Die wichtigsten erneuerbaren Energien und ihre Herausforderungen

Das weltweite Bestreben nach einer Dekarbonisierung bei gleichzeitiger Erhöhung des Lebensstandards – insbesondere in Teilen der Welt, die sich derzeit entwickeln – stellt uns vor die Herausforderung, mehrere Energiequellen aus unserem Lebensumfeld für die Stromerzeugung zu nutzen.

Laut Angaben der Internationalen Behörde für Erneuerbare Energien (IRENA) hat die installierte Leistung aus Solar- und Windenergie in den letzten Jahren deutlich zugenommen: Die aus Windkraft gewonnene Energie ist von 180.000 MW im Jahr 2010 auf 622.000 MW im Jahr 2019 gestiegen, während die Solarenergie von 41.000 MW auf 541.000 MW zugenommen hat.

Diese erneuerbaren Energiequellen sind zwar sauber und unerschöpflich, aber es gibt immer noch Probleme, die überwunden werden müssen.

Herausforderungen für die Solarstromerzeugung

Der niedrige Wirkungsgrad von PV-Zellen ist eine Herausforderung für die Solarenergie. Typische PV-Installationen im Feld liegen heute zwischen ca. 7 % bei kostengünstigen Polymer-Film-Zellen und ca. 18 % bei hybriden Polymer-/Kristallin-Arrays. Es gibt jedoch Aussicht auf Fortschritte. Forschungsinstituten wie dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den USA ist es gelungen, den maximalen Zellenwirkungsgrad unter Laborbedingungen auf über 40 % zu steigern.

Eine weitere Herausforderung ist die Wahl des optimalen Standorts für Solaranlagen. Dabei kann es sich um winzige Paneele auf Straßenschildern, um private oder kommerzielle Dachinstallationen oder um riesige Solarparks handeln. Die derzeit größten Solarparks, im Bhadla Solar Park in Indien und in der chinesischen Tengger-Wüste, sind auf eine Leistung von bis zu 1,5 GW ausgelegt – so viel wie manche Atomkraftwerke. Die Anlagen sind allerdings jeweils über 40 Quadratkilometer groß. Es ist sinnvoll, Anlagen dieser Größenordnung in Gebieten zu errichten, die nicht dicht besiedelt sind.

Die Installation und der Anschluss von Solargeneratoren an Land an das Stromnetz ist im Vergleich zu den Kosten für den Anschluss von Offshore-Windgeneratoren relativ kostengünstig. Selbst in der rauesten Wüste kann ein Steckverbindersystem wie das SOLARLOK von TE Connectivity den physikalischen Beanspruchungen problemlos standhalten. Die Steckverbinder sind nach IP68 klassifiziert und halten den dreifachen IEC-Alterungstests stand, um eine lang anhaltende Konnektivität zu gewährleisten.




Leistungseinschränkungen bei Windturbinen

Auch bei Windturbinen gibt es Einschränkungen des Wirkungsgrades. Die Turbine entzieht dem Wind kinetische Energie und verlangsamt damit den Luftstrom durch die Flügel. Ein 100-prozentiger Wirkungsgrad ist unmöglich, da dies voraussetzen würde, dass der Wind zum Stillstand kommt. Wenn keine Luft ausströmt, kann auch keine neue Luft einströmen, und die Turbine würde sich nicht mehr drehen. Bereits 1919 berechnete der deutsche Wissenschaftler Albert Betz den theoretischen maximalen Wirkungsgrad einer Windkraftanlage auf 59,3 %. In der Realität erreichen große Windkraftanlagen bis zu 80 Prozent dieses Betz-Grenzwertes, so dass der kinetische Gesamtwirkungsgrad im Bereich von 35 bis 45 Prozent liegt.

Bei einer höheren Windgeschwindigkeit kann die Turbine also eine größere Menge an kinetischer Energie in Strom umwandeln. In der Praxis können übermäßige Windgeschwindigkeiten die Anlagenflügel beschädigen, daher werden verschiedene Bremstechniken verwendet, um eine Höchst- oder Abschaltgeschwindigkeit festzulegen. Es gibt verschiedene Bremsmethoden, darunter das aerodynamische Bremsen, bei dem jedes Blatt aus dem Wind gedreht wird, um die Kraft auf den Rotor zu reduzieren, sowie mechanische und elektrische Bremssysteme.

Extrem böige Bedingungen oder heftige Stürme, die stark genug sind, um die Bremssysteme zu überwinden, können dazu führen, dass die Turbine durch Überhitzung beschädigt wird. Die Flügel und der Turm können ebenfalls anfällig für Schäden sein, die eine Reparatur oder einen kompletten Austausch notwendig machen.

Außerdem haben Windturbinen eine Mindest-Einschaltgeschwindigkeit. Typischerweise muss die Windgeschwindigkeit mindestens 3–4 Meter pro Sekunde (ca. 11 km/h) betragen, bevor sich die Flügel drehen und die Stromerzeugung beginnen kann. Ohne genügend Wind gibt es keinen Strom.

Ist Wasserkraft zuverlässiger?

Wasser hingegen ist in der Lage, eine Turbine zu drehen, wenn es mit einer Geschwindigkeit von nur etwa 1 m/s fließt. Wasserkraft klingt vielversprechend als natürliche Energiequelle. Laut IRENA leistet die Wasserkraft derzeit den größten Beitrag zur weltweiten Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen. Ihr Anteil an der Gesamtenergieerzeugung beträgt 63 % – das ist fast das 2,4-fache der installierten Solar- und Onshore-/Offshore-Windkapazitäten zusammen. Auf der anderen Seite sind große Wasserkraftprojekte, die mit Staudämmen verbunden sind, teuer, zeitaufwändig, durch geografische Faktoren begrenzt und können mit verschiedenen ökologischen und territorialen Problemen verbunden sein.

Wellen- und Gezeitenkraftwerke könnten eine Alternative darstellen. Da die Gezeiten kontinuierlich verlaufen, während der Mond die Erde umkreist, sind Vorhersagbarkeit und Beständigkeit grundlegende Vorteile der Gezeitenenergie. Das Weltwirtschaftsforum (WEF) hat Informationen über ein Gezeitenprojekt vor der Nordküste Schottlands veröffentlicht, das genug Energie erzeugt, um fast 4.000 Haushalte im Jahr 2019 mit Strom zu versorgen. Die Europäische Kommission geht davon aus, dass Wellen- und Gezeitenenergie bis 2050 etwa 10 % des Energiebedarfs der EU decken könnten.

Doch die Erzeugung im kommerziellen Maßstab birgt Risiken: Die Installation und der Anschluss der Generatoren ist teuer, da sie am Meeresboden befestigt und über armierte Kabel an das Stromnetz angeschlossen werden müssen. Außerdem ist wenig über die Auswirkungen von Generatorlärm und wechselnden Gezeitenströmungen auf die Meeresumwelt bekannt, und es gibt politische Probleme im Zusammenhang mit der gemeinsamen Nutzung der Ozeane. Trotz dieser potenziellen Fallstricke prognostiziert Zion Market Research ein starkes Wachstum des Ausrüstungsmarktes für die Energieerzeugung durch Gezeiten, der bis 2024 ein Volumen von fast 3 Milliarden US-Dollar erreichen soll.

Zusammenfassung

Die Verfahren zur Nutzung von Sonnen-, Wind- und Wellenenergie sind in letzter Zeit erheblich verbessert worden. Mit technischen Innovationen werden Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Erschwinglichkeit weiter verbessert. Dennoch bleiben Herausforderungen bestehen, und die verfügbaren Technologien zur Nutzung von Wind-, Solar- und Wellenenergie müssen weiter verbessert werden, wenn die erneuerbaren Energien den zukünftigen Energiebedarf der Welt decken sollen.

Der nächste Blog beschäftigt sich mit dem Management von Strom aus erneuerbaren Quellen unter Verwendung von Anlagen wie z. B. Energiespeichersystemen, mit denen das Problem der Unvorhersehbarkeit von Wind- und Sonnenenergie bewältigt werden kann.

www.mouser.de

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