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| Sanyo Solarmodule |
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Solarlexikon | |
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| Begriff | Definition |
| Absorber | Als Absorber bezeichnet man ganz allgemein jene Teile solartechnischer Anlagen, welche die zu nutzende Sonnenenergie auf den Wärmeträger durchflossene Platte unter der Glasabdeckung von Flachkollektoren, oder die Empfängerrohre in Rinnenkollektoren. Der Begriff Absorber (auch Wärme- oder Energieabsorber) wird jedoch besonders auf jene Wärmetauscher angewandt, die direkt der Umgebungsluft ausgesetzt sind und daher jede Art von Umgebungswärme absorbieren: direkte und indirekte Sonnenstrahlung, Wärme von Luft, Regen und sogar Schnee, auch Kondensationswärme der Luftfeuchte. Eine aktive Solarnutzung von Wärme so niedriger Temperatur ist – über einen gefriersicheren Wärmeträger – mit Wärmepumpen möglich. Im Unterschied zu Absorbern nutzen Flachkollektoren im wesentlichen nur die Sonnenstrahlung und sind zur Vermeidung von Wärmeverlusten mit Glas abgedeckt. Absorber werden in vielerlei Formen und aus verschiedenen Werkstoffen gebaut, z.B. als Platten aus Kupferblech mit angelöteten Wärmeträger-Rohren, als Gitter aus Kunststoffrohren oder als Beton-Fassadenelemente (die allerdings Luft als Wärmeträger haben) der Solararchitektur. Sie werden auf das Dach gelegt (oder bilden selbst die Dachhaut), an der Fassade montiert oder im Garten oder auf dem Dach aufgestellt. Man unterscheidet: Als erster Absorber wurde Ende der 70er-Jahre das Energiedach von der deutschen Industrie entwickelt und auf den Markt gebracht. In Deutschland sind seither – vorwiegend in Ein- und Zweifamilienhäusern, aber auch in Wohnblöcken – mehrere tausend Absorber in Betrieb genommen worden, Erfahrungen liegen aber auch aus Österreich und der Schweiz vor. |
| Aktive Solarnutzung | Nutzung der Sonnenstrahlung für Heizung und Kühlung von Gebäuden mit Kollektoren, Speichern und Pumpen. Angewandt, meist zusammen mit passiver Solarnutzung. Die Begriffe aktive und passive Solarnutzung wurde nach der Ölkrise geprägt, als der Einsatz von Sonnenenergie für Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung (in wärmeren Ländern auch zur solaren Kühlung) in der Solararchitektur erprobt wurde. Bei der passiven Solarnutzung dienen Teile des eigentlichen Gebäudes, z.B. Fenster und Speicherwände, zum Sammeln und Speichern der Sonnenstrahlung. Die aktive Nutzung hingegen (vom Lateinischen activus, in Tätigkeit bestehend) erfolgt mit zusätzlichen Anlagen, die für ihren Betrieb auf motorisch bewegte Pumpen und Ventile sowie auf elektronische Steuerungen angewiesen sind: Aktive Solarnutzung bildet in der Regel eine Ergänzung zur passiven. Ob und welche Absorber oder Kollektoren Verwendung finden, hängt vom örtlichen Klima ab. Für die Wahl des Speichers ist entscheidend, ob die Heizung „monovalent“ nur mit Sonnenenergie erfolgen soll oder „bivalent“ mit einher Zusatzheizung für die kälteste Zeit. |
| Biogas | Brennbares Gas, das bei der Vergärung von Jauche, Hausmüll und Klärschlamm unter Luftabschluss entsteht und an Ort und Stelle andere Brennstoffe sparen kann. Biogas kommt in der Natur als Sumpfgas oder im Pansenmagen des Rindes vor: Wässrige pflanzliche oder tierische Biomasse vergärt unter der Einwirkung von Bakterien und unter Luft- und Lichtabschluss. Dabei bildet sich ein Gas, das zur Hälfte bis zu zwei Dritteln aus brennbarem Methan und aus Kohlendioxid besteht sowie aus Restgasen, darunter vielfach dem giftigen Schwefelwasserstoff. Solche Gärungsvorgänge spielen sich auch in Jauche, in Kläranlagen und in Mülldeponien ab, die Haushaltsabfälle enthalten. Das dabei entstehende Biogas lässt sich als Biomasse-Energie nutzen, meist als Brennstoffsparer an Ort und Stelle. Die erste Biogasanlage wurde 1859 in Indien erprobt. Seit den 50er-Jahren sind dort mehrere 100.000, in Korea etwa 30.000 und in China mehrer Mio. sehr einfache Anlagen gebaut worden, jedoch größtenteils mangels richtiger Betriebsweise und Wartung verfallen. Aber erst im Gefolge der Ölkrise förderten andere Entwicklungsländer und auch Industriestaaten den Bau von Versuchsanlagen – Mitte der 80er-Jahre gab es in Deutschland (wo schon in den 40er- und 50er-Jahren Vorarbeiten geleistet worden waren) etwa 120, in Österreich einige Dutzend und in der Schweiz rund 150: In einem Behälter aus Beton, Stahl oder Kunststoff vergärt Jauche mehrere Wochen lang, das Biogas wird zum Antrieb von Totalenergieanlagen und Traktoren oder zur Heizung, die übrig gebliebene Masse als Dünger verwendet. Die Anlagen funktionieren im allgemeinen gut, sind aber allenfalls bei sehr hohem Viehbestand wirtschaftlich. Das Aufrechterhalten der günstigsten Gärtemperatur, etwa 32°C, sowie das Rührwerk benötigen ungefähr die Hälfte der gewonnenen Biogas-Energie; je Großvieheinheit (ausgewachsenes Rind) und Tag bleibt etwa 1 m³ entsprechend 0,5 l Heizöl zur Nutzung. Im Winter, der Zeit des höchsten Energiebedarfs am Bauernhof, fällt allerdings am wenigsten Jauche an (weil die Tiere dann weniger fressen und saufen). In Mitteleuropa beträgt das Potential, d.h. Anlagen in allen größeren Höfen, etwa ein Drittel des Energiebedarfs in der Landwirtschaft; in Entwicklungsländern könnten Anlagen in angepasster Technik (Entwicklungen auch in Deutschland) vor allem Brennholz sparen. Seit Beginn der 80er-Jahre wird mancherorts aus abgeschlossenen, mit Erde überdeckten Hausmülldeponien das hier „Deponiengas“ genannte Biogas mit Gasbrunnen abgezogen. Im Laufe von 20 Jahren liefert 1 t Hausmüll insgesamt etwa 180 m³ Gas (mit dem Energiegegenwert von 90 m³ Erdgas oder 90 l Heizöl) zum Antrieb von Gasmotoren. Diese Technik ist nicht wirtschaftlich, aber ein Beitrag zum Umweltschutz, weil Deponiegas sonst das Pflanzenwachstum beeinträchtigt. |
| Biomasse | Im energietechnischen Sinne alle pflanzlichen und tierischen Stoffe, aus denen Energie gewonnen werden kann. Bei weltweit hohem Potential ist eine wirtschaftliche Nutzung allenfalls örtlich möglich und bedarf einer Prüfung der Umweltverträglichkeit. Biomasse (vom Griechischen bios, Leben) stand früher nur für das Lebendgewicht aller Pflanzen und Tiere auf 1 m² Boden. Nach der Ölkrise wurde der Begriff auf alle organischen, d.h. pflanzlichen und tierischen Stoffe sowie deren Umwandlungsprodukte und Abfälle ausgedehnt, aus denen sich Energie gewinnen lässt: Holz, Stroh, Dung und Jauche, zucker- und stärkehaltige Pflanzen, nährstoffhaltige Abwässer der Nahrungsmittelherstellung, Klärschlamm und Hausmüll. Da alle tierischen Lebewesen sich von Pflanzen ernähren und Pflanzen mit Hilfe von Sonnenenergie durch Photosynthese wachsen, ist Biomasse-Energie eine erneuerbare Energie. Zwar sind Kohle und wohl auch Erdöl und Erdgas aus Biomasse entstanden, sie sind aber in geschichtlichen Zeiträumen nicht-erneuerbare „fossile“ Brennstoffe. Potential Umweltverträglichkeit |
| Einstrahlung | Die von der Sonne auf einen m² an einen bestimmten Ort eingestrahlte Energie – wichtigste Größe zur Planung von Solaranlagen. In Mitteleuropa durchschnittlich 1.100 kWh pro Jahr. Um Solaranlagen, z.B. Kollektoren zur Warmwasserbereitung, optimal auslegen zu können, benötigt man drei Angaben (über viele Jahre gemittelte Werte am Standort der Anlage): Die weit auseinander liegenden jährlichen Höchst- und Tiefstwerte z.B. der Bestrahlungsstärke sind Ausdruck der Tatsache, dass in Mitteleuropa die Sonnenenergie sehr ungleichmäßig ist. Drei Viertel der Einstrahlung fallen im Sommerhalbjahr von April bis September an, nur ein Siebtel – aber zwei Drittel des Heizbedarfs – in den Monaten November bis Februar. Solange keine wirtschaftlichen Energiespeicher zur Verfügung stehen, können Solaranlagen den Bedarf nicht allein decken, sondern nur als Brennstoff-Sparer dienen. In sonnenreichen Ländern sind die Zukunftsaussichten für wirtschaftliche Solaranlagen günstiger. Deutschland Österreich |
| Energieumwandlung | Umwandlung einer Energieform in eine andere, z.B. von Wasserkraft in Elektrizität, oder Umwandlung eines Energieträgers in einen anderen, z.B. von Biomasse in Biogas. Immer mit Umwandlungsverlusten verbunden. Um einen Energierohstoff in eine brauchbare Energieform zu bringen, ist in der Regel eine Energieumwandlung nötig. Sie erfolgt in Anlagen, die auf die Besonderheiten des Energierohstoffs und der gewünschten Energieform abgestimmt sind – z.B. kann Windenergie mit Windturbinen zum Wasserpumpen oder aber in Windkraftanlagen zur Erzeugung von Elektrizität genutzt werden. Bei einer Energieumwandlung erscheint die Ausgangsenergie nie vollständig als Endenergie wieder, weil immer Umwandlungsverluste auftreten, etwa im Generator einer Windkraftanlage. Diese Verluste äußern sich meist als Wärme (z.B. als Erwärmung des Generators), die sich in der eigentlichen Umwandlung nicht mehr nutzen lässt und daher Abwärme (oder Anergie) genannt wird. Wegen dieser Verluste ist der Wirkungsgrad immer kleiner als 100%. |
| Erdwärme | Wärme, die aus dem Erdinneren durch die Erdkruste dringt. Die Nutzungsmöglichkeiten sind beschränkt, örtlich jedoch bedeutend und wirtschaftlich. In Dampf- und Heißwasser gelöste Chemikalien erfordern Umweltschutz. Die Wissenschaft unterscheidet heute vier Zonen des Erdballs: Die Erdwärme oder Geothermie (vom Griechischen ge, Erde, und therme, Wärme) erschöpft sich im Laufe der Jahrmillionen zufolge der Abstrahlung. Gleichwohl wird sie als erneuerbare Energie eingestuft, weil das für menschliche Begriffe unendlich lange Zeiträume sind. Gleiches gilt für Sonne und Sonnenenergie. Potential Wirtschaftlichkeit Umweltverträglichkeit |
| Erneuerbare Energie | Energiequellen und –träger, die sich selbst erneuern und praktisch unerschöpflich sind: Biomasse, Erdwärme, Meeresenergie, Sonnenstrahlung, Wasserkraft und Windenergie. Je nachdem, ob sie in geschichtlichen Zeiträumen erschöpft sein werden oder nicht, lassen sich Energiequellen und –träger zwei Gruppen zuteilen: • Erschöpfliche oder nicht-erneuerbare – nämlich Erdgas, Erdöl, Kohle und Torf (die fossilen Brennstoffe) sowie Thorium und Uran (Kernbrennstoffe) – haben sich im Laufe der Erdgeschichte gebildet oder angelagert und werden durch ihre Nutzung ein für allemal vernichtet; ihre Energievorräte sind begrenzt und werden bei Andauern des gegenwärtigen Energiebedarfs innerhalb absehbarer Zeit aufgebraucht sein. • Erneuerbare ergänzen sich laufend aufgrund ihrer Natur. Daher sollte man genau genommen von „sicher erneuernder“ Energie sprechen (was jedoch zum umständlich ist), denn „erneuerbar“ bedeutet, dass der Mensch sie erneuern könne. Die oft gebrauchte Bezeichnung „regenerative“ (vom Lateinischen re-ge-nerare, von neuem hervorbringen) ist ebenfalls nicht genau, drückt sie doch aus, dass etwas erneuet worden ist; richtig wäre „regenerab(i)le“, weil die Endung „-billis“ im Lateinischen die Fähigkeit zu etwas ausdrückt (hier: sich selbst zu erneuern). Erneuerbar sind Biomasse-Energie (auch Müll wird oft dazu gezählt), Wasserkraft, Wellenenergie und Windenergie. Mit Ausnahme von Erdwärme und Gezeitenenergie gehören alle zur Familie der Sonnenenergie, erneuern sich daher im Jahresrythmus (vom Griechischen rhythmos, Gleichmaß) und werden erst zu Ende gehen, wenn sich (voraussichtlich in einigen Mrd. Jahren) die Sonne erschöpft hat. Infolge Abgabe von Erdwärme kühlt sich das Erdinnere über Jahrmillionen ab, und ähnlich langsam vermindert sich die Gezeitenenergie. Dieses allmähliche, in menschlichen Zeiträumen unmerkliche Abnehmen bedeutet „praktisch unerschöpflich“. In der Chronik ist erneuerbare Energie – in Form von Holz, Segelschiffen und Wasserrädern - nicht nur schon in Urzeiten technisch genutzt worden, sondern deckte bis ins 19. Jahrhundert hinein allein die Energieversorgung (abgesehen örtlicher Kohlenutzung); auch menschliche und tierische Arbeitskraft beruhen auf Biomasse als Nahrung. In der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts kamen Kernbrennstoffe dazu. Von erneuerbarer Energie spielen heute nur Holz, passive Solarnutzung und Wasserkraft eine Rolle, in einigen Weltteilen auch Erdwärme – zusammengenommen einige % der Energieversorgung. Als Folge von Ölkrise, Begrenztheit der Vorkommen an fossilen Brennstoffen, nicht allgemeinen gegebener Sozialverträglichkeit der Kernenergie sowie gestiegenen Umweltbewusstsein ist die Nutzung erneuerbarer Energie wieder in den Blickpunkt gerückt: sie hat großes Potential, bietet als heimische Energie hohe Versorgungssicherheit, ihre Sozialverträglichkeit ist groß und die Umweltverträglichkeit im allgemeinen gut. Die meist geringe Leistungsdichte (vor allem der Erdwärme und der Sonnenstrahlung) sowie die Ungleichmäßigkeit (zu deren Ausgleich große Energiespeicher nötig sind) bilden jedoch hohe Hindernisse auf dem Weg zu Wirtschaftlichkeit. Um diese auf breiter Front zu erreichen, müssen Forschung und Marktdurchdringung wohl staatlich gefördert werden. |
| Flachkollektoren | Flache, geschwärzte Metall- oder Kunststoffplatten, die Sonnenstrahlen absorbieren und Wasser oder Luft bis zu 150°C erwärmen. In sonnenreichen Ländern weit verbreitet, auch in Mitteleuropa für Heutrocknung, Schwimmbäder und Warmwasserbereitung wirtschaftlich. Das Urbild des Flachkollektors schuf Saussure 1767 mit seiner „Hitzekiste“. Die ersten praktisch anwendbaren Flachkollektoren baute der Franzose Charles Tellier (1828 bis 1918) um das Jahr 1880: Er fügte Wellbleche übereinander und ließ durch die Rollen Ammoniak strömen; die niedrigsiedende Flüssigkeit verdampfte unter der Sonneneinstrahlung, der Dampf trieb eine Wasserpumpe an (Tellier hatte 1868 eine Kühlmaschine erfunden, die mit Ammoniak arbeitete, und damit 1876 das erste maschinelle Kühlschiff der Welt ausgerüstet). In Südkalifornien wurden bis in die 20er-Jahre tausende Flachkollektoren – auf Kupferplatten gelötete Kupferrohr-Schlangen mit Glasabdeckung – zur Warmwasserbereitung verkauft; billiges Gas schlug sie aus dem Felde. In den 50er- und 60er Jahren fanden verbesserte Flachkollektoren in Australien, Israel, Japan und Südafrika einen Markt. Die Ölkrise bescherte ihnen nach 1973 dort und in den USA eine neue Blüte, während in Mitteleuropa mit staatlicher Förderung dem Klima angepasste Flachkollektoren entwickelt wurden: • Bei abgedeckten Kollektoren halten eine oder zwei Scheiben aus Glas oderdurchsichtigem Kunststoff die Wärmeabstrahlung der erhitzten Absorberplatte weitgehend zurück. Diese besteht für beste Absorption aus geschwärztem Metall (meist billigen Aluminiumprofilen) oder Kunststoff und ist von Kanälen durchzogen, durch die ein frostsicherer Wärmeträger (Wasser mit Alkohol – „Sole“, zur Trocknung auch Luft) strömt. Rücken und Seitenteile des Kastens sind wärmegedämmt. Bei Wirkungsgraden um 35% erreicht der Wärmeträger bis zu 150°C. Anbringung, z.B. auf Dächern, nach Süden am besten mit 45° Neigung (Mittelwert von Sommer- und Winter-Sonnenstand). Für Heizung, Trocknung und Warmwasserbereitung. • Von Kanälen durchzogene Matten aus elastischem Kunststoff legt man auf Dächern aus; da sie keine Abdeckung haben, sind allenfalls 60°C möglich. Zur Schwimmbädererwärmung. In Mitteleuropa kamen Flachkollektoren ab 1974 auf den Markt. Nach einer Steigerung bis 1983 gingen die Verkaufszahlen stark zurück wegen häufiger Schäden (vor allem Lecks infolge schlechter Verlötung, nicht haltbarer Leistungszusagen und hoher Anschaffungskosten). 1985 waren in Deutschland insgesamt 200.000 m² Flachkollektoren installiert, in Österreich rund 180.000 m² (davon ein Drittel zur Schwimmbädererwärmung) und in der Schweiz ca. 80.000 m² (20.000 m² für Schwimmbäder) – in Japan hingegen rund 10 Mio. m², während in den USA allein in jenem Jahr 1,5 Mio. m² verkauft wurden. Inzwischen in Mitteleuropa gesammelte Erfahrungen besagen, dass neuere Flachkollektoren dicht sind, wenigstens 15 Jahre Nutzungsdauer haben und zur Heutrocknung, Schwimmbädererwärmung und Warmwasserbereitung wirtschaftlich eingesetzt werden können. Im Durchschnitt kann bei kleinen Anlagen mit 350 kWh Energieertrag pro m² und Jahr rechnen (entsprechend etwa 45 Liter Heizöl), bei größeren (z.B. zur Wasser-Vorwärmung) mit 500 bis 800. Allerdings erwächst den Flachkollektoren in den Röhrenkollektoren Konkurrenz. |
| Gezeitenenergie | Energie in Gezeitenströmen des Meeres, welche durch die gemeinsame Drehung von Erde und Mond bewirkt werden und in geeigneten Buchten Wasser bis zu 20m hoch stauen. Dieser Gezeitenschub ist technisch nutzbar. Gezeiten sind periodische Höheschwankungen in Lufthülle, Erdkruste und Meer. Ohne Messgeräte erkennt man nur die Gezeiten der Meere (niederdeutsch Tide): im Abstand (der „Periode“) von 12 Stunden und 25 Minuten einen Höchststand des Wassers (Flut), dazwischen einen Tiefstand (Ebbe). Da die Umlaufzeit des Mondes um die Erde gerade das Doppelte, nämlich 24 Stunden und 50 Minuten, beträgt, vermutete man schon im Altertum, dass die Gezeiten vom Mond bewirkt würden. Aber erst die Astronomie der Neuzeit hat erkannt: • Der Mond zieht zwar die Erdoberfläche auf der ihm zugewandten Seite an. Wäre jedoch allein diese Massenanziehungskraft wirksam, gäbe es je Mondumlauf nur eine Flut. • Erde und Mond würden aufeinander fallen, hielte nicht jene Fliehkraft der gegenseitigen Anziehung das Gleichgewicht, die zufolge der Drehung (Rotation) von Erde und Mond um den gemeinsamen Schwerpunkt besteht. Dieser Schwerpunkt liegt innerhalb der Erdkugel, so dass die Drehung sowohl auf der dem Mond zugewandten wie auf der ihm abgewandten Seite eine Flut bzw. zweimal Flut innerhalb einer Mindestumlaufzeit hervorruft – dies ist die Hauptursache der Gezeiten. • Je nach Stellung der Sonne verstärkt deren Massenanziehungskraft (etwa halb so groß wie jene des Mondes) die Gezeiten oder schwächt sie ab, im Meer tritt dann Spring- bzw. Nippflut auf. Die Erdkruste wird von den Gezeitenkräften bis zu 40cm gehoben. In der Atmosphäre äußern sich Gezeiten als Luftdruckschwankungen, die jedoch keinen erkennbaren Einfluss auf das Klima haben. Im Meer bewirken die Gezeiten Gezeitenwellen und –ströme. Die darin enthaltene Gezeitenenergie ist als Rotationsenergie von Himmelskörpern eine unerschöpfliche und erneuerbare Energie. Auf dem offenen Meer beträgt der Unterschied zwischen Ebbe und Flut etwa 1 m. Über Meeresboden, der gegen die Küsten hin ansteigt, wächst jedoch dieser Gezeiten- oder Tidenhub. Insbesondere dort, wo eine Gezeitenströmung in trichterförmigen Buchten hineinläuft, kann sie Geschwindigkeiten bis zu 8 m pro Sekunde erreichen und riesige Wassermassen aufstauen: Die höchsten Gezeitenhübe werden mit 21 m in der Fundy-Bucht an der Ostküste Kanadas gemessen; an einigen Küstenabschnitten des Atlantischen, des Stillen und des Indischen Ozeans beträgt der Hub durchschnittlich 6 bis 8 m, in der Nordsee weniger als 3 m, in der Ostsee und im Mittelmeer nur einige cm. In den Gezeitenströmen ist Energie der Bewegung, in den aufgestauten Wassermassen Energie der Lage enthalten. Grundsätzlich ist es möglich, diese Form der Meeresenergie mit Gezeitenkraftwerken in Elektrizität umzuwandeln. |
| Heliostat | Plan- oder Brennspiegel, der automatisch so bewegt wird, dass er jederzeit sich voll der Sonne zuwendet oder Sonnenstrahlen in eine gegebene Richtung wirft. Vom niederländischen Astronomen s´Gravesande (1688 bis 1742) erfunden, verstand man unter einem Heliostat (vom Griechischen helios, Sonne, und vom Lateinischen stativus, stillstehend) oder Sonnensteller einen Spiegel, der das Licht eines Sterns trotz dessen Bewegung stets in das feststehende Fernrohr lenkt, Die Nachführung bewerkstelligte ein Uhrwerk, Mouchot wendete den Begriff um 1870 auf seine Brennspiegel an. In der heutigen Solartechnik werden Rinnenkollektoren, Solarzellen-Generatoren und Spiegel in Solarturm-Anlagen als Heliostate ausgebildet und von Rechnern gesteuert. Bei Solarturm-Anlagen hat sich diese Bauform durchgesetzt: Mehrere je 1 bis 4 m² große plane oder leicht gekrümmte Spiegel sind auf einem Traggerüst so montiert, dass sie zusammen wie ein schwacher Brennspiegel wirken und die Sonnenstrahlen auf den – 100 und mehr m entfernten – Turmempfänger bündeln. Das Traggerüst wird als Ganzes um eine waagrechte Achse (ein Gelenk auf dem Ständer) und um eine senkrechte Achse (im Ständer) bewegt. Die Aufteilung in einzelne Spiegel erleichtert die Herstellung, Transport, Montage und Reinigung. Kunststoffe und dünnes Mehrschichtenglas lösen zunehmend Stahl bzw. Aluminium und massives Glas als Werkstoffe für Traggerüst und Spiegel ab, um Gewicht und Kosten zu sparen. |
| ISES | Internationale Gesellschaft für Sonnenenergie, weltweite Vereinigung von Wissenschaftlern, Technikern, Firmen und Privaten zur Förderung der Solartechnik. 1954 gründeten, auf Anregung von Daniels, amerikanische Wissenschaftler und Geschäftsleute in Arizona eine Gesellschaft für angewandte Sonnenenergie, um die Nutzung der Sonnenenergie voranzutreiben. 1955 veranstaltete die Gesellschaft in Arizona eine erste Welttagung mit 900 Teilnehmern aus 36 Ländern, auf der auch die soeben erfundene Solarzelle vorgestellt wurde. Nach steilem Aufschwung nahmen in den 60er-Jahren Interesse und Mitgliederzahl stark ab, weil das damals äußerst billige Erdöl und Erdgas der gerade Fuß fassenden Solarindustrie den Boden wieder entzogen. 1967 war die Vereinigung wegen Überschuldung von Auflösung bedroht, blieb aber dank dem Einsatz – auch persönlicher Mittel – führender Mitglieder erhalten. 1970 verlegte die nunmehr Internationale Solar Energy Society (ISES, Internationale Gesellschaft für Sonnenenergie) genannte Vereinigung ihren Sitz nach Australien (P.O. Box 52, Parkville, Victoria 3052), wo die Regierung Büros samt Einrichtung kostenlos zur Verfügung stellt. Seit der Ölkrise erlebt die ISES einen steten Aufschwung. 1986 bestand sie aus 26 Sektionen auf allen Kontinenten (außer Südamerika), darunter in Deutschland und in Österreich (noch nicht in der Schweiz). Die Tätigkeit der ISES umfasst • Die Veranstaltung von Welttagungen etwa alle zwei Jahre und • Die Information ihrer Mitglieder mittels zweier Zeitschriften und einem Mitteilungsblatt sowie mit Tagungsberichten. Eines der ISES-Hauptziele ist es, solartechnische Produkte ebenso zuverlässig zu machen wie z.B. Öl- und Gasheizungen. |
| Kleinwasserkraftwerk | Wasserkraftwerk kleiner Leistung (Obergrenze 10 MW). Dank modernen Serien-Turbinen vielfach wirtschaftlich und umweltverträglich. In Mitteleuropa örtlich, in Entwicklungsländern regional von Bedeutung. Um die Jahrhundertwende entstand in Mitteleuropa eine große Zahl von Wasserkraftwerken kleiner und kleinster Leistung (in der Regel Laufkraftwerke, auch Speicherkraftwerke) meist zu Eigenversorgung von Gewerbebetrieben und Fabriken mit Elektrizität. Nach dem 2. Weltkrieg wurden viele dieser Kleinwasserkraftwerke vernachlässigt und aufgelassen, weil die im Verhältnis zur Stromerzeugung hohen Personalkosten sie unwirtschaftlich machten. Seit der Ölkrise wird ihnen neues Interesse entgegengebracht, zumal sie Muster dezentraler Energieversorgung sind und die übrigen Vorteile der Wasserkraftnutzung aufweisen. Nachteilig kann die Ungleichmäßigkeit der Wasserführung gerader kleiner Bäche sein, ebenso deren Zufrieren im Winter. Dank zwei jungen technischen Entwicklungen sind Kleinwasserkraftwerke in vielen Fällen wieder wirtschaftlich: zum einen in Serie gebaute Wasserturbinen mit hohem Wirkungsgrad, zum anderen Leittechnik, die einen unbemannten Betrieb zulässt. In Mitteleuropa kommen diese Vorzüge in erster Linie bei der Erneuerung bestehender Klein-Wasserkraftwerke zum tragen, weil neue Anlagen aus Gründen der Umweltverträglichkeit kaum noch errichtet werden dürfen. Raumsparende Turbinenkonstruktionen, vor allem Kaplan-Turbinen der Bauart „Rohrturbinen“, ermöglichen eine bessere Einpassung des Maschinenhauses, das in der Regel zugleich Staudamm ist, in die Landschaft. Kleinwasserkraftwerke können örtlich – vor allem zur Eigenversorgung abgelegener Betriebe – von Bedeutung sein. Ihr Beitrag zur Landes-Stromerzeugung ist gering, aber eine wertvolle Ergänzung. Von größerer Bedeutung dürften Kleinwasserkraftwerke in Entwicklungsländern für solche Regionen werden, die nicht über Stromnetze verfügen. Vorraussetzung zur Besserung der Lebensbedingungen ist hier die Schaffung von Gewerbe und Handelsbetrieben sowie Kleinindustrien. Die dazu nötige elektrische Energie lässt sich vielerorts mit Kleinwasserkraftwerken erzeugen. Im Interesse der Bevölkerung sollten diese, nach Möglichkeit, eine angepasste Technik sein, d.h. aus heimischen Werkstoffen und von heimischen Handwerkern erstellt. Einfache und zuverlässige Wasserturbinen liefern vorerst nur Industriestaaten. • Deutschland: Ungefähr 7.000 Kleinwasserkraftwerke stehen in Betrieb, die meisten zur Eigenversorgung. Sie leisten zusammen etwa 400 MW (alle Wasserkraftwerke 6.700 MW) und haben an der Stromerzeugung aus Wasserkraft etwa 10% Anteil. • Österreich: Etwa 1.350 Kleinwasserkraftwerke, Gesamtleistung 670 MW (6% Leistung aller Wasserkraftwerke), tragen 9% zur Stromerzeugung mit Wasserkraftwerken bei. |
| Klimagerechtes Bauen | Den örtlichen Besonnungs-, Wind- und Temperaturverhältnissen Rechnung tragende und dadurch energiesparende, harmonische Bauweise. Früher in der Volksarchitektur geübt, seit der Ölkrise wieder gefragt. Volksarchitektur (z.B. der Malqaf), wie sie überall auf der Welt bis in unser Jahrhundert gekennzeichnet war, wird äußerlich von der Form und den örtlich verfügbaren Baustoffen geprägt. Betrachtet man sie unter dem Gesichtspunkt des Energiesparens, so entpuppt sie sich in der Regel als meisterhaft durchdacht und wirkungsvoll. So hat die Halbkugel des Iglu, der Schneehütte der Eskimos, die kleinste Oberfläche bei gegebenen Rauminhalt und somit den geometrisch geringstmöglichen Wärmeverlust. Der alpine Bauernhof ist ein Musterbeispiel, für solches dem örtlichen Klima gerechtwerdendes Bauen, das über Solararchitektur hinausgeht, weil es Windschutz, Bäume und Erhausgrundsätze einbezieht: nach Süden gerichtet (für passive Solarnutzung), oft in einen Hang eingebettet, kleine und gedrungene Hausform einbezogen, darüber wärmedämmender Heuboden, Nadelbäume (und Hügel) als Windbrecher, Vorratsräume vielfach im Erdboden. Gegen Mitte unseres Jahrhunderts verdrängten fremde, häufig energieverschwenderische Bauformen (z.B. Bungalow), neue Baustoffe (Beton) und Heizungen mit billigem Erdöl die Volksarchitektur. Erst seit der Ölkrise versucht man, ihren energietechnischen Grundsätzen in Solarhäusern wieder Geltung zu verschaffen und sie durch Forschung zu erweitern. Süd-Ausrichtung und Windschutz werden heute durch knappen und teuren Boden erschwert. |
| Kollektoren | Vorrichtungen zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme. Bauform je nach Anwendung: Flachkollektor bis 90°C und Röhrenkollektor bis 250°C für Warmwasser und Heizung, Rinnekollektor bis 800°C für Prozesswärme. Kollektoren (vom Lateinischen colligere, sammeln) oder Sammler absorbieren die Sonnenstrahlung, wandeln sie in Wärme um und übertragen diese auf einen Wärmeträger, der sie einer Nutzung zuführt. Im Unterschied zum Absorber, der jede Umgebungswärme aufnimmt (neben Sonnenstrahlung auch Wärme von Luft und Niederschlägen), sammelt der Kollektor nur Sonnenstrahlung (Kollektoren im weiteren Sinn sind auch Fenster und Solarteiche). Die Grundformen wurden bereits im 19. Jahrhundert geschaffen, aber erst nach der Ölkrise als wichtige Bauteile der Solartechnik erkannt und dann mit den heutigen Mitteln der Forschung sowie mit neuen Werkstoffen weiterentwickelt. Es gibt viele Bauformen, die nach dem Arbeitsprinzip in konzentrierende oder nicht-konzentrierende oder nach Anwendung bzw. erreichbarer Temperatur in Nieder-, Mittel und Hochtemperaturkollektoren eingeteilt werden können. Letztere Einteilung deckt sich weitgehend mit den Grundformen: Flachkollektoren sind nicht-konzentrierend, nutzen direkte wie indirekte Sonneneinstrahlung und erzielen bis zu 150°C, für aktive Solarnutzung (Warmwasserbereitung und Heizung) Vakuum- oder Röhrenkollektoren sind nicht konzentrierend, nutzen überwiegend direkte Strahlung und erreichen bis zu 250°C, für Warmwasserbereitung, Heizung und Prozesswärme. Rinnenkollektoren konzentrieren direkte Strahlung mit Brennspiegeln und liefern, je nach Querschnitt des Spiegels (Kreisbogen oder Parabel), Prozesswärme von 250 bis 800°C. |
| Korrosion | Die Auflösung von Werkstoffen infolge chemischer Reaktionen mit Boden, Luft und Wasser. Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energie stehen im Freien, sind daher besonders ausgesetzt und bedürfen eines Schutzes. Korrosion (vom Lateinische corrodere, zernagen) verursacht jährlich Milliardenschäden an Anlagen und Werkstoffen. Sie wird bewirkt durch chemische oder elektronische Reaktionen mit Chemikalien, die natürlicherweise (z.B. Kohlensäure in Wasser) oder als Wasser- bzw. Luftverschmutzung vorhanden sind. Vor allem Metalle sind korrosionsanfällig, weil sie mit solchen Chemikalien elektrochemische Zellen bilden: Zwischen zwei leicht unterschiedlich angegriffenen Stellen im Werkstoff fließt ein zersetzender Gleichstrom, dessen Kreis sich z.B. durch den Boden schließt. Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energie stehen überwiegend im Freien und müssen vor Korrosion geschützt werden, wenn sie eine wirtschaftlich tragbare Nutzungsdauer erreichen sollen. • Wichtig für die Werkstoffwahl: Aluminium überzieht sich an Luft von selbst mit einer schützenden Oxidschicht, ist aber teuer. Eisen hingegen rostet immer weiter, weil Rost porös ist. Kunststoffe und Glas sind weitgehend korrosionsfest. • Eisen und andere Metalle schützt man durch Farbanstriche • Kathodischer Schutz, Anlegen eines Gegenstroms zum Gleichstrom der elektrochemischen Zelle, wird vor allem bei Rohrleitungen im Boden angewendet – in großem Umfang bei Rohrnetzen für Erdöl und Erdgas, wofür man in sonnenreichen Ölförderländern bereits Strom aus Solarzellen-Generatoren einsetzt (wirtschaftlich, weil ohne teure Anpasselektronik möglich). • Zusätze von Korrosionschutzmitteln zu Wärmeträgern in Kollektoren und Leitungen schützen diese von innen • Kraft-Wärme-Kopplung • Auslegung eines Dampfkraftwerks derart, dass zu Strom auch Heizwärme erzeugt wird, wodurch der Wirkungsgrad steigt. Bei Erdwärme-, Holz- und Solarkraftwerken denkbar, bei letzteren als Ergänzung anderer Werke. • Wie bei allen Wärmekraftmaschinen lässt sich auch in Dampfkraftwerken nur der geringere Teil der Wärmeenergie für den eigentlichen Zweck nutzen, nämlich 30 bis 40%. Der Rest ist Abwärme, die mit dem Kühlwasser oder der Kühlluft des Kraftwerk-Kondensators abgeführt wird. Dieser Wirkungsgrad lässt sich mit Kraft-Wärme-Kopplung bis zu 80% erhöhen. |
| Larderel | Italienischer Industrieller, nutzte 1827 in der Toskana erstmals Erdwärme zu Heizzwecken. Francois Larderel, 1789 bis 1858, kam in jungen Jahren aus Frankreich in die Toskana. Hier gründete er zwischen 1818 und 1835 neun Fabriken zur Gewinnung von Borsäure aus den Wassern der „Iagoni“. Diese heißen, aus der Erdtiefe gespeisten Teiche zwischen Volterra und Massa Marittima waren bereits den Etruskern im 3. Jahrhundert v. Chr. bekannt gewesen. Um das stark mineralhaltige Wasser zu verdampfen und Borsäurekristalle zu erhalten, hatte man die Eisenkessel zunächst mit Holz geheizt. Nachdem dieses jedoch rar und teuer geworden war, ließ Larderel 1827 über einigen Lagoni Kuppeln aufmauern, welche ausströmenden Wasserdampf, die „soffioni“, einfingen und zur Heizung an die Kessel leiteten. 1828 veranlasste Larderel die ersten gezielten Bohrungen nach Erddampf. Ihr Erfolg zog die Ansiedlung einer wachsenden chemischen Industrie nach sich, die den Mineralgehalt der Wässer mit Hilfe der Erdwärme ausbeutete. 1837 wurde Larderel, nunmehr mit dem italienisierten Vornamen Francesco, der Titel eines Grafen von Montecerboli verliehen. Eine von ihm in der Nähe des gleichnamigen Schlosses errichtete Fabrik mit der zugehörigen Arbeitersiedlung benannte man 1846 ihm zu Ehren Lardello. Prinz Piero Ginori Conti nahm dort 1913 das erste Erdwärmekraftwerk der Welt in Betrieb. Heute speist 245°C heißer, zumeist in etwa 1.000 m Tiefe erbohrter Dampf mehrerer Kraftwerkblöcke mit 390 MW Gesamtleistung. Außerdem werden in Larderello Wohnungen, gewerbliche Räume und Treibhäuser mit Erddampf beheizt. |
| Meeresenergie | In Gezeitenströmen, Meeresströmungen, warmen Oberflächenwasser, Unterschieden im Salzgehalt und in Wellen enthaltene Energie, deren technische Nutzung möglich, aber meist noch im Versuchsstadium ist. Die aufs Meer fallende Sonnenstrahlung beträgt im Durchschnitt 180 W je m². Sie wird vom Wasser zu einem geringen Teil (5 bis 15%) reflektiert, größtenteils jedoch absorbiert: • Etwa die Hälfte der so aufgenommenen Sonnenergie bewirkt eine Erwärmung der Oberfläche. In Äquatornähe kann die Dicke dieser Schicht einige zehn m und ihre Temperatur im Jahresmittel 28°C erreichen, während das Wasser in einigen hundert m Tiefe nahe 4°C bleibt. Dieser Temperaturunterschied lässt sich in Meereswärmekraftwerken nutzen. • Da in Polnähe die Erwärmung des Meeres viel geringer ist als nahe dem Äquator, bilden sich als Ausgleich zu den Polen hin gerichtete Meeresströmungen aus, die grundsätzlich ebenfalls als Energiequellen angezapft werden könnten. • Die übrige Einstrahlung lässt das Wasser verdunsten. Dies trägt einerseits zum Treibhauseffekt bei. Andererseits entstehen dadurch Winde, und die Windenergie wiederum verursacht die Wellen, deren Wellenenergie mit Wellenenergiewandlern genutzt wird. An Flussmündungen trifft Süßwasser aus dem Fluss auf das Salzwasser des Meeres. Der Unterschied im Salzgehalt eröffnet die Möglichkeit von Osmosekraftwerken. Ebenfalls der Meeressenergie zugeordnet wird die Gezeitenenergie, nutzbar in Gezeitenkraftwerken. Hydrosolare Kraftwerke hingegen würden nicht eigentliche Meeresenergie, sondern Verdunstung – auch von Meerwasser – infolge der Einstrahlung nutzen. |
| Mouchot | Französischer Ingenieur, baute zwischen 1860 und 1880 die ersten Solarherde, -motoren und –pumpen. Mitte des 19. Jahrhunderts erlebte Frankreich eine Energiekrise, weil es drei Viertel der Kohle einführen musste und ihr Preis jährlich um 10% stieg. Einen Ausweg erhoffte Augustin Bernard Mouchot, 1825 bis 1911, Ingenieur und Mathematiklehrer in Tours, von der Nutzung der Sonnenenergie, mit deren Chronik er vertraut war. 1860 begann er Versuche mit Kollektoren nach dem Beispiel von Saussure. Da sie ihn nicht zufrieden stellten, stellte er einen geschwärzten Kupferkessel unter eine Glasglocke. Darum herum ordnete er Silberspiegel an, welche Sonnenstrahlen auf den Kessel konzentrierten und darin Wasser verdampften. 1861 betrieb Mouchot mit dem Dampf eine Wasserpumpe, 1866 eine kleine Dampfmaschine, den ersten Solarmotor der Welt. Nachdem er mit Solardampf auch Weinbrand destilliert hatte, erhielt er finanzielle Unterstützung der Weinindustrie und konstruierte größere Maschinen, mit Brennspiegeln in der Form eines stumpfen Konus, in dessen Achse der Verdampfer saß. Die größte Maschine, mit einigen kW Leistung und einem Konus-Spiegel von 5 m großem Durchmesser, trieb auf der Pariser Weltausstellung 1878 eine Druckerpresse an. 1875 ging Mouchot im Auftrag der französischen Regierung nach Algerien, wo er einen Solarherd, eine Entsalzungsanlage und eine große solare Wasserpumpe konstruierte. Nachdem jedoch 1881 ein Gutachten diese Geräte (vor allem wegen der teuren Silberspiegel) als unwirtschaftlich erkannt und die Regierung ihre Unterstützung zurückgezogen hatte, wurde Mouchot wieder Lehrer. Er legte sein Wissen in dem Buch „La Chaleur Solaire“ nieder. |
| Oelkrise | Durch Lieferbeschränkungen, vor allem durch den nachfolgenden Preisanstieg für Erdöl im Jahre 1973 und nochmals 1979 verursachte weltweite wirtschaftliche Schwierigkeiten. Gab aber auch den Anstoß, die Nutzung erneuerbarere Energie voranzutreiben. Dass Erdöl sehr billig und in beliebigen Mengen angeboten wurde, war – in der Rückschau - nach dem 2. Weltkrieg eine der Grundlagen für den weltweiten wirtschaftlichen Aufschwung. Um das Jahr 1970 deckten viele Industriestaaten über die Hälfte ihres Energiebedarfs mit Erdöl. Deutschland zu 53%, Österreich und die Schweiz zu rund 80%. Doch • Im Oktober 1973 verminderten die arabischen Ölförderländer im Anschluss an den israelisch-arabischen Krieg die Förderung und verhängten Liefersperren gegen einige Industriestaaten. In Westeuropa wurde Politikern und Bevölkerung mit einem Schlage die Abhängigkeit von den Ölförderländern bewusst; „autofreie“ Sonntage waren unmittelbarer Ausdruck dieses „Ölschocks“. • Innerhalb weniger Monate stiegt der Ölpreis von 2,50 auf 10 US-$, und die Preise anderer Energieträger, z.B. des Erdgases, wurden „nachgezogen“. Der Preisanstieg belastete die Wirtschaft der Öleinführenden Industriestaaten, insbesondere aber vieler Entwicklungsländer, und löste eine weltweite Wirtschaftsschwäche aus. Diese Wirkungen und die Sorgen um die Versorgungssicherheit werden als Ölkrise bezeichnet (vom Griechischen krisis, Ausbruch einer Krankheit, seit dem 18. Jahrhundert im Sinne von „schwierige Lage“ gebraucht). Um die Energieversorgung auf lange Sicht von Einfuhren weniger abhängig zu machen, änderten fast alle betroffenen Länder ihre Energiepolitik dahingehend, dass nunmehr die Substitution des Erdöls – nach Möglichkeit durch heimische Energie – ein Hauptziel war. Im Vordergrund standen dazu Energiesparen, Erdgas, Kohle, Kernenergie, und erneuerbarere Energie, in den Entwicklungsländern vor allem letztere. Ebenfalls angestrebt wurde eine Entkopplung von Energiebedarf und Wirtschaftswachstum. Die westlichen Industriestaaten gründeten zur Abstimmung der nationalen Forschungsbemühungen aufeinander die IEA und auch die EG verstärkte ihre Förderung der Energieforschung. Die Wirtschaft insbesondere der Industriestaaten hatte sich bald auf die neuen Preise eingestellt, der Ölverbrauch ging zwar zurück, aber der Gesamtenergiebedarf nahm wieder zu. Da löste die Revolution im Iran Anfang 1979 die zweite Ölkrise aus, einen neuerlichen Ölpreis-Sprung auf das Dreifache, dem die Preise anderer Energieträger wieder „angeglichen“ wurden. Das alles hatte neuerlich eine weltweite Wirtschaftsschwäche Anfang der 80er-Jahre zur Folge. Nun wurden die staatliche Förderung der Substitution des Erdöls und der Nutung erneuerbarer Energie nochmals verstärkt. Auch das Interesse und der Wille von Industrie wie Privaten am Energiesparen und insbesondere an Solararchitektur und an der Anschaffung solartechnischer Anlagen erhielten nochmals Auftrieb. Als in den nächsten Jahren der Ölpreis jedoch nicht weiter anstiegt und ab 1983 sogar leicht zurückging, flaute das Interesse an erneuerbarer Energie bei Staat, Industrie und Privaten ab, zumal die Erwartungen hinsichtlicher rascher technischer Ausreifung, Marktdurchdringung und Wirtschaftlichkeit der Anlagen nicht hatten erfüllt werden können. Fallende Ölpreise, auch nicht ein Preiseinbruch bis Ende 1985, sollten jedoch nicht den Blick dafür verdecken, dass die Energievorräte begrenzt sind und die Anstrengungen bei Forschung und Förderung nicht nachlassen dürfen, wenn erneuerbare Energie jene Rolle spielen soll, die ihr in den Zukunftsaussichten vorgezeichnet ist. |
| Passive Solarnutzung | Gestaltung von Fenstern und Mauern eines Hauses derart, dass sie möglichst viel Sonnenenergie sammeln, speichern und zur Heizung auf die Räume verteilen. Am wirksamsten sind Südfenster und Wintergärten. In Neubauten bis zu 50% der Heizung passiv möglich. Das klimagerechte Bauen hat seit jeher Teile zum Einfangen und Speichern der Sonnenenergie enthalten: das antike Haus von Olynthus hatte ein sonnenbeschienenes Steinbecken im Boden als Wärmespeicher, Fenster aus Glas und Wintergärten sind Sonnenkollektoren. Die Begriffe passive und aktive Solarnutzung wurden allerdings erst nach der Ölkrise geprägt, als die Forschung an Solarhäusern studierte, wie sich Sonnenenergie zur Heizung (in wärmeren Ländern auch zur solaren Kühlung) am besten einsetzen lässt. Die aktive Solarnutzung beruht auf Kollektoren, Absorbern und gesteuerten Pumpen und Ventilen. Bei der passiven Solarnutzung hingegen, dem Kern der Solararchitektur, werden Teile der Gebäudehülle und des Innern gezielt so gestaltet, dass sie möglichst viel Sonnenstrahlen absorbieren, in Wärme umwandeln, diese speichern und – durch Konvektion und Abstrahlung – allein aufgrund der Raumgestaltung an die Innenräume abgeben. |
| Saussure | Vielseitiger Schweizer Naturforscher, der 1767 eine „Hitzkiste“, den ersten Sonnenkollektoren mit Glasabdeckung, baute und damit 160°C erreichte. Horace Benedict de Saussure, 1740 bis 1799, lebte in Genf, ab 1762 Professor für Naturwissenschaften an der Akademie der Wissenschaften. Das Hauptgewicht seiner vielfältigen Interessen legte er auf die Erforschung der Alpen. So regte er die Erstbesteigung des Mont Blanc 1786 (Balmat und Paccard) durch einen Geldpreis an. 1787 bestieg er selbst den Gipfel und bestimmte ihn mit 4.807 m als den höchsten Europas. In seinem Hauptwerk „Voyages dans les Alpes“ (Reisen in den Alpen) führte er den Begriff „Geologie“ für die Wissenschaft von Entstehung und Bau der Erde ein. 1767 begann Saussure, die Wirksamkeit von Glas zum Einfangen der Sonnenenergie zu untersuchen. Zunächst stellte er fünf Glaskästchen ohne Boden ineinander und auf eine schwarze Tischplatte. Bei Sonnenstrahlung beobachtete er, dass die Temperatur nach den inneren Kästchen zu anstieg und im innersten 87,5°C erreichte. In einem 30 cm langen und 23 cm breiten Holzkistchen mit drei Glasscheiben und einer Wandisolierung aus geschwärztem Kork maß er als höchste Temperatur 109°C, und nach Überstülpen einer Blechbüchse mit Glasfenster sogar 160°C. Er nannte das Gerät „Hitzkiste“ und hatte damit den Urahn der Sonnenkollektoren geschaffen. Sowie er sich bewusst wurde, dass ein weiterer Wärmegewinn mit zusätzlichen Scheiben infolge Absorption und Reflexion an diesen zusätzlichen Scheiben vereitelt würde, stellte er die Versuche ein. Mouchot griff bei Bau seiner Solarmotoren ab 1860 auf Saussures Erkenntnisse zurück. |
| Solararchitektur | Gestaltung von Gebäuden derart, dass sie möglichst viel Sonnenenergie zur Heizung und Kühlung der Innern verwertet. Grundsätze schon im Altertum angewendet, dann in Europa vernachlässigt, im 20. Jahrhundert wieder entdeckt und seit der Ölkrise wissenschaftlich vertieft. Bereits im 5. Jahrhundert v. Chr., wandten die Griechen beim Bau der Stadt Olynthus die Grundsätze der Solararchitektur an: • Das Haus wird nach Süden ausgerichtet, um durch Fenster und Türen im Winter möglichst viel Sonnenstrahlung einzufangen. • Mauern und Steinfußboden bilden Wärmespeicher für die Nacht. • Die geschlossene nordseitige Wand hält die Winterwinde ab. • Maßnahmen, die im Winter Energiegewinn bringen (wie Fenster und Türen an der Südseite), führen im Sommer zu Überhitzung. Daher muss dann eine kühlende Abschattung vorhanden sein – bei den Griechen ein Säulenvordach, das Portikum. Solararchitektur erweitert das Allgemeinziel der Architektur (Baukunst vom Griechischen archi-, Ober-, und tekton, Zimmermann), Wetterschutz, Zweckdienlichkeit und Gefälligkeit miteinander zu verbinden, für zwei Aufgaben: Zur Heizung soll das Gebäude möglichst viel Sonnenenergie einfangen und speichern, zur Kühlung soll es die Sonnenstrahlen abhalten. Durch Vermittlung Vitruvs übernahmen die Römer im 1. Jahrhundert v. Chr. die Solararchitektur der Griechen und erweiterten sie um Fensterglas und Wintergarten (überwiegend in den Villen der Reichen und in den öffentlichen Bädern). Mit dem Ende des Römerreichs fiel die bewusste Anwendung der Solararchitektur in Europa weitgehend der Vergessenheit anheim, doch blieb sie in Ansätzen im klimagerechten Bauen der Volksarchitektur auf dem Lande, nicht aber im Städtebau erhalten. Erst das Wohnelend der Industriearbeiter veranlasste Mitte des 19. Jahrhunderts sozial gesinnte Unternehmer, sonnige Arbeitssiedlungen zur errichten, z.B. „Port Sunlight“ bei Liverpool, Großbritannien. Die Besonnung sollte vor allem die Hygiene verbessern, wurde aber auch zur Heizung erwogen. Dies trug erste Früchte im „Zeilenbau“, mit dem man nach dem 1. Weltkrieg in Deutschland die Wohnungsnot linderte: lang gestreckte, mehrstöckige Häuser, zwei Räume tief mit Schlafräumen nach Osten und Wohnräumen nach Westen (z.B. Siemensstadt in Berlin) – mit der Nord-Süd-Ausrichtung wurde zwar Baugrund gespart, aber die Wintersonne kaum genutzt. In den 30er-Jahren ging man, unter dem Einfluss des Architekten Hugo Haring (1882 bis 1958), zu kleineren Häusern mit Südausrichtung, großen Fenstern nach Süden und kleinen nach Norden über. Dieser Entwicklung folgten auch andere europäische Länder, darunter die Schweiz (z.B. Siedlung Neubühl bei Zürich). In den USA wurde sie in den 80er-Jahren aufgegriffen und zu Solarhäusern weitergeführt, Versuchsbauten, die in erster Linie der Erprobung neuer Ideen, Baustoffe und Bautechniken dienten. Nach dem 2. Weltkrieg ließen der wachsende Wohlstand und das billige Öl das Interesse an der Solararchitektur schwinden. Die Ölkrise weckte es schlagartig wieder. Seither hat Forschung an Solarhäusern die Solararchitektur auf wissenschaftliche Grundlage gestellt. Es sind zahlreiche wirtschaftliche Lösungen für aktive und passive Solarnutzung erarbeitet worden, die sich bereits im Bau energiesparender Gebäude aller Art niederschlagen. |
| Solare Kühlung | Kühlung von Innenräumen oder Lebensmitteln mit Hilfe von Sonnenenergie. Die wichtigsten alten und neuen Techniken beruhen auf der Verdunstung von Wässer oder Kältemittel mit Sonnenwärme. Aussichtsreich in sonnigen Ländern Neben dem Malquaf ist die älteste, seit Jahrtausenden geübte solare Kühltechnik der Leinen-Wassersack: Durch das Gewebe sickerndes Wasser verdunstet in Sonnenstrahlung und Umgebungswärme und entzieht dabei auch dem Wassersack Verdunstungswärme, so dass er sich abkühlt. In heißen Ländern werden anstelle von Leinensäcken bis heute poröse Tongefäße verwendet. Seit der Ölkrise sind vor allem in Industriestaaten, aber auch in vielen Entwicklungsländern neue Techniken für solare Kühlung erdacht und erprobt worden. Die aussichtsreichsten: • Massive Decken kühlen Wohnhäuser, weil das Mauerwerk nachts viel Energie durch Abstrahlung in den Weltraum verliert – eine passive Solarnutzung, insbesondere in den USA. • Wasserbecken auf dem Dach oder im Haus kühlen sich und das Haus infolge Verdunstung in der Sonnenstrahlung ab – ebenfalls passive Solarnutzung, vornehmlich in den USA. • Gute Wärmedämmung ist Vorraussetzung für solches klimagerechtes Bauen, um die Hitze draußen zu halten und damit die Kühlleistung zu verkleinern – sehr erfolgreich bei Erdhäusern. Im Peltier-Kühlschrank wird der Peltier-Effekt genutzt. Verlötet oder verschweißt man einen elektrischen Leiter an beiden Enden mit je einem Stück eines anderen Leiters und schickt einen elektrischen Gleichstrom hindurch, so bewirkt dieser eine Abkühlung der einen Verbindungsstelle gegenüber der anderen – besonders ausgeprägt bei Halbleitern. Solche aus Solargeneratoren gespeisten Kühlschränke haben keine beweglichen Teile, sind daher sehr zuverlässig – wegen ihres hohen Preises nur in den Tropen zum Frischhalten von Medikamenten verwendet. Die Absorptionskältemaschine (wie auch im Absorptionskühlschrank eingebaut) ist auf absehbare Zeit die bedeutendste solare Kühltechnik. Sie hat je einen Kreislauf für Heißwasser aus Kollektoren und für das Kältemittel. Letzteres, z.B. Ammoniak, verdampft in einem Verdampfer, wodurch der zu kühlende Raum abkühlt. Der Dampf wird dann von einem Lösungsmittel aufgenommen, die Lösung unter Druck in den „Austreiber“ gepumpt. Das ist ein Wärmetauscher, worin die Hitze des solaren Heißwassers (nötig sind 100 bis 150°C) das Kältemittel aus der Lösung verdunsten lässt. Der Dunst verflüssigt sich dann in einem Kondensator, die Flüssigkeit wird in einem Regelventil entspannt und gelangt endlich in den Verdampfer, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Solche Maschinen werden bereits seit den 70er-Jahren im Mittleren Osten, in Mexiko und Indonesien für Eisenerzeugung und Tiefkühlung eingesetzt, in den USA auch für die Klimatisierung erprobt. Die deutsche Industrie hat ein kleines Kühlhaus von 12 m³ Rauminhalt für die Lebensmittelkühlung entwickelt, dessen 22 m² Kollektorfläche und 3 kW Kühlleistung das Innere auf 2 bis 5°C halten. Sonnenreiche Länder bieten gute Vorraussetzungen für solare Kühlung, weil Kühlbedarf und Sonneneinstrahlung groß sind und zudem zusammenfallen. In Mitteleuropa hingegen sind die Zukunftsaussichten gering, weil der Kühlbedarf von Wohnhäusern klein und Einstrahlung wie Sonnenscheindauer begrenzt sind, so dass die teuren Anlagen kaum wirtschaftlich sein könnten. |
| Solarzellen | Dünne Scheiben oder Filme aus besonderen Halbleitern, geben im Sonnenlicht elektrischen Strom ab, einfach, zuverlässig und umweltverträglich. Nachdem das Solarzellen-Prinzip 1954 entdeckt worden war, rüsteten bereits 1958 UdSSR und USA je einen Weltraum-Satelliten mit Solarzellen zur Stromerzeugung aus. Schon vor und besonders nach der Ölkrise wurde in den Industriestaaten die Solarzellen-Entwicklung gefördert, weil die Solarzellen-Zukunft allgemein als viel versprechend eingestuft wird. Dank großen Fortschritten hinsichtlich Nutzungsdauer (bis zu 20 Jahren), Verbilligung (um Größenordnungen) und Wirkungsgrad (in Serie bis zu 15%) sind inzwischen viele Solarzellen-Anlagen auch auf der Erde möglich. Nach der Kristallform unterscheidet man drei Grundarten, wobei Silizium als Halbleitermaterial vorherrscht. • Ein- oder monokristalline (vom Griechischen monos, einzeln): Aus er Schmelze wird ein p-leitender Silizium-Einkristall (bestehend aus einem einzigen Kristall) gezogen und in etwa 0,4 mm dicke Scheiben gesägt (wobei über die Hälfte des hochreinen, teuren Materials verloren geht). Die der Sonnenstrahlung zugewandte Vorderseite dotiert man durch Eindiffundieren z.B. von Phosphor bei 850°C drei bis vier Tausendstelmillimeter tief n-leitend, wodurch der für das Prinzip entscheidende p-n-Übergang entsteht. Beidseits werden Metallkontakte für die Stromabnahme aufgedampft, auf der Vorderseite als Gitter (Form je nach Hersteller), das nicht mehr als 10% der Fläche abdeckt, um möglichst viel Sonneneinstrahlung durchzulassen. Die größten Kristallen bzw. Scheiben haben etwa 10 cm Durchmesser. • Viel- oder polykristalline (vom Griechischen poly, viel): Aus Silizium wird ein aus vielen Kleinkristallen bestehender Block gegossen, zersägt und weiterbehandelt wie der Einkristall. Da an den Korngrenzen Rekombinationen der vom Licht abgelösten Ladungsträger-Paare stattfindet, ist der Wirkungsgrad mit 10-12% niedriger als bei einkristallinen Zellen mit 15%. Größen bis zu 10 cm x 10 cm. Guss und Zellen sind eine Spezialität der deutschen Industrie. • Amorphe oder Dünnschichtzellen: Auf Glas, Film oder Metallband nach unterschiedlichen Verfahren (z.B. Aufdampfen, Abschneiden) aufgebrachter, etwa ein Tausendstelmillimeter dünner p-i-n-Sandwich (p-Leiter, undotierter „intrinsic“ Halbleiter und n-Leiter), der sich nicht als Ein- oder Vielkristall ausbildet, sondern gestaltlos oder amorph bleibt (vom Griechischen morphe, Gestalt, und a oder an, nicht). Der i-Leiter ist nötig, weil in amorphen p- und n- Leitern allein zu viel Rekombination stattfänden – dennoch besteht die Hauptschwierigkeit in der Erzielung eines höheren Wirkungsgrades (derzeit bei Serienzellen erheblich unter 10%). Solche Zellen können grundsätzlich beliebig groß gemacht werden. Ein- und Vielkristall-Zellen sind sehr arbeitsaufwendig in der Herstellung. Dabei, und bei der Gewinnung des hochreinen Ausgangsmaterials, wird soviel Energie benötigt (vor allem für Schmelzen und Diffundieren), dass die Rückzahlungszeit, trotz Fortschritten, Mitte der 80er-Jahre noch etwa bei drei Jahren liegt. |
| Sonne | Zentralgestirn unseres Planetensystems – ein glühender Gasball, in dessen Inneren durch Kernfusion Energie freigesetzt und später von der Oberfläche abgestrahlt wird. Diese Sonnenstrahlung ermöglicht das Leben auf der Erde und ist Grundlager der Sonnenergie-Nutzung. Die Sonne hat seit jeher im Denken der Menschen als Sinnbild von Leben, Freiheit und Fortschritt oder als Gottheit eine große Rolle gespielt. Auf ihre griechische Bezeichnung helios und die römische sol gehen die Bestimmungswörter helio- und solar- mit der Bezeichnung „Sonne“ zurück (z.B. Heliostat, Solarzelle). Der Grieche Aristarchos von Samos erkannte bereits um 275 v. Chr., dass sich die Planeten um die Sonne bewegen, doch wurde dieses heliozentrische Sonnensystem erst durch Nikolaus Kopernikus Anfang des 16. Jahrhunderts Allgemeinwissen. 1868 entdeckte der britische Astronom Joseph Lockyer – durch Messung und Deutung der Sonnenstrahlung – das unbekannte Element Helium auf der Sonne. Darauf baut letztlich die heute anerkannte, 1939 von den deutschen Physikern Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker gegeben Erklärung der physikalischen Natur der Sonne auf: In ihrem Innersten herrscht so hoher Druck (etwa 200 Mrd. bar) und Temperatur (an die 15 Mio. Kelvin, Abk. K, K = +273,15 °C), dass sich durch Kernfusion Kerne von Wasserstoffatomen zu Heliumatomen verbinden und weiter, schwerere Kerne entstehen. Die dabei freiwerdende Energie erhitzt Gasmassen, die im Laufe von Jahrmillionen zur Sonnenoberfläche aufsteigen, sich dort abkühlen und wieder absinken. Von dieser – für uns unsichtbaren – Oberflächenschicht von 400 bis 500 km Dicke, der Photosphäre (vom Griechischen phos, Licht, und sphaira, Kugel), geht die Sonnenstrahlung aus, deren Spektrum den Schluss zulässt, dass die Temperatur der Photosphäre ungefähr 6.000 Kelvin beträgt. Aufgrund von Messungen mit Erdsatelliten wissen wir heute, dass die Sonne etwa 4,5 Mrd. Jahre alt ist und zu 75% aus Wasserstoff, zu 23% aus Helium sowie aus 2% aus über 60 schwereren Elementen und etwas einem Dutzend Molekülen besteht. Die Leistung der Sonnenstrahlung – die Bestrahlungsstärke – in Erdentfernung, die Solarkonstante, beträgt 1,4 kW je m² (woraus man zurückrechnen kann, dass die Sonne insgesamt rund 4 x 1.023 kW Sonnenenergie je Sekunde abstrahlt). Dieser Energiefluss wird beim Durchgang durch die Lufthülle infolge Absorption noch abgeschwächt, doch beruht auf ihm alles Leben auf der Erde. Aufgrund ihrer riesigen Masse (der 333.000 fachen Erdmasse) hat die Sonne große Anziehungskraft; diese bewirkt nicht nur die leichten elliptischen Bahnen der Planeten um die Sonne, sondern auch ihren Einfluss auf die Gezeitenenergie. |
| Sonnenstrahlung | Von der Sonne ausgehende Licht-, Wärme-, Röntgen- und Teilchenstrahlung. Infolge Abschwächung in der Lufthülle treffen nur Licht- und Wärmestrahlung auf die Erdoberfläche. Die Einstrahlung ist je nach geographischer Breite, Jahreszeit und Klima, verschieden. Die Sonne strahlt nach allen Richtungen ein Spektrum (ursprünglich das Band von Regenbogenfarben bei der Zerlegung von Sonnenlicht durch ein Prisma – vom Lateinischen spectrum, Erscheinung) elektromagnetischer Wellen aus, deren Wellenlängen den Bereich von 0,2 bis 3,6 Tausendstelmillimetern lückenlos überdecken, d.h. von Röntgenstrahlen über Ultraviolett-Strahlen und sichtbares Licht (0,38 bis 0,78 Tausendstelmillimeter) bis zur Infrarot-Wärmestrahlung. Dazu kommt noch der Sonnenwind, das sind Teilchenstrahlen (überwiegend Elektronen), die in der oberen Lufthülle Erscheinungen wie das Nordlicht auslösen. Wie die Sonnenstrahlung auf die Lufthülle der Erde trifft, beträgt ihre Leistungsdichte, die Solarkonstante, bzw. extraterrestrische Bestrahlungsstärke (vom Lateinischen extra, außerhalb, und terra, Erde) oder extraterrestrische Intensität (vom Lateinischen intensus, heftig/stark) bei lotrechtem Einfall, rund 1,4 kW je m². Beim Durchgang durch die Lufthülle wird die Sonnenstrahlung jedoch abgeschwächt und verändert. • Atome, Moleküle, Staubteilchen und vor allem Wolken reflektieren eine Teil in den Weltraum, was zur Abstrahlung beiträgt; • Moleküle und Staubteilchen streuen einen Teil in alle Richtungen – das Streulicht bezeichnet man als diffuse Strahlung (vom Lateinischen diffundere, auseinander fließen) oder Himmelsstrahlung (weil die den Himmel blau erscheinen lässt); • Infolge Absorption werden Strahlen aller Wellenlängen geschwächt und die Röntgen- und Teilchenstrahlen so gut wie vollständig, die ultravioletten fast völlig verschluckt. Die ungestreut zur Erdoberfläche gelangende Licht- und Wärmestrahlung bezeichnet man als Direktstrahlung, sie ergibt sich zusammen mit der Himmelsstrahlung (und von der Umgebung reflektierter Strahlung) die Globalstrahlung (vom Lateinischen globus, Kugel, im Sinne von Erdkugel). Ihre Bestrahlungsstärke – insgesamt nur etwa halb so groß wie die extraterrestrische – hängt von der geographischen Breite, von der Tages- und Jahreszeit (bei tiefstehender Sonne hat die Sonneneinstrahlung einen weiteren Weg durch die Lufthülle) und vom Wetter ab. An klaren Hochsommertagen mittags erreicht sie in Äquatornähe rund 1.000 W je m², in Mitteleuropa etwa 600 W je m², wobei sie zu ungefähr 90% aus Direkt – und zu 10% aus Himmelsstrahlung besteht. An Wintertagen mit bedecktem Himmel ist die Globalstrahlung zu 100% Himmelsstrahlung, und die Bestrahlungsstärke kann in Mitteleuropa dann auf 100 bis 200 W je m² sinken. Die Be- oder Einstrahlung auf der Erdoberfläche, d.h. die von der Globalstrahlung im Laufe eines Jahres übertragene Energie (Bestrahlungsstärke mal Zeit), die nutzbare Sonnenenergie, hängt zusätzlich vom Klima (dem Wetter, insbesondere der Bewölkung, im Laufe eines Jahres) ab. Ihre höchsten Werte – bis zu 2.500 kWh je m² und Jahr – findet man daher nicht in den wolkenreichen Äquatorgebieten, sondern in Trockengürteln beidseits des Äquators (Sahara, Arabien, Südafrika, Süden der USA, Australien). In Mitteleuropa werden 900 bis 1.400 kWh je m² gemessen. Geringe Leistungsdichte sowie Ungleichmäßigkeit der Sonnenstrahlung erschweren ihr Nutzung in der Solartechnik. Nahezu zwei Drittel der Global-Einstrahlung werden vom Meer absorbiert, etwas weniger als ein Drittel von der Landmasse, ein halbes Prozent speist die Windenergie und noch weniger die Photosynthese zur Erzeugung von Biomasse. All das trägt letztlich zur Erwärmung von Luft, Wasser und Boden bei, was wiederum eine Abstrahlung dieser Wärme in den Weltraum zufolge hat. |
| Stirling-Motor | Motor, worin zwei Kolben ein Fas zwischen einem kalten und einem beheizten Zylinder hin und herschieben. Beheizt wird von außen durch die Sonnenstrahlen oder beliebige Brennstoffe. Wirkt auch als Wärmepumpe. Der schottische Pfarrer Robert Stirling (1790 bis 1878) meldete 1816 einen Heißluftmotor als Wärmekraftmaschine zum Patent an: Ein kalter „Schiebezylinder“ mit Arbeitskolben steht mir einem heißen „Kraftzylinder“ mit Verdrängungskolben über ein Rohr in Verbindung, in das ein Kühler und ein Wärmetauscher eingebaut sind. Der Kraftzylinder wird von außer erhitzt, so dass sich die Luft darin ausdehnt, den Verdrängungskolben bewegt und dieser eine Kurbelwelle dreht. Auf dem Rückweg schiebt der Verdrängungskolben die heiße Luft in den Schiebezylinder, wobei sie Wärme an den Wärmetauscher abgibt und sich im Kühler weiter abkühlt. Die Kurbelwelle steuert denn Arbeitskolben so, dass er die nunmehr kalte Luft zusammen- und wieder in den Kraftzylinder presst, wobei sie im Wärmetauscher vorgewärmt wird. Der Verdrängungstakt liefert mehr Energie als der Arbeitstakt benötigt. Stirling-Motoren wurden von 1818 bis in die 1920er Jahre zu Tausenden gebaut und zum Antrieb von Wasserpumpen und kleinen Generatoren in Gewerbe und Landwirtschaft eingesetzt. Dort kam zum Tragen, dass sie mit jedem beliebigen Brennstoff (und einer diesem angepassten Konstruktion des Brennraums, der der Kraftzylinder oder das Überstromrohr umschließt) arbeiten, auch mit Holz und Stroh, und dass der Motor grundsätzlich wartungsarm und über lange Zeit zuverlässig ist. Wegen seines im Verhältnis zur Leistung hohen Gewichts und der hohen Herstellungskosten vermochte sich der Stirling-Motor nicht gegen die Explosions-Verbrennungs-Motoren durchzusetzen. Mit dem verstärktem Umweltbewusstsein ist er wieder ins Blickfeld gerückt: Die stete „äußere“ Verbrennung erlaubt hohen Luftüberschuss, womit viel weniger Schadstoffe entstehen als bei Explosionsmotoren mit Katalysator. Japanische Firmen bereiten Stirling-Motore für Autos vor. |
| Tageslichtnutzung | Aufhellen von Innenräumen, insbesondere großer Büros, durch Tageslicht mit Hilfe von Oberfenstern, Reflektoren, Spiegeln und Lichtkanälen. Auch in Mitteleuropa Halbierung des Lichtenergie-Bedarfs möglich. Schon beim Bau der Pharaonengräber im alten Ägypten hellte man unterirdische Gänge auf, indem man Sonnenstrahlen mit handgehaltenen Spiegeln dorthin reflektierte. In Mitteleuropa wurden, ehe es elektrische Beleuchtung gab, Kanzleiräume mit sehr hohen Decken und Fenstern gebaut, weil das Tageslicht möglichst gut genutzt werden sollte (darüber hinaus haben solche Räume einen großen Luftvorrat und bleiben im Sommer kühl – ein Beispiel von klimagerechtem Bauen). In den vergangenen Jahrzehnten sind die Büroräume immer niedriger und größer geworden – viele Schreibtische stehen so weit vom Fenster entfernt, dass man daran auch an Sonnentagen nur bei Kunstlicht arbeiten kann. Folglich müssen bei 30% des Strombedarfs solche Geräte für Beleuchtung aufgewendet werden. Im Süden der USA griffen anfangs der 80er-Jahre Architekten die alten Grundsätze der Kanzlei-Beleuchtung wieder auf. Wenig später übernahm man die Idee der „Tageslicht-Nutzung“ auch in Mitteleuropa. Die hier wie dort wiederentdeckten und bestätigten alten Regeln sowie die neugewonnen Erkenntnisse werden zum Teil bereits in Neu- und Altbauten angewendet: • Bis an die Decke reichende „Oberfenster, glatte und helle Deckenanstriche sowie reflektierende Lichtleitbleche vor den Fenstern und an der Decke können – einzeln oder miteinander angebracht – die Tageslichtstärke (vier m von einem üblichen Bürofenster misst man nur noch knapp zwei % des Tageslichts) im Rauminnern wesentlich steigern • Es ist auch in Mitteleuropa möglich, die Einschaltdauer von Kunstlicht zu halbieren. Neben dem Energiesparen fällt ins Gewicht, dass Tageslicht das Wohlbefinden am Arbeitsplatz erhöht. • Geschickt angeordnete Lichthöfe im Gebäudeinnern vermögen auch in Großbauten allen Räumen Tageslicht zu bringen. • Lichtröhren oder –kanäle leiten Tageslicht in fensterlose Innenräume, insbesondere bei Erdhäusern. Solche Kanäle mit etwa 20 x 20 cm² Querschnitt bestehen z.B. aus Acrylglas, dessen Außenseite durch Präzisionsguss zu Sägezahn-Rippen geformt ist. Werkstoff und Profil bewirken, dass das über Spiegel oder sogar Heliostaten eingespeiste Licht an den Wänden total reflektiert und nur wenig verschluckt wird, so dass es über weite Strecken erhalten bleibt. Bei sorgfältiger Planung ist Tageslichtnutzung wirtschaftlich, d.h. ihre Kosten (einschließlich der nötigen Vorrichtungen für die Abdeckung in kalten Nächten und für die Abschattung im Sommer) werden durch die Energieeinsparung aufgewogen. Nach amerikanischen Angaben beträgt die Rückzahlzeit je nach Klima und Fenstertyp vier bis neun Jahre. Tageslichtnutzung ist eine Substitution von Elektrizität durch Sonnenenergie. Eine Form von Tageslichtnutzung wäre auch die Erdbeleuchtung. |
| Treibhauseffekt | Lebenswichtige Erwärmung der bodennahen Luftschichten infolge Absorption der Wärmeabstrahlung von der Erde. Durch Zivilisations-Gase wie Kohlendioxid Verstärkung mit der Folge weltweiter Klimaveränderungen denkbar. Ähnlich der Glashülle eines Treibhauses lässt die Atmosphäre (vom Griechischen atmos, Dunst, und sphaira, Erdkugel), die Lufthülle der Erde, die kurzwellige Sonnenstrahlung weitgehend ungehindert zur Erdoberfläche. Dadurch erwärmt, gibt diese eine langwellige Wärme-Abstrahlung zurück, die aber von Gasen in der Lufthülle – vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid (CO2) absorbiert wird. Nun strahlt die so erwärmte Lufthülle ihrerseits eine Wärme-Gegenstrahlung in Richtung Erdoberfläche. Insgesamt stellt sich in den unteren Luftschichten ein Wärmegleichgewicht ein, das sich in einer mittleren Temperatur von ungefähr 15°C äußert – dem Treibhauseffekt (vom Lateinischen effectus, Wirkung). Ohne Lufthülle läge diese Temperatur etwa 40°C tiefer, und Leben in der uns bekannten Form wäre unmöglich. Nun wird seit Jahrzehnten in der Lufthülle ein rasches Ansteigen der Konzentration von CO2 beobachtet, das wahrscheinlich von der Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie von der Rodung von Urwäldern (CO2 entweicht dann aus dem Boden) herrührt. Zugleich nimmt infolge der Luftverschmutzung auch der Gehalt an Gasen wie Methan, Stickoxiduhl (aus Stickstoffdünger) und Freon (aus Treibgasdosen) zu, die zwar nur in Spuren darin enthalten sind (und daher Spurengase genannt werden), aber grundsätzlich ebenfalls Wärmestrahlung absorbieren. |
| Warmwasserbereitung | Erwärmung von Wasser mit erneuerbarer Energie – mit Sonnenkollektoren in sonnenreichen Ländern längst verbreitet, aber auch in Mitteleuropa möglich und wirtschaftlich, ebenso mit Wärmepumpen. Um das Jahr 1890 hatte man in Südkalifornien die Idee, 100 l fassende flache Blechtanks auf das Haudach zu stellen und darin Badewasser mit Sonnenenergie zu erwärmen. 1909 brachte dort William J. Bailey eine Anlage auf den Markt, die aus einem Flachkollektor (auf eine geschwärzte Kupferplatte gelötete Kupfer-Rohrschlange, Holzrahmen mit Glasabdeckung) und einem Tank als Warmwasserspeicher bestand. Das Geschäft blühte, denn man konnte damit neun Monate im Jahr Badewasser von 60°C bereiten. Im strengen Winter 1912/13 gefror jedoch die Wasserfüllung und sprengte viele Kollektoren – Bailey machte das Wasser durch Zusatz von Alkohol frostsicher. Die Verkaufszahlen stiegen bis auf 1.000 Stück allein im Jahre 1920, doch dann wurde in Kalifornien Erdgas gefunden, dass billiger und ganzjährig verfügbar war. In Florida hingegen wurden bis in die 50er-Jahre Zehntausende solare Warmwasserbereiter verkauft, ehe eine Verfeuerung von Kupfer und Arbeitskräften sie aus dem Felde schlug. In den 50er-Jahren fand diese Technik in Australien, Israel, Japan und Südafrika einige Verbreitung. Israel hatte 1967 etwa 50.000 Anlagen installiert und weitere 60 Länder – vor allem tropische – ausgeführt. Das billige Öl drückte die Produktion, doch 1973 erwachte mit der Ölkrise weltweit neues Interesse. Auch in Deutschland, Österreich und der Schweiz wurden nun, mit staatlicher Förderung, an mitteleuropäische Verhältnisse angepasste Anlagen als Teile aktiver Solarnutzung entwickelt: Wie in sonnenreichen Ländern umfasst die typische Anlage einen Flachkollektor und einen wärmegedämmten Warmwasserspeicher. Doch während man in sonnenreichen Ländern (auch in den USA) in Zeiten nicht ausreichenden Sonnenscheins Brauchwasser in einem getrennten Elektro- oder Ölkessel erwärmt, soll in Mitteleuropa die Zusatzheizung im Solar-Warmwasserspeicher eingebaut sein. Wo man sich dort mit der gerade erzielbaren Wassertemperatur zufriedengibt, glaubt hierzulande die Industrie, der Kunde verlange eine aufwendige Temperaturregelung. Und schließlich findet man dort meist mit dem Naturumlauf (kaltes, schwereres Wasser aus dem Speicher sinkt in den Kollektor, das erwärmte leichtere Wasser steigt in den Speicher auf) – „Thermosiphon“ (vom Griechischen therme, Wärme, und siphon, Spritze) das Auslangen, zumal man bei der vorherrschenden Bauweise den Speicher auf das Dach stellen kann; hierzulande soll er jedoch tieferliegend im Haus stehen, wodurch eine Umwälzpumpe nötig wird. |
| Wasserstoff | Eines der häufigsten Elemente, in der Natur nur in Verbindungen vorkommend. Ein Gas, das dank verhältnismäßig sauberer Verbrennung als Energieträger der Zukunft gilt, gewonnen mit erneuerbarer Energie aus Wasser. Verfahren, Speicherung und Wirtschaftlichkeit noch offen. Wasserstoff wurde 1766 vom britischen Naturforscher Henry Cavendish als chemisches Element entdeckt und als „brennbare Luft“ bezeichnet. Nachdem erkannt worden war, dass bei Verbrennung mit Sauerstoff Wasser entsteht, benannte ihn der Franzose Antoine Lavoisier 1781 Hydrogenium (vom Griechischen hydor, Wasser, und genes, erzeugend). Er verbrennt zwar zu Wasser, doch bilden sich in der sehr heißen Flamme (2.600°C) nichtumweltverträgliche Stickoxide. Seine Anwendung als Brennstoff – gewonnen aus Kohle, Erdöl, Erdgas oder mit Elektrolyse – ist jedoch auf Sonderfälle wie den Raketenantrieb beschränkt geblieben: Er entzündet sich bei 585°C selbst und bildet mit Sauerstoff explosibles Knallgas. Hingegen wird er in großer Menge als Chemie-Rohstoff gebraucht. Seit der Ölkrise betrachtet man ihn als jenen Energieträger, der Erdöl und Erdgas voll substituieren könnte, weil er ebenso vielseitig anwendbar, vor allem aber mit erneuerbarer Energie aus Wasser gewinnbar (als ein Energiespeicher dafür) ist. Dazu müsste man eine „Wasserstoffwirtschaft“ aufbauen und wirtschaftliche Verfahren für Gewinnung und Speicherung finden. Wasserstoffwirtschaft In sonnigen, kaum besiedelten Gebieten wie der Sahara soll Wasserstoff mit Sonnenenergie aus Wasser bzw. Meerwasser gewonnen werden und mit solarer Kühlung an Ort und Stelle verflüssigt werden (auch Grönland-Kraftwerke werden erwogen). Der flüssige Wasserstoff, der viel weniger Raum als gasförmiger einnimmt, würde mit Tankschiffen zu Industriestaaten transportiert. Über Rohrleitungen (wofür sich das heute bestehende Gasnetz anpassen ließe) verteilt, könnte er als Brennstoff, Treibstoff, Chemie-Rohstoff und zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen, Wärmekraftwerken und Totalenergieanlagen dienen. Gewinnung und Speicherung Um Wasserstoff zu gewinnen, muss stets mehr Energie aufgewendet werden als der gewonnene Wasserstoff enthält. Daher sucht die Forschung nach Verfahren mit möglichst hohem Wirkungsgrad: • Bei der Elektrolyse (Zersetzung von Wasser, das mit Säure oder Lauge elektrisch leitend gemacht wurde, durch elektrischen Strom) sollen neue Werkstoffe und Arbeitstemperaturen bis zu 1.000°C den Wirkungsgrad über die heurigen 70 bis 80% steigern. Der Strom könnte aus Gezeitenkraftwerken, Meereswärmekraftwerken, Solarkraftwerken, Wellenenergiewandfern und Windkraftanlagen kommen. • Photoelektrolyse und Photolyse, • Für die thermochemische Zersetzung (vom Griechischen therme, Wärme) von Wasser und Ammoniak mit Solar-Brennstoff bei 1.000°C werden noch geeignete Werkstoffe gesucht. |
| Windenergie | Bewegungsenergie der Luft, bis ins 20. Jahrhundert mit Segelschiffen und Windmühlen genutzt. Moderne Windkraftanlagen zur Stromerzeugung sind umweltverträglich und können in windreichen Ländern eine wertvolle, wirtschaftliche Erweiterung des Energieangebots werden. Die Sonnenstrahlung erwärmt die Luft über Boden und Wasser. In Gegenden stärkerer Einstrahlung steigt die Luft höher als über solchen mit geringerer. Die daraus folgenden örtlichen und weiträumigen Druckunterschiede gleichen sich durch Luftbewegungen bzw. „Winde“ vom Hochdruck – zum Tiefdruckgebiet (dem Gebiet aufsteigender Luft) aus. Die Windenergie – Bewegungsenergie der Luft – ist also eine indirekte Form der Sonnenergie und somit erneuerbare Energie. Unter Windkraftanlagen (WKA, auch Windenergiekonverter-WEK genannt) versteht man im weitesten Sinn alle Maschinen zur Nutzung der Windenergie: in früheren Zeiten Windmühlen, heute eine Maschineneinheit, bestehend aus einer Windturbine und einem davon – direkt oder über ein Getriebe – angetriebenen Generator zur Stromerzeugung (Windturbinen zum mechanischen Pumpen von Wasser werden als Wind- oder Wasserpumpen bezeichnet). Als Windturbinen finden Propeller (mit waagrechter Achse; Turbine, Getriebe und Generator miteinander verblockt aus der Spitze eines Turms) oder Darrieus-Rotoren (mit lotrechter Achse; Getriebe und Generator leicht zugänglich am Boden) Verwendung. |
| Wintergarten | Weitgehend verglaster, nach Süden blickender, an oder in das Haus gebauter Raum, der sich bei Sonnenstrahlung erwärmt und, richtig gebaut und betrieben, die Wärmeverluste des Hauses vermindern kann. Im Sommer und der Übergangszeit als Wohnraum nutzbar. Seit Vitruvs Zeiten bauten schon die Römer Wintergärten als Treibhäuser zur Überwinterung exotischer Pflanzen. Diesem Zweck diente er auch, als er im 19. Jahrhundert nördlich der Alpen aufkam. Im 19. Jahrhundert wurde er, vor allem in Gestalt der Veranda (vom Portugiesischen varanda, verglaster Balkon), zum Wohlstandszeichen des Bürgertums. Nach dem 1. Weltkrieg verschwand er, weil man sich die Beheizung, die im Winter für die Pflanzen nötig ist, nicht mehr leisten konnte. Nach der Ölkrise wurde der Wintergarten von der Solararchitektur wieder entdeckt, aber nicht als Treibhaus, sondern als Baustein passiver Solarnutzung zum Energiesparen. Die ersten Bauherren, die vom Wintergarten eine Zusatzheizung erwartet hatten, erlebten jedoch Enttäuschungen. Seither haben Forschungsarbeiten, insbesondere im Rahmen von IEA-Vorhaben, umfassenden Erkenntnisse erbracht, wie ein Wintergarten in Mittel- und Nordeuropa gebaut sein muss und was man von ihm erwarten kann: • Um im Winter möglichst viel Sonnenenergie einzufangen, sollten die Glasscheiben senkrecht stehen; am besten ist Doppelverglasung mit wärmedämmender Nachtabdeckung, die allzu große Wärmeverluste infolge Abstrahlung behindert (aus diesem Grunde sollten waagrechte und nicht nach Süden blickende Scheiben vermieden werden). Die Rahmen dürfen keine Kältebrücken bilden. Wintergärten, die innerhalb des Haus-Grundrisses liegen und deren Scheiben mit der Außenwand fluchten, sind energetisch am günstigsten. • Die Temperatur im Wintergarten liegt bei Sonnenschein in der Regel 10 bis 15°C über jener der Umgebung. Im Sommer besteht daher die Gefahr von Überhitzung, der durch Lüftungsklappen vorgebeugt werden muss. An kalten Wintertagen ist der Wintergarten kälter als das Haus. Zu den Übergangszeiten hingegen kann man den Wintergarten zum Haus hin öffnen und seine Warmluft zur Heizung verwenden (dazu ist ein Gebläse vorteilhaft). Über das ganze Jahr gesehen, vermag ein gut gebauter und richtig betriebener Wintergarten ähnlich einer Wärmedämmung als Puffer zu wirken und den Energieverbrauch der dahinterliegenden Räume zu verkleinern. |
| Wärmepumpe | Maschine, die aus Luft, Wasser, Erdreich oder Kollektoren Wärme aufnimmt und auf höhere Temperatur bringt – und zwar ein Mehrfaches der zum Antrieb nötigen Energie. In unserem Klima aussichtsreiche Heiztechnik. 1852 entdeckten die Engländer James Joule (nach dem die Maßeinheit der Energie benannt ist), 1818 bis 1889, und William Thomson (später Lord Kelvin, dem zu Ehren die Maßeinheit der Temperatur so heißt), 1824 bis 1907, dass sich Gase bei Entspannung aus hohem Druck abkühlen und umgekehrt bei Druckerhöhung (Kompression, vom Lateinische comprimere, zusammendrücken) erwärmen. Diese Erkenntnis wurde schon 1856 von Rittinger in einer Kompressionsmaschine zur Dampfüberhitzung genutzt und später zum Bau von Kühlmaschinen und Haushaltskühlschränken verwendet: Sie nehmen im Schrank Wärme auf und geben sie außerhalb wieder ab. Der Einsatz einer solchen Maschine zur Heizung, einer „Wärmepumpe“, welche die Wärme außen aufnimmt und innen abgibt, ist aber erst 1932 in Tokio belegt. 1938 folgten das Rathaus, 1939 das Hallenbad und darauf mehrere Amtshäuser von Zürich. Nach dem 2. Weltkrieg wurden in den USA einige Millionen Klimageräte zur Raumkühlung verkauft, die nach Umschalten als Wärmepumpen arbeiten. Sie beruhten, wie praktisch alle Wärmpumpen heute, auf dem Kompressor-Prinzip: • Dem Verdampfer, einem Wärmetauscher, wird Wärme niedriger Temperatur zugeführt, z.B. mit Grundwasser von 10°C. Dies genügt jedoch, um eine niedrigsiedenden Flüssigkeit wie Ammoniak zu verdampfen – der Dampf hat nun Wärmeenergie aufgenommen, die dem Wasser entzogen worden ist (wodurch es sich abkühlt). • Ein Kompressor verdichtet den Dampf, der sich dabei (durch Umwandlung der Kompressor-Antriebsenergie in Wärme) erhitzt. • Im Kondensator (vom Lateinischen condensus, dichtgedrängt) einem Wärmetauscher, dessen Temperatur unter jener des Dampfes liegt, verflüssigt sich der Dampf, und die freiwerdende Kondensationswärme überträgt sich auf den Wärmeträger Heizung, und zwar bei höherer Temperatur als im Verdampfer. • Beim Austritt aus einem Entspannungsventil entspannt sich die Flüssigkeit, kühlt ab und gelangt wieder in den Verdampfer. Ein großer Vorzug der Wärmepumpe ist, dass sie ein Mehrfaches an Energie in Form von Wärme abgibt wie sie zum Antrieb des Kompressors aufgewendet und bezahlt werden muss. Das Wievielfache das ist, die Arbeits- oder Heizzahl, hängt im Wesentlichen vom Temperaturunterschied zwischen Verdampfer und Kondensator ab. Je kleiner dieser, desto größer die Arbeitszahl – sie kann den Wert vier erreichen (d.h. die Wärmepumpe gibt viermal so viel Energie ab wie der Kompressor benötigt). |
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