Photosynthese, Photovoltaik, Solarthermie und Thermophotovoltaik – und was nun?

Wunder sind in der Technik selten, die Thermophotovoltaik ist auch keins. Es gibt viele Ideen aus Sonnenlicht Strom zu erzeugen. Schauen wir uns die Alternativen einmal an:

Die älteste Möglichkeit ist die Photosynthese, über den Umweg der Biomasse. Entweder man verbrennt die Biomasse direkt oder nutzt Mikroorganismen zur Erzeugung von Methan, Ethanol oder anderen Trägerstoffen. Ich bin kein Freund der Biomasse, wenn es sich nicht um die Nutzung von unvermeidbaren Abfällen handelt. Der Grund dafür ist der extrem große Landflächenverbrauch.

Kraftwerk Jänschwalde 3000MW, Energieertrag 22000 GWh/a, Jahresschnitt 2511MW

Alle 1,5kW Leistung einer Biogasanlagen benötigt man selbst im besten Fall mit Mais oder Zuckerrüben einen ganze Hektar Land. Um Brandenburgs größtes Braunkohlekraftwerk in Jänschwalde damit zu ersetzen, bräuchte man etwa 1,67 Millionen Hektar bestes Ackerland. In ganz Brandenburg werden aber nur etwa 1 Million Hektar als Ackerland genutzt. In Deutschland gibt es nur 12 Millionen Hektar Ackerland die für wichtigeres als die Stromversorgung genutzt werden müssen.

Das ist kein Statement gegen die Verwendung von Abfällen wie Kuhdung, Holzabfälle oder Biomüll. Aber es sollte klar sein, dass Lebensmittel die bereits einmal verdaut wurden nur noch einen Bruchteil des Energiegehalt vor der Verdauung haben. Das Potential der Biomasse ist damit klar begrenzt.

Die Thermophotovoltaik aus dem letzten Post vereint verschiedene Vor- und Nachteile der Photovoltaik und Solarthermie auf neue Weise.

Der große Vorteil der Photovoltaik ist das Fehlen von beweglichen Teilen. Eine Solarzelle auf dem Dach mag nicht die effizienteste Form der Photovoltaik sein (sie wird der Sonne nicht nachgeführt), aber sie funktioniert auch so und ist äußerst wartungsarm, gerade wegen der fehlenden beweglichen Teile. Erkauft wird das durch einen geringen Wirkungsgrad und entsprechend großen Flächenbedarf. Moderne Flächenanlagen erreichen in Deutschland Durchschnittsleistungen von etwa 40kW pro Hektar. (Bei Spitzenleistungen von knapp 400kW.)

Solarpark Lieberrose. Fläche 162 ha Spitzeleistung: 53 MW Energieertrag: 52 GWh/a Jahresschnitt: 5,9 MW Flächenleistung: 36 kW pro ha

Um die gleiche Energiemenge wie Jänschwalde zur Verfügung zu stellen sind also 62500 Hektar nötig. Berlin ist etwa 89200 Hektar groß. Allerdings wird diese Energie nicht regelbar und ungleichmäßig abgegeben. Es ist die gleiche Menge, aber sie hat nicht die gleiche Nützlichkeit. Die Umwandlung in langfristig speicherfähige Energieträger und Rückumwandlung in Strom ist mit dem Verlust von etwa 2/3 der Energie und großen Investition in die nötigen Anlagen und Speicher verbunden. Die Aussichten einfach die Energie so wie sie anfällt zu nutzen sind schlecht, wie ich anderswo bereits auf Englisch erklärt habe.

Die Solarthermie und Thermophotovoltaik vereint, dass sie prinzipiell viel effizienter sein können als einfache Photovoltaik (mit nur einer Halbleiterschicht, andere sind noch nicht in der Massenproduktion angekommen). Wobei die Solarthermie auf klassische Dampfturbinen zurückgreift, während die Thermophotovoltaik auf spezialisierte Photozellen und Emitter setzt.

In beiden Fällen muss Sonnenlicht gebündelt und die Optik der Sonne nachgeführt werden, um die nötigen Betriebstemperaturen zu erreichen. Die Überwachung und Wartung der Anlagen sind unvermeidlich. Anders als bei der Photovoltaik geht das Streulicht gerade bei leicht bewölktem Himmel für die Stromerzeugung verloren, weshalb diese Form der Stromerzeugung hauptsächlich in trockenen Gegenden mit vielen Sonnenstunden zur Anwendung kommt. Außerdem kann die Betriebstemperatur wegen des über den Tag wechselnden Sonnenstandes nie völlig konstant gehalten werden. Bei Abweichungen sinkt aber die Effizienz, weil sowohl Thermophotovoltaik als auch Turbinen auf einen bestimmten Betriebspunkt hin optimiert werden müssen. Die Anlagen erreichen zumeist Leistungen von 100kW pro Hektar (in Deutschland wäre es wesentlich weniger).

Andasol 1 Fläche 200 ha Spitzenleistung 60MW Energieertrag 175 GWh/a Jahresschnitt 20MW Flächenleistung 100kW/ha

Der große Vorteil der Solarthermie ist, dass man die Sonnenenergie zumindest für einige Stunden durch die Verflüssigung von Salz speichern kann, hat dafür aber im wahrsten Sinne des Wortes einen hohen Preis bezahlt. Um die hohe Effizienz der Solarthermie zu erreichen kann man keine kleinen Anlagen bauen. Die Dampfturbinen sind nur im MW Bereich wirtschaftlich, was zu großen Kollektorflächen führt. Alle Kollektoren müssen von einem Wärmeträger durchflossen werden, um die Wärme letztlich zu einem Dampferzeuger zu transportieren. Solche Anlagen sind extrem aufwendig, gerade verglichen mit der Photovoltaik und benötigen alles was auch ein Kohle- oder Kernkraftwerk benötigt, insbesondere Kühltürme und Kühlwasser. (Luftkühlung ist möglich, aber weniger effizient und großem Investitions- und Eigenenergieverbrauch verbunden.)

Die Thermophotovoltaik wiederum bietet keine einfache Möglichkeit der Speicherung, weil sie mit viel höheren Temperaturen arbeitet. Dafür könnten aber Absorber, Emitter und Photozelle in fast beliebigen Größen, von einigen Watt an aufwärts, gebaut werden. Wegen der notwendigen Optik und der Nachführung dürfte es aber gewisse Grenzen geben. Auch die Thermophotovoltaik kann die Notwendigkeit der Kühlung nicht vermeiden, denn die Photozellen im Infrarotbereich sind besonders anfällig für hohe Temperaturen. Selbst bei einer Effizienz von 50% müssen aber große Mengen Wärme von den Photozellen abgeführt werden um die Beibehaltung der Betriebstemperatur zu gewährleisten (etwa 30 Grad).

Wunder sind nicht zu erwarten, aber eine Erweiterung der Möglichkeiten zur Nutzung der Sonnenenergie. Das ist kaum Schlagzeilenträchtig, aber langfristig sind es die kleinen Schritte, die große Änderungen zur Folge haben.

Interessanter als die Nutzung in der Sonnenenergie ist die Thermophotovoltaik bei ganz herkömmlichen Techniken. Es gibt zwei wichtige geplanten Anwendungen. Erste ist die Nutzung der von Abwärme von Motoren, mit relativ hoher Effizienz. Und zum anderen kann man so Stromgeneratoren mit fast beliebigen Leistungen und beliebigen Brennstoffen mit sehr viel kleineren Effizienzeinbußen bauen, schließlich kann man jeden beliebigen, heißen Körper als Quelle zur Emission von Infrarotlicht für die Photozellen nutzen und es ist egal, wie dieser Körper auf der anderen Seite aussieht (von wo er geheizt wird). Egal ob dort Gas, Öl, Kohle, Holz, Stroh oder etwas anderen verbrannt wird, für die Stromerzeugung bleibt alles gleich.

Auch Radioisotopenbatterien in der Raumfahrt können diese Technik nutzen. Zur Zeit nutzen diese den Seebeck-Effekt (Thermoelektrischer Effekt) um ohne bewegliche Teile Wärme in Strom mit einer Effizienz von 5% umzuwandeln. Thermophotovoltaik könnte sehr viel effizienter sein, ohne die langfristig sehr anfälligen mechanischen Teile eines Sterling Motors aufzuweisen.

Danke für das Lesen. Bitte hinterlasst einen Kommentar, wie euch der Beitrag gefallen hat. Egal ob positiv oder negativ, konstruktive Kritik lese ich immer gern. Ihr könnt mir auch auf Twitter unter @tp_1024 folgen.

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