Historische Entwicklung von Solarthermie und Photovoltaik
Der Mensch und die Sonne – das war von Anfang an ein besonderes Verhältnis. Ohne das Licht und die Wärme des großen Himmelskörpers wäre schließlich kein Leben auf der Erde möglich. Schon frühe Kulturen wussten darum, man denke da nur an die Verehrung der Sonnengötter Helios und Ra oder der germanischen Sonnengöttin Sol. Auf Firmament-Darstellungen wie der faszinierenden Himmelsscheibe von Nebra (Sachsen-Anhalt) wurde niemals auf die Sonne verzichtet. Versuche, deren enorme Kraft zu nutzen, reichen ebenfalls weit zurück. In dieser kleinen Geschichte der Solarenergie verfolgen wir den Weg bis zu ihrer heutigen effizienten Nutzung. Es wird spannend, versprochen!
Solaranlage-Konfigurator:
Jetzt Ihre Solaranlage konfigurieren und unverbindliche Angebote erhalten!
Nutzung der Solarenergie: zu Beginn simpel aber pfiffig
Außerhalb der religiösen und kultischen Kontexte spielten eher praktische Erwägungen eine Rolle. Insbesondere von antiken Hochkulturen wie Ägypten und Mesopotamien ist das Einbeziehen der Erkenntnisse in die Wohnarchitektur bekannt. Die Methode der alten Griechen, die Hauseingänge nicht nach Süden auszurichten, findet in warmen Gegenden bis heute Anklang. Dicke Mauern und kleine Fenster bieten einen zusätzlichen Schutz vor der heißen Mittagssonne. In kühleren Regionen hingegen ist die Strahlung der Sonne äußerst willkommen, um die Räume zu erwärmen.
Ein frühes Beispiel, die Solarenergie nicht nur passiv, sondern aktiv zu nutzen, ist die Entzündung des Olympischen Feuers. Überliefert ist, dass Archimedes die Schiffe der Römer mit Hilfe von Spiegeln in Brand gesteckt haben soll. Zwar wird bezweifelt, dass die Brennspiegel im 3. Jahrhundert vor Christus groß genug sein konnten, die Funktionalität jedoch steht außer Frage: Umgelenktes und fokussiertes Sonnenlicht kann entzündliches Material zum Brennen bringen. So wird auch das Holz für die Olympische Fackel seit der Antike mit einem Brennspiegel entfacht.
Die Sonnenstrahlung gezielt zur Wärme- und Stromgewinnung zu nutzen, wurde allerdings erst mit den technischen Hilfsmitteln und Einrichtungen der Neuzeit möglich. Beide Bereiche, wir nennen sie heute Solarthermie und Photovoltaik, nahmen eine unterschiedliche Entwicklung.
Solarthermie: Warmwasser und Heizwärme durch Solarenergie
Heute wissen wir, wie die Wärme der Sonnenstrahlung in nutzbare Wärme umgewandelt werden kann. Warmes Wasser und Heizwärme aus Solarenergie zu gewinnen, ist kein neuer Wunsch. Wir stellen im Folgenden die Meilensteine bis in die Jetztzeit vor.
Von der Hitzekiste zur Solar-Dampfmaschine
Eine Entdeckung des Schweizer Naturforschers Horace-Bénédict de Saussure kann als primitiver Vorläufer heutiger Solar-Kollektoren bezeichnet werden. 1767 fiel ihm auf, dass sein Beet sich unter einer Glasabdeckung stärker erwärmt. Daraufhin baute er sogenannte Hitzekisten, Holzkästen mit schwarzem Boden und einer Abdeckung aus mehreren Glasplatten. Im Prinzip waren es Mini-Gewächshäuser, doch erreichte der Forscher darin Temperaturen von bis zu 87 Grad Celsius. Heute baut man nach diesem Vorbild die „Solaröfen“, die den Menschen in ärmeren, aber sonnenreichen Ländern ein Kochen und Backen ohne Strom ermöglichen.
Fast genau 100 Jahre sollten vergehen, bis diese einfache Erfindung wieder aufgegriffen und weiterentwickelt wurde. 1860 führte der französische Mathematiklehrer Augustin Mouchot erste Experimente mit einem Solarkocher durch, indem er das Konstrukt de Saussures mit einer noch viel älteren Technik, der Bündelung der Einstrahlung im Brennpunkt eines Hohlspiegels, kombinierte. Als er 1866 die Sonneneinstrahlung auf einen Glaszylinder konzentrierte und dort Wasser zum Verdampfen brachte, war dies der erste Schritt zur ersten Solar-Dampfmaschine. Für eine ausgereiftere Version erhielt Mouchot auf der Pariser Weltausstellung 1878 eine Goldmedaille. Ein Erfolg wurde die Maschine jedoch nicht. Die Regierung sah zwar die praktische Verwendung in den sonnenreicheren Kolonien, lehnte die Erfindung aber als unwirtschaftlich ab. Im Wege stand der niedrige Weltmarktpreis der Kohle.
Vom ersten Patent zur frostsicheren Solarthermieanlage
Andernorts forschte man weiter. So wurde der Metallfabrikant Clarence M. Kemp aus dem US-amerikanischen Baltimore 1891 stolzer Besitzer des weltweit ersten Patents für eine Solaranlage. Sein „Apparatus for Utilizing the Sun’s Rays for Heating Water” (Apparat zur Nutzung von Sonnenstrahlen zur Wassererwärmung) war ein technisch sehr einfacher Speicherkollektor. Dennoch konnte Kemp ihn erfolgreich vermarkten – als etwas modifizierte Version namens „Climax Solar Water Heater“.
William J. Bailey, ebenfalls US-Amerikaner, entwickelte die Idee weiter, indem er den Solarkollektor vom Wasserspeicher trennte. Damit gilt Baileys 1902 patentierte Erfindung als Prototyp unserer heutigen Anlagen. Das Besondere: Er ersetzte die üblichen schwarz gestrichenen, mit Wasser befüllten Tanks, die nachts viel Wärme verloren, durch ein System aus Flachkollektor und Pufferspeicher. Dieses machte es möglich, „tags und nachts“ warmes Wasser zu nutzen. 1909 begann die im Süden Kaliforniens eingerichtete Firma Day and Night Solar Heater Co. mit der Produktion. Nach dem ungewöhnlich kalten Winter 1913 ging Bailey noch einen Schritt weiter. Indem er das im System zirkulierende Wasser mit Alkohol versetzte, schuf er die erste frostsichere Solarthermieanlage. In Kalifornien, Arizona und Hawaii wurden immerhin 7.000 Geräte verkauft.
Preise vergleichen:
Solaranlage günstig kaufen
- Bundesweit
- Unverbindlich
- Qualifizierte Anbieter
- Top Preise
Von den 1920-Jahren bis heute
Im Westen der USA nahm das Interesse an Solaranlagen langsam ab, nachdem man 1920 in Kalifornien Erdgas entdeckt hatte. In der Folge übernahm das in Florida ansässige Unternehmen Solar Water Heat Co. Baileys Lizenz und konnte die Wassererhitzer einige Zeit erfolgreich vertreiben. Im Zweiten Weltkrieg jedoch wurde die Produktion in Miami eingestellt. Es war die Zeit billiger Förderung von Erdgas und Kohle. Die höhere Effizienz fossiler Energieträger und die geringeren Anschaffungskosten der Verbrennungsanlagen taten ein Übriges dazu. Die negativen Folgen waren damals noch nicht im kollektiven Bewusstsein verankert.
Erst mit der Ölkrise in den 1970er-Jahren besann man sich wieder stärker auf das, was man eigentlich schon lange kannte. Seitdem gehört die solare Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung beim umweltbewussten Bauen zum Standard. Am Anlagenaufbau hat sich seit Baileys Erfindung im Grunde wenig verändert, doch die Entwicklung ist auch in den vergangenen Jahrzehnten nicht stehengeblieben. Kontinuierlich werden bessere Materialien und zuverlässigere Überwachungssysteme eingesetzt, wird daran gearbeitet, die Ausbeute zu erhöhen. Insbesondere auf dem Gebiet der Spezialkollektoren dürften immer wieder Neuerungen zu erwarten sein.
Photovoltaik: Strom aus Solarenergie
Am Anfang war … genau, das Feuer. Auf dem Gebiet der Photovoltaik war es aber die Entdeckung des photoelektrischen Effekts. Ohne diese wäre eine Nutzung der Sonnenenergie zur Stromgewinnung niemals möglich geworden. Im Folgenden zeigen wir die Entwicklung bis heute auf.
Äußerer und innerer photoelektrischer Effekt
Den Grundstein für die Erzeugung von Strom aus Licht legte der französische Physiker Alexandre Edmont Becquerel im Jahr 1839. Bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen maß er den zwischen zwei Elektroden fließenden Strom. Dabei fand er heraus, dass der Stromfluss bei Licht größer war als bei Dunkelheit. Licht hatte also Einfluss auf die elektrische Spannung! Damit hatte der damals erst 19 Jahre alte Forscher den äußeren photoelektrischen Effekt entdeckt. Die praktische Umsetzung erfolgte jedoch erst Generationen später.
1873 folgte der nächste Meilenstein, als der Brite Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May den photoelektrischen Effekt auch beim Halbleiter Selen nachwiesen. Becquerels Entdeckung hatte gezeigt, dass die Elektronen bei Licht aus einem Festkörper austreten. Smith und May entdeckten den inneren photoelektrischen Effekt, bei dem Elektronen zwar aus ihren Verbindungen, aber nicht aus dem Festkörper herausgelöst werden.
Die Veröffentlichung dieser Erkenntnis führte zu weiteren Forschungen mit dem Halbleitermaterial Selen. Drei Jahre später wies William Grylls Adams nach, dass Selen, wenn man es Licht ausgesetzt, Elektrizität produziert.
Vom ersten Solarmodul zur ersten Silizium-Solarzelle
Von da an dauerte es nur noch sieben Jahre, bis der US-Amerikaner Charles Fritts ein Modul aus Selenzellen herstellte. Es kann als erster Vorläufer heutiger Photovoltaikmodule angesehen werden – wenngleich es seinerzeit nur etwa ein Prozent der Lichtenergie in elektrischen Strom umwandelte. Zum Vergleich: Heutige Solarzellen erreichen je nach Material und Aufbau in der Regel einen Wirkungsgrad von bis zu 25 Prozent. Die Kreation war anfangs noch umstritten. Den Ritterschlag erhielt Fritts erst, nachdem er ein Modul an den renommierten Erfinder und Ingenieur Werner von Siemens schickte. Dieser war begeistert und stellte es an der Königlich-Preußischen Akademie vor. Von Siemens hielt die Photoelektrizität für „äußerst wichtig“ und sah in den Modulen die erstmalige Möglichkeit, Lichtenergie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Wie sie genau funktionierten, konnte aber auch er nicht erklären. So blieben die Module in den Augen vieler Wissenschaftler zunächst einmal „Zauberplatten“, was ganz und gar nicht wertschätzend gemeint war. Die Idee war gut, die Welt jedoch noch nicht bereit.
In den folgenden Jahrzehnten wurde weiter Grundlagenforschung betrieben. Schritt für Schritt näherte man sich dem Mysterium. Es war einmal mehr Albert Einstein, der eine Erklärung fand. Auf der Grundlage seiner 1905 veröffentlichten Lichtquantenhypothese lieferte er 1907 eine theoretische Erläuterung des photoelektrischen Effekts – und erhielt dafür 1921 den Nobelpreis für Physik. Es brauchte jedoch noch weitere Forschung, bis die Erkenntnisse praktisch und kommerziell genutzt werden konnten.
Am 25. April 1954 schließlich stellten die US-amerikanischen Bell Telephone Laboratories die erste Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von bis zu 6 Prozent vor. Die Euphorie für die Entwicklung von Gerald Pearson, Calvin Fuller und Daryl Chapin kannte keine Grenzen. So mutmaßte der U.S. News & World Report, dass diese Zellen einmal „mehr Energie zur Verfügung stellen könnten als alle Kohle, alles Öl und alles Uran auf dieser Welt“. Die New York Times titelte, dass dies den Beginn einer neuen Ära bedeutete, die eines Tages zur Verwirklichung eines der größten Menschheitsträume führen würde – der Nutzung der nahezu unbegrenzten Energie der Sonne. Apropos Weltall: Bereits 1958 wurde die Erfindung zur Energieversorgung des Satelliten Vanguard I eingesetzt – und leistete sechs Jahre lang treue Dienste.
Steigendes Interesse seit der Ölkrise 1973
Trotz aller Euphorie war der Weg zur Serienproduktion noch weit. Nicht zuletzt, weil noch keine Nutzungskonzepte für den Hausgebrauch vorlagen und die Preise ohnehin astronomisch hoch waren. Das änderte sich erst in den 1970er-Jahren, als sich die Floskel „Krise als Chance“ für die Photovoltaik bewahrheitete. Die Ölkrise 1973 sowie die Störfälle in den Atomkraftwerken Harrisburg und Tschernobyl 1979 und 1986 führten drastisch vor Augen, dass auf Dauer kein Weg an regenerativen und umweltfreundlichen Energiequellen vorbeiführt. Außerdem stieg die Leistung der Solarmodule bei gleichzeitig sinkenden Preisen, was ebenfalls zu ihrer zunehmenden Verbreitung beitrug.
Das neue Konzept hieß: Solaranlagen auf Hausdächern, die an das öffentliche Stromnetz angebunden sind, möglichst flächendeckend verwirklichen. Die ersten Maßnahmen waren: Ab 1990 durfte jeder Anlagenbetreiber die solare Energie ins öffentliche Stromnetz einspeisen. Mit Einführung des Stromeinspeisungsgesetzes im Jahr 1991 verabschiedete die Regierung in Deutschland eine Mindestvergütung für das Einspeisen von Strom aus erneuerbaren Energien. Ältere erinnern sich vielleicht noch an das 1000-Dächer-Programm der Bundesregierung: Zwischen 1990 und 1992 wurde damit die Installation von Photovoltaik-Dachanlagen auf Wohnhäusern subventioniert.
Vom ersten EEG bis heute
2000 folgte der nächste Schritt: Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) der damaligen Rot-Grün-Regierung versprach unter anderem eine im Vergleich zum Stromeinspeisungsgesetz drastisch höhere Einspeisevergütung. Diese war bislang viel zu gering, um eine PV-Anlage wirtschaftlich betreiben zu können. Mit den neuen Vergütungssätzen und dem 100.000-Dächer-Programm von 1999 begannen goldene Jahre für die Photovoltaik in Deutschland. Die Technologie verbreitete sich mit Wachstumsraten von teilweise 40 Prozent pro Jahr so rasant, dass die Bundesregierung die Vergütungen mehrmals zurückschrauben musste. Die staatlichen Ausgaben wären sonst ins Unermessliche gestiegen.
Nach dem Auslaufen des 100.000-Dächer-Programms trat die EEG-Novelle 2003 in Kraft. Sie hatte zum Ziel, die Entscheidung für eine PV-Anlage zu beschleunigen. Das Mittel: Eine jährliche Degression der Einspeisevergütung sollte das Warten auf einen niedrigeren Anschaffungspreis verhindern. Der Plan ging auf – und hatte einen weiteren positiven Effekt: Weil die Nachfrage stieg, fielen die Preise automatisch. Allerdings nur, weil Auslandsmärkte die Rolle des deutschen Marktes übernommen hatten. Wer die Phase der Insolvenzen überlebte, rettete sich in den meisten Fällen ins Ausland. Eine überwältigende Mehrheit von PV-Komponenten und -Produkten wird seither in China hergestellt.
Mit dem EEG 2009 wurde zwar die Verwendung der Erneuerbaren in der Wärme- und Kälteerzeugung miteinbezogen, doch entstand eher der Eindruck, mit einer noch weiteren Absenkung der Einspeisevergütung sollte die Energiewende ausgebremst werden. Auch die folgenden Novellen brachten für kleine Erzeuger und Eigenversorger keine Anreize. Die Industrie dagegen hörte nicht auf, die Anlagentechnik weiterzuentwickeln. Als Beispiel sei hier nur die kontinuierliche Steigerung der Modulwirkungsgrade genannt.
Ausblick
Heute hat sich ein neues Bewusstsein durchgesetzt: Regenerative Energien sind ein unverzichtbarer Bestandteil der künftigen Energieversorgung. Noch können wir nicht ganz auf fossile Energiequellen wie Öl und Gas verzichten. Nach und nach werden wir sie jedoch durch eine Kombination aus Wind-, Wasser- und Sonnenenergie ersetzen müssen. Jede privat genutzte Solaranlage ist ein kleiner Schritt in die richtige Richtung.
Geschichte der Solarenergie auf Postern zum Download
Unsere grafisch erstellten Poster zeigen die wichtigsten Meilensteine in der Geschichte der Solarenergie. Ein Klick auf die Infografiken vergrößert die Darstellung. Auf Wunsch können Sie die Poster auch herunterladen und bei sich abspeichern.
Solarenergie Marktentwicklung
Entwicklung des Solarmarkts in Deutschland Die Nutzung der Solarenergie zur Strom- und Wärmegewinnung verzeichnet ein neues Hoch. In Deutschland und… weiterlesen
Artikel Empfehlungen zum weiterlesen
