeden Sonntag mit großen Fragen der Wissenschaft - und welche Antworten die Forschung auf die Herausforderungen unserer Zeit bietet.
In der Sprache der Physik: Die Entropie beschreibt, wie Energie verteilt und nutzbar ist. Wird Energie umgewandelt, nimmt die Entropie zu. Je höher die Entropie, desto weniger nutzbar ist Energie. Was bedeutet das nun für uns, die wir ja die Kraft der Sonne nutzen wollen?
Temperaturunterschiede begrenzen die Energiegewinnung
Temperatur und Entropie sind entscheidend dafür, wieviel Energie nutzbar gemacht werden kann. Das zeigt sich daran, wie ein Kraftwerk Strom erzeugt. Durch Verbrennung entsteht Wärme, also Energie mit niedriger Entropie. Diese wird in Strom umgeformt, oder sie verlässt das Kraftwerk über die Kühltürme bei wesentlich geringerer Temperatur, also weit höherer Entropie. Insgesamt bleibt die Energie dabei erhalten.
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Da die Entropie aber nur zunehmen kann, muss ein gewisser Anteil der Energie über die Kühltürme entweichen. Wieviel Strom das Kraftwerk erzeugen kann, hängt vom Temperaturunterschied ab. Je höher die Differenz, desto mehr nutzbare Energie kann erzeugt werden und desto effizienter ist das Kraftwerk.
Erneuerbare Energien: Eine Frage der Entropie
Im Grunde nutzen die meisten Formen von erneuerbaren Energien die Sonnenenergie. Nur eben in gewandelter Form. Die Erde beispielsweise absorbiert das Sonnenlicht, wandelt es in Wärme und lässt so ein komplexes Klimasystem entstehen. Dieses erzeugt Energie aus den Temperaturunterschieden zwischen Oberfläche und Atmosphäre, und zwischen den Tropen und Polargebieten.
So entsteht Wind, also Luftbewegungen, die Wärme verteilen. Wenn Winde über das Meer blasen, wird Windenergie in Wellenenergie und dann in Meeresströmungen umgewandelt. Dabei werden die Potenziale für eine Energienutzung allerdings jedes Mal kleiner.
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Trotzdem kann beispielsweise Windenergie in Deutschland einen großen Beitrag zur Energiewende leisten: Die Winde in Deutschland sind deutlich stärker als im globalen Mittel, sodass sie erheblich zur Energiegewinnung beitragen können. Für eine gelungene Energiewende braucht es dennoch mehr Formen der erneuerbaren Energiegewinnung.
Auch Biomasse ist nicht effizient
Auch Pflanzen nutzen Sonnenlicht und erzeugen Biomasse, also Energie in chemischer Form. Ihre Effizienz ist aber mit lediglich ein bis zwei Prozent sehr gering, denn sie müssen Kohlendioxid aufnehmen und verlieren dabei viel Wasser.
Am Ende dieser Kette ist das ursprünglich hohe Potential der Sonnenenergie wieder sehr viel geringer geworden. Daher ist die Nutzung von Biomasse als Energiequelle sehr begrenzt.
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Photovoltaik: Königin der Effizienz
Am besten also wir wandeln die Sonnenenergie auf direktem Weg in Strom. Genau das kann Photovoltaik. Da sie das Sonnenlicht direkt nutzt, ist sie sehr effizient. Gegenwärtige Solarpaneele haben einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent, im Labor erreichen neue Technologien sogar noch mehr. Die Photonen des Sonnenlichts regen in Solarzellen den Fluss von Elektronen an - es entsteht direkt elektrischer Strom, ganz ohne den Zwischenschritt von Wärme.
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Viel Potenzial für Solarenergie in Deutschland
Deutschland ist nicht so sonnig ist wie manch anderer Ort. Aber auch hierzulande lässt sich auf vergleichsweise wenig Fläche sehr viel Energie über Photovoltaik gewinnen. Schon jetzt erreichen alle installierten Photovoltaikanlagen in Deutschland zusammen eine Leistung von über 70 Gigawatt. 2022 haben wir so immerhin elf Prozent unseres Stroms erzeugt.
Dabei ist das Potential längst noch nicht erschöpft. Viele Flächen - etwa Dächer und Äcker - ließen sich so doppelt nutzen und auch die Kosten für Solaranlagen fallen immer weiter. Höchste Zeit also, dass wir die aus menschlicher Perspektive gewaltige Energie der Sonne besser nutzen.
Haben wir die Energiekrise überwunden? Kommen wir mit dem Ausbau vom Stromnetz überhaupt hinterher? Wird der Strompreis nun billiger? 19.07.2023 | 29:19 min
... ist studierter Physiker, leitet eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Biogeochemie und lehrt an der Friedrich-Schiller Universität Jena. Meistens forscht er daran, wie die Erde Energie in verschiedenste Formen umwandelt und wo dabei die Grenzen liegen, mit einem Blick auf das ganze Erdsystem. Dies wendet er an, um Klima, Klimawandel, und die Rolle des Lebens besser - und einfacher - zu verstehen und abzuschätzen. Das hat auch ganz praktische Bedeutung, für die Folgen des Klimawandels und für die Grenzen von erneuerbare Energien. Seine Arbeitsgruppe schreibt über die eigene Forschung auch auf dem Blog earthsystem.org.
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