Erneuerbare Energien: Technologien und Anwendungen

Solarenergie

Im Zentrum der Sonne werden ständig Kernfusionsreaktionen produziert, die eine Masse von 4 Millionen Tonnen pro Sekunde in Energie umwandeln. Diese wird in Form von Strahlung übertragen. Solarenergie erreicht die Erdoberfläche direkt (direkte Strahlung) oder gestreut durch Staub und Wasserdampf in der Atmosphäre (diffuse Strahlung).

Nutzungssysteme

Es gibt thermische Wege, die die Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in Wärme beinhalten, sowie die photovoltaische Umwandlung, bei der Strahlung direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird. Wärme kann durch aktive Systeme, Sensoren mit oder ohne Strahlungskonzentration (Thermosolar) erreicht werden. Die passive Nutzung der Sonneneinstrahlung erfolgt durch architektonische Gestaltung von Gebäuden, die an das Klima angepasst sind.

Aktive Systeme

Aktive Systeme können für niedrige, mittlere und hohe Temperaturen ausgelegt sein. Niedrigtemperatursysteme nutzen Flachkollektoren, die auf dem Treibhauseffekt basieren. Hochtemperatursysteme werden zur indirekten Stromerzeugung in Solarkraftwerken genutzt.

Solaröfen

Eine wichtige Anwendung für hohe Temperaturen ist der Solarofen zur Untersuchung von High-Tech-Materialien. Hierbei wird eine große parabolische Fläche aus Spiegeln genutzt, um die Strahlung in einem sehr kleinen Bereich zu konzentrieren, wo extrem hohe Temperaturen entstehen.

Zentrale und verteilte Systeme

• DCS (Distributed Collector System): Konzentration der Sonneneinstrahlung auf kleine Flächen, um Temperaturen bis zu 300 °C zu erreichen, was zur Dampferzeugung für industrielle Prozesse oder Strom genutzt werden kann.
• CRS (Central Receiver System): Ein Heliostatenfeld konzentriert das Sonnenlicht auf einen Empfänger an der Spitze eines Turms. Die Heliostaten folgen der Sonne in zwei Achsen (Azimut und Elevation).

Photovoltaik

Die Photovoltaik wandelt Sonnenstrahlung direkt in Strom um. Photovoltaik-Zellen bestehen aus Halbleitermaterial, das bei Lichteinfall Strom erzeugt (photovoltaischer Effekt). Anwendungen finden sich sowohl in isolierten Anlagen als auch in netzgekoppelten Systemen.

Niedrigtemperatursysteme

Ein Gewächshaus nutzt Infrarotstrahlung, um Wärme in einem geschlossenen Raum zu speichern. Bei der bioklimatischen Architektur werden architektonische Elemente wie Fenster, thermische Masse und Reflektoren genutzt, um den Komfort zu erhöhen.

Windenergie

Windenergie ist die Nutzung der kinetischen Energie des Windes mittels Aeroturbinen (Windmühlen).

Technologien und Aufbau

Man unterscheidet zwischen langsamen Aeromotoren (viele Klingen, geringe Leistung) und schnellen Turbinen (2-3 Klingen, hohe Leistung). Eine Aeroturbine besteht aus:

• Rotor: Wandelt Windenergie in mechanische Energie um.
• Regelsystem: Richtet den Rotor zum Wind aus und begrenzt die Geschwindigkeit.
• Energetischer Konverter: Überträgt die mechanische Energie auf den Generator.
• Turm: Stützt die Anlage und reduziert Schwingungen.

Windparks

Windparks sind Anlagen mit mehreren Windkraftanlagen. Sie werden unterteilt in nicht netzgekoppelte Anlagen (ländliche Elektrifizierung), netzunterstützende Anlagen und Anlagen zur zentralen Stromerzeugung.

Weitere Energiequellen

Geothermie

Geothermische Energie nutzt die innere Wärme der Erde. Man unterscheidet zwischen Kondensationskraftwerken (Dampf wird wiederverwendet) und Anlagen ohne Kondensation.

Gezeitenenergie

Die Gezeitenkraft nutzt die zyklische Bewegung des Meerwassers, die durch die Gravitation von Mond und Sonne entsteht.

Biomasse

Biomasse umfasst organisches Material pflanzlichen oder tierischen Ursprungs. Prozesse umfassen:

• Physikalisch: Homogenisierung und Verdichtung (Briketts/Pellets).
• Thermochemisch: Pyrolyse (ohne Sauerstoff) oder Vergasung.
• Biochemisch: Anaerobe Vergärung (Biogas) oder aerobe Fermentation (Bioalkohol).

Abfallwirtschaft

Zur Entsorgung und energetischen Nutzung von Siedlungsabfällen dienen Deponien, Kompostierung, Recycling und Verbrennung. Ecoparks gewinnen Energie und Dünger aus Abfällen. Biogas aus Deponien wird durch Entgasungsbrunnen extrahiert, um Risiken zu minimieren und Energie zu gewinnen.