Direkte Solarenergie: Aus

Von Kris De Decker, ursprünglich veröffentlicht vom Low-Tech Magazine

16. Oktober 2023

Konventionelle Solaranlagen stellen unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und den daraus resultierenden energiefressenden Lebensstil nicht in Frage. Sowohl Solaranlagen auf Dächern als auch große Solarparks versorgen uns mit der Energie, die wir brauchen, auch wenn die Sonne nicht scheint. Denn diese Systeme nutzen das zentrale Stromnetz, das größtenteils mit fossilen Brennstoffen betrieben wird, als eine Art Batterie zur Überbrückung von Stromengpässen.

Obwohl netzgekoppelte Solarmodule den Verbrauch fossiler Brennstoffe in Wärmekraftwerken reduzieren können, werden diese Einsparungen zumindest teilweise durch die zusätzlichen fossilen Brennstoffe ausgeglichen, die für den Aufbau und die Wartung einer im Wesentlichen dualen Energieinfrastruktur erforderlich sind. Durch die Kombination von Solar- und Windenergie kann der Anteil erneuerbarer Energien im Stromnetz weiter erhöht werden, dies erfordert jedoch einen weiteren Ausbau der Infrastruktur. Dies erfordert neben Energie auch viel Geld und Zeit.

Das gleiche Problem besteht darin, fossil befeuerte Kraftwerke durch Energiespeicher zu ersetzen, damit an sonnigen Tagen überschüssiger Strom für den Fall gespeichert werden kann, dass keine oder nicht genügend Sonne scheint. Der Bau und die Wartung von Energiespeichern ist, ob in ein Stromnetz integriert oder in einzelnen Haushalten (netzunabhängige Systeme), sehr teuer und CO2-intensiv.

Die Herstellung von Solarmodulen kostet natürlich Geld und Energie. Allerdings sind die finanziellen und energetischen Kosten der zugehörigen Backup-Infrastruktur um ein Vielfaches höher. Bei netzgekoppelten Solaranlagen lassen sich diese Kosten nur sehr schwer genau kalkulieren, bei autonomen Solaranlagen (ohne Netzanschluss und mit eigenem Energiespeicher) ist es jedoch deutlich einfacher. Als Beispiel nehme ich daher die kleine autonome Solaranlage, die mein Wohnzimmer in Barcelona mit Strom versorgt.

Dieses System besteht aus zwei 50-W-Solarmodulen auf dem Balkon, einer 100-Ah-Blei-Säure-Batterie und einem 10-A-Laderegler. Die erzeugte Energie wird unter anderem für die Beleuchtung, die Musikanlage sowie das Laden von Laptops und anderen elektronischen Geräten verwendet. Die anfängliche finanzielle Investition betrug 340 Euro: 120 Euro für die Solarmodule, 170 Euro für die Batterie und 50 Euro für den Laderegler.

Doch während die Solarmodule 30 Jahre und der Laderegler etwa 10 Jahre halten sollen, muss ich die Bleibatterie im Schnitt alle drei bis fünf Jahre austauschen.1 Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren belaufen sich die Kosten für das Solar dann auf 120 Euro Panels, 150 Euro für die Laderegler und – im besten Fall – 1.020 Euro für die Batterien. Die Batterien (und die dazugehörigen Laderegler) machen somit etwa 90 % der Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer aus.

Die Energiespeicherung dominiert auch die „eingebettete“ Energie der Anlage (und die daraus resultierenden Kohlenstoffemissionen). Für die Herstellung meiner Blei-Säure-Batterie wurden 1.200 Megajoule (MJ) Energie benötigt.2 Über eine Lebensdauer von 30 Jahren (bestenfalls sechs Batterien) entspricht das 7.200 MJ. Durch die drei Laderegler kommen über eine Lebensdauer von 30 Jahren weitere 360 ​​MJ hinzu, so dass sich der Gesamtenergieverbrauch des Batteriesystems auf 7.560 MJ beläuft.3 Die Produktion der Solarmodule kostet dagegen nur 2.275 MJ von insgesamt 9.835 MJ. 4 Fazit: Mehr als 75 % des gesamten fossilen Energieverbrauchs entfallen auf die Energiespeicherung.

Bild: Rechts auf dem Balkon befinden sich die beiden 50-W-Solarmodule, die das Wohnzimmer meiner Wohnung mit Strom versorgen. Daneben befindet sich das 30-W-Solarpanel, das diese Website zum Funktionieren bringt. Foto: Marie Verdeil.

Bild: Die aus Altholz gebaute Struktur für die Solarpaneele. Foto: Kris De Decker.

Bild: Die 100-Ah-Blei-Säure-Batterie, die nach Sonnenuntergang das Wohnzimmer mit Strom versorgt. Foto: Kris De Decker.

Andere Batterietypen würden diese Schlussfolgerung nicht wesentlich ändern. Bei einem vergleichbaren netzunabhängigen System mit Lithium-Ionen-Batterien würde die Energiespeicherung etwa 95 % der Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer ausmachen (das ist fast doppelt so viel wie bei einem System mit Blei-Säure-Batterien). Unter der Annahme einer optimistischen Lebensdauer (10 Jahre) und einschließlich Ladereglern macht die Lithium-Energiespeicherung etwa 70 % der in ein Solarnetzsystem investierten Energie aus.5 6 Bei Nickel-Eisen-Batterien würde die Energiespeicherung 85 % der Gesamtlebensdauer ausmachen Kosten (es liegen keine Energiekostendaten vor).7

Auch die Größe und der Standort der Solaranlage spielen keine Rolle. Ein größeres System erfordert mehr Solarmodule, aber auch größere Batterien und teurere und leistungsfähigere Laderegler. Die Verhältnisse bleiben gleich.8 Der einzige Faktor, der den Solarmodulen möglicherweise einen etwas größeren Anteil an den Gesamtkosten verschafft, sind die Strukturen, auf denen sie montiert sind. Das berücksichtige ich nicht, da ich sie selbst aus Altholz gebaut habe. Wenn die Solarmodule jedoch auf einem Dach montiert werden, ist eine DIY-Lösung weniger naheliegend. Aber selbst in diesem Fall bleiben die Kosten der Energiespeicherung der mit Abstand größte Faktor.

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen sind Sonne und Wind nicht auf Abruf verfügbar. Das Problem bei unserem Ansatz für erneuerbare Energien besteht darin, dass wir darauf bestehen, dass Strom immer unbegrenzt verfügbar sein sollte, unabhängig vom Wetter, den Jahreszeiten oder der Tageszeit. Die Anpassung der Energienachfrage an das Angebot – wie dies in der Vergangenheit der Fall war – würde zu einer drastischen Reduzierung der Kosten und des Verbrauchs fossiler Brennstoffe führen.

Wenn ich beispielsweise auf den Batteriespeicher meiner Solaranlage verzichten würde, wäre meine Anlage etwa zehnmal günstiger: 120 Euro statt 1.290 Euro über eine 30-jährige Lebensdauer. Alternativ könnte ich allein für Solarmodule 1.290 Euro ausgeben, was mir eine Solaranlage mit 1.075 Watt bekäme. Das ist die zehnfache Kapazität der Anlage mit Batterien, mehr als was auf den Balkon passen würde.

Ohne Batterie und Laderegler sinken auch die Energiekosten der Anlage von 9.835 MJ auf 2.275 MJ. Mit anderen Worten: Ich könnte mit der gleichen Investition in fossile Brennstoffe mindestens viermal so viel Solarenergie erzeugen.

Schön und gut, aber nach Sonnenuntergang scheint die Sonne nicht mehr und die Menge der Sonnenenergie schwankt im Laufe des Tages und des Jahres. Wie kann dann der Einsatz von Solarmodulen ohne Batterien (oder einer anderen Backup-Infrastruktur bei netzgekoppelten Anlagen) praktisch sein?

Um diese Frage zu beantworten, schauen wir uns einen Pionier der „direkten Solarenergie“ an: die Living Energy Farm. Diese Umweltbildungsgemeinschaft im US-Bundesstaat Virginia ist dank Solarenergie komplett „netzunabhängig“, allerdings fließen nur 10 % des erzeugten Solarstroms durch eine (Nickel-Eisen-)Batterie. Die Sonnenkollektoren versorgen jedoch mehrere Häuser, eine Gemeinschaftsküche, eine Metallwerkstatt und einen Bauernhof mit Strom.9 10

Bild: Direkter Solarstrom auf der Living Energy Farm.

Die Solaranlage ist seit 2011 in Betrieb und besteht aus separaten Systemen mit einer Gesamtspitzenleistung von 1.400 Watt.11 Im Vergleich dazu beträgt die durchschnittliche Spitzenleistung einer privaten Solaranlage in Großbritannien und den USA – für einen Haushalt – 4.000 Watt bzw. 6.500 Watt. Wie auch in meiner Wohnung geht die Living Energy Farm sparsam mit Energie um, aber dass kaum Batterien zum Einsatz kommen, hat andere Gründe.

Ein erster Grund liegt auf der Hand: Manche Elektrogeräte und Maschinen werden nur tagsüber genutzt. Dies gilt beispielsweise für alle Maschinen in der Metallwerkstatt, darunter Bandsäge, Kompressor, Schleifmaschine, Kreissäge, Drehmaschine, Fräsmaschine und Bohrmaschine. Dies gilt auch für landwirtschaftliche Maschinen wie eine Getreidemühle und eine Tiefbrunnenpumpe. Direkt an Solarpaneele angeschlossen, bieten diese Maschinen alle Möglichkeiten moderner netzbetriebener Technologie, mit der Ausnahme, dass sie nur tagsüber genutzt werden können.10

In viel kleinerem Maßstab habe ich zu Hause direkten Solarstrom für einen Lötkolben, eine Klebepistole und eine Bewässerungspumpe (für den Balkon) genutzt. Weitere Beispiele für Geräte und Maschinen, die nur tagsüber genutzt werden dürfen, sind Staubsauger, Nähmaschinen, Waschmaschinen, Spielekonsolen, Laserschneider und 3D-Drucker. Es ist gar nicht so schwer, sich eine moderne Gesellschaft vorzustellen, in der Aktivitäten wie Staubsaugen und Heimwerkerarbeiten nur tagsüber stattfinden. Es ist sicherlich keine Rückkehr ins Mittelalter.

Bild: Mehrere Werkstattgeräte auf der Living Energy Farm, die meisten davon werden mit direktem Solarstrom betrieben. Bild: Alexis Zeigler.

Bild: Metalldrehmaschine, die mit direkter Solarenergie betrieben wird, Living Energy Farm. Bild: Alexis Zeigler.

Bild: Löten mit direkter Solarenergie. Foto: Marie Verdeil. Schau das Video.

Darüber hinaus erfordern nicht alle Elektrogeräte ständige Aufmerksamkeit. Als Beispielanwendungen eines „intelligenten“ Stromnetzes werden oft Waschmaschinen oder Geschirrspüler genannt, die sich automatisch einschalten, wenn die Sonne scheint. Dieser Ansatz basiert jedoch auf einer umfassenden Infrastruktur aus Stromübertragungs-, Kommunikationsnetzen und mit Elektronik ausgestatteten Geräten.

Im Gegensatz dazu wird bei einem dezentralen direkten Solaransatz die Intelligenz von der Sonne und der Rotation des Planeten bereitgestellt. Eine direkt solarbetriebene Waschmaschine oder Spülmaschine kann abends vollständig aufgeladen und eingeschaltet werden. Die Maschine startet dann morgens „automatisch“. Sie können sogar Zeitschaltuhren (elektronisch oder mechanisch) verwenden, um verschiedene Geräte nacheinander laufen zu lassen.

Ob und in welchem ​​Ausmaß Wolken eine zusätzliche Grenze für eine direkte Solaranlage darstellen, hängt von der Größe der Solarmodule ab. Die Verdoppelung der Fläche der Solarmodule gewährleistet ausreichend Solarenergie bei mäßiger Bewölkung, während die Installation deutlich kostengünstiger und nachhaltiger bleibt als ein System mit Batterien oder anderer Backup-Infrastruktur.

Eine noch größere Fläche von Solarpaneelen könnte selbst bei starker Bewölkung ausreichend Energie liefern, aber eine Verzehnfachung der Systemgröße bringt die Kosten wieder auf das Niveau eines autonomen Systems mit Batterien. Durch die Vervierfachung der Fläche ist das System wieder gleichermaßen abhängig von fossilen Brennstoffen.

Auch die direkte Solarenergie schließt die Nutzung von Elektrogeräten nach Sonnenuntergang nicht aus. Wie bereits erwähnt, verfügt die Living Energy Farm über ein bescheidenes Batteriesystem, das unter anderem nach Sonnenuntergang Strom für Lichter, Ventilatoren und elektronische Geräte liefert.10 Darüber hinaus verfügen viele moderne Geräte bereits über einen eingebauten Energiespeicher. Dies gilt für alle Arten von Elektrofahrzeugen, für die meisten elektronischen Geräte und für ältere Elektrogeräte mit AA-Batterien.

Dadurch können solche Geräte tagsüber mit direkter Sonnenenergie aufgeladen und dank des eingebauten Akkus auch nach Sonnenuntergang mehrere Stunden lang genutzt werden. In Kombination mit einer Lithium-Ionen-Powerbank kann ein direktes Solarpanel auch das Aufladen von USB-Geräten nach Sonnenuntergang ermöglichen. Diese Strategie kann sogar bei der Beleuchtung funktionieren, da es viele batteriebetriebene Lampen gibt, die Sie als moderne Taschenlampen verwenden und an verschiedenen Stellen in Räumen und Gebäuden aufhängen können.

Bild: Ein Mobiltelefon mit direkter Solarenergie. Foto: Marie Verdeil.

Natürlich ist die Auslagerung der chemischen Energiespeicherung in das Gerät nicht die nachhaltigste Option. Für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien werden fossile Brennstoffe benötigt und diese werden (im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien) nicht recycelt. Die beste Lösung besteht natürlich darin, den Einsatz elektrischer Geräte zu reduzieren. Doch ihre Aufladung mit direkter Sonnenenergie ist deutlich nachhaltiger und effizienter als über andere Batterien oder ein mit fossilen Brennstoffen betriebenes Stromnetz. Wenn wir High-Tech-Geräte nutzen, dann am besten auf die smarteste Art und Weise.

Ein dritter Grund, warum direkte Solarenergie praktischer ist, als es zunächst scheint, besteht darin, dass einige Elektrogeräte dank thermischer Energiespeicherung auch nach Sonnenuntergang genutzt werden können. Dies ist deutlich günstiger und nachhaltiger als die Speicherung elektrischer Energie. Bei Raum- und Warmwasserbereitungssystemen, bei denen solarbeheiztes Wasser in einem isolierten Boiler oder (nur bei Raumheizung) in der Gebäudehülle gespeichert wird, ist die thermische Energiespeicherung bereits recht gut etabliert. Kein Wunder, dass die Living Energy Farm über solche Anlagen verfügt und Solarthermie auch in meiner Wohnung für Warmwasser sorgt.

Der gleiche Ansatz funktioniert jedoch auch für zwei wichtige Haushaltsgeräte, die auch nach Sonnenuntergang funktionieren müssen und zudem viel Strom verbrauchen: den Kühlschrank und den Herd. Anstatt den Strom eines Solarpanels in einer Batterie zu speichern, um nach Sonnenuntergang einen Kühlschrank oder Herd mit Strom zu versorgen, nutzen diese Geräte auf der Living Energy Farm eine Wärmedämmung. Dadurch bleibt die Wärme drinnen (beim Herd) oder draußen (beim Kühlschrank), wenn keine Stromversorgung vorhanden ist. Die Wärmedämmung sorgt zudem für eine sehr hohe Energieeffizienz, sodass jedes dieser Geräte bereits mit einem Solarpanel von nur 100-200 Watt betrieben werden kann.

Es ist durchaus möglich, einen herkömmlichen Kühl- oder Gefrierschrank direkt an ein Solarpanel anzuschließen, allerdings würde sich ein solches Gerät nachts sehr schnell aufheizen. Selbst Kühlschränke mit den energieeffizientesten Etiketten haben eine relativ geringe Isolationsdicke (normalerweise 2,5 cm). Wenn diese Isolationsdicke jedoch auf etwa 12,5 cm erhöht wird, sinkt der Energieverbrauch eines Kühlschranks um den Faktor vier.12 13 Die passive Kühlleistung eines Kühlschranks kann durch die Hinzufügung von thermischer Masse in Form eines Wassertanks weiter erhöht werden im Inneren des Geräts. Tagsüber kühlt das Solarpanel das Wasser oder wandelt es in Eis um. Nachts verlangsamt dieses kalte Wasser oder Eis die Erwärmung des Kühlschranks.14

Ein direkt solarbetriebener Kühlschrank öffnet sich ebenfalls oben, nicht vorne. Kalte Luft ist schwer und so geht viel weniger Energie verloren, wenn jemand die Tür öffnet. All diese Designentscheidungen führen zu einer spektakulären Energieeffizienz. Eine Studie mit Direktsolarkühlschränken in sehr sonnigen Regionen (Texas und New Mexico, USA) zeigte, dass sie ihre Kühlkapazität 6 oder 7 Tage lang ohne Stromversorgung aufrechterhielten. Die Einheiten wurden das ganze Jahr über mit Solarmodulen von nur 80 W bis 120 W betrieben.15 Die Living Energy Farm versorgt ihren Solarkühlschrank mit einem 200-W-Panel.10

Bild: Der Sundanzer DDR165. Ein Kühlschrank, der speziell für direkte Solarenergie entwickelt wurde. Foto: Sundanzer.

Im Gegensatz zur Solarheizung ist die Solarkühlung optimal auf saisonale Schwankungen der Sonneneinstrahlung abgestimmt. Im Sommer, wenn mehr Sonnenenergie zur Verfügung steht, benötigt die Kühlung mehr Energie. Der oben erwähnte Kühlschrank in New Mexico verzeichnete im Sommer einen Stromverbrauch von 406 Wattstunden pro Tag und im Winter nur 230 Wattstunden.16 Darüber hinaus kann die Technologie in der gesamten Kühlkette eingesetzt werden, von der der Haushaltskühlschrank nur einen kleinen Teil ausmacht ( aber wesentlicher) Teil. Eine weitere Anwendung ist die Luftkühlung, obwohl diese weniger gut erforscht und anspruchsvoller ist.17

Grundsätzlich kann ein herkömmlicher Herd auch direkt an ein Solarpanel angeschlossen werden, allerdings ist dies wie bei einem herkömmlichen Kühlschrank nicht sehr praktisch. Man kann nur tagsüber kochen und muss viele Sonnenkollektoren installieren. Eine einzelne Kochplatte benötigt 1.000 Watt elektrische Leistung. Ein Solar-Elektrokocher löst diese Probleme, indem er das Kochfeld mit einer Wärmedämmung ausstattet. Bei der Technik handelt es sich grundsätzlich um eine Kombination aus Elektrokochfeld und Heubox.

Bild: Test eines elektrischen Solarkochers. Foto: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Dank der Wärmedämmung speichert ein elektrischer Solarkocher tagsüber langsam Wärme, die dann nach Sonnenuntergang zum Kochen genutzt werden kann. Auf diese Weise kann eine deutlich geringere Stromzufuhr ausreichen, um hohe Temperaturen zu erreichen. Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie Ihren Herd „aufladen“, nicht mit Strom, sondern mit Wärme.

Forscher der US-amerikanischen California Polytechnic State University (Cal Poly) bauten 2015 den ersten solarelektrischen Kocher. Ihr inzwischen weiterentwickeltes 12-Volt-Gerät benötigt zum Betrieb nur noch ein 100-W-Solarpanel. Es bringt einen Liter Wasser in einer Stunde zum Kochen. Bei einem ganzen Tag Sonnenlicht können damit fast 5 kg Bohnen, Reis, Eintopf oder Kartoffeln gekocht werden.18

Das Kochen nach Sonnenuntergang ist möglich, indem man einen Kochtopf mit einem viel dickeren Boden (5-10 kg) verwendet. Dem Forschungsteam von Cal Poly gelang es, die Temperatur dieses festen Wärmespeichers mit einem 100-W-Solarpanel in fünf Stunden auf 250 °C zu bringen. Anschließend konnten sie nach Sonnenuntergang innerhalb von drei Sekunden einen Liter Wasser zum Kochen bringen. In einem anderen Test haben sie 1 kg Gemüse in zwei Minuten gebraten. Die ideale Konfiguration besteht aus zwei Kochtöpfen: einem mit und einem ohne Wärmespeicher. So kann ein elektrischer Solarkocher je nach Tageszeit und Gericht sowohl langsam als auch schnell kochen.19

Bild: Das Prinzip eines Solar-Elektrokochers mit festem Wärmespeicher. Zeichnung: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Wie Solarwasser- und Raumheizungssysteme können Kochen und Kühlen sowohl mit als auch ohne Strom funktionieren – mit PV-Modulen einerseits und solarthermischen Kollektoren andererseits. Doch während solare Raumheizung und Warmwasserbereitung ohne Strom kosten- und energieeffizienter sind, ist es bei solarer Kühlung und solarem Kochen genau umgekehrt.

Raum- und Warmwasserbereitung erfordern relativ geringe Temperaturunterschiede, die durch kostengünstige Solarthermie-Kollektoren aus Glasplatten und Wasserrohren bereitgestellt werden können. Im Gegensatz dazu erfordern Kühlen und Kochen größere Temperaturunterschiede, die anspruchsvollere (Vakuumröhren- oder Parabol-)Solarkollektoren erfordern – und diese sind teurer als PV-Module.20 21

Einzige Ausnahme ist ein einfacher Solarkocher – eine Isolierbox mit Glasplatte – der aber keine so hohen Temperaturen erreichen kann. Darüber hinaus bietet ein elektrischer Solarkocher einige zusätzliche Vorteile. Bei einem nicht elektrischen Gerät muss man draußen kochen, was weniger praktisch, aber auch weniger effizient ist, insbesondere im Winter: Ein thermischer Solarkocher gibt mehr Wärme an die Umgebung ab. Ein elektrischer Solarkocher ist zudem energieeffizienter, da er allseitig isoliert ist. Es funktioniert auch besser bei bewölktem Wetter und kann nach Sonnenuntergang verwendet werden. Auf der Living Energy Farm kommt der Parabol-Solarkocher nur unter optimalen Bedingungen zum Einsatz – bei voller Sonne und hohen Außentemperaturen.

Obwohl die Living Energy Farm all diese Anwendungen direkter Solarenergie in die Praxis umsetzt, gibt es einige technische Herausforderungen für diejenigen, die diesem Beispiel folgen möchten. Fast alle unsere modernen Technologien sind für den Betrieb mit einer stabilen und unterbrechungsfreien Stromversorgung ausgelegt. Das muss nicht so sein, aber im Moment erfordert direkte Solarenergie normalerweise etwas Bastelei. Ein direktes Solarsystem ist viel einfacher zu bauen als ein autonomes System mit Batterien, erfordert jedoch häufig Modifikationen auf der Geräteseite.

Einige Geräte können direkt an ein Solarpanel angeschlossen werden: Es reicht aus, die positiven und negativen Kontakte des Solarpanels und des Geräts zu verbinden. Beispielsweise vertragen Maschinen mit Gleichstrommotor große Schwankungen in der Stromversorgung. Auf diese Weise funktionieren auch die Metallwerkstatt und die Landmaschinen der Living Energy Farm. Wenn Wolken die Sonne blockieren, kann die kombinierte elektrische Belastung größer werden als die Stromversorgung durch die Solarpaneele, die Maschinen werden dadurch jedoch nicht gestoppt. Alle Motoren werden langsamer, weil sie die verfügbare Energie teilen, aber alle leisten weiterhin nützliche Arbeit.10 22

Gleiches gilt für alle Geräte, die auf Basis von Widerstandsheizelementen arbeiten, wie zum Beispiel Wasserkocher, Kochplatten oder Elektroheizsysteme. Sie arbeiten unabhängig von Strom oder Spannung, nur langsamer oder schneller. Ein direkt solarbetriebener Kühlschrank arbeitet vorzugsweise mit einem variablen Gleichstromkompressor, der seine Drehzahl an die schwankende Solarstromproduktion anpassen kann.10 23

Viele andere Geräte benötigen einen bestimmten und stabilen Spannungseingang, der normalerweise nicht mit dem übereinstimmt, was das Solarpanel erzeugt. Dies kann gelöst werden, indem ein DC-DC-Wandler (ein „Buck“- oder „Boost“-Wandler) zwischen dem Solarpanel und dem Gerät platziert wird. Hierbei handelt es sich um ein kleines elektronisches Modul, das die schwankende Spannung eines Solarpanels in eine konstante Ausgangsspannung für ein Niederspannungsgerät (5 V, 12 V oder höher) umwandelt.24

Bild: Experimente mit direkter Sonnenenergie. Foto: Marie Verdeil.

Wenn Sie zusätzlich einen Wechselrichter verwenden, können auch Netzgeräte direkt an einem Solarpanel betrieben werden.25 DC-DC-Wandler sind für alle Geräte, die elektronische Komponenten enthalten, unerlässlich. Dies ist heute bei vielen Geräten der Fall, auch bei solchen wie Waschmaschinen oder Kaffeemaschinen, die bis vor Kurzem ohne Elektronik auskamen. Dadurch haben Sie oft zwei Möglichkeiten, solche Geräte direkt mit Solarenergie zu betreiben. Sie können entweder einen DC-DC-Wandler einbauen oder das Gerät modifizieren, indem Sie die Elektronik umgehen.

Die meisten direkten Solarenergieanwendungen arbeiten mit niedriger Spannung, sodass Sie dies bedenkenlos selbst durchführen können. Das Low-Tech Magazine wird in Kürze ein Handbuch dazu veröffentlichen. Allerdings nutzt die Living Energy Farm für eine Reihe von Anwendungen Gleichstrom mit höheren Spannungen. Beispiele sind die Werkzeugmaschinen in der Metallwerkstatt (90V) und eine Reihe leistungsstarker elektrischer Solarkocher (48V, 180V). Es ist keine gute Idee, diese Systeme selbst zu bauen, es sei denn, Sie haben die Hilfe eines qualifizierten Elektrikers, da diese Spannungen zu tödlichen Unfällen führen können.

Wer seinen eigenen (Niederspannungs-)Elektro-Solarkocher bauen möchte, findet sowohl bei Living Energy Farm als auch bei Cal Poly ausführliche Anleitungen.26 Die Geräte können aus einfachen Materialien hergestellt werden. Das Isoliermaterial sollte feuerfest sein. Beispielmaterialien sind Steinwolle, Glasfaser, Naturwolle oder Ton.

Für Heizelemente können verschiedene Technologien verwendet werden, die einfachste Option ist jedoch das Einbetten von Nichromdrähten in Zement. Diese Kabel können von einer Vielzahl von Geräten wie Toastern, Öfen und Kochplatten stammen. Grundsätzlich können die Heizdrähte direkt am Kochtopf befestigt werden, praktischer ist es jedoch, ein beheiztes „Nest“ zu bauen, in das ein Topf gestellt werden kann.

Bild: Inspiriert durch die Arbeit von Cal Poly hat Living Energy Farm auch eine Reihe elektrischer Solarkocher entwickelt, von denen sie einen auf ihrer Website zum Verkauf anbieten. Der Roxy Oven kann als Kochplatte oder Backofen, beispielsweise zum Brotbacken, verwendet werden. Auch bei der Nutzung als Kochplatte bleibt die Tür geschlossen. Dieser Solarkocher verfügt über keinen Energiespeicher.

Bild: Der Roxy-Ofen ohne Tür und mit sichtbarer Glaswolleisolierung. Das in der Metallwerkstatt mit direktem Solarstrom hergestellte Gerät wird mit 48 V betrieben und benötigt ein Solarpanel von 200 bis 500 Watt. Living Energy Farm bietet den Solarkühlschrank von Sunstar auch online zum Verkauf an.

Die Nachhaltigkeit einer Solaranlage hängt nicht nur von der Energie ab, die zur Herstellung und Wartung der Infrastruktur benötigt wird, sondern auch von der Energie, die die Solarmodule während ihrer Lebensdauer produzieren. Einige Leute werden argumentieren, dass die direkte Nutzung von Solarenergie in dieser Hinsicht herkömmlichen netzgekoppelten oder batteriebetriebenen Solaranlagen unterlegen ist.

Schließlich werden Staubsauger, Waschmaschine und Bohrmaschine nicht jeden Tag genutzt und wenn kein Elektrogerät angeschlossen ist, produziert auch ein Solarpanel keinen Strom. Folglich nimmt die vom Modul erzeugte Strommenge im Laufe seiner Lebensdauer ab, während die für die Herstellung des Moduls benötigte Energie gleich bleibt. Dadurch wird der Strom aus einem direkten Solarpanel kohlenstoffintensiver.

Da jedoch die Energiespeicherung in Batterien (oder die netzgebundene Alternative) einen so großen Anteil der gesamten investierten Energie ausmacht, kann ein eigenständiges Solarmodul ziemlich viel Energie verschwenden, bevor es weniger nachhaltig wird als sein Gegenstück mit Batteriespeicher oder Netzanschluss.

Darüber hinaus werden durch die direkte Nutzung von Solarstrom Lade- und Entladeverluste durch Batterien oder Energieverluste in der Übertragungsinfrastruktur bei netzgekoppelten Systemen vermieden. Beides muss durch zusätzliche Solarpaneele ausgeglichen werden. Darüber hinaus verschwenden auch an Batterien oder das Netz angeschlossene Solarmodule Strom – eine Folge der großen Unterschiede in der Energieproduktion zwischen Sommer und Winter.

Dennoch ist es wichtig, die Energieproduktion eines direkten Solarmoduls zu maximieren. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, noch einmal auf die ursprüngliche Beispielanlage auf meinem Balkon zurückzukommen. Direkte Solarenergie könnte eine schöne Ergänzung zu diesem System sein, insbesondere für Kühlschrank und Herd. Aufgrund dieser Geräte kam ich 2016 zu dem Schluss, dass es unmöglich sei, meine Wohnung vollständig vom Stromnetz zu trennen.

Die Living Energy Farm zeigt jedoch, dass es machbar ist: Auf dem Balkon ist Platz für weitere 200 Watt Solarpaneele (4 x 50 W), genug, um sowohl einen wärmeisolierten Kühlschrank als auch ein Kochfeld mit Strom zu versorgen. Zusätzliche Batteriekapazität wäre nicht erforderlich.

Für andere Geräte nützt mir der direkte Solarstrom allerdings kaum. Es wäre nicht sehr effizient, ein zusätzliches Solarpanel für die Waschmaschine oder die Bohrmaschine zu installieren, da diese nur gelegentlich genutzt werden. Dies scheint einem „intelligenten“ Stromnetz in die Hände zu spielen, denn so können viele Haushalte den gleichen Solarstrom nutzen – es ist immer jemand da, der Wäsche waschen oder ein Loch bohren muss.

Allerdings erfordert ein solches Smart Grid eine Menge Infrastruktur, selbst wenn in diesem Umfang direkte Solarenergie genutzt würde. Es sind möglicherweise keine Batterien oder fossilen Brennstoffe als Backup erforderlich, es ist jedoch eine Übertragungs- und Kommunikationsinfrastruktur erforderlich.

Bild: Ein Plattenspieler mit direkter Solarenergie. Foto: Marie Verdeil. Schau das Video.

Die Living Energy Farm zeigt eine alternative Lösung: die gemeinschaftliche Organisation von Haushaltsaufgaben und -arbeiten. Anstelle eines kommunalen Stromnetzes, das die Energie an viele einzelne Haushalte verteilt, können wir kollektive Dienstleistungen mit dezentraler Energieerzeugung aufbauen.

In der Gemeinschaftswerkstatt Living Energy Farm lässt sich direkter Solarstrom deutlich effizienter nutzen als in einer Einzelwerkstatt, die nur gelegentlich genutzt wird. Auch eine Gemeinschaftswäscherei in jeder Straße würde den direkten Solarstrom deutlich effizienter nutzen. Darüber hinaus sparen wir auf diese Weise viel Energie beim Einbau von Geräten und gewinnen viel Platz.

Diese Strategie wird noch wichtiger, wenn wir uns nicht für direkte Solarenergie, sondern für direkte Windenergie entscheiden – oder eine Kombination aus beidem. Die Living Energy Farm liegt in einer sonnigen Region, der gleiche Ansatz könnte aber auch an windigen Orten funktionieren.

Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen Solarenergie und Windkraft. Die Effizienz eines Solarpanels hängt nicht von seiner Größe ab, wodurch Solarenergie ideal für die dezentrale Energieerzeugung ist. Im Gegensatz dazu steigt der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage mit zunehmendem Rotordurchmesser überproportional. Viel besser als eine Windkraftanlage pro Haushalt ist daher eine etwas größere Windkraftanlage für eine Haushaltsgemeinschaft, z. B. zur Stromversorgung einer Gemeinschaftswäscherei oder Werkstatt.

Von Simon Cottle, Resilience.org

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Das Problem bei unserem Ansatz für erneuerbare Energien besteht darin, dass wir darauf bestehen, dass Strom immer unbegrenzt verfügbar sein sollte, unabhängig vom Wetter, den Jahreszeiten oder der Tageszeit. Die Anpassung der Energienachfrage an das Angebot – wie dies in der Vergangenheit der Fall war – würde zu einer drastischen Reduzierung der Kosten und des Verbrauchs fossiler Brennstoffe führen.

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