Solarenergie: Wie alles begann – Eine kleine Geschichte der Solarenergie
Der Mensch und die Sonne – das war von Anfang an ein besonderes Verhältnis. Ohne ihr Licht und ihre Wärme wäre kein Leben auf der Erde möglich. Schon frühe Kulturen wussten darum. In der altägyptischen Mythologie beispielsweise huldigte man dem Sonnengott Re (auch: Ra). Man muss jedoch gar nicht so weit in die Ferne schweifen: In Nebra in Sachsen-Anhalt wurde 1999 eine Himmelsscheibe gefunden, die als älteste bisher bekannte konkrete Himmelsdarstellung gilt. Ihr Alter wird auf rund 4.000 Jahre geschätzt und sie zeigt mutmaßlich eine Sonnendarstellung.
Welche Kraft die Sonne hat, wurde auch außerhalb religiöser oder kultischer Kontexte schnell klar. Nicht nur die Ägypter, sondern auch andere frühe Hochkulturen etwa in Südamerika oder Mesopotamien bezogen sie in ihre Architektur ein. Die Griechen richteten Türen schon lange vor Christi Geburt so aus, dass sie möglichst nicht gen Süden zeigten, um die heiße Mittagssonne fernzuhalten. In kühleren Regionen hingegen wurde die Mittagssonne gerne genutzt, um die Räume zu erwärmen. Hier orientierten sich Fenster und Türen möglichst so, dass die wärmenden Strahlen der Mittagssonne optimal ausgenutzt werden konnten.
Allerdings muss dabei noch von einer aus heutiger Sicht vergleichsweise simplen und passiven Nutzung der Solarenergie gesprochen werden. Dass man in heißen Gefilden versucht, Wohnräume eher so zu bauen, dass sie nicht den ganzen Tag über dem vollen Sonnenschein ausgesetzt sind, liegt auf der Hand. Mittels technischer Hilfsmittel und Einrichtungen wurde es aber erst in der Neuzeit möglich, die Sonnenstrahlung gezielt für Solarthermie und Photovoltaik, also zur Wärme- und Stromgewinnung, zu nutzen. Beide Bereiche nahmen eine unterschiedliche Entwicklung.
Solarthermie: Warmwasser und Heizwärme durch Solarenergie
Schon in der Antike waren Brenn- und Hohlspiegel bekannt, um Sonnenenergie in für den Menschen gezielt nutzbare Wärme umzuwandeln. Sie wurden genutzt, um die Flächenstrahlung auf einen kleinen Raum zu konzentrieren. Befindet sich darin leicht entzündliches Material, fängt es früher oder später unweigerlich Feuer. Ein prominentes Beispiel hierfür ist die Olympische Fackel, die schon seit der Antike mittels Brennspiegeln entzündet wird.
Der Vorläufer heutiger Solar-Kollektoren zur Warmwasserbereitung und Wohnraumtemperierung stammt allerdings erst aus dem 18. Jahrhundert. Dem französischen Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure war aufgefallen, dass sich Objekte unter einer Glasabdeckung stärker erwärmten als ohne eine solche. Daraufhin baute er sogenannte Hitzekisten: Holzkästen mit schwarzem Boden, der mit einer Glasabdeckung versehen waren. Im Inneren dieser simplen Vorläufer heutiger Sonnenkollektoren erreichte er eine Temperatur von bis zu 87 Grad Celsius.
Erst Mitte des folgenden Jahrhunderts griff Augustin Mouchot diese einfache Erfindung wieder auf und entwickelte sie weiter. Dazu kombinierte der französische Ingenieur Saussures Konstrukt des Sonnenkollektors mit einem Brennspiegel – also einer Technik, die noch viel älter war als die von Saussure. Mit seinen neuen Kollektoren konnte er Wasser in Dampf verwandeln. Genau das, was zum Antrieb von Dampfmaschinen gebraucht wurde. 1866 konnte er seine erste Solar-Dampfmaschine vorweisen. Eine weitere stellte er 1878 auf der Weltausstellung in Paris aus. Ein Erfolg wurde sie jedoch nicht. Die Regierung sah keine praktische Verwendung für sie, weil die Sonnenscheindauer in Frankreich dafür nicht ausreiche. Hinzu kamen die mutmaßlichen hohen Kosten für seine „Solarapparate“ und der günstige Preis für Kohle, der weitere Investitionen in alternative Energien obsolet machte.
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 zwar „nur“ ein einfacher Kollektor. Mit seiner erfolgreichen Vermarktung legte Kemp damit aber einen weiteren Grundstein für die Solarthermie, wie wir sie heute kennen.
William J. Bailey, ebenfalls US-Amerikaner, entwickelte die Idee weiter, indem er 1909 den Solarkollektor vom Wasserspeicher trennte. Dieser fasste rund 200 Liter Wasser und ermöglichte es, die erzeugte Wärme auch abends zu nutzen. Grundsätzlich funktionieren die heutigen modernen Anlagen immer noch so. Nachdem die kommerzielle Vermarktung solcher Anlagen zumindest in einigen Regionen vor allem in den USA schon einige Jahre Fahrt aufgenommen hatte, bildete der Zweite Weltkrieg eine Zäsur. Danach rückten fossile Energien in den Vordergrund, deren Endlichkeit und negativen Folgen damals noch nicht im kollektiven Bewusstsein verankert waren.
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. Und auch wenn sich am grundsätzlichen Aufbau wenig geändert hat, ist die Entwicklung in den vergangenen Jahrzehnten doch nicht stehen geblieben. Die Ausbeute wurde erhöht und Unzulänglichkeiten ausgemerzt. Heute stehen Interessierten viele verschiedene zuverlässige und technisch ausgereifte Anlagen zur Auswahl.
Photovoltaik: Strom aus Solarenergie
Den Grundstein, mit dem die Nutzung der Sonnenenergie zur Stromgewinnung möglich wurde, legte der französische Physiker Henry Becquerel im Jahr 1839. Damals entdeckte er den photoelektrischen Effekt. Er maß den zwischen zwei Elektroden fließenden Strom und entdeckte, dass Licht Einfluss auf die elektrische Spannung hat. Damit war die Grundlage und das Wissen geschaffen, dass sich aus Licht Strom herstellen ließ. So weit war Becquerel, der zum Zeitpunkt seiner Experimente erst 19 Jahre alt war, damals allerdings noch nicht.
1873 folgte der nächste Meilenstein, als der Brite Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May den Effekt auch beim Halbleiter Selen nachwiesen. Becquerel entdeckte den sogenannten äußeren photoelektrischen Effekt, bei dem 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. Er tritt nur in Halbleitern auf und ist der Effekt, auf dem die Photovoltaik grundsätzlich beruht.
Von da an dauerte es nur noch zehn Jahre, bis der US-Amerikaner Charles Fritts ein Modul aus Selenzellen herstellte. Es kann als erster Vorläufer heutiger Photovoltaikmodule angesehen werden – wenngleich es seinerzeit lediglich 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 10 bis 25 Prozent. Die Entdeckungen waren 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. Er hielt die Photoelektrizität für „äußerst wichtig“ und sah in Fritts Modulen die erstmalige Möglichkeit, Lichtenergie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Wie genau sie 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, doch die Welt 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 für den photoelektrischen Effekt fand. Für seine 1905 veröffentlichte Lichtquantentheorie erhielt er 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 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.
Dennoch war der Weg zum Massenmarkt noch weit. Nicht zuletzt, weil die Preise für Normalbürger noch astronomisch hoch lagen und es keine für den Alltag praktisch anwendbaren Nutzungsmöglichkeiten gab. Die Floskel „Krise als Chance“ hat sich aber zumindest für die Photovoltaik bewahrheitet. 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 umweltfreundlicheren Energiequellen vorbeiführt. Außerdem stieg die Leistung der Solarmodule bei gleichzeitig sinkenden Preisen, was ebenfalls zu ihrer zunehmenden Verbreitung beitrug.
Es ist nicht ohne Ironie, dass neben den USA vor allem Japan und Deutschland Vorreiter bei der weiteren Erforschung zur Nutzung der Photovoltaik wurden. Ausgerechnet Japan, weil es mit der Reaktorkatastrophe von Fukushima im Jahr 2011 selbst schmerzlich erfahren musste, wie gefährlich die Atomtechnologie sein kann. Und ausgerechnet Deutschland, weil es etwa zur gleichen Zeit seiner Solarindustrie durch politische Vorgaben und mangelnde Unterstützung den Garaus machte. Wer die Phase der Insolvenzen überlebte, rettete sich in den meisten Fällen ins Ausland. Eine überwältigende Mehrheit von PV-Komponenten und -Produkten wird heute in China hergestellt.
Das Konzept flächendeckender Solaranlagen auf Hausdächern, die an das öffentliche Stromnetz angebunden sind, nahm in den 1980er-Jahren seinen Lauf. 1990 erlaubte es der Deutsche Bundestag schließlich jedem, Strom aus erneuerbaren Energiequellen ins Netz einzuspeisen. Mit Einführung des Stromeinspeisungsgesetzes im Jahr 1991 verabschiedete die Regierung in Deutschland eine Mindestvergütung für das Einspeisen von aus erneuerbaren Energien erzeugtem Strom. 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.
2000 folgte der nächste Schritt mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das unter anderem eine drastisch höhere Einspeisevergütung im Vergleich zum Stromeinspeisungsgesetz versprach. Diese war bislang viel zu gering, als dass man damit eine PV-Anlage wirtschaftlich hätte betreiben können. Mit den neuen Vergütungssätzen und dem 100.000-Dächer-Programm von 1999 bis 2003 begannen goldene Jahre für die Photovoltaik in Deutschland. Die Technologie verbreitete sich so rasant mit Wachstumsraten von teilweise 40 Prozent pro Jahr, dass die Bundesregierung die Vergütungen mehrmals zurückschrauben musste, um die Kosten nicht ins Unermessliche steigen zu lassen.
Mit der zweiten Novellierung des EEG, die im Jahr 2009 in Kraft trat, wurde dann erstmals nicht nur die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen bedacht, sondern auch die Verwendung der Erneuerbaren in der Wärme- und Kälteerzeugung miteinbezogen. Solarenergie wurde für Privathaushalte mehr und mehr finanzierbar und regte hiermit auch die industrielle Seite zu einer konstanten Weiterentwicklung und Massenproduktion der einzelnen Techniken an.
Heute hat sich das Bewusstsein durchgesetzt, dass regenerative Energien ein unverzichtbarer Bestandteil der künftigen Energieversorgung sein müssen. Die Mischung von Wind-, Wasser- und Sonnenenergie sowie das Zusammenspiel mit nach wie vor nötigen fossilen Energiequellen macht’s – und muss immer wieder neu justiert werden.
Übersichtliche Poster zum Download
Zusätzlich zur ausführlichen Geschichte der Solarenergie haben wir die wichtigsten Meilensteine in drei Infografiken zusammengefasst. Sie können die Poster hier ansehen und herunterladen. Zum Vergrößern der Darstellung bitte auf die Poster klicken.
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