Solarenergie: Der dritte Weg?

Wie sich die Wärmewirkung der Sonneneinstrahlung direkt zur Stromgewinnung nutzen lässt

Es gibt wenige Energiequellen, die mit so wenig Risiken und Nebenwirkungen behaftet sind wie die Sonnenenergie. Sie ist nicht nur in hohem Maße verfügbar und gleichzeitig regenerativ, ihr fehlen auch die Kritikpunkte, denen sich andere regenerative Energien ausgesetzt sehen.

Biotreibstoffe etwa müssen sich einer Ethik-Diskussion stellen - mit gutem Gewissen nutzbar ist da wohl nur Biomasse, die als Abfall etwa in der Land- oder Holzwirtschaft übrig bleibt.

Windenergie ist durch einen relativ hohen Flächenverbrauch gekennzeichnet - die riesigen Windräder kann sich nicht jedermann in jeder Umgebung vorstellen. Anwohner erst recht nicht, die sich vom Schattenwurf genervt fühlen. Klimaforscher fürchten zudem bei großen Windfarmen, dass es zu Störungen bei der atmosphärischen Zirkulation kommen könnte. Die Räder entziehen der Atmosphäre nun einmal Wind - ein Effekt, der wohl bisher nur wegen der geringen Verbreitung der Windenergie-Nutzung nicht deutlicher wird.

Die Solarenergie hingegen hat in fast jeder Hinsicht eine grüne Weste (vielleicht von der Gewinnung des dafür nötigen reinen Siliziums abgesehen). Der Flächenverbrauch jedenfalls muss nicht ins Gewicht fallen, wenn man nicht gerade Äcker damit bepflanzt. Was ja eigentlich nicht nötig ist, stehen doch genug Dächer zur Verfügung. Für Deutschland hat eine Studie errechnet, dass auf unseren Dächern Platz für über 1000 Quadratkilometer Solarpanele wäre - mehr als genug, um den geplanten Anteil der Sonnenenergie am künftigen Strommix zu erreichen.

Die Energie der Sonne gewinnt man bisher auf zwei Arten. Zum einen über die Photovoltaik, die Licht direkt in Strom wandelt. Zum anderen über die Solarthermie: Im Kleinmaßstab hilft dann die Sonne beim Erwärmen des Heizwassers, im großen Maßstab konzentriert man mit Spiegeln die Kraft der Sonne auf einen Absorber mit wärmeleitender Flüssigkeit oder einem Arbeitsgas. Strom gewinnt man dann auf mechanischem Wege in einem gewöhnlichen Generator. Ein Schritt mehr, der natürlich die Effizienz senkt.

Der Seebeck-Effekt

Dabei gäbe es eine Abkürzung: Der Seebeck-Effekt lässt zwischen zwei elektrischen Leitern bei einer Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung entstehen. Dabei handelt es sich um einen normalerweise sehr kleinen Effekt, der im Bereich von Mikro-Volt pro Kelvin Temperaturunterschied liegt. Deshalb kommt er vor allem bei der Konstruktion von Temperaturmessgeräten zum Einsatz sowie in Anwendungen, wo es weniger auf die Effizienz als auf den Verzicht auf bewegliche Teile ankommt, etwa in Isotopenbatterien, wie sie unter anderem an Bord von Satelliten unterwegs sind.

Forscher des MIT haben die Idee jetzt neu aufgegriffen - mit dem Ziel, thermoelektrische Solar-Panele zu entwickeln, die mit den photovoltaischen Elementen mithalten können. Im Fachmagazin Nature Materials berichtet das Team jetzt von ersten Erfolgen. Ein Hauptproblem besteht darin, einen möglichst großen Temperaturunterschied zu erreichen. Bei normaler Sonneneinstrahlung sind jedoch nur 1 bis 5 Kelvin realistisch. Eine mögliche Lösung bestünde darin, Linsen zur Konzentration des Sonnenlichts zu nutzen - doch dann muss man auch den Einfallswinkel steuern, was zusätzliche Kosten verursacht.

Die Autoren des Papers bevorzugen deshalb eine andere Konstruktion: Das Licht wird in einem Absorber in Wärme umgewandelt. Das Absorber-Plättchen (um Wärmeverlust durch Konvektion zu vermeiden, ist es luftdicht gekapselt) schwebt auf zwei kleinen Beinen mit hoher Wärmeleitfähigkeit über dem thermoelektrischen Element. Da die abfließende Wärme durch die winzigen Beinchen muss, erreicht man eine Energiekonzentration, die nicht von irgendwelchen Einfallswinkeln abhängt. Auf diese Weise - und mit den richtigen Materialien - erreichen die Wissenschaftler eine Effizienz von rund fünf Prozent.

Das ist achtmal mehr, als bisher für möglich gehalten wurde. Dabei wird weit weniger Materialeinsatz benötigt als bei einer photovoltaischen Zelle, die Thermo-Panels müssten also in Massenproduktion günstiger sein. Zudem kann man sie sehr gut mit der Solarthermie kombinieren, wie sie auf deutschen Hausdächern in Ergänzung zur Heizanlage schon gern zum Einsatz kommt.