Einleitung

Teil I: Die Solarzelle

Teil II: Die (mögliche) Lösung: Brennstoffzellen

Teil III: Die vollständige Solar-Wasserstoff-Anlage

Die Gesellschaft von heute steht vor einem Problem: Sie braucht viel Energie. Mittlerweile sind es:

Und sie wird immer mehr Energie in Form von elektrischem Strom benötigen. Schließlich wird schon heute die meiste, und in Zukunft fast alle Arbeit von Maschinen erledigt, die Wirtschaft auf der ganzen Welt wächst und wächst und immer mehr Menschen wollen immer besser versorgt werden. Woher soll man also so viel elektrischen Strom nehmen?

Aus Atomkraftwerken? Nicht erst seit Tschernobyl sind die großen Risiken der Atomkraft bekannt.

Aus konventionellen Kohle-, Erdöl- oder Erdgaskraftwerken? Diese sind langfristig ungeeignet, da sie das Problem des Treibhauseffektes drastisch verschärfen. Außerdem sind fossile Brennstoffe begrenzt, und daher zum bloßen Verbrennen zu Schade.

Aus Windenergie? Der Wind weht nicht überall und immer.

Aus Wasserkraft? Auch Stauseen haben viele Umweltprobleme, wie zum Beispiel der Assuan-Stausee zeigt. Hinzu kommt, daß man gar nicht so viele Stauseen, wie benötigt bauen kann.

Weitere Energiequellen sind in der Entwicklung, doch es wird noch lange dauern, bis sie anwendbar sind.

All dies zeigt, daß man langfristig eine saubere, effizient und billige Art der Stromerzeugung braucht. Einiges spricht hierbei für die Solarzelle. Sie ist absolut umweltfreundlich und in der Anwendung konkurrenzlos billig, da die Sonne umsonst scheint. Warum das so ist und wie sie genau funktioniert, werde ich gleich zeigen.

Jetzt könnte man zwar einwenden, daß die Solarzelle sehr sauber, aber überhaupt nicht effizient ist, und daß außerdem die Sonne nicht immer scheint. Ich werde aber später noch zeigen, daß dieses Problem sehr schön in Verbindung mit der Brennstoffzelle gelöst werden kann.

Bevor ich zur eigentlichen Funktionsweise eines Solarzellen-Moduls komme, muß ich zum besseren Verständnis noch ein paar Eigenschaften der Bestandteile einer Solarzelle erklären.

Der bekannteste Bestandteil ist sicherlich das Silizium. Dieses hat vier Valenzelektronen (äußere Elektronen). Für ein Solarmodul braucht man jetzt zwei unterschiedliche Siliziumschichten. Eine von beiden wird mit Atomen, die ein Valenzelektron mehr haben “dotiert” (verunreinigt) (n-Dotierung, z.B. Phosphor), die andere mit solchen, die ein Elektron weniger haben (p-Dotierung, z.B. Bor). Nachdem sie in das Siliziumgitter eingebracht worden sind, haben die Fremdatome aus chemischen Gründen das Bestreben, genau wie die Silizium-Atome vier Valenzelektronen zu haben.

Deshalb geben in der n-Schicht die Phosphor-Atome je ein Elektron ab, das von Silizium-Atom zu Silizium-Atom weitergereicht wird, und letztendlich als freies Elektron betrachtet werden kann. Durch diesen Mangel an negativer Ladung werden die Phosphor-Atome zu positiven (Kat-)Ionen.

Bild1: n-dotiertes Silizium

In der p-Schicht geschieht aus dem selben Grund (Bestreben nach vier Valenzelektronen) etwas ähnliches: Die Bor-Atome “nehmen” sich von benachbarten Silizium-Atomen je ein Elektron und werden durch diesen Ladungsüberschuß zu negativen (An-)Ionen. Die benachbarten Silizium-Atome haben jetzt jedoch ein Elektron zu wenig, bei ihnen existiert ein “positives Loch”. Dieses “positive Loch” wird genau wie die überschüssigen Elektronen in der n-Schicht von Silizium-Atom zu Silizium-Atom weitergegeben, und kann ebenfalls als freier Ladungsträger betrachtet werden.

Bild2: p-dotiertes Silizium

Durch die Anwesenheit von freien Ladungsträgern in beiden Schichten sind beide leitfähig.

Um die eigentliche Solarzelle herzustellen, müssen zuerst beide Siliziumschichten aufeinandergebracht werden. Durch diesen Prozeß gleichen sich die freien positiven und negativen Ladungsträger bis zu einem bestimmten Abstand von der Grenze aus, indem die Elektronen die “positiven Löcher” “füllen”. Auf diese Weise verschwinden natürlich beide Ladungsträger. Der Bereich, in dem es jetzt keine freien Ladungsträger mehr gibt, wird die “Sperrschicht” genannt. In ihr stehen (durch keine gegenteilige Ladung mehr ausgeglichene) positive Phosphor-Ionen gegenüber von negativen Bor-Ionen. Beide zusammen bilden ein elektrisches Feld(Dieses sorgt auch dafür, daß Elektronen die Solarzelle nur in einer Richtung passieren können. In der anderen Richtung “sperrt” das elektrische Feld.).

Bild3: n-Schicht zusammen mit p-Schicht

Nach diesen notwendigen Informationen komme ich nun zur eigentlichen Arbeitsweise einer Photovoltaikzelle:

Wenn jetzt Photonen (Lichtquanten, also Licht) auf gebundene Elektronen treffen, geben sie ihnen die nötige Energie, um sich - vereinfacht ausgedrückt - von ihrem Atom “loszureißen”, und zu freien Elektronen zu werden. Dabei hinterlassen sie je ein “positives Loch”, welches - wie gesagt - auch ein freier Ladungsträger ist. Durch das elektrische Feld in der Sperrschicht, das von der p-Schicht zur n-Schicht gerichtet ist, werden die neuen Elektronen nach oben zur n-Schicht, und die neuen “positiven Löcher” nach unten zur p-Schicht gezogen. An der n-Schicht herrscht also Ladungsüberschuß, an der p-Schicht Ladungsmangel (Mangel an Elektronen) . Über Kontakte und einen Verbraucher können jetzt die Elektronen zu den “positiven Löchern” gezogen werden. Die Ladungen werden ausgeglichen, und es fließt ein elektrischerStrom.

Der Kontakt auf der dem Licht zugewandten Seite ist dabei gitterförmig, um möglichst viel Licht hindurchzulassen, der Kontakt auf der Rückseite kann ganzflächig sein.

Bild4: Schema einer Solarzelle

Man sieht also, daß eine Solarzelle keine umweltgefährlichen Stoffe enthält (Silizium kommt in der Natur vor), sich während ihres Betriebes nicht verbraucht und auch keine gefährlichen Rückstände hinterlässt ( im Gegensatz von zum Beispiel Batterien, die auslaufen können). Das alles sind Vorteile gegenüber traditionellen Arten der Stromerzeugung. Auf den ersten Blick scheint also die Photovoltaik sie ersetzten zu können.

Zum Schluß ist noch zu erwähnen, daß es viele unterschiedliche Solarzellen-Typen gibt.

Da wären zum Beispiel (MIS-I)-Solarzellen, die etwas billiger sind, oder Solarzellen aus amorphem Silizium, oder Gallium-Arsenid-Zellen, welche bei hohen Herstellungskosten einen sehr hohen Wirkungsgrad (prozentualer Anteil der Energie des Lichts, das tatsächlich in Strom umgewandelt wird) haben.

Es gibt noch andere Solarzellen-Typen. Bei einigen von ihnen hat zum Beispiel die oberste, schützende Glasschicht ein zackenförmiges Profil, um somit (durch Reflexion und Brechung des Sonnenstrahlung) mehr Licht in die Solarzelle fallen zu lassen und ihre Effektivität zu erhöhen. Eine ausführliche Erläuterung würde jedoch den Rahmen dieser Web-Seite sprengen, und außerdem ist die gewöhnliche Silizium-Solarzelle der gebräuchlichste Typ. Deshalb habe ich mich hier auf die Veranschaulichung der Funktionsweise dieses Typs beschränkt.

Der oben beschriebene Typ von Solarzellen wird auch heute schon vielfach in unserem Alltag benutzt. Er findet dort jedoch am häufigsten Verwendung als sogenannte “Inselanlage”. Das sind kleine Apparate, die unabhängig vom öffentlichen Stromnetz arbeiten. Solche Inselanlagen werden hauptsächlich dort gebraucht, wo eine Anbindung ans öffentliche Stromnetz nicht oder nur schwer möglich ist, oder wo man aus Kosten- oder Umweltschutzgründen auf Batterien verzichten will.

Das am besten bekannte Beispiel sind natürlich solch kleine Apparate wie solarbetriebene Uhren und Taschenrechner.

Solarbetriebene Parkscheinautomaten hat ebenfalls schon jeder einmal gesehen.

Weit weniger bekannt ist die Tatsache, daß auch alle Satelliten und Raumstationen mit Solarenergie betrieben werden.

Bild5: Solarbetriebener Satellit

Diese Inselanlagen liefern jedoch nur einen sehr kleinen Teil der deutschlandweit insgesamt benötigten Strommenge. Große, megawatt-starke Solarkraftwerke, die ihren Strom ins öffentliche Netz einspeisen, sind äußerst selten.

Selbst kleinere Solaranlagen, die nur den täglichen Bedarf eines Gebäudes decken, sind eher die Ausnahme.

Bild8: Private Solaranlage

Weiter oben habe ich ja bereits erklärt, welche Vorteile Solarzellen haben. Jetzt drängt sich natürlich die Frage auf, warum sich bisher trotzdem nur in geringem Maße durchsetzen konnte.

Das liegt erst einmal daran, daß Solarmodule nur einen relativ geringen Wirkungsgrad haben: Sie wandeln nur 10-15 % der eingestrahlten Sonnenenergie tatsächlich in elektrischen Strom um.

Hinzu kommt, daß die Strahlungsleistung in unseren Breitengraden unterdurchschnittlich ist. Sie liegt bestenfalls bei 1 kW/m². Das ist eine jährlich von der Sonne eingespeiste Energiemenge von 10 kWh/m²

Bild9: Sonneneinstrahlung in Deutschland

Im Sommer ist sie zwar etwa fünfmal höher, doch das ist immer noch sehr wenig im Vergleich zur weltweiten Sonneneinstrahlung.

Bild10: Sonneneinstrahlung weltweit

Ein weiterer Nachteil der Solarenergie ist der hohe Stückpreis für ein Photovoltaikmodul, bedingt durch die geringe Nachfrage. Und diese kommt wiederum zustande durch die hohen Kosten einer Solaranlage. Ein Teufelskreis also...

Zum Schluß ist noch zu erwähnen, daß die Sonnenenergie nicht immer zur Verfügung steht. Nachts scheint die Sonne schließlich nicht, obwohl man gerade dann viel Strom braucht.

Zusammenfassend muß man also festhalten, daß der großflächigen Anwendung der Photovoltaik noch viele Probleme im Wege stehen, die es zu lösen gilt.

Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind Anlagen, die aus Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) elektrischen Strom gewinnen, und dabei als einziges Abfallprodukt Wasser (H₂O) zurücklassen.

Wasserstoff und Sauerstoff kann leicht durch elektrischen Strom in einem Elektrolyseur aus Wasser gewonnen werden. Dies tut er auf folgende Weise:

Ein Elektrolyseur besteht im wesentlichen aus zwei Elektroden, die in einen mit Wasser und Säure gefüllten Behälter hineinreichen. Die Elektroden sind außerdem über eine Spannungsquelle miteinander verbunden. Durch die Säure entstehen H⁺ - Ionen.

Wenn jetzt an den Elektroden eine Spannung angelegt wird, bedeutet das, daß an der einen Elektrode (der Kathode) Elektronen an die im Behälter befindlichen Stoffe abgegeben werden, und daß die andere Elektrode (die Anode) Elektronen von diesen Stoffen aufnimmt. Auf diese Weise kann ein Strom durch den Behälter fließen.

Im einzelnen spielen sich dabei folgende Reaktionen ab:

Je vier H⁺ - Ionen nehmen je ein Elektron von der Kathode auf, wodurch sie ihre positive Ladung verlieren. Gleichzeitig verbinden sich je zwei der jetzt als Atome bezeichneten H-Teilchen zu einem H₂ -Molekül - zu Wasserstoff. Dieser entweicht als Gas nach oben hin.

Je zwei H₂O -Teilchen geben insgesamt vier Elektronen (zwei pro Teilchen) ab. Um es genauer zu sagen - es sind die insgesamt vier H -Teilchen, die je ein Elektron an die Anode abgeben. Durch diesen Prozeß lösen sie sich außerdem von den mit ihnen verbundenen O -Teilchen. Die nun freien O -Teilchen verbinden sich daraufhin miteinander zu O₂ - zu Sauerstoff. Auch der Sauerstoff entweicht daraufhin als Gas.

Wie man erkennen kann, bleibt die Anzahl der H⁺ -Teilchen immer gleich (an der Anode entstehen je vier H⁺ -Teilchen, an der Kathode werden je vier verbraucht) - Letztendlich wird also nur Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet. Diese beiden Gase werden natürlich aufgefangen und gekühlt in Tanks gespeichert.

Bild11: Schema eines Elektrolyseurs

Der auf diese Weise gewonnene Wasserstoff und Sauerstoff wird jetzt folgendermaßen in einer Brennstoffzelle in elektrischen Strom umgewandelt:

Die Vorgänge in einer Brennstoffzelle kann man auch als die Umkehrung der Reaktionen in einem Elektrolyseur betrachten. In einem Elektrolyseur wird Wasser durch einen künstlich von außen angelegten Stromkreis in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet. In einer Brennstoffzelle werden jedoch Wasserstoff und Sauerstoff (angeregt durch einen Katalysator) dazu gebracht, sich gemeinsam zu Wasser zu verbinden und dabei einen äußeren Stromfluß zu erzeugen.

Um ihre Funktionsweise besser zu erklären, will ich hier erst einmal den prinzipiellen Aufbau einer Brennstoffzelle darlegen:

Ähnlich wie eine Elektrolysezelle besitzt auch eine Brennstoffzelle zwei Elektroden, die jedoch nicht über eine Spannungsquelle, sondern über einen Verbraucher miteinander verbunden sind. Diese Elektroden sind in diesem Fall zusätzlich mit einem Katalysator (üblicherweise Platin) beschichtet. Des weiteren befindet sich in einer Brennstoffzelle schon vor der Inbetriebnahme etwas Wasser zwischen den beiden Elektroden, um die Reaktionen in Gang zu setzten. Selbstverständlich muß auch an der einen Elektrode (der Anode) eine Wasserstoffzuleitung, und an der anderen Elektrode (der Kathode) eine Sauerstoffzuleitung vorhanden sein - genauso, wie es zwischen den beiden Elektroden einen “Abfluß” für das anfallende Wasser geben muß.

Bild12: nicht inbetriebgenommene Brennstoffzelle

Wenn jetzt Wasserstoff zur Anode geleitet wird, dringen die Wasserstoff (H₂) - Moleküle durch sie hindurch, und werden dabei vom Platin aus chemischen Gründen dazu gebracht, ihre (bindenden) Elektronen an die Elektrode abzugeben: Beim Durchgang durch die platinbeschichtete Anode “streifen” die H₂ - Moleküle ihre Elektronen ab. Je zwei H₂ - Teilchen ergeben dabei vier (positiv geladene) H⁺ - Ionen und vier “abgestreifte” Elektronen, die nach oben, zum Verbraucher, und weiter, zur Kathode wandern.

An der Kathode dringt gleichzeitig Sauerstoff (O₂) durch diese hindurch. Dabei nimmt je ein O₂ - Molekül (angeregt durch das Platin) vier Elektronen auf und spaltet sich in zwei O- Atome. Diese reagieren dann mit zwei Wasser (H₂O) - Teilchen zu insgesamt vier (negativ geladenen) OH^- - Ionen. Die vier OH^- - Ionen und die vier H⁺ - Ionen ziehen sich aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladungen an. Im letzten Schritt verbinden sie sich zu insgesamt vier H₂O (Wasser) - Molekülen.

Von diesen vier Wasser - Teilchen werden zwei wieder für die nächste Reaktion gebraucht, die anderen zwei fließen als Abfallprodukt ab.

Wenn man die ganzen Zwischenprodukte (H⁺, OH^-, zwei H₂O) wegläßt, sieht man, daß sich auf diese Weise lediglich je zwei Wasserstoff (H₂) - und ein Sauerstoff (O₂) - Molekül zu zwei Wasser - Teilchen verbinden - und dabei einen äußeren Stromfluß erzeugen.

Bild13: inbetriebgenommene Brennstoffzelle

Eine solche Brennstoffzelle hat einen Wirkungsgrad von über 60%, womit sie z.B. einen herkömmlichen Dieselmotor weit übertrifft (Wirkungsgrad 30%). Außerdem produziert sie auch keine schädlichen Abgase - nur Wasser, womit die Brennstoffzelle eine sehr saubere Form der Stromerzeugung ist. Auch dadurch eignet sie sich als Stromlieferant der Zukunft. Ich wollte hier aber nicht Brennstoffzellen als eigenständigen Stromlieferanten präsentieren, sondern sie als die Lösung der Probleme der Photovoltaik darstellen:

Eine Solar-Wasserstoff-Anlage ist wie folgt aufgebaut:

Der eigentliche Stromlieferant ist ein Solarmodul (mehrere Solarzellen hintereinandergeschaltet). Hier wird der erzeugte Strom jedoch nicht direkt genutzt, sondern zur Herstellung von Wasserstoff in einem Elektrolyseur verwendet. Der so gewonnene Wasserstoff wird zunächst in flüssiger Form gespeichert. Wenn man dann Strom benötigt, wird der Wasserstoff (zusammen mit Luftsauerstoff) in einer Brennstoffzelle (bzw. in einer Brennstoffzellen - Batterie) in Strom umgewandelt. Das entstehende Wasser wird wieder dem Elektrolyseur zugeführt. Auf diese Weise entsteht ein geschlossener Kreislauf.

Bild 14: Der Kreislauf einer Solarwasserstoffanlage

Selbstverständlich muß zwischen die Brennstoffzelle und das Verbraucher - Gerät (oder das öffentliche Netz) noch ein Wechselrichter geschaltet werden, da alle elektrischen Apparate mit Wechselstrom arbeiten. Doch nun zur Beantwortung meiner eigentlichen Frage:

Die Photovoltaik brachte bei all ihren Vorteilen drei grundlegende Probleme mit sich:

Wenn man sich jetzt die oben beschriebene Solar - Wasserstoffanlage anschaut, könnte man meinen, daß sie die wichtigsten Probleme gar nicht löst. Zwar kann auf diese Weise der am Tag erzeugte Strom - in Form von Wasserstoff - gespeichert und nachts verwendet werden, aber die beiden anderen Probleme bleiben ungelöst.

Ich rede jedoch nicht nur von einer auf Deutschland bezogenen, sondern von einer globalen Anwendung. Wasserstoff läßt sich nämlich sehr leicht gekühlt in Pipelines transportieren, wie man es zum Beispiel schon mit Erdöl macht. So ist es möglich, riesige Solaranlagen in der Sahara, oder in anderen Wüsten aufzustellen, und mit dem gewonnenen Strom in Elektrolyseuren tonnenweise Wasserstoff herzustellen. Dieser wird dann durch ein Netz von Pipelines in alle Gebiete der Erdee geleitet, wo er in Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt wird, wenn man ihn braucht. Auf diese Weise lassen sich mit einem Schlag sämtliche Probleme der Photovoltaik lösen, und man hätte einen wirtschaftlichen und sauberen Ersatz der herkömmlichen, überalterten Kraftwerke:

1.Man bräuchte für eine dermaßen globale Anlage sehr viele Solar - und Brennstoffzellen. Durch die enorm gesteigerte Nachfrage würde der Preis für ein        Modul auf ein akzeptables Maß sinken.

2.In der Wüste ist die Sonneneinstrahlung extrem stark. Dort wäre eine Solar - Wasserstoffanlage bei weitem effizienter.

3.In diesen Gegenden erst ist der erforderliche Platz vorhanden.

Leider stehen solch einer Anwendung noch einige Probleme entgegen. Zum Beispiel bräuchte man internationale Abkommen für die gerechte Verteilung der Anlagen und des Wasserstoffes. Gewaltsame Auseinandersetzungen zwischen einzelnen Staaten wären sehr hinderlich, da in so einem System jeder von jedem abhängig ist. Außerdem hätte man sehr hohe Anfangskosten für die Installation der Anlagen und der Pipelines. Das größte Hindernis stellen jedoch die alten Kraftwerke selbst, und ihre Betreiber dar. Diese müßten aufgegeben werden, was die großen Energiekonzerne sicherlich verhindern wollen.

Abschließend muß man sagen, daß für eine solche Umstellung der Stromerzeugungsmethode noch gewaltige Anstrengungen unternommen werden müssen. Letztendlich wird sie aber - angesichts der massiven Probleme, die sonst auf uns zukommnen werden (siehe Einleitung) unumgänglich sein!