Zur Bedeutung der
thermischen Solarzellen
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Thermische Solarzellen
wandeln die direkte Komponente der Sonnenstrahlung in die
thermische Energie eines Wärmefluids (siehe Energie2). Dabei
sollte man die Verfahren danach trennen, welche
Temperaturen das Wärmefluid in der thermischen Solarzelle
erreicht:
Wird das Sonnenlicht konzentriert auf die Zelle
eingestrahlt, kann das Wärmefluid Temperaturen von über
1000 oC erreichen (siehe Energie2). Dieses
Verfahren ist besonders geeignet in Gebieten mit hoher
solarer Einstrahlung (Wüsten). In einem Extrakapitel
soll auf neuere Anlagen und Vorschläge, welche dieses
Verfahren nutzen, eingegangen werde.
Wird dagegen das Sonnenlicht nur direkt in einem Kollektor
absorbiert, so erreicht das Wärmefluid in den wenigsten
Fällen eine Temperatur von über 100 oC. Dieses
Verfahren wird meistens in jenen Gebieten eingesetzt, in
denen die solare Einstrahlung so gering ist, wie in
Deutschland.
In diesen Fällen handelt es sich bei dem Wärmefluid fast
immer um Wasser. In unseren geografischen Breiten liegt
dabei die Temperatur T des erwärmten Wassers dabei nur
in dem Bereich von 10 oC bis 30 oC
über der Umgebungstemperatur. Daraus ergeben sich auch die
Anwendungsgebiete von thermischen Solarzellen, sie werden
eingesetzt
- zur Erwärmung von Brauchwasser,
- zur Niedertemperaturheizung von Wohnräumen.
Dieser Aufgabenbereich ist zwar sehr beschränkt, wir
sollten aber nicht vergessen, dass er für etwa 40% des
Primärenergiebedarfs verantwortlich ist.
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Thermische Solarzellen
besitzen daher im Prinzip eine wichtige Bedeutung in einer
zukünftigen Energieversorgung. Sie können die ihnen
gestellten Aufgaben aber nur dann übernehmen,wenn sich die
thermische Energie des Wassers auch über längere Zeiträume
speichern lässt, nämlich von den Tagen intensiver
Sonneneinstrahlung (meistens im Sommer) in die Tage
geringer Sonneneinstrahlung (meistens im Winter), wenn der
Bedarf insbesondere nach Wohnraumwärme besonders hoch ist.
Dies ist technisch möglich und wurde ausführlich in Energie2
behandelt. Die dazu benötigte Technik ist aber z.Z. teuer
und noch unvollkommen entwickelt. Insofern besitzen die
heute in der Welt installierten thermischen Solarzellen
fast niemals die Möglichkeit einer
Wärme-Langzeit-Speicherung und können ihre Aufgabe auch
nur unvollkommen erfüllen.
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Diese
Beschränktheit ist klar zu erkennen an der
Bedeutung thermischer Solarzellen in Deutschland.
Zwar hat ihre Leistung im Zeitraum von 1999 bis
2019 um fast das 9fache zugenommen (Abbildung
rechts), gemessen an der Leistung aus allen
erneuerbarer Energien liegt dieser Beitrag aber
nur bei etwa 1.8% und ist damit praktisch vernachlässigbar.
Insbesondere fällt auf, dass seit 2010 keine
wesentliche Zunahme dieses Beitrags zu erkennen
ist. Dafür gibt es u.U. folgende Gründe:
Man unterscheidet bei den thermischen Solarzellen,
wie in Energie2
behandelt, zwischen Flachkollektoren und
Vakuumkollektoren. Für Deutschland mit einer
mittleren Sonnenintensität von ca. 1000 kWh a-1
m-2 besitzen diese beiden
Kollektortypen folgende Eigenschaften:
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Wirkungsgrad
|
Wassertemperatur
T
|
Flachkollektor |
0.2
|
10 oC
|
Vakuumkollektor
|
0.4
|
30 oC
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Attraktiv sind zur Wärmebereitstellung nur die
Vakuumkollektoren, diese sind aber wesentlich
teurer als Flachkollektoren.
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![](3-4-01.gif)
Die jährliche
Leistung von thermischen Solarzellen in Deutschland seit
1999 (gelbe Balken, rechte Skala) und welchen
Anteil diese an der Leistung aus allen
erneuerbaren Energie hatte (schwarze Linie,
linke Skala).
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Zusammenfassend ergibt
sich aus diesen Daten, dass im Jahr 2019 alle in
Deutschland installierten thermischen Solarzellen eine
Energie von etwa
9 · 109 kWh
a-1
gewandelt haben, und das ergibt bei einem Gesamtbedarf an
Primärenergie von etwa 3.5 · 1012 kWh a-1
einen Versorgungsgrad von 0.26%. Daher kann das Ergebnis
nur lauten:
Thermische
Solarzellen
sind unter den augenblicklichen Bedingungen nur
unwesentlich an der Deckung des deutschen
Primärenergiebedarfs beteiligt.
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Trotzdem stellen erneuerbare Energien wesentlich mehr
Wärmeenergie bereit, nach Kap. 3.1
etwa 30%, und den größten Anteil stellt die feste
Biomasse, also Holz. Im Prinzip ist das die Technik, die
bereits während der Steinzeit genutzt wurde und die eine
Verschwendung von chemischer Energie darstellt.
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Diese Aussage, dass
moderne Techniken in der Wärmeversorgung nur eine
untergeordnete Rolle spielen, gilt nicht
allein für Deutschland, sondern sie trifft
weltweit zu: Der Beitrag von thermischer Energie
aus Solarzellen bleibt in der Regel unter 1% des
jeweiligen Primärenergiebedarfs. Dies wird aus der
Tabelle
rechts deutlich, die eine Zusammenstellung der
wichtigsten Länder, geordnet nach ihrer Leistung
aus thermischen Solarzellen, enthält. Die Daten
gelten für das Jahr 2010, neuere Daten habe ich
nicht gefunden.
Durch den Vergleich mit dem Primärenergiebedarf
für 2010 ergibt sich auch der Versorgungsgrad von
thermischen Solarzellen, wobei wir i.A. die
gleichen Verhältnisse wie in Deutschland
vorfinden. Denn Solarzellen werden hauptsächlich
in der Nähe von Wohnhäusern installiert und die
stehen eben nicht in sonnenreichen Gegenden, wie
z.B. den Wüsten.
Für die USA kann der Beitrag der thermischen
Solarzellen noch weiter aufgeschlüsselt
werden. Demnach sind ca. 52% der thermischen
Solarzellen in Privathaushalten installiert und
dienen dort fast ausschließlich zu Erwärmung des
Schwimmbadwassers. Zur Wohnraumheizung werden nur
ca. 0.88% der thermischen Solarzellen verwendet,
der Rest dient der Warmwasserbereitung.
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Land
|
Fläche
(km2 )
|
Leistung
(GWh a-1)
|
Kapazitäts-
faktor
|
Beitrag
(%)
|
VRChina
|
168.0
|
97682
|
0.095
|
0.35
|
Türkei
|
13.3
|
10846
|
0.133
|
0.82
|
USA
|
21.8
|
9076
|
0.068
|
0.03
|
Deutschland
|
13.7
|
5565
|
0.066
|
0.14
|
Australien
|
8.32
|
4971
|
0.097
|
0.28
|
Brasilien
|
6.11
|
4285
|
0.114
|
0.13
|
Israel
|
4.17
|
3591
|
0.141
|
1.28
|
Indien
|
3.97 |
3397
|
0.140
|
0.05
|
Griechenland
|
4.09 |
3146
|
0.126
|
0.80
|
Österreich
|
4.56
|
1832
|
0.066 |
0.41
|
Zusammenstellung
der Länder mit den größten Leistungen aus
thermischen Solarzellen, den erreichten Kapazitätsfaktoren und den
Beiträgen zur
Versorgung mit Primärenergie für das Jahr 2010
In Israel, der Türkei und Griechenland ist die
Nutzung der thermischen Solarzellen
offensichtlich am weitesten vorangeschritten,
also in den ve-Ländern am östlichen Teil
des Mittelmeers. Wegen des sonnenreichen Klimas
dienen thermische Solarzellen dort wohl
überwiegend der Warmwasserbereitung und nicht
der Wohnraumheizung.
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Diese vorzugsweise Nutzung ist natürlich eher ein Zeichen
für den hohen Lebensstandard in den USA, als dass er auf
besondere Anstrengungen hinweist, die fossilen durch
erneuerbare Energien in dem wichtigen Sektor Raumwärme zu
ersetzen. In der Tat, in Energie2 wurde auch argumentiert, dass sich
eine Reduzierung des fossilen Primärenergiebedarfs im
Sektor Raumwärme wegen der Speicherprobleme nicht so sehr
mithilfe von thermischen Solarzellen, sondern eher dadurch
erreichen lässt, dass neu erbaute Wohneinheiten den
Standard von Passivhäusern erfüllen und der Altbestand an
Wohngebäuden wenigstens modernisiert wird. In Deutschland
werden diese Maßnahmen seit einiger Zeit staatlich gefördert.
Denn z.Z. ist der Bestand an Passivhäusern noch sehr
gering. Nach einer Zusammenstellung
im Internet existieren nur 4968 Objekte mit einem
geschätzten Anteil von 0.012% an allen Wohneinheiten in
Deutschland. Nach einer ähnlichen Zusammenstellung für die
USA ist die Zahl der Passivhäuser dort von gleicher Größenordnung, aber ihr Anteil an
der Gesamtzahl von Gebäuden sinkt auf unter 0.003%.
Beispiele für Passivhäuser findet man in diesem Report.
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