kleine Solarzelle als Stromversorgung für PIC


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Einleitung
Woher nimmt man die Solarzelle?
Messergebnisse

Und was hat das allen mit PIC-Prozessoren zu tun?

Allgemeine Gedanken zur Solarenergie im Haushalt

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Einleitung

Wird ein PIC im LP-Oszillatormode betrieben, dann kommt er zwar nicht mehr auf die Top-500 der Superrechner, aber er begnügt sich mit einer Stromaufnahme im µA-Bereich. Eine einzelne Li-Batterie des Typs CR2032 ist ausreichend, um den PIC ein ganzes Jahr im Dauerbetrieb zu betreiben.
Wenn der PIC aber gar nicht im Dauerbetrieb arbeitet, sondern nur sporadisch aus dem SLEEP-Mode geweckt wird, um ein paar Befehle abzuarbeiten, bevor er wieder in den SLEEP geschickt wird, dann ist seine durchschnittliche Stromaufnahme geringer als die Selbstentladung der besten Batterie. Wäre es da nicht sinnvoll, auf die Batterie zu verzichten, und eine kleine Solarzelle zu benutzen?
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Woher nimmt man die Solarzelle?

Leider verabschiede ich mich sofort wieder vom umweltschonenden Öko-Ansatz der Solarenergienutzung. Für den PIC benötige ich keine Einzelsolarzelle (die hat nur ca. 0,5V) sondern ein Modul aus wenigstens 4 in Reihe geschalteten Zellen. Im üblichen Bastlerhandel sind solche Zellen nur in Größen erhältlich, die den Bedarf eines PIC bei weiten übertreffen.

Kleine Solarmodule findet man aber z.B. in vielen Taschenrechnern als Zweitstromversorgung zur Entlastung der chemischen Batterie. Als es beim Diskounter einen Solartaschenrechner für 1,99€ gab, schlug ich zu. 

Aus diesem Taschenrechner entfernte ich das Objekt der Begierde. 
Natürlich möchte ich kein Ökoschwein sein, das einen ganzen Taschenrechner wegwirft, nur um an die Solarzelle zu kommen. So baute ich den Rechner wieder zusammen, und bis seine chemische Batterie erschöpft ist, darf er noch weiterrechnen.
Da ist sie nun. Man erkennt deutlich, dass 4 Einzelzellen in Reihe geschaltet wurden. Damit ist die erzielbare Spannung hoch genug, um einen PIC zu betreiben. Allerdings hat jede Zelle nur ca. 0,5 qcm Fläche. Die Stromausbeute wird also gering sein.
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Messergebnisse

Ausgangsspannung Große Solarmodule haben normalerweise eine recht konstante Ausgangsspannung (ca. 0,5V pro Zelle) die bei steigender Belastung über große Lastbereiche recht konstant bleibt, bevor sie schließlich plötzlich unter Überlast zusammenbricht. Der Überlastpunkt hängt von der momentanen Beleuchtung ab. Mein Kleinmodul verhielt sich aber anders. 

Die blaue Linie zeigt den laststromabhängigen Spannungswert bei konstanter (recht hoher) Beleuchtung an. Das Modul verhält sich also eher wie eine Konstantspannungsquelle mit sehr hohem Reihenwiderstand. Der errechnete Innenwiderstand ist mit der pinkfarbenen Linie dargestellt, und über weite Bereiche recht konstant bei 3 bis 4 kOhm.

Die gelbe Linie ist der Versuch, ein dem Modul nahe kommendes Ersatzschaltbild zu entwickeln. Es ist die errechnete Ausgangsspannung einer 2,25 V-Quelle mit einem 3,4 kOhm Reihenwiderstand. In weiten Bereichen verhält es sich sehr ähnlich dem Modul.

Der Innenwiderstand des Moduls wird von der einfallenden Lichtstärke verändert. Eine hohe Lichtstärke resultiert in einem kleineren Innenwiderstand, während eine geringere Lichtstärke den Innenwiderstand erhöht.

entnehmbare Leistung Hier sieht man die vom Solarmodul abgegebene elektrische Leistung bei unterschiedlicher Belastung. Die meiste Energie (fast 0,4mW) gewinnt man aus dem Modul, wenn die Spannung schon auf nur noch 1,3V zusammengebrochen ist. Diese Spannung ist aber für viele Verbraucher schon zu klein.

Bei Modulspannungen über 2V können nur Leistungen unter 0,2 mW entnommen  werden


Und was hat das allen mit PIC-Prozessoren zu tun?

Alles in allem liefert das Modul nicht viel Energie. Wenn die Spannung noch im nutzbaren Bereich liegen soll, lassen sich nur wenige 10 µA Dauerstrom entnehmen. Das reicht gerade einmal für einen PIC12F629 im LP-Mode (32kHz) ohne WDT.
 
Wenn der PIC aber  nur gelegentlich für kurze Zeit aus dem SLEEP geholt werden soll, bietet es sich an, die Energie des Solarmoduls in einem Goldcap zu speichern. Dann kann kurzzeitig deutlich mehr Strom zur Verfügung gestellt werden. Da das Modul in Dunkelheit aber keinen extrem hohen Innenwiderstand besitzt, muss es über eine Shottky-Diode mit dem Goldcap verbunden werden, um die Entladung des Goldcap über das Solarmodul bei Dunkelheit zu verhindern.
Falls die Gefahr besteht, dass der Goldcap über seine Nennspannung geladen wird, kann man parallel zum Goldcap eine Reihenschaltung mehrerer LEDs anschließen. Die müssen so ausgewählt werden, dass sie knapp unterhalb der Goldcap-Nennspannung leitend werden. LEDs haben hier (meiner Erfahrung nach) bessere Eigenschaften als Z-Dioden.

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Allgemeine Gedanken zur Solarenergie im Haushalt

Die Sonne liefert in Deutschland mehr Energie, als wir verbrauchen können. Jeder Quadratmeter (qm) empfängt pro Jahr etwa 1000 kWh, das entspricht etwa 100 Liter Heizöl. Für ganz Deutschland sind das 115 Milliarden Liter Heizöl. (zum Vergleich: Deutschland importiert pro Jahr ca 110 Millionen Tonnen Rohöl.) Nur die effektive Wandlung der Licht/Wärme-Energie in eine technisch leicht nutzbare Form ist nicht so einfach. Große Flächen hat eigentlich nur die Landwirtschaft, die über den Umweg der Biomasse Energie gewinnen kann. Wenn man aber die Prospekte der Bausparkassen und Hausanbieter durchliest, dann scheint jeder Neubau eine Solaranlage  zu brauchen.

Als Vergleich: Ich wohne in einem Ende der 90'er gebauten Haus und benötige pro Jahr  6000 kWh (= 6 MWh) elektrische Energie sowie 1500 Liter Heizöl (= 15 MWh). Das sind zusammen ca. 21000 kWh oder 21 MWh Energie.

Viele neue Grundstücke sind kaum mehr als 300 qm groß, und Häuser haben eine Dachfläche von ca. 80 qm. Zur Installation einer Solaranlage bleibt eigentlich nur die Dachfläche übrig. Da nur die Südseite des Daches genutzt werden kann, verbleiben maximal 35 qm für eine Solaranlage. Immerhin fällt auf diese Fläche im Jahr Sonnenenergie von 35000 kWh = 35 MWh (entspricht für 5000 € elektrischer Strom oder 3500 Liter Heizöl).

Leider fällt diese Energie über das Jahr verteilt recht ungleichmäßig ein. Im Sommer empfangen wir ca. 1..2 (andere Quelle: 5) kWh/qmd (Kilowattstunde pro Quadratmeter und Tag) im Winter nur 0,2 (andere Quelle: 0,5) kWh/qmd. Während im Sommer viel mehr Energie anfällt, als benötigt wird, reicht die Energie in der Heizperiode bei weitem nicht aus. Eine Speicherung ist nötig.

Für das eigene Haus kommen aber nur fotovoltaische Solarzellen und Warmwasser-Sonnenkollektoren in Frage. Wegen der fehlenden Energiespeichermöglichkeit ist für ein Eigenheim eine echte Energieautonomie im Winter also nicht erreichbar. Es bleibt nur die Energieeinspeisung ins Stromnetz im Sommer und die Versorgung durch Atom- und Kohlestrom im Winter. Das entspricht eigentlich nicht dem ökologischen Idealbild. Mal sehen, ob es wenigstens wirtschaftlich ist.
 

Wirkungsgrad:
Um mit der auf 35 qm Dachfläche pro Jahr fallende Energie (35 MWh) das Haus mit Energie zu versorgen (21 MWh), wäre eine Energiespeicherung und -wandlung mit einem Wirkungsgrad 60% nötig.
Solarzellen haben momentan einen Wirkungsgrad von nur 7..15%. Sonnenkollektoren schaffen z.Z. 60..70%. Damit wird das Dilemma deutlich: Solarzellen produzieren nicht genug Energie um ein Haus autonom zu betreiben, und Solarkollektoren können die Sommerenergie nicht für den Winter speichern.
 

Solarzellen
Fotovoltaische Solarzellen sind eine gute Lösung, wenn man ein elektrisches Gerät ohne Anschluss an das Elektrizitätsnetz betreiben will. Das kann im Raumschiff, auf dem Boot und im Wohnmobil genauso zutreffen, wie auf ein LCD-Preisschild im Supermarkt. In all diesen Fällen ist ein Anschluss an das elektrische Netz oder der Einsatz von Batterien nicht möglich oder so teuer, dass Solarzellen attraktiv werden.

Wie sieht das aber mit Solarzellen auf Hausdächern aus, die Strom zur Einspeisung ins öffentliche Netz erzeugen? Die Leistung einer Solarzelle wird in kWp angegeben. Das ist die Spitzenleistung bei optimaler Bestrahlung. In Deutschland liefert eine Solarzelle innerhalb eines Tages etwa das 2 ... 2,4 -fache des kWp-Wertes. Ein 1-kWp-Solarzellenfeld erzeugt also am Tag 2,4 kWh oder im Durchschnitt geradeeinmal 80 .. 100W, und ist ca. 8 .. 16 qm groß. (Der Wirkungsgrad verfügbarer Solarzellen liegt je nach Technologie bei 7 .. 15%. Den besseren Wirkungsgrad haben kristalline Zellen.)

Die Kosten einer Einspeise-Solaranlage belaufen sich (Stand 2004) auf etwa 5000 €/kWp (trotz Herstellungskosten von unter 3000 €/kWp). Für 10000 € erhält man also eine Anlage, die 2 kWp erzeugt (entspricht 160 .. 200 W im Durchschnitt). Im Jahresverlauf kann sie 1400 .. 1700 kWh erzeugen, die im Stromnetz ansonsten für 220 .. 260 € gekauft werden müssten (mit 0,15 €/kWh gerechnet). Hätte man die 10000 € auf der Bank fest angelegt, könnte man die Stromrechnung von den Zinsen bezahlen!
Falls die Anlage eine Lebenserwartung von 20 Jahren hat, dann liegen die Investitionskosten der Anlage bei etwa 500 € pro Jahr. Das übersteigt den Wert des erzeugten Stromes bei weitem. Die Stromerzeugung zum Eigenverbrauch verbietet sich also von selbst. Es verbleibt die Einspeisung in das öffentliche Netz für 0,518 €/kWh (Anlage ab 2006 errichtet). Damit spielt die Anlage im Jahr etwa 730 .. 880 € ein. Das sind optimistische Werte. Durch Verluste (z.B. im Wechselrichter und in Kabeln) können noch einmal ca. 20% der Energie (und damit des erwirtschafteten Geldes) verloren gehen, was an der Effizienz nagt. Da bleiben noch 580 .. 700 € Einnahmen durch die Einspeisung.

Die Effizienz von Solarzellen wird bei 25°C gemessen. Sie haben aber einen Temperaturkoeffizienten von ca -0,5 %/K. Im hochsommerlichen Sonnenschein heizen sich die dunklen Solarzellen aber weit über 25°C auf. Dabei sinkt ihr Wirkungsgrad um bis zu 1/4. Das passiert genau dann, wenn die Solarzellen durch die hohe Strahlungsleistung am meisten Strom erzeugen könnten. 

Rechnet man mit einer Inflationsrate von 3%, dann arbeitet die Anlage hart an der Wirtschaftlichkeitsschwelle. Ohne Berücksichtigung der Inflation amortisiert sich die Anlage nach ca. 15 Jahren, ansonsten nach 30 Jahren.

Erschwerend  kommt hinzu, dass die Einspeisevergütung wohl kaum die nächsten 20 Jahre unverändert bestehen bleibt, ein nicht exakt nach Süden ausgerichtetes Dach weniger Energie liefert, Schäden und Wartung an der Anlage oder Versicherung der Anlage (Hagel) zusätzliche Kosten verursachen, Dachreparaturen durch die störende Solaranlage teurer werden, Solarzellen im Laufe der Jahre etwas Kapazität verlieren, Schnee die Solarzellen im Winter behindert ....
Der Flächenbedarf liegt bei 8..16 Quadratmeter/kWp. Folglich ist unsere Beispielanlage schon etwa 30 Quadratmeter groß. Bei einem Satteldach ist die Südseite also überwiegend mit Solarzellen abgedeckt. Schlecht für sonnige Dachgauben und Dachfenster.

Basierend auf den obigen Zahlen kostet eine Kilowattstunde Solarstrom etwa 50 Cent, während herkömmliche Großkraftwerke dafür nur ca. 6 Cent aufwenden. Das kann nicht rentabel werden.

Bei den momentanen Anschaffungskosten und den Energiepreisen ist eine Solaranlage eher ein teures Hobby als eine gute Investition. Förderprogramme  mögen die Akzente etwas verschieben, aber nicht gänzlich ändern. Um die Fotovoltaik für den Privatmann wirklich attraktiv zu machen, bedarf es billigerer Solarzellenpanele mit deutlich höherem Wirkungsgrad und höherer Energiepreise. In Zukunft werden wir beides bekommen, und dann rechne ich noch mal nach.
Momentan übersteigt die Nachfrage nach Solarzellen (durch den staatlich geförderten Solarboom) das Angebot, und das macht alle Hoffnung auf Preissenkungen zunichte. Hoffen wir, dass die Solarhersteller das Geld in Forschung und Entwicklung investieren.

Und die Ökologie? Der hohe Preis der Solarzellen widerspiegelt die Kosten der Produktion. Da Solarzellen nicht in Manufakturen in Handarbeit hergestellt werden, sind die hohen  Kosten wiederum ein Indikator für hohen Material- und Energieverbrauch in der Produktion (bzw. in der Herstellung der Produktionsanlagen). Hier bleibt noch viel zu tun.
 

Sonnenkollektoren
Sonnenkollektoren zur Warmwassererzeugung (nur Brauchwasser, keine Heizung) kosten etwa 0,40 €/Wp (Solarzellen etwa 6 €/Wp) und benötigen auf dem Dach eine Fläche von 1,5 qm/kWp (Solarzellen 8..16 qm/kWp). Sie sind im Vergleich Solarzellen bei gleicher Leistung  ~10 mal billiger und ~7 mal kleiner. Das liegt sowohl an der einfachen Technik, wie auch am hohen Wirkungsgrad von 60..70 % (Solarzelle 7 .. 15 %):
Durch Förderprogramme übernimmt der Staat etwa 105 €/qm (gilt ab 01.07.2005), was über 30% der Kollektorkosten ausmacht.

Für einen normalen Haushalt benötigt man 3..5 qm Kollektorfläche (1,5 kW pro Person, bzw. 2 qm pro Person) die zusammen 1500 € kosten. Zusätzlich fallen aber noch Kosten für Steuergerät, Pumpe, Ausgleichbehälter (600 .. 700 €) und Warmwasserspeicher (1000 €) an. Insgesamt sind das dann immerhin etwa 2500..3000 € Materialkosten für eine 3,5 kW-Anlage. Dazu kommen noch mal 1500 .. 2000 € für die Installation. Diese Anlage liefert im Jahr etwa 3000 kWh für die Brauchwassererwärmung.

Wenn man das Wasser ansonsten mit elektrischen Durchlauferhitzern erwärmen müsste, würden dafür im Jahr 450 € aufgewendet werden müssen. Bei Heizöl beträgt die Einsparung maximal 300 Liter im Jahr, was etwa 180 € entspricht. Die Anlage könnte sich also innerhalb von 10 Jahren amortisieren.
Wird ansonsten mit Öl oder Gas geheizt, kann man bei der Installation Kosten sparen, wenn die Öl/Gas-Heizung von vornherein einen Anschluss für den Kollektor hat, und der 1000 € schwere Warmwasserspeicher deshalb nicht extra angeschafft werden muss.

Die vom Kollektor gelieferte Energie lässt sich nur kurzfristig speichern und fällt überwiegend im Sommer an. Wer im August für 3 Wochen in Urlaub fährt, der verschenkt einen Teil der Solarenergie und die Bilanz verschlechtert sich. Das trifft auch zu, wenn man im Sommer die von der Anlage gelieferte Wärme nicht verbraucht, weshalb die Anlage nicht zu groß dimensioniert sein sollte. 

Im Winter sinkt nicht nur die Strahlungsleistung, sondern auch der Betrieb der Kollektoren wird uneffizienter, da die Temperaturdifferenz zwischen der Außenwelt und der Flüssigkeit im Kollektor größer wird. Dadurch vergrößern sich die Isolationsverluste. Vakuumröhrenkollektoren isolieren besser zwischen Wasserkreislauf und Umwelt als Flachkollektoren. Sie können also auch bei etwas niedrigerer Umgebungstemperatur noch arbeiten.

Der Einsatz von Sonnenkollektoren zur Warmwasserbereitung ist ökonomisch und ökologisch sinnvoll. Sie sollte aber nicht überdimensioniert werden. Eine Unterstützung der Heizung durch Solarkollektoren ist in Herbst und Frühling möglich (vor allem bei Niedrigtemperaturheizungen wie z.B. Fußbodenheizung.) Eine Solarheizung im Winter ist leider nicht erreichbar.
Von Mitte Mai bis Mitte September können Kollektoren aber die Warmwassererwärmung vollständig übernehmen.

Ein zusätzlicher Nutzeffekt ergibt sich, wenn man Geschirrspüler und Waschmaschine mit Warmwasseranschluss besitzt. Dann entfällt oder verringert sich das teure elektrische Heizen des Waschwassers im Sommer. Das reduziert die Stromkosten.
Um täglich 20 Liter Wasser von 15°C auf 65°C aufzuheizten benötigt man jeweils 1000 kcal bzw. 1,2 kWh. Das sind im Jahr 424 kWh oder 60 €. Davon lassen sich 25%  einsparen.

Dazu schrieb Ralf:
Das sehe ich nur als Werbegag der Gerätehersteller. Eine moderne Spülmaschine verbraucht heute für das Spülprogramm ca. 16 l Wasser! D.h. pro Spülgang entfallen in der Maschine ca. 5,5 l Wasser. Die Spülmaschinenreinigungsmittel entfalten ihre volle Wirkung bei 55°C. Die Waschmaschine lässt ca. 20 l in die Trommel (bin ich noch aktuell?). Moderne Reiniger benötigen aber für einige Zeit eine Einwirktemperatur von 65°C.
Die Einsparung lässt sich mit einem einfachen Versuch demonstrieren:
Drehe einfach an der Küchenspüle den Warmwasserhahn auf, lasse 5 l Wasser in´s kalte Edelstahlbecken laufen und messe dann die Temperatur. Für das lauwarme Wasser wurde aber nun die komplette Zuleitung erwärmt und darf dann wieder abkühlen. Diese Verluste finde ich in keiner Berechnung. Es wird immer vorausgesetzt, dass das Warmwasser auch direkt an der Zapfstelle mit mind. 55 Grad C zur Verfügung steht. Wie es dort hin kommt und welche Verluste man dafür in Kauf nimmt das interessiert fast niemanden.

Ausgehend von 5000 € Installationskosten, 20 Jahren Lebensdauer und 3 MWh Jahresleistung, kostet 1 kWh etwa 8 Cent, was etwas unter den aktuellen Stromkosten (12..15 Cent /kWh) und knapp über den Heizölkosten ( 6 Cent pro kWh) liegt. Es kommt also darauf an, die Solaranlagen bei mindestens gleichen Wirkungsgrad preiswerter zu gestalten. Von steigenden Heizölkosten kann man wohl ohnehin ausgehen.
 

Zukunft
Herkömmliche Solarzellen können theoretisch Wirkungsgrade von etwa 30% erreichen. Für Breitbandabsorber, wie Sonnenkollektoren, liegt das theoretische Limit bei 85%. Ganz wird man das nicht erreichen, aber mit 8 qm Solarkollektoren (mit 75% Wirkungsgrad) und 24 qm Solarzellen (mit 25% Wirkungsgrad) lassen sich jeweils pro Jahr 6 MWh erzeugen.
Das sind knapp 60% der im Haus verbrauchten Energie. Mit dem durch Einspeisung aus der Photovoltaik erwirtschafteten Geld lässt sich sowohl der nötige Strom für das Haus wie auch zusätzlicher Brennstoff für die Winterheizung finanzieren. Allerdings sinkt die Einspeisevergütung für neu errichtete Anlagen um 5% pro Jahr, wer später baut bekommt weniger.

Man darf allerdings für die Zukunft auch mit deutlich steigenden Strom- und Brennstoffkosten rechnen. Deshalb lohnt es sich, nach Energie-Einsparmöglichkeiten  zu suchen. Der Staat wird durch seine Steuerpolitik lenkend eingreifen, und die Solarenergie stärken. Das darf aber nicht zu Steuermindereinnahmen führen. Folglich wird die staatliche Förderung des Solarstromes in dem Maße verringert werden, indem die Effizienz der Solartechnik steigt. Sinkt die Menge an Elektroenergie und an Brennstoffen, die man kaufen muss, dann wird die steuerliche Belastung dieser Energie (-träger) umgekehrt proportional steigen müssen.
Wer zukünftig "unter dem Strich" wirklich seine Energiekosten senken will, muss eine maximale energetische Autonomie seines Haushaltes anstreben.

Hauptproblem ist die Heizung. Sie stellt den größten Posten in der Energierechnung dar (ca. 70%), und ihr Energiebedarf verläuft über das Jahr genau antizyklisch zur einfallenden Sonnenenergie. Es gilt Wege zur Heizenergieeinsparung zu finden.
 

Wer das modernste und ökologischste Heizsystem besitzen möchte, installiert eine gasmotorbetriebene Wärmepumpe mit Erdsonden und Sonnenkollektoren, wofür er 25000  € berappen muss.
Der Pragmatiker installiert eine einfache Ölheizung mit 10000 Liter Öltank, und lässt diesen gleich auffüllen. Das kostet mit 12 000 € (6000 € für Heizung und Tank + 6000 € für Öl) nur die Hälfte, und ist für die nächsten 7 Jahre aufgetankt.


Zukunft 2
Schreibt hier ein Ökoschwein? Nein, ein Pragmatiker! Die Entwicklung der Energiewirtschaft wird nicht durch das Engagement einiger Solarpioniere bestimmt, sondern durch das Geld. Nicht die Ökologie sondern die Ökonomie gibt die Richtung vor.  Dabei lässt sich die Energieindustrie allerhöchstens durch die Politik etwas beeinflussen, aber die wird wiederum durch die Wirtschaft entscheidend beeinflusst.

Momentan erzeugen alte Kernkraftwerke scheinbar den billigsten Strom. Das liegt daran, dass Kernkraftwerksbetreiber weder eine angemessene Versicherung gegen Havarien abschließen müssen, noch müssen sich sie ihre hochradioaktiven Abfälle beseitigen (die lagern z.Z. großteils in einfachen Lagerhallen am Kraftwerk). Würde die Politik beides verlangen, wäre Kernenergie unbezahlbar teuer - alle Kernkraftwerke würden von den Betreibern umgehend stillgelegt werden. In ca. 50 Jahren geht den Kernkraftwerken aber ohnehin das knappe Uran aus.
Die in Deutschland so "beliebten" Braunkohlekraftwerke haben den höchsten CO2-Ausstoß pro erzeugter Energiemenge von allen üblichen Kraftwerkstypen. Dieses Treibhausgas dürfen sie unter Duldung der Politik einfach in unsere Atmosphäre ablassen.  Früher verfuhr die chemische Industrie so mit unseren Flüssen.

Wenn die Politik gleichzeitig die Errichtung von Solaranlagen auf Eigenheimen (zumindest etwas) fördert, dann hat das nicht mehr als eine Alibifunktion. Der Bürger darf ein reines ökologisches Gewissen haben, während die Großindustrie weiterhin unsere Welt zugrunde richten darf.
Erst wenn die Politik die ökonomischen Rahmenbedingungen so verändert hat, dass die Stromkonzerne aus ökonomischen Gründen ihre alten Dreckschleudern abschalten und in großem Stil Solaranlagen errichten, kann auch der Häuslebauer stolz auf sein Solardach sein. Aber wird es jemals soweit kommen?


Zukunft 3
Das Ende der frossilen Energieträger wird kommen. Spätestens wenn Öl und Kohle unbezahlbar werden, brauchen wir andere Wege um Strom und Wärme zu erzeugen und unsere Fahrzeuge anzutreiben. Ein Kernproblem wird die Energiespeicherung bleiben. Die im Sommer "eingefangene" Solarenergie muss bis in den Winter gelagert werden. Ein Weg ist die Erzeugung von Treibstoff aus Pflanzen, hierfür ist aber eine wesentliche Steigerung der Ausbeute nötig, und der "Dieselanbau" darf nicht zu Lasten der Lebensmittelerzeugung gehen. Eine Alternative ist die Stromerzeugung mit Solarzellen im Sommer und die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse unter Nutzung dieses Stromes. Der Wasserstoff kann dann zur Heizung im Winter verwendet werden.
In jedem Fall ist aber eine deutliche Effizienzsteigerung sowie Energiesparsamkeit erforderlich, wenn so ein System aufgehen soll. Wahrscheinlich wird Deutschland im Winter auch zukünftig von Energieimporten (z.B. aus dem sonnigen Afrika) abhängig sein, aber das sind wir jetzt ja auch.

Lesestoff
Eine pragmatische und durchaus lesenswerte Betrachtung des Themas "erneuerbare Energie" liefert David MacKay in seinem Buch "Sustainable Energy - without the hot air".  Man kann es als PDF herunterladen (http://www.withouthotair.com/).

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Elektroauto
Der Mensch verbraucht ja nicht nur innerhalb seiner vier Wände Energie. Großen Energiebedarf hat auch der Transport und hier nun wieder das geliebte Auto.

Für ein praxistaugliches Auto veranschlagt man einen Energiebedarf von 20 kWh/100km, das entspricht etwa dem Energiegehalt von 2 Litern Benzin oder Diesel. Die im Vergleich zum Verbrenner höhere Effizienz macht sich hier bemerkbar. (Nicht eingerechnet ist der Energiebedarf der Heizung in der kalten Jahreszeit.) Beim aktuellen Strompreis von ca. 0,20 Euro/kWh sind das Kosten von 4 Euro/100 km. Ein moderner Diesel verbraucht 5 Liter auf 100km, was dem Endkunden ca. 5 .. 6 Euro kostet. Die enthalten aber deutlich mehr Steuern als die geringeren Stromkosten.
Ein massives Umschwenken von Benzin/Diesel auf Elektroantrieb bedingt also eine deutlich höhere Versteuerung der Elektroenergie, um Steuerausfälle zu kompensieren. Die zukünftigen Stromkosten eines Elektrofahrzeuges werden also nicht geringer sein, als die heutigen Treibstoffkosten eines modernen Dieses-PKW. Sie werden sogar höher sein müssen, um Steuerausfälle zu vermeiden.

Zum Laden der Akkumulatoren wurde ein Steckverbinder festgelegt, der 400-V-Drehstrom liefert und mit mit 21 A pro Phase (insgesamt also 63 Ampere) abgesichert ist. Dieser Verbinder liefert also 25 kWh Ladeenergie pro Stunde. Abzüglich der unvermeidlichen Verluste entspricht das dem Verbrauch des Autos für 100 km. Die Ladezeit beträgt also eine Stunde pro 100 km. Für das Auto des Berufspendlers ist das praxisgerecht, für den Langstreckenfahrer müssen andere Lösungen gefunden werden.

Moderne Akkumulatoren haben eine Leistungsdichte von ca. 200 Wh/kg. Daraus ergibt sich ein Akkumulatorgewicht von 1 kg pro 1 km Reichweite. Das Berufspendler-Auto lässt sich also mit einem 100 kg schweren Akku realisieren. Durch das Entfallen des Kraftstofftanks und das geringere Gewicht des Elektromotors (im Vergleich zum Verbrennungsmotor) wird das Akkugewicht kompensiert.

Fahrzeuge großer Reichweite erfordern andere Energiespeicher oder Antriebskonzepte.

Hinweis:
Die Industrie rechnet immer mit einem Energieverbrauch von 12,5 kWh/100k. Auf dieser Grundlage berechnen sie völlig unrealistische Reichweiten führ ihre Elektroautos. Im flachen Dänemark ergab ein großangelegter Test einen durchschnittlichen Verbrauch von 185 kWh/100km. Da die heutigen Elektroautos eher klein und spartanisch ausgestattet (also leicht) sind, ist der von mir angegebene Verbrauch von 20 kWh/100km durchaus praxisbezogen.

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Solarstromautonomie
Private Solaranlagen werden überwiegend dazu verwendet, den erzeugten Solarstrom in das Netz einzuspeisen, dafür eine hohe Einspeisevergütung zu kassieren, und dann zu deutlich billigeren Tarifen Netzstrom zum Eigenverbrauch vom öffentlichen Netz einzukaufen. Das dient zum einen der Förderung der Solarenergie, ist aber auch technisch nötig, da der selbsterzeugte Strom zeitlich nicht dann anfällt, wenn man auch selbst Strom benötigt.

Populisten stellen nun die Solaranlagenbetreiber als Schmarotzer dar, die sich die Taschen auf Kosten aller Stromkunden vollstopfen, aber dieser Vorwurf ist grundsätzlich falsch. Der Hauptstromverbraucher in Deutschland ist die Industrie. Deren Verbrauch steigt bis Mittag an, und fällt am Nachmittag ab. Bisher wird der Spitzenverbrauch in der Tagesmitte durch teure Gaskraftwerke abgefangen, die in dieser Zeit von den Energieriesen zugeschaltet werden. Die hochgehaltenen Preise dieser Spitzenlastkraftwerke waren ein sicherer Garant für sprudelnde Profite. In den letzten Jahren übernehmen immer mehr die privaten Solaranlagen die Funktion der Spitzenlastkraftwerke, da die Solaranlagen den meisten Strom genau dann erzeugen, wenn die Industrie ihn auch benötigt. Da erneuerbare Energien Einspeisevorrang haben schmälert das die Profite der Energiekonzerne. Nun kann sich jeder selbst denken, wer warum gegen Solarpioniere und den Einspeisevorrang wettert.
Mittelfristig wird das dazu führen, dass Lobbyisten den Einspeisevorrang der erneuerbaren Energien abschaffen werden. Solarstromerzeuger sollen gezwungen werden, ihren Strom selbst zu verbrauchen, um die Profite nicht weiter zu schmälern. Die bisherige Funktion der Solarenergie als Spitzenlastkompensation wird man in der Argumentation geflissentlich ignorieren. Machen wir uns nicht vor, genauso wird es kommen. Die Politiker werden einfach festlegen, dass Solarstrom vorrangig zum Eigenverbrauch erzeugt werden soll.

Damit entsteht aber ein technisches Problem. Solaranlagen erzeugen die Energie vorrangig um die Mittagszeit. Privathaushalte benötigen Energie vorrangig in den Abendstunden. Das kann nur funktionieren, wenn ausreichend große, zuverlässige, preiswerte Energiespeicher für den Privathaushalt zur Verfügung stehen. Die einzige existierende Technologie sind dafür momentan Akkumulatoren.

Ein typischer Haushalt würde etwa 8 kWh Akku-Speicherkapazität benötigen, um die erzeugte Solarenergie zu speichern, wenn die Netzbetreiber eine Einspeisung gerade ablehnen. Das entspricht 12-V-Akkus mit 670 Ah (also etwa 10 Autobatterien). Leider eignen sich normale KFZ-Starterbatterien nicht für diese Anwendung. Geeignete Akkus kosten etwa 1000 Euro/kWh und halten ca. 1000 Ladezyklen bzw 3 Jahre. Daraus errechnen sich dauerhaft 222 Euro Akkukosten pro Monat! (Und dazu kommen noch Kosten für Wandler, Ladeeinrichtungen, Versicherung, Service, Reparaturen...). Das ist ökonomischer Unsinn.

Elektrische Energie ist heute nur deshalb einigermaßen bezahlbar, weil wir große Netze geschaffen haben, die Verbrauch und Erzeugung recht gut ausgleichen. Werden Solarbetreiber wieder in vorindustrielle Insellösungen getrieben, wäre das ein teurer Rückschritt.

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Autor: sprut

erstellt: 20.07.2004
letzte Änderung: 05.11.2012

Quellen: Wikipedia, DWD