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Das Potenzial der Niedertemperatur-Solarthermie in Deutschland

Unter Berücksichtigung politischer, ökonomischer, soziokultureller und technologischer Faktoren

Bachelorarbeit 2011 79 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Eidesstattliche Erklärung

Zusammenfassung

Abstract

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungen

Physikalische Einheiten

Kapitel 1
Einleitung
1.1 Problemstellung und Abgrenzung
1.2 Ziele und Aufbau der Arbeit

Kapitel 2
Allgemeine Grundlagen zur Sonnenenergienutzung
2.1 Die Sonnenstrahlung
2.1.1 Das Extraterrestrische und das terrestrische Strahlungsspektrum
2.1.2 Strahlungsphysikalische Mechanismen in der Erdatmosphäre
2.1.3 Das Strahlungsangebot in Deutschland
2.1.4 Lokale Einflüsse auf die Strahlungsausbeute

Kapitel 3
Solarthermie - heutige Technologien und ihre Anwendungsbereiche
3.1 Hauptkomponenten solarthermischer Anlagen
3.1.1 Der Sonnenkollektor
3.1.2 Der Wärmespeicher
3.2 Nicht-konzentrierende Solarthermie
3.2.1 Nicht-Konzentrierende Kollektortechnologien
3.2.2 Anwendungsbereiche der nicht-konzentrierenden Solarthermie
3.3 Konzentrierende Solarthermie

Kapitel 4
Solarthermie in Deutschland -Entwicklung und Einflussfaktoren
4.1 Die historische Entwicklung der Solarthermie
4.1.1 Entwicklung der Solarthermie in Deutschland
4.1.2 Der heutige Solarthermiemarkt in Deutschland
4.2 Technologische Faktoren
4.2.1 Potenzial der Gesamtwirkungsgradsteigerung durch Entwicklung der Systemtechnik
4.2.2 Die Schlüsselrolle der Wärmespeicher
4.2.3 Neue Materialien und Werkstoffe für Solarkollektoren
4.2.4 Entwicklung selektiver transparenter Low-e-Schichten
4.2.5 Der Zukunftsmarkt des solaren Kühlens
4.3 Ökonomische Faktoren
4.3.1 Flächenpotenziale für Solarkollektoren
4.3.2 Potenziale durch energetische Modernisierung
4.4 Politische Faktoren
4.4.1 Ziele der Energiepolitik
4.4.2 Die Aufstellung der regenerativen Energien im Wärmemarkt
4.4.3 Der Beitrag bedeutender Gesetze an der Entwicklung der Solarthermie in Deutschland
4.4.4 Der Beitrag bedeutender Förderprogramme an der Entwicklung der Solarthermie in Deutschland
4.5 Soziokulturelle Faktoren
4.5.1 Die Wechselwirkungen zwischen politischer und sozialer Ebene
4.5.2 Steigende Akzeptanz der erneuerbaren Energien in Deutschland
4.5.3 Lokale Vorteile bei Verbreitung der erneuerbaren Energien
4.5.4 Ergebnisse einer Studie zu Motiven und Hemmnissen bei der energetischen Gebäudesanierung

Kapitel 5
Zusammenfassende Schlussbetrachtung
5.1 Potenziale der Niedertemperatur-Solarthermie in Deutschland
5.2 Hemmende und treibende Faktoren

Fazit

Ausblick

Literaturverzeichnis

Eidesstattliche Erklärung

Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne unerlaubte Hilfsmittel angefertigt habe; die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht. Diese Arbeit wurde bisher keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht. Ich bin mir bewusst, dass eine unwahre Erklärung rechtliche Folgen haben wird.

Albstadt, 31. August 2011

Felix Schmidt

Zusammenfassung

Aufgrund verschiedener strahlungsphysikalischer Mechanismen ergeben sich global divergierende Energiedichten der Solarstrahlung. Ferner bewirken diese eine Aufspaltung der Globalstrahlung in direktes und diffuses Licht. Da in Deutschland die Direktstrahlung relativ gering ist, eignet sich hierzulande vorwiegend die nicht­konzentrierende Solarthermie.

Die nicht-konzentrierende Solarthermie umfasst ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten im Niedertemperaturbereich. In Deutschland wird sie derzeit vorwiegend zum Beheizen von Freibädern und für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung von Ein- und

Mehrfamilienhäusern genutzt. Die Anwendung in diesem Bereich lässt sich jedoch stark ausbauen; zumal ein Großteil des Heizungsbestands mit niedrigen Wirkungsgraden sehr veraltet ist und sich durch solarthermische Anlagen ersetzen ließe.

Für die Solarthermie bestehen große Potenziale in der Versorgung von solaren Nahwärmesystemen, in der Bereitstellung von Wärme für Industrieprozesse und im solaren Kühlen. Die Technologien für diese Anwendungsgebiete befinden sich allerdings noch in der Entwicklungs- und am Anfang der Markteinführungsphase.

Die Entwicklung der Systemtechnik sowie die Verwendung neuer Materialien, Werkstoffe und spezieller Beschichtungen für die Kollektoren, eröffnen ein Potenzial zur Steigerung der Effizienz von solarthermischen Anlagen. Gleichzeitig erschließen sich damit neue Anwendungsgebiete, wie die solarthermische Prozesswärmebereitstellung und das solare Kühlen.

Staatliche Förder- und Anreizsysteme sowie die gesellschaftliche Akzeptanz gegenüber der Solarthermie sind für den Erfolg dieser Technologie in Deutschland maßgebende Faktoren. Die finanzielle Förderung von Bund und Ländern ist notwendig, um die Kostenunterschiede gegenüber der herkömmlichen Energiebereitstellung auszugleichen und die Forschung und Entwicklung voranzutreiben. Die dabei bestehenden Interessenkonflikte müssen bei der Verfolgung energiepolitischer Ziele beseitigt und unverkennbare Mängel der staatlichen Steuerungsinstrumente behoben werden.

Grundsätzlich ist eine zunehmende gesellschaftliche Akzeptanz gegenüber den erneuerbaren Energien zu erkennen. Dennoch müssen Vorurteile und Informationsdefizite in der breiten Gesellschaft abgebaut werden, um die Motive für eine aktive Nutzung der regenerativen Energien zu stärken.

Abstract

Due to different radiation-physical mechanisms divergent energy densities of the solar radiation arise worldwide. Further those divergences cause a splitting of the global solar radiation into direct and diffuse light. As the direct radiation in Germany is relatively low, mainly the non-concentrating solar thermal systems are being used.

The non-concentrating solar thermal technology covers a wide spectrum of possible applications in the low temperature range. In Germany, it is currently used mainly for heating swimming pools and for the hot water preparation and heating support for single and multi-family dwellings. Nevertheless, the use in this area can still be strongly enlarged; especially as a majority of the heating stocks with low efficiencies are not up to date to current standards and can be substituted by solar-thermal installations.

Solar heat offers great potential in the supply of solar local heating systems, in the preparation of heat for industrial processes and in solar cooling. However, these technologies are still in the research and development phase and stand at the beginning of market launch.

The further development of the technology as well as the use of new materials and special coatings for the collectors creates the possibility for an increase in efficiency of solar-thermal installations. Moreover new fields of application open up, such as the supply of solar-thermal process heat and solar cooling.

Governmental subsidies and incentive systems as well as the social acceptance towards solar thermal energy are important aspects for the success of this technology in Germany. The financial support by federal and state governments is necessary in order to compensate the higher costs of energy production by solar thermal systems in comparison to the traditional energy supply and to support further research and development. The existing conflict of interests must be eliminated to accomplish energy policy objectives and obvious deficiencies of the state's policy have to be resolved.

The social acceptance towards renewable energies has increased. Nevertheless, prejudices and information deficits among a large number of people still have to be diminished in order to strengthen the active use of renewable energies.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Elektromagnetisches und sichtbares Spektrum des Lichts mit Angaben der Wellenlängen und Frequenzen

Abbildung 2: Energieverteilungsspektren der Sonnenstrahlung vor und nach dem Durchgang durch die Erdatmosphäre

Abbildung 3: Strahlungsbilanz der Erde

Abbildung 4: Globalstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland

Abbildung 5: Kollektorkennlinien verschiedener Kollektortypen

Abbildung 6: Entwicklung des deutschen Solarmarktes

Abbildung 7: Weltweit installierte Leistung im Ländervergleich Ende des Jahres 2009; Gesamt: 172,368.6 MWth

Abbildung 8: Zusammenhang zwischen der Entwicklung des Marktes und dem aktuellen Entwicklungsstand spezifischer Technologien

Abbildung 9: Simulierte Transmissions- und Reflexionsspektren einer einfach TCO­beschichteten Scheibe im Vergleich zu einer TCO- und antireflexbeschichteten Scheibe

Abbildung 10: Kumulierte installierte Kollektorfläche in Deutschland

Abbildung 11: Alter und Wirkungsgrad der Energieumwandlung von Wärmeerzeugern in Deutschland

Abbildung 12: Ausgaben der Länder zur Förderung erneuerbarer Energien von 1991 bis 2001

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Kennwerte verschiedener nicht-konzentrierender Kollektortypen

Tabelle 2: Übersicht der Kollektortypen nach Anwendungs- und Temperaturbereichen

Tabelle 3: Überblick der Umsetzungsverordnungen zum EnEG

Tabelle 4: Monetäre Förderinstrumente im Vergleich

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kapitel 1 Einleitung

Im Hinblick auf die gegenwärtige Klimasituation, der zunehmenden Knappheit fossiler Energieträger und deren Preissteigerung ist es erforderlich Alternativen für die Energiebereitstellung zu finden. Das derzeitige Energiesystem ist in vielerlei Hinsicht nicht nachhaltig: Es trägt zur Veränderung des Klimas bei, sodass das empfindliche Ökosystem ins Wanken gerät. Ferner ist es überwiegend von endlichen, fossilen Ressourcen abhängig, welche global ungleich verteilt sind. Um ihren Energiebedarf decken zu können, befinden sich ressourcenarme Länder in einer permanenten Importabhängigkeit von Ländern, die große Vorkommen fossiler Energieträger besitzen.

Laut der IEA (International Energy Agency) lag der weltweite Primärenergieverbrauch im Jahr 2008 knapp über 500 EJ. Dieser Verbrauch ist auf globaler Ebene in den Regionen sehr ungleich. So verbrauchen die USA, China, Russland, Indien, Japan und Deutschland zusammen, mehr als die Hälfte der weltweiten Primärenergie. Diesem immensen Energiehunger liegt unser hoher Lebensstandard zugrunde, der weltweit zu rund 80 % über fossile Brennstoffe gestillt wird.[1]

Eine klimafreundliche und umweltverträglichere Alternative ermöglichen erneuerbare Energien. Sie bieten ein nahezu unerschöpfliches Energiepotenzial, welches den derzeitigen und zukünftigen Energiebedarf bei Weitem übersteigt. Damit sind die regenerativen Energien der wesentliche Schritt, um eine nachhaltige, sichere und unabhängige Energieversorgung zu gewährleisten und dem Klimawandel entgegen zu wirken. Hierfür stehen im Bereich der regenerativen Energien mehrere Möglichkeiten bereit (z. B. Windrotoren, Sonnenkollektoren), die verschiedenen Formen der Primärenergie (z. B. Windkraft, Solarstrahlung) in Endenergie (z. B. Elektrizität, Biomasse, Wärme) umzuwandeln und für unsere Bedürfnisse als Nutzenergie (z. B. Licht, mechanische Arbeit) bereitzustellen.[2]

Im Rahmen der neuen EU-Richtlinie zur Förderung erneuerbarer Energien ist das Ziel der Bundesregierung bis 2020 den Endenergieverbrauch durch erneuerbare Energien mit einem Anteil von 18 % zu decken. Anschließend wird eine Entwicklung angestrebt, wobei der Anteil der regenerativen Energien alle zehn Jahre um ca. 15 % wachsen soll, sodass dieser im Jahr 2050 etwa 60 % beträgt.[3]

Derzeit basiert die Energieversorgung der Bundesrepublik Deutschland im Wesentlichen auf fossilen Energieträgern, wie Kohle und Gas, sowie der Kernenergie. Zwar haben sich die Anteile der erneuerbaren Energien am Bruttoendenergieverbrauch[4] in den Jahren 1990 bis 2010 fast versechsfacht, besitzen aber mit einem Anteil von 11 % (Stand 2010) noch ausreichend Potenzial zur Ausbaufähigkeit. Dieser Anteil setzt sich derzeit aus sechs regenerativen Energiequellen zusammen:[5] Biogene Brenn- und Kraftstoffe nehmen mit 71 % den ersten Platz ein, gefolgt von Windenergie mit 13 % und Wasserkraft mit 7 %. Nur sehr geringe Anteile bilden hierbei die Fotovoltaik mit 4,4 %, die Geothermie mit 2,0 % und die Solarthermie mit nur 1,9 %.

Bisher lag der Fokus bei der Nutzung der regenerativen Energien, „aus Gründen der Sicherheit und Diversifizierung der Energieversorgung [...] und des wirtschaftlichen Zusammenhalts"[6], vorwiegend in der Stromgewinnung. Unverkennbar ist aber, dass der Stromanteil am gesamten Endenergieverbrauch mit rund 20 % vergleichsweise gering ist; sogar geringer als der Kraftstoffanteil, der rund 30 % einnimmt. Im Wärmebereich wird hingegen rund die Hälfte der gesamten Endenergie verbraucht.[7]

Im Hinblick auf den hohen Endenergieverbrauch im Wärmesektor bietet sich die Solarthermie als regenerative Energiequelle aus mehreren Gründen an. Die Sonnenenergie ist, neben Biomasse und Geothermie, die mit Abstand größte regenerative Energiequelle im Wärmebereich. Allein in einer halben Stunde erreicht unsere Erde so viel solare Energie, wie die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht.[8] Anders als bei der Nutzung von Biomasse wird bei der solaren Wärmegewinnung kein potenziell umweltgefährdender Brennstoff benötigt. Biomasse stößt, aufgrund ihres hohen spezifischen Anbauflächenbedarfs, beim weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien schnell an ihre Potenzialgrenzen und steht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion.[9]

Dennoch ist die Solarthermie in der deutschen Energie- und Forschungspolitik, im Bereich der erneuerbaren Energien, eine verhältnismäßig unscheinbare Technologie. So fließen vom Bundesumweltministerium gerademal 6 % der Finanzmittel des Forschungsbudgets für regenerative Energien in den Solarthermiesektor. Dies entspricht 0,9 % der gesamten von der Bundesregierung bereitgestellten Forschungsausgaben für Energie.[10]

1.1 Problemstellung und Abgrenzung

Vor dem Hintergrund der beschriebenen Lage und dem Nutzungsstand des derzeitigen Energiesystems werden in der vorliegenden Arbeit, unter Berücksichtigung der politischen, ökonomischen, sozialen und technologischen Faktoren, die grundsätzlichen Möglichkeiten und Grenzen für den Ausbau regenerativer Energien, im Bereich der Niedertemperatur-Solarthermie, für Deutschland untersucht.

Dabei werden in dieser Arbeit die Möglichkeiten der Solarthermie durch ihr technisches Potenzial beschrieben. Dieses stellt, unter Berücksichtigung gegebener technischer Restriktionen, eine obere Grenze des theoretisch Realisierbaren dar. Strukturelle und ökologische Einschränkungen, gesetzliche Vorgaben und weitere nicht-technische Beschränkungen grenzen das technische Potenzial weiter ein.[11]

Anhand dieser Darlegung lassen sich folgende zentrale Fragestellungen ableiten:

- Worin liegen die technischen Potenziale?
- Welche neuen Anwendungsgebiete gibt es im Bereich der Solarthermie?
- Besteht Potenzial zur Effizienzsteigerung durch Optimierung der Komponenten einer solarthermischen Anlage?
- Wie groß ist das Einsatzpotenzial der Solarthermie durch die Nutzung potenzieller Flächen und durch Substitution vorhandener, veralteter Heizsysteme?
- Welche hemmenden und welche fördernden Faktoren gibt es?
- Welche Förder- und Anreizsysteme gibt es und was bewirken sie?
- Woher kommen die entscheidenden Impulse, die zur Akzeptanz gegenüber der Solarthermie führen?

1.2 Ziele und Aufbau der Arbeit

Das zentrale Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die Potenziale der Niedertemperatur- Solarthermie in Deutschland anhand der äußeren Einflüsse, welche sich aus politischen, ökonomischen, soziokulturellen und technologischen Faktoren ergeben, zu analysieren sowie die hemmenden und treibenden Faktoren für diesen Markt zu identifizieren.

Im Verlauf der Arbeit werden in Kapitel 2 zunächst die strahlungsphysikalischen Mechanismen bearbeitet, welche die global bzw. regional divergierende Energiedichte der Solarstrahlung erklären. Daraus ergibt sich das Strahlungspotenzial, welches zur solaren Energiegewinnung theoretisch genutzt werden kann.

Damit das theoretische Potenzial der Sonnenstrahlung für die Wärmegewinnung genutzt werden kann, sind solarthermische Anlagen erforderlich. In Kapitel 3 wird das Prinzip von Solarthermieanlagen erläutert und ihre Hauptkomponenten, insbesondere die Kollektortechnologien dargestellt. Dabei ergeben sich technische Restriktionen, welche die vollständige Nutzung des theoretischen Potenzials des Strahlungsangebots erstmals einschränken. Ferner werden die möglichen Anwendungsgebiete der Solarthermie aufgezeigt, die das technische Nutzungspotenzial dieser Technologie erstmals erkennen lassen.

Kapitel 4 bildet den wichtigsten Teil der Arbeit. Nach einem Einblick in die geschichtliche Entwicklung der Solarthermie und der Darstellung der heutigen Marktsituation wird das Kapitel in technologische, ökonomische, politische und soziokulturelle Faktoren aufgegliedert. Dieser Gliederung liegen die Variablen der PEST-Analyse zugrunde, welche Erklärungsansätze für Potenziale und Erfolge der Niedertemperatur-Solarthermie in Deutschland liefern.

Beginnend mit den technologischen Faktoren, werden die technischen Potenziale beleuchtet, die sich durch die Entwicklung der Systemtechnik, der Wärmespeicher, neuer Materialien und Werkstoffe eröffnen. Anschließend werden die Marktpotenziale der Solarthermie dargestellt, welche sich aus geeigneten freien Flächen ergeben, auf denen Solarkollektoren installiert werden können. Es werden auch die Potenziale aufgezeigt, die sich im Rahmen energetischer Modernisierungsmaßnahmen auftun, wenn die veralteten Heizsysteme des Heizungsbestands in Deutschland ersetzt werden. Unter dem Abschnitt politische Faktoren werden bestehende Förder- und Anreizsysteme für regenerative Energien im Wärmemarkt und deren Auswirkungen auf die Entwicklung der Solarthermie beschrieben. Das Kapitel 4 schließt anschließend mit den soziokulturellen Faktoren ab. Es werden die Wechselwirkungen zwischen politischer und sozialer Ebene betrachtet, die zur gesellschaftlichen Akzeptanz gegenüber den regenerativen Energien geführt haben. Weiterhin werden Motive und Hemmnisse aus Sicht von Immobilieneigentümern beleuchtet, welche die Handlungsentscheidung bezüglich energetischer Sanierungsmaßnahmen beeinflussen.

Die Arbeit schließt in Kapitel 5 mit einer zusammenfassenden Schlussbetrachtung und einem kurzen Fazit ab. Ausgehend von den zwei zentralen Fragestellungen dieser Arbeit, ist die Schlussbetrachtung in zwei Abschnitte gegliedert. Zunächst werden die Fragen zu den Potenzialen der Niedertemperatur-Solarthermie beantwortet. Anschließend werden vorhandene politische Faktoren und soziale Impulse erörtert, die Einfluss auf die Entwicklung der Solarthermie nehmen. Das Fazit fasst abschließend die wichtigsten Erkenntnisse der beiden Abschnitte zusammen.

Kapitel 2 Allgemeine Grundlagen zur Sonnenenergienutzung

Die Sonne bildet einen der wichtigsten Faktoren für das Leben auf der Erde. Zudem ist sie der bedeutendste regenerative Energielieferant. Ihre nahezu unerschöpfliche Energie erreicht die Erdoberfläche in Form von elektromagnetischer Strahlung, welche die wichtigste Grundlage für die Energieströme, wie Wind und Wasserkraft, auf der Erde bildet. Von allen Energieströmen, die auf der Erde umgesetzt werden, beträgt der Sonnenenergieanteil über 99,9 %.[12] Partikel und Gase, welche die Atmosphäre bilden, absorbieren ein Teil der Strahlen und erzeugen dadurch andere Energieformen, wie Wind und Wasserkraft. Neben der Absorption wird die Sonnenenergie auch durch Reflexion an der Atmosphäre und aufgrund verschiedener Streuungsmechanismen reduziert.[13]

Da die Sonnenenergiegewinnung vom solaren Strahlungsangebot abhängig ist, werden in diesem Kapitel die Grundlagen des solaren Energieangebots erläutert.

2.1 Die Sonnenstrahlung

Die Sonne sendet ihre Energie in Form von Materiestrahlung und elektromagnetischer Strahlung. Während der Großteil der lebensfeindlichen Materiestrahlung aufgrund des starken Magnetfeldes der Erde abgelenkt wird, dringen die elektromagnetischen Strahlen durch die Atmosphäre hindurch und erreichen die Erdoberfläche. Diese elektromagnetischen Strahlen werden vorwiegend von der Fotosphäre der Sonne emittiert und umfassen den gesamten Frequenzbereich von sehr kurzwelliger bis langwelliger Strahlung mit Wellen von mehreren 100 Metern Länge.[14]

Ein Teil dieser Strahlung nehmen wir in Form von Wärme und als weißes Licht war. Das sichtbare Licht ist ein sehr kleiner Teil des elektromagnetischen Strahlungsspektrums. Wellenlängen zwischen 400 nm und 750 nm, nimmt das menschliche Auge als weißes Licht war. Trifft dieses Licht auf ein Prisma oder auf einen Wassertropfen, so wird es in seine Spektralfarben aufgespalten (Dispersion). Jeder Farbton wird dabei durch die unterschiedliche Brechung der einzelnen Wellenlängen hervorgerufen.[15]

Elektromagnetischen Wellen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind, werden mit Wellenlängen kleiner als 400 nm als Ultraviolett (UV) und mit größeren Wellenlängen als 750 nm als Infrarot (IR) bezeichnet. Infrarote Strahlung nehmen wir mit unserer Haut als Wärme war und werden deshalb auch als Wärmestrahlung bezeichnet.[16]

Abbildung 1 verdeutlicht die große Bandbreite des elektromagnetischen Spektrums mit Angaben zu den unterschiedlichen Wellenlängen- und Frequenzbereichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Elektromagnetisches und sichtbares Spektrum des Lichts mit Angaben der Wellenlängen und Frequenzen

Quelle: Frank, Phrood, Anony, Wikimedia Commons, 2008.

2.1.1 Das Extraterrestrische und das terrestrische Strahlungsspektrum

Grundsätzlich kann elektromagnetische Strahlung als Welle oder als Teilchen, den sog. Photonen, gesehen werden, die zur Ausbreitung kein Trägermedium benötigen.[17] Daher trifft trotz der großen Distanz zwischen Sonne und Erde, von durchschnittlich 1,5·1011 m, eine flächenspezifische Strahlungsleistung von ca. 1 370 W/m2 am oberen Rand der Erdatmosphäre auf. Dieser Mittelwert unterliegt geringen jahreszeitlichen Schwankungen von etwa ± 4 % und ist als Solarkonstante definiert.[18]

Die außerhalb der Erdatmosphäre befindliche Strahlung wird als extraterrestrisch bezeichnet und man spricht „von Air-Mass-0-Bedingungen (AM 0)", da sich zwischen Sonne und Erdatmosphäre keine Luftschichten befinden. Auf äquatorialen Breitengraden trifft die Sonnenstrahlung senkrecht auf und durchdringt die Erdatmosphäre ein-fach, d. h. auf kürzestem Weg. Dies entspricht dann AM 1 Bedingungen. Häufiger werden aber AM 1,5-Bedingungen als Basis genommen; sie entsprechen einem Sonnenstand von 41,8°, etwa dem in Europa. Das Licht durchdringt also die 1,5-fache der Luftmasse, wie sie am Äquator herrscht.[19]

Bei dem Durchdringen der Erdatmosphäre ändert sich das extraterrestrische Strahlungsspektrum in seiner Leistung und Spektralverteilung. Die Atmosphäre beeinflusst also die Strahlung der Sonne, sodass bestimmte Wellenlängen hindurchgelassen, andere wiederum teilweise oder ganz blockiert werden.

Das auf die Erdoberfläche treffende Strahlungsspektrum wird als terrestrisches Spektrum bezeichnet. Im folgenden Kapitel 2.1.2 wird auf die für die Veränderungen auslösenden Effekte eingegangen.

In Abbildung 2 ist das extraterrestrische Strahlungsspektrum des Sonnenlichts außerhalb (AM 0) und das terrestrische Strahlungsspektrum nach dem Durchdringen der Atmosphäre (AM 1,5) dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Energieverteilungsspektren der Sonnenstrahlung vor und nach dem Durchgang durch die Erdatmosphäre

2.1.2 Strahlungsphysikalische Mechanismen in der Erdatmosphäre

Die Erdatmosphäre bildet, neben dem schon erwähnten Erdmagnetfeld, die Schutzhülle unseres Planeten. Sie besteht aus verschiedenen Gasteilchen, wie Wasserdampf, Ozon, Sauerstoff und Kohlendioxid, die von der Erdgravitation festgehalten werden.[20]

Die Atmosphäre und die Erdoberfläche rufen folgende Effekte hervor, welche sich auf die Intensität und auf das Spektrum der Sonnenstrahlung auswirken:[21]

- Reflexion an der Atmosphäre und an der Erdoberfläche
- Streuung an Bestandteilen der Atmosphäre
- Absorption durch die Atmosphäre

Ungefähr ein Drittel der Strahlung - primär kurzwellig - wird an den Bestandteilen der Atmosphäre und an der Erdoberfläche als Diffusstrahlung (siehe Kapitel 2.1.2.1) zurück in den Weltraum reflektiert. Von den übrigen zwei Dritteln gelangt der größere Anteil bis auf die Erdoberfläche, während ein geringfügigerer Teil in der Erdatmosphäre absorbiert wird (siehe Abbildung 3).[22]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Strahlungsbilanz der Erde

Quelle: Wikimedia Commons, 2007; modifiziert.

Das Ozon nimmt beispielsweise eine schützende Funktion ein, indem es die aggressiven UV-Strahlen beinahe vollständig absorbiert. Auch die anderen Gase absorbieren gewisse Lichtwellen und verursachen deshalb vereinzelt starke Einbrüche in der spektralen Strahlungsleistungsdichte bestimmter Wellenlängenbereiche. Aufgrund der atmosphärischen Reflexion und Absorption ist eine Abschwächung der Strahlungsleistung des extraterrestrischen Strahlungsspektrums die Folge. Das daraus resultierende Spektrum wird als das terrestrische Strahlungsspektrum bezeichnet und kann auf der Erdoberfläche gemessen werden (siehe Abbildung 2, S. 8).[23]

Das terrestrische Strahlungsspektrum stellt die nutzbare Strahlungsleistung und Strahlungsbandbreite für die solare Energiegewinnung dar. Abhängig von dem Breitengrad der Erde, der zu durchdringenden Luftmasse und den meteorologischen Verhältnissen fällt dieses in seiner Leistung unterschiedlich stark aus. Ein für Mitteleuropa typischer Wert der solaren Bestrahlungsstärke liegt an schönen Sommertagen um etwa 800 W/m2.[24]

2.1.2.1 Direkt-, Diffus- und Globalstrahlung

Beim Durchdringen der Atmosphäre wird ein Teil des einfallenden Lichts an Luftmolekülen, Wassertröpfchen, Eiskristallen und Aerosolpartikeln gestreut (vgl. Kapitel 2.1.2, S. 8), d. h. von seiner Einfallsrichtung ohne Energieverlust abgelenkt. Ein anderer Teil erreicht die Erdoberfläche von der Sonne direkt, ohne durch atmosphärische Streuungsmechanismen abgelenkt zu werden. Damit kann die auf die Erdoberfläche auftreffende Sonnenstrahlung in Direkt- und Diffusstrahlung unterschieden werden. Während es sich bei der Direktstrahlung um gerichtetes Sonnenlicht handelt, bewirken die Streuungsmechanismen in der Atmosphäre ein ungerichtetes, diffuses Licht. Dieses setzt sich, neben der Streuung in der Atmosphäre, aus atmosphärischer Gegenstrahlung und aus reflektierter Strahlung der Umgebung zusammen (siehe Abbildung 3, S. 9). Bezogen auf eine horizontale Empfangsfläche wird die Summe der beiden Strahlungsbestandteile als Globalstrahlung bezeichnet.[25]

Für die solare Energiegewinnung ist die Unterscheidung zwischen direkter und diffuser Strahlung von großer Bedeutung, „da sie mit einem unterschiedlichen mittleren Einfallswinkel auf eine bestimmte Empfangsfläche (z. B. Oberfläche eines Solarkollektors) eintreffen"[26]. Außerdem ist das solare Strahlungsspektrum auf der Erdoberfläche in seiner Intensität von der zu durchdringenden Luftmasse abhängig (siehe Kapitel 2.1.1). Je nachdem wie groß die Luftmasse ist, variieren die direkten und diffusen Strahlungsanteile der Globalstrahlung. Damit ergeben sich unterschiedliche, örtlich und jahreszeitlich abhängige Angebotscharakteristiken bezüglich der Strahlungsleistung (siehe Kapitel 2.1.3).[27]

In der Solarthermie sind diese Gesichtspunkte für die Bestimmung optimaler Standorte und für die geeignete Kollektortechnologie entscheidend. So können konzentrierende Solarkollektoren nur den direkten Strahlungsbestandteil der Globalstrahlung nutzen, während nicht-konzentrierende Solarkollektoren beide Bestandteile, den direkten und diffusen Anteil, nutzen.[28]

2.1.3 Das Strahlungsangebot in Deutschland

Wie bereits dargestellt, ist die globale Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche von der zu durchdringenden Luftmasse und dem örtlichen Einfallswinkel sowie den Tages- und Jahreszeiten abhängig. Auf der Erde herrschen u. a. deshalb unterschiedliche Klimazonen sowie eine ungleiche Verteilung der Globalstrahlungsleistung.

Es gibt inzwischen eine ganze Reihe von umfangreichen Datenbanken, in denen verschiedene Einstrahlwerte der ganzen Welt kartiert sind. Diese Daten helfen mittels professionellen Simulationen, Standorte zu bestimmen und Wirtschaftlichkeitsberechnungen von Fotovoltaik oder Solarthermieanlagen durchzuführen. Als eine wichtige Quelle hat sich der Europäische Strahlungsatlas (European Solar Radiation Atlas, E.S.R.A.) etabliert.[29] Eine kostenlose Alternative bietet der Deutsche Wetterdienst mit einer Strahlungskarte der Bundesrepublik Deutschland. Darin sind die mittleren Jahressummen der Globalstrahlung des Zeitraums von 1981 bis 2010 kartografiert.

Abbildung 4 zeigt die durchschnittliche, örtliche Angebotscharakteristik der Globalstrahlung der letzten 29 Jahre in Deutschland. Sie wird mittels geostatistischer Verfahren aus Bodenmessungen und Satellitendaten ermittelt und setzt sich aus einem flächendeckenden Raster, mit einem Rasterabstand von 1 km, zusammen. Die Bestrahlungswerte sind in kWh/m2 angegeben, welche sich aus dem Produkt von Bestrahlungsstärke (W/m2) und der Dauer des Bestrahlungsvorgangs auf der Basis Stunden ergeben.[30]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Globalstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland

Quelle: Deutscher Wetterdienst, 2010, S. 7.

Wie in Abbildung 4 zu erkennen ist, lässt sich Deutschland in drei Regionen hinsichtlich der Strahlungsdichte unterteilen. Besonders hohe Einstrahlungswerte liefern die Bundesländer Bayern und Baden-Württemberg aufgrund ihrer südlichen Lage und dem wolkenärmeren Kontinentalklima. Etwas weniger hohe Werte, die aber noch im Bereich von knapp über 1000 kWh/m2 liegen, werden in Deutschlands Osten bis Nordosten gemessen. Dies lässt sich auf die geringere konvektive Wolkenbildung des im Frühjahr bis Frühsommer noch kalten Ostseewassers zurückführen. Im Westen bis Nordwesten Deutschlands sorgt die häufige Zufuhr von feuchten Meeres-Luftmassen, die sich am Mittelgebirge anstauen, für Wolkenbildung. Diese verursachen die geringeren Einstrahlungswerte in der Region. Eine Ausnahme stellen die Nordsee-Inseln dar.[31]

[...]


[1] Vgl.: Quaschning, 2010, S. 26.

[2] Vgl.: Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 2 f.

[3] Vgl.: Nitsch, et al., 2010, S. 39 f.

[4] Begriffsklärung:

Der Bruttoendenergieverbrauch „umfasst die gesamte Energie, die an die Endverbraucher (Industrie, Verkehr, Haushalte, Dienstleistungen usw.) geliefert wird sowie die bei der Strom- und Wärmeerzeugung verloren gegangene Energie" (Agentur für Erneuerbare Energien e.V., 2010b).

[5] Vgl.: BMU, 2011a, S. 2 ff., S. 9.

[6] Siehe: Richtlinie 2001/77/EG des Europäischen Parlaments, 2001.

[7] Vgl.: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, 2009.

[8] Vgl.: Lehmann & Schindler, 2000, S. 10.

[9] Vgl.: Nitsch, et al., 2010, S. 43.

[10] Vgl.: Deutsche Solarthermie-Technologie Plattform (DSTTP), 2010, S. 6.

[11] Vgl.: Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 21.

[12] Vgl.: Quaschning, 2007, S. 49 / Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 37; 49.

[13] Vgl.: Pelte, 2010, S. 140 / Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 37.

[14] Vgl.: Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 37 f.

[15] Vgl.: Giancoli, 2010, S. 1103 f.

[16] Vgl.: ebd., S. 1068 ff.

[17] Vgl.: Halliday, Resnick, Walker, & Koch, 2007, S. 700 f.

[18] Siehe: Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 38 f.

[19] Siehe: Kleemann & Meliß, 1988, S. 28 ff. / Pelte, 2010, S. 143 f.

[20] Vgl.: Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 47 f.

[21] Vgl.: Kleemann & Meliß, 1988, S. 33 f.

[22] Vgl.: Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 45 f.

[23] Vgl.: Quaschning, 2007, S. 53 / Kleemann & Meliß, 1988, S. 33 /

Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 47 ff.

[24] Vgl.: Quaschning, 2010, S. 137.

[25] Vgl.: Kaltschmitt, Streicher, & Wiese, 2006, S. 45 f.; S. 49 f.

[26] Siehe: ebd., S. 49.

[27] Vgl.: ebd., S. 49 ff.

[28] Vgl.: Quaschning, 2010, S. 177.

[29] Vgl.: Quaschning, 2001, S. 39 f.

[30] Vgl.: Deutscher Wetterdienst, 2010, S. 2; 10.

[31] Vgl.: ebd., S. 6

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Titel: Das Potenzial der Niedertemperatur-Solarthermie in Deutschland