Regenerative Energien - Die Kraft von Sonne, Wasser und Wind

Zu den regenerativen Energien gehören Photovoltaik, Windkraft, Brennstoffzelle, Solarthermie und die Regenwassernutzung.

Photovoltaik

Die Photovoltaik findet immer mehr Anwendung bei der Stromerzeugung. Photovoltaik ist die Entstehung einer Spannung an Halbleitern, wenn diese mit Licht bestrahlt werden. Anders als bei herkömmlichen Kraftwerken wird der Strom nicht durch Verbrennung von Kohle oder Erdöl erzeugt. Allein die Sonne, die für uns gratis scheint, genügt zur Stromerzeugung.

Auf dem Solarturm werden Solarmodule der Firma Würth-Solar verwendet, die auf der neuen Dünnschicht-Technologie CIS basieren. Die lichtempfindliche, aktive Halbleiterschicht aus Kupfer-Indium-Selen (CuInSe2) ist nur wenige Mikrometer dick und kann auf Fensterglas aufgedampft werden. Durch großflächige Beschichtungsverfahren kann die am Solarturm verwendete Modulgröße von 0,8m x 1,2m hergestellt werden. Ausgestattet ist der Solarturm mit 160 solchen Modulen. An der Turmspitze sind zusätzlich 40 Module der Größe 0,3 m x 0,6 m montiert. Damit werden in einem Jahr etwa 5000 KWh Strom erzeugt, genug um zwei Einfamilienhäuser mit Strom zu versorgen.

Auf den beiden auf der Brücke montierten Sonnen-nachführbaren Solarsegeln können verschiedene Solarmodule montiert und getestet werden. Vor- und Nachteile der ganzen Bandbreite von herkömmlichen Solarzellentypen auf Siliziumbasis mit monochristalliner, polychristalliner oder amorpher Struktur können untersucht und mit der CIS-Technologie verglichen werden.

Windkraft

Seit Jahrhunderten nutzt der Mensch schon die Windenergie. Was früher die Windmühle war für den Betrieb von Mühlen, Sägefabriken, Hammerwerken und Bodenentwässerung, ist heute die Windenergieanlage für die Erzeugung von elektrischem Strom. Ein durch den Wind angetriebener Rotor treibt einen Generator an, der den Strom erzeugt. Je größer die Windgeschwindigkeit ist, desto größer ist die abgegebene Leistung. Deshalb ist die Energieausbeute stark abhängig von der topografischen Lage der Windenergieanlage. Die besten Windgebiete befinden sich an der Nord- und Ostseeküste, in Küstentiefebenen und in den Hochlagen der Mittelgebirge.

Auf dem Markt erhältlich sind zur Zeit Anlagen bis zu mehreren Megawatt Leistung, Rotordurchmesser bis 80m sind keine Seltenheit. Die Leistung hängt stark von der Größe und Form der Rotoren ab. Auf der Spitze des Solarturms kommt Darrieus-Savonius-Rotor mit einer Nennleistung von 200 Watt zum Einsatz. Diese Form ermöglicht eine senkrechte Rotorachse, das heißt, eine Nachführung des Rotors bei drehendem Wind ist nicht notwendig.

Brennstoffzelle

Mit einer Brennstoffzelle kann Strom sehr umweltfreundlich erzeugt werden. Dies erfolgt durch eine sogenannte kalte Verbrennung. Dies ist eine chemische Reaktion an einer Membran, bei der Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser verbunden wird. Es entstehen also keinerlei Schadstoffe. Als Brennstoff wird reiner Wasserstoff verwendet. Dieser kann zum Beispiel durch Elektrolyse mit Hilfe von Solarstrom oder durch Reformation aus Erdgas oder Methanol gewonnen werden. Die bei der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle freiwerdende Energie steht als Strom und als Wärme zur Verfügung.

Die Temperatur hängt vom Membrantyp der Brennstoffzelle ab. Bei Niedertemperaturzellen (60-80°C) kann diese Wärme zur Gebäudebeheizung oder Warmwasserbereitung genutzt werden, bei Hochtemperaturzellen (600-1000°C) kann Heißwasser oder Dampf erzeugt werden, der eine nachgeschaltete Turbine antreiben kann. Für die Energieversorgung des Solar-Schulungsgebäudes ist eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle kurz: PEM-Zelle vorgesehen. Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser erfolgt bei einer Temperatur von ca. 80°C. Mit einer thermischen Leistung von 7 KW wird die Heizung und die Warmwasserbereitung betrieben, die elektrische Leistung von 4,5 kW dient zur Stromversorgung des Gebäudes. Dieser Brennstoffzellentyp wurde für die zentrale Hausversorgung von Mehrfamilienhäusern mit 3-6 Wohneinheiten entwickelt.

Solarthermie

In Mitteleuropa ist es kein Problem, den Energiebedarf für Warmwasser und Heizung durch Sonnenenergie zu decken. In Deutschland liegt die Energieeinstrahlung von der Sonne 80 mal über dem gesamten Energiebedarf. Diese Energie kann für passive und aktive Solarheizung genutzt werden. Die passive Solarheizung ist jedem bekannt: wenn die Sonne durch das Fenster scheint, erwärmt sich der Raum. Bei der aktiven Solarheizung wird die Strahlungsenergie der Sonne in Kollektoren und Absorbern in Wärme umgewandelt und in Heizkörpern sofort verbraucht bzw. in Wärmespeichern gesammelt. Dadurch können im Warmwasserbereich 50 bis 80 Prozent Brennstoff (zum Beispiel Erdöl) eingespart werden. Im Heizungsbereich ist das Einsparungspotential nicht so groß, da zum Beispiel im Winter der Wärmebedarf eines Gebäudes dann am größten ist, wenn die solare Einstrahlung am geringsten ist. Dennoch können hier bis zu 30 Prozent des Gas- oder Ölverbrauchs eingespart werden.

Auf dem Dach des Technikkopfes des BTZ bringt ein nach Süden ausgerichteter Kollektor mit einer Fläche von 30,8 Quadratmetern einen Ertrag von ca. 15000 kWh. Diese Energie wird zur Erwärmung von Speisewasser und Warmwasser für die Heizung verwendet. Wenn die Wärme nicht direkt zum Zeitpunkt der Erzeugung durch die Sonneneinstrahlung verwendet werden kann, wird die Wärme in einem Latentwärmespeicher gespeichert.

Regenwassernutzung

Die Trinkwasserreserven werden weltweit, aber auch in Deutschland immer knapper. Regenwasser, das auf der Dachfläche gesammelt wird, kann für Toilettenspülung und für die Waschmaschine problemlos genutzt werden. Zur Bewässerung des Gartens ist die Verwendung von Regenwasser ohnehin kein Problem. Wissenschaftliche Untersuchungen haben ergeben, dass auf Dachflächen gesammeltes Regenwasser alle Grenzwerte für Badegewässer erfüllt. Dieses Regenwasser kann in einer Zisterne bevorratet werden, eventuelle Verunreinigungen durch Vogelkot etc. reinigen sich mikrobiologisch selbst.

In einem Vier-Personenhaushalt werden durchschnittlich etwa 120 000 Liter Wasser pro Jahr verbraucht. Etwa die Hälfte davon kann problemlos mit gesammeltem Regenwasser bestritten werden. Bei einer durchschnittlichen Regenmenge in Heilbronn von ca. 800 Liter pro Quadratmeter und Jahr genügt eine Dachfläche von 75 Quadratmetern und eine Zisterne von 5000 bis 8000 Litern Inhalt. Damit kann der Wasserbedarf für WC, Waschmaschine, Putzwasser und Garten gedeckt werden. Wasser sowie Abwassergebühren werden damit eingespart. Nicht zu unterschätzen ist auch der aktive Hochwasserschutz, denn bei Regenfällen wird Wasser in der Zisterne zurückgehalten und nicht in die Flüsse eingeleitet. In unserem Solar-Schulungsgebäude wird für Versuchs- und Demonstrationszwecke eine Zisterne mit einem Volumen von 2000 Litern verwendet, in der Regenwasser vom Dach des Schulungsgebäudes gesammelt wird. Hiermit wird die sanitäre Anlage versorgt.