Erneuerbare Energien im Sachunterricht der Grundschule

Inhaltsverzeichnis

Teil I: Erneuerbare Energien und die Energiewende

1 Begriffsbestimmung
1.1 Formen erneuerbarer Energien
1.2 Die Sonne und ihre Energie
1.2.1 Photovoltaik
1.2.2 Solarthermie
1.2.3 Sonnenkollektoren
1.2.4 Passive Solarnutzung
1.3 Staatliche Maßnahmen für den Ausbau erneuerbarer Energien
1.4 Ökologische und ökonomische Nachteile erneuerbarer Energien
1.5 Erneuerbare Energien – eine Investition in die Zukunft?

2 Die Energiewende
2.1 Klimaveränderungen mit katastrophalen Folgen
2.2 Die Rolle der Politik
2.2.1 Rio de Janeiro 1992
2.2.2 Johannesburg 2002
2.3 Anforderungen an eine nachhaltige Energieversorgung

Teil II: Umweltbildung in Theorie und Praxis

3 Neuausrichtung der Umweltbildung
3.1 Beschlüsse der Kultusministerkonferenz (KMK)
3.2 Beschlüsse der Bund–Länder–Kommission (BLK)
3.3 Einschätzung der Umweltbildung

4 Sonnenenergie als Inhalt im Sachunterricht der Grundschule
4.1 Anforderungen an die Umweltbildung in der Grundschule
4.2 Handlungsorientierte Verfahren in der Grundschule
4.3 Handlungsorientierung im Sachunterricht am Beispiel der Sonnenenergie
4.3.1 Lehrplanbezug
4.3.2 Handlungsorientierte Methoden versus Projektunterricht
4.3.3 Energiesparen – eine Einstiegsmöglichkeit
4.3.4 Handlungsorientierte Lehrformen zur Sonnenenergie

5 Resümee

Anhang

Literaturverzeichnis

Verzeichnis der Literatur im Internet

Abbildungen

Literaturanhang

Einleitung

Begriffe wie erneuerbare Energien, Umweltverschmutzung, Klimaveränderungen, Ozonloch, Treibhauseffekt, Ressourcenknappheit, Energiewende, Agenda 21, Bildung für eine nachhaltige Entwicklung und Nachhaltigkeit haben die Öffentlichkeit in den letzten Jahren immer wieder sehr beschäftigt.

Durch die Energiewirtschaft des Industriezeitalters sind in unserer Umwelt erhebliche Schäden entstanden. Der stetig wachsende Energieverbrauch der Industrieländer und zunehmend auch der Entwicklungsländer macht eine Energiewende unumgänglich. Seit einigen Jahrzehnten sind der Öffentlichkeit sowohl Umweltverschmutzung, Klimaproblematik und Ressourcenknappheit als auch die Notwendigkeit von Alternativen zur traditionellen Energiegewinnung bekannt. Die Potentiale und das (Handlungs–)Wissen zur zweckmäßigen Realisation alternativer Nutzungstechnologien sind vorhanden und diverse Beschlüsse mit dem Ziel einer nachhaltigen Entwicklung^[1] wurden bereits verabschiedet. Es zeigt sich allerdings eine große Diskrepanz zwischen Umweltbewusstsein und Umweltverhalten. Worin können die Umsetzungsschwierigkeiten begründet sein? Laut Hauff liegen die größten Defizite in der Umsetzung von Nachhaltigkeit darin,

[…] dass wir unsere Kinder nicht ernst genug nehmen. Und das ist falsch, das ist egoistisch. Die Verantwortung für die Zukunft anzunehmen, bedeutet nicht, eine große Last zu tragen, sondern auf eine falsch verstandene Freiheit zu verzichten. Auf eine Freiheit, die nur den eigenen Wohlstand und den eigenen Genuss in den Mittelpunkt stellt. Der Grundgedanke der Nachhaltigkeit ist der, ernsthaft die Interessen der kommenden Generationen und ihre Bedürfnisse mit einzubeziehen in die Entscheidungen, die wir heute zu fällen haben.^[2]

Die Gegenwarts– und Zukunftsbedeutung des Themas erneuerbare Energien kann somit für SchülerInnen^[3] kaum bedeutender sein, da ihre zukünftige Versorgungssicherheit an den Ausbau dieser Energien geknüpft sein wird. Durch die Auseinandersetzung mit dem Thema im Unterricht können die SchülerInnen lernen, sich einerseits für ihre gegenwärtigen und zukünftigen Bedürfnisse und Interessen gegenüber der Öffentlichkeit einzusetzen und andererseits die Verantwortung für ihr eigenes Handeln und Tun zu übernehmen.

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei große Teile. Zunächst sollen in den ersten zwei großen Kapiteln die erneuerbaren Energien und die Dringlichkeit einer Energiewende dargestellt werden, bevor ich in den letzten beiden Kapiteln auf Umweltbildung in Theorie und Praxis anhand der Sonnenenergie zu sprechen komme.

Anfangs verlangt die Thematik eine fachwissenschaftliche Sachanalyse. Im ersten Kapitel wird daher untersucht, was erneuerbare Energien sind und welche Möglichkeiten der Nutzbarmachung es gibt. Um dem Anspruch einer wissenschaftlichen Arbeit gerecht zu werden, setze ich mich mit Sonnenenergie und ihren verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten sehr ausführlich auseinander. Eine tief greifende Darlegung der anderen erneuerbaren Energien würde allerdings den Rahmen dieser Arbeit sprengen.

Nach Darstellung der verschiedenen Technologien wird der Frage nachgegangen, welchen Stellenwert erneuerbare Energien für eine nachhaltige Energieversorgung haben. Gibt es Fördermittel und Forschungsbedarf? Welche Bedeutung haben einerseits Schwachpunkte und andererseits Potentiale der erneuerbaren Energien? Im Hinblick auf die gesellschaftliche Relevanz einer nachhaltigen Entwicklung (auch im Energiesektor) wird die von der Agenda 21 geforderte Neuausrichtung der Bildung dargelegt, bevor die sich daraus ergebenden Anforderungen an die Umweltbildung in der Grundschule betrachtet werden.

Das zweite Kapitel stellt den Zusammenhang zwischen den katastrophalen Klimaveränderungen, der Begrenztheit fossiler Ressourcen und der Nutzung erneuerbarer Energien dar. Welche Rolle spielt die internationale Politik für die Energiewende? Misst man der schulischen Umweltbildung in diesem Zusammenhang eine Bedeutung bei? Wie sehen schließlich die Anforderungen an eine nachhaltige Energieversorgung aus?

Im dritten Kapitel wird ausgehend vom Steuerungsinstrument Umwelterziehung die Neuausrichtung der Bildung von Interesse sein. Welche Beschlüsse und Programme wurden in Deutschland im Bildungsbereich verabschiedet? Auf welche Altersstufen beziehen sich diese? Wie werden die Wirkungen von Umweltbildung eingeschätzt?

Im vierten Kapitel wird erarbeitet, wie Anforderungen an die Umweltbildung in der Grundschule aussehen. Auf welche Weise lassen sich umweltpädagogische Themen für Grundschulkinder didaktisch erschließen? Gibt es ein Konzept für Erarbeitungsprozesse im Unterricht? Das Unterrichtsprinzip Handlungsorientierung wird in der untersuchten Literatur sehr häufig erwähnt und scheint aufgrund der vielen gesellschaftlichen Veränderungen mittlerweile unverzichtbar. Deshalb werden anhand einer einschlägigen Veröffentlichung von Gudjons^[4] mögliche Ursachen mangelnder Handlungsmöglichkeiten in unserer modernen Gesellschaft beleuchtet. Wie könnte eine daraus resultierende Konzeption handlungsorientierter Verfahren im Sachunterricht aussehen? Nach Bezugnahme auf den aktuellen Berliner Rahmenplan Sachkunde^[5] lassen sich dann die vorgestellten Unterrichtsvorschläge zum Thema Sonnenenergie nicht nur auf die dargestellten Anforderungen an die Umweltbildung in der Grundschule, sondern auch in Bezug auf ihre Handlungsorientierung interpretieren.

An dieser Stelle möchte ich noch betonen, dass in der vorliegenden Arbeit eine theoretische Auseinandersetzung mit der Thematik stattfindet. Die Unterrichtsvorschläge werden nicht experimentell überprüft und können sich daher nur auf die Darstellungen in der Literatur beziehen. Ich habe Lehr– und Schulbücher bewusst aus meiner Literaturrecherche herausgehalten. Bei der verwendeten Literatur handelt es sich um zusätzlich angebotenes Material von Nicht–Regierungs–Organisationen^[6] und der Bundesregierung sowie selbständig und unselbständig erschienene Literatur zum Thema. Die Entscheidung in Bezug auf die Literaturauswahl habe ich getroffen, da Lehrmittel notwendigerweise inhaltlich eng an den jeweiligen Rahmenplan gebunden sind. Da jedoch im aktuellen Berliner Rahmenplan für den Lernbereich Sachunterricht^[7] ein Thema wie Sonnenenergie nicht explizit genannt wird, ist eine Analyse von Schul– und Lehrbüchern wenig ertragreich. Des Weiteren beschränke ich mich in dieser Arbeit auf die Analyse von Printmedien. Der Einbezug von Videos oder CDs würde aufgrund der anfallenden Differenzierung der Medien und ihrer unterschiedlichen Wirkung auf die Kinder zu weit führen. Abschließend möchte ich noch darauf hinweisen, dass ich mich bei der Literaturrecherche um eine möglichst vollständige Erfassung der Unterrichtsvorschläge zum Thema Sonnenenergie bemüht habe. Trotzdem erhebt diese Arbeit nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.

Teil I: Erneuerbare Energien und die Energiewende

1 Begriffsbestimmung

Unter erneuerbaren Energien versteht man die auf die Erde einstrahlende Sonnenenergie, die kinetische^[9] Energie des Meeres und des Windes, die jährlich nachwachsende Biomasse, die potentielle^[10] Energie des Wassers und die geothermische Energie^[11]. Die Nutzung erneuerbarer Energien für mechanische oder energetische Prozesse ist keine Erfindung der Neuzeit. Viele Jahrtausende lang standen den Menschen nur diese Energiequellen zur Verfügung. Der Wirkungsgrad war mangels moderner Technologien jedoch sehr gering.^[12] Sonnenenergie wurde beispielsweise dafür genutzt, aus Salzlösungen durch Verdunstung Salz zu gewinnen, Lebensmittel durch Dörrung haltbar zu machen und Brauchwasser durch die Sonne zu erwärmen.^[13][8]

Erneuerbare Energien werden auch als regenerative oder alternative Energien bezeichnet. Sie stellen eine Alternative zu den nicht erneuerbaren und daher endlichen Energierohstoffen dar, die heute noch den größten Teil der globalen Energieversorgung ausmachen.^[14] Regenerativ bzw. erneuerbar werden diese Energien deshalb genannt, da bei ihrer Nutzung nur geringfügige Anteile der natürlichen Energieströme in Form von Strahlung, Wärme oder Bewegung aus der Ökosphäre entnommen und nach der Nutzung durch den Menschen wieder an die Umwelt zurückgegeben werden. Die unerschöpflichen Energieströme können einerseits von Sonnenenergie und andererseits auch von Windenergie, Wasserkraft, Biomasse oder Geothermie bzw. Erdwärme herrühren. Letzen Endes bezieht jedoch jedes Leben und jede Energieform auf der Erde seine Kraft aus der Sonne.^[15] Die Sonne steht bei diesem Prozess als naturgegebener Fusionsreaktor zur Verfügung, der die Erde bereits seit rund viereinhalb Milliarden Jahren mit Energie versorgt.

Sicherlich sind Begriffe wie regenerative, erneuerbare und unendliche Energie der Sonne insofern nicht korrekt, als dass die Sonne ebenso thermodynamischen Prozessen unterliegt wie jeder andere Energieträger. Im Angesicht von weiteren viereinhalb Milliarden Jahren Kernfusion im Inneren der Sonne scheint es jedoch gerechtfertigt, im Verhältnis zur menschlichen Größen– und Zeitvorstellung von der Dauerhaftigkeit oder Unerschöpflichkeit der Sonnenenergie zu sprechen.

Das aus den unerschöpflichen Energieströmen, die in etwa 3000–mal so groß wie der jährliche Weltenergieverbrauch sind, abgeleitete technische Nutzungspotential erneuerbarer Energien liegt selbst bei strengen Restriktionen immer noch beim Sechsfachen des gegenwärtigen globalen Erdenergieverbrauchs. Während die solare Strahlungsenergie insgesamt 65 Prozent dieses Potentials ausmacht^[16], ist die Sonnenenergienutzung in der EU nur mit einem knappen Prozent an der Nutzbarmachung erneuerbarer Energiequellen beteiligt.^[17] Es liegt auf der Hand, dass in diesem Bereich ein großes Potential für die zukünftige Energieversorgung steckt.

Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit hält bis zur Mitte des 22. Jahrhunderts eine Deckung von 50 Prozent des globalen Primärenergieverbrauchs durch erneuerbare Energien für möglich. Heutzutage sind die erneuerbaren Energien jedoch erst mit 4 Prozent am Weltenergieverbrauch und mit 19 Prozent am globalen Stromverbrauch beteiligt.^[18] Die Nutzung erneuerbarer Energien ist in Deutschland leicht steigend, ihr Anteil liegt jedoch mit ungefähr 8 Prozent am Bruttostrom und 3 Prozent an der Primärenergie^[19] unter dem Anteil erneuerbarer Energien innerhalb der EU.^[20]

Um weiterhin das Wachstum dieser Technologien zu fördern, wurde am 17. Dezember 2003 der Gesetzesentwurf zur Neuregelung des Erneuerbare–Energien–Gesetzes vorgelegt. Der Vorschlag kam von Bundesumweltminister Trittin: „Wir wollen die erneuerbaren Energien konsequent weiter ausbauen. Ziel der Bundesregierung ist, den Anteil der erneuerbaren Energien an der gesamten Stromversorgung bis zum Jahr 2010 auf mindestens 12,5 Prozent und bis zum Jahr 2020 auf mindestens 20 Prozent zu steigern“.^[21]

Es bleibt hingegen die Frage offen, warum überhaupt so viel Wert auf die Förderung und den Ausbau dieser Energien gelegt werden. Dazu muss man wissen, dass erstens die bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehenden Treibhausgase für katastrophale Klimaveränderungen sorgen^[22] und dass zweitens die den heutigen Energiebedarf deckenden Energieressourcen nicht unerschöpflich sind und nach heutigen Berechnungen in einigen Jahrzehnten verbraucht sein dürften.^[23] Deshalb räumt man der Entwicklung neuer Technologien zur Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen sowie Modellen zur Einsparung von Energie in den letzten Jahren einen sehr hohen Stellenwert ein.^[24] Denn die erfolgreiche Deckung unseres zukünftigen Energiebedarfs wird von einer fortschrittlichen Entwicklung in diesen Forschungsbereichen abhängig sein. Welche Möglichkeiten der Nutzbarmachung erneuerbarer Energiequellen gibt es und wie sehen diese im Einzelnen aus? Die Energiegewinnung aus Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und Geothermie möchte ich im Folgenden übersichtsartig darstellen, bevor ich detailliert auf die aktive und passive Nutzung von Sonnenenergie eingehe.

1.1 Formen erneuerbarer Energien

Windenergie wird schon seit Jahrhunderten vom Menschen genutzt. Moderne Windkraftanlagen nutzen das Auftriebsprinzip anstatt des Widerstandsprinzips der Segelschiffe oder Windmühlen. Der Wind erzeugt beim Vorbeiströmen an den Flügeln bzw. Rotorblättern einen Auftrieb, ähnlich wie bei einem Flugzeug. Die modernen Anlagen erreichen heute einen Wirkungsgrad von 50 Prozent und liegen damit sehr nahe am maximal möglichen Nutzungspotential von 60 Prozent. In der Praxis hat sich die Konstruktion eines horizontal gelagerten Rotors mit 3 Rotorblättern durchgesetzt, da die mechanische Belastung und die potentielle Lärmbelästigung auf diese Weise am geringsten sind. Bedeutende Verbesserungspotentiale und höhere Wirkungsgrade vermutet man bei der Reduzierung des Materials, der Verbesserung der Aerodynamik sowie der Verringerung von Schallemissionen. In Deutschland werden sie heutzutage ausschließlich für die netzgekoppelte Erzeugung von Elektrizität eingesetzt und decken 3 Prozent des Strombedarfs.^[26] Die Kosten einer Kilowattstunde aus Windenergie liegen heute bei 5,5 bis 13 Eurocent.^[25]

Wasserkraft wurde ebenfalls schon vor der Industrialisierung zum Antrieb von Maschinen verwendet. Die größten Nutzungspotentiale liegen im deutschen Voralpenraum, da hier die Höhenunterschiede für geeignete Gefälle sorgen. Ausbaupotentiale bestehen vor allem bei Kleinkraftwasserwerken und deren Reaktivierung und Modernisierung. Man unterscheidet Speicherkraftwerke und Laufwasserkraftwerke. Bei Speicherkraftwerken wird das hohe Gefälle von Talsperren oder Bergseen zur Stromerzeugung genutzt. Bei Laufwasserkraftwerken erzeugt die Strömung eines Kanals oder Flusses mit einer relativ großen Wassermenge und geringer Fallhöhe den Strom. In Deutschland wird mit diesen ausgereiften Technologien fast nur elektrischer Strom hergestellt, der 4,2 Prozent des Strombedarfs deckt.^[27] Eine Kilowattstunde aus Wasserkraft kostet heute 10 bis 20 Eurocent.

Bei der Nutzung von Biomasse durch Verbrennung, Verrottung oder Vergasung kann nur jenes CO2 an die Atmosphäre abgegeben werden, welches die Pflanzen zuvor beim Wachstum ihrer Umgebung entnommen haben.^[28] Wenn demnach Nutzung und Regeneration der Biomasse im Gleichgewicht stehen, ist diese Form der Energiegewinnung äußerst klimaschonend, da keine zusätzlichen Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen.^[29] Als Biomasse gelten nach dem Erneuerbare–Energien–Gesetz Stoffe pflanzlichen und tierischen Ursprungs. Die wichtigsten sind Holz, Holzrest, Schilfgras, Reststroh, Getreideganzpflanzen, Zucker– und Stärkepflanzen, ölhaltige Pflanzen und organische Reststoffe wie Gülle, Bioabfall, Klärschlamm, Abwässer, Speisereste. Biomasse wird ebenso für die Wärmeerzeugung in Kleinanlagen, für den Einsatz in Kraft–Wärme–Kopplungs–Anlagen sowie für die Herstellung von Biokraftstoff verwendet. Holzgas oder Biogas können überdies in konventionellen Blockheizkraftwerken in Strom und Wärme umgewandelt werden.

Biomasse hat einen Anteil von 3,4 Prozent an der Wärmebereitstellung, weniger als ein Prozent an der Stromversorgung sowie 0,8 Prozent am Kraftstoffverbrauch.^[30] Die Kosten für Wärme liegen heute bei 1 bis 10 Eurocent pro Kilowattstunde und für Strom bei 5 bis 20 Eurocent pro Kilowattstunde. Biodiesel hingegen kann aufgrund der Herstellungskosten doppelt so teuer sein wie konventioneller Treibstoff. Nur durch eine Mineralöl– und Ökosteuerbefreiung könnte Biokraftstoff konkurrenzfähig werden.

Geothermie oder auch Erdwärme ist eine nach unseren Maßstäben unerschöpfliche Energiequelle, die zum größten Teil vom ständigen Zerfall radioaktiver Elemente im Erdmantel herrührt. Aus dem schmelzflüssigen Erdinneren steigt täglich ein Mehrfaches des globalen Energiebedarfs an die Oberfläche, erwärmt dabei Gesteins–, Erdschichten und Wasserreservoirs. Das Prinzip der Nutzbarmachung von Geothermie ist folgendes: Falls kein Wasser als natürliches Transportmittel in der Tiefe vorhanden ist, muss dieses zuallererst kalt hinunter gepumpt werden. Danach wird es heiß an die Oberfläche befördert, ausgekühlt und dann meist wieder in das Erdinnere zurücktransportiert. Die gewonnene Wärme kann dann beispielsweise für die Beheizung oder Kühlung von Gebäuden oder zur Stromerzeugung verwendet werden. Da Erdwärme unabhängig von der Tageszeit verfügbar ist, könnte sie einen wichtigen Beitrag zur Grundversorgung einer Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien darstellen. Die Anteile an der Strom– und Wärmebereitstellung sind äußerst gering.^[31] Eine Kilowattstunde kostet bis zu 6 Eurocent im Wärmebereich und 7 bis 15 Eurocent im Strombereich.

1.2 Die Sonne und ihre Energie

Die Sonne entspricht einem kontinuierlich arbeitenden und natürlich gegebenen Fusionsreaktor, der aus Gasen besteht und durch Gravitationskräfte zusammengehalten wird. Wahrscheinlich tragen verschiedene Fusionsreaktionen im Inneren der Sonne zur Strahlungsenergie des Planeten bei, wobei der wichtigste Prozess die Verschmelzung von vier Wasserstoffkernen bzw. Protonen zu einem Heliumkern darstellt. Da die Masse des Heliumkerns kleiner ist als die der vier Wasserstoffprotonen, wird Masse in Energie umgewandelt und als Strahlungsenergie in den Weltraum gesandt.^[32]

Die Erde erhält davon nur einen winzigen Teil, der wiederum die Lufterwärmung, die Verdunstung und die Niederschläge antreibt. Damit sorgt die Sonne für das Wetter und schafft durch Windenergie und Wasserkraft die Voraussetzungen für Windkraftanlagen und Wasserkraftwerke. Pflanzen bauen mittels des Sonnenlichts aus Kohlendioxid und Wasser organische Kohlenstoffverbindungen wie Traubenzucker oder Stärke auf. In der Glucose ist dann die Strahlungsenergie der Sonne in den Bindungen zwischen Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff chemisch gespeichert und kann in einem umgekehrten Prozess von der Pflanze selbst oder einem anderen Lebewesen als Energie wieder freigesetzt werden.

Formal lautet die Gleichung der Photosynthese:

6CO2 + 12 H2O + Strahlungsenergie der Sonne ð C6H12O6 + 6O2 +6H2O

(Kohlendioxid + Wasser + Strahlungsenergie der Sonne ð Glucose + Sauerstoff + Wasser).^[33]

Die heute auf der Erde bei der Verbrennung von Ressourcen wie Holz, Kohle, Gas oder Erdöl freigesetzte Wärmeenergie ist demnach die von Pflanzen vor Millionen von Jahren eingefangene Sonnenenergie.

Mit Hilfe von Sonnenkollektoren, solarthermischen Kraftwerken und Solarzellen wird die Energie der Sonnenstrahlung direkt genutzt, während Energienutzung aus Wind, Wasserkraft und Biomasse eine indirekte Solarenergienutzung über ein zusätzliches Medium darstellt.^[34] Um die Sonnenstrahlung so effektiv wie möglich in brauchbare Energie umzusetzen, muss ihre Konzentration künstlich erhöht und vor allem gespeichert werden, damit beispielsweise auch in der Nacht, im Winter oder bei schlechtem Wetter Energie zur Verfügung steht. Das gilt vor allem für diejenigen Industriestaaten, in denen der Einfallswinkel der Sonne unvorteilhaft und die natürliche durchschnittliche jährliche Sonneneinstrahlung (kWh/m2) besonders gering ist.^[35] Die Sonnenenergie kann heutzutage durch aktive und passive Verfahren nutzbar gemacht werden. Unter aktiver Nutzung versteht man sowohl die photovoltaische als auch die thermische Umwandlung der Sonnenenergie, während energiefreundliches Bauen eine passive Sonnenenergienutzung darstellt.

1.2.1 Photovoltaik

Die Bezeichnung Photovoltaik ist aus dem griechischen Wort für Licht, Photo, und dem Nachnamen des Physikers Alessandro Volta entstanden. Hiermit wird der Prozess der direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen bezeichnet.^[36] Im Gegensatz zur Solarthermie können Solarzellen auch bei bedecktem Himmel mit diffusem Sonnenlicht Strom erzeugen.^[37]

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken, da die vier Außenelektronen sich bei Kälte fest in die Kristallstruktur integrieren.^[38] Über 95 Prozent aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium.^[39] Silizium hat den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist. Die durch Lichteinfall freigesetzten Elektronen einer Siliziumscheibe können jedoch nur durch Dotierung freigesetzt werden. Das bedeutet, dass auf die Vorder– und die Rückseite der Zelle gezielt jeweils unterschiedliche Fremdatome eingebracht werden, die entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuss (p–leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuss (n–leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial bewirken. Dadurch werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet und so übereinander angeordnet, dass sich an der Grenzschicht ein so genannter p–n–Übergang bildet. Unter dem Einfluss von Licht bzw. Photonen entstehen aufgrund des photovoltaischen Effekts freie positive und negative Ladungen, die durch ein elektrisches Feld getrennt sind und über äußere Metallkontakte abgegriffen werden können.^[40] Wird der äußere Kreis z.B. durch einen elektrischen Verbraucher geschlossen, fließt Strom.^[41]

Die erzeugbare Spannung bei Solarzellen ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 Volt und ist nur wenig von der Lichteinstrahlung abhängig. Die Stromstärke hingegen steigt bei höherer Beleuchtungsstärke bei einer 100 cm² großen Siliziumzelle auf maximal zwei Ampere an. Da jedoch die meisten Anwendungen mehr Strom benötigen, als eine einzelne Solarzelle erzeugen kann, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Mit einer Reihenschaltung der Zellen kann man eine höhere Spannung und mit einer Parallelschaltung einen höheren Strom erzeugen.

Die existierenden verschiedenen Zelltypen werden entsprechend der Kristallart des Siliziums unterschieden: Es gibt monokristalline, polykristalline und amorphe Solarzellen.^[42] Die Herstellung von monokristallinen Zellen ist sehr aufwändig, da man hochreines Silizium benötigt. Es ist dementsprechend in der Herstellung am teuersten, weist aber auch die besten Wirkungsgrade für die Umwandlung der Strahlungsenergie auf. Einfacher ist die Herstellung von polykristallinem Silizium. Infolgedessen sind diese Zellen kostengünstiger in der Herstellung, weisen aber auch Unregelmäßigkeiten in der Kristallstruktur auf, woraus sich wiederum der geringere Wirkungsgrad einer solchen Solarzelle ergibt.

Bereits seit einigen Jahren werden in Forschungsprojekten des Hahn–Meitner–Instituts (hmi), des Fraunhofer Instituts für solare Energiesysteme (ise) und des Instituts für Solarenergieforschung (isfh)^[43] die wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen für den Einsatz von Dünnschichttechnologien in der Silizium–Photovoltaik in Forschungsprojekten erarbeitet. So genannte amorphe Solarzellen oder Dünnschichtsolarzellen werden aus kristallinem Silizium hergestellt. Sie sind besonders kostengünstig, weil sie wenig Silizium benötigen und hauchdünn auf einen preisgünstigen Träger aufgedampft werden können. Die Schichtdicken betragen ungefähr 2,5 µm,^[44] so dass die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten äußerst niedrig sind. Die Herausforderung besteht aufgrund der Temperaturbeschränkung aller Arbeitsprozesse noch bei der Aufdampfung auf Glassubstraten. Auf Glas aufgetragene Dünnschichtsolarzellen könnten dann über den Kleinleistungsbereich (z.B. Uhren und Taschenrechner) hinaus in Zukunft beispielsweise an großen Bürofassaden umweltfreundlich Strom erzeugen.^[45]

Neben dem am häufigsten eingesetzten Silizium stehen mittlerweile verschiedene Halbleitermaterialien für die Solarzellenherstellung zur Verfügung. Gerade im Bereich der Dünnschichttechnologie ist neben Silizium noch eine Vielzahl anderer Materialien in Erprobung. Neben amorphem Silizium sind die wichtigsten Verbindungen z.B. Gallium–Arsenid (GaAs), Cadmium–Tellurid (CdTe) und Kupfer–Indium–Diselenid (CIS).^[46]

Eine Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrades liegt in der Verringerung der Rekombinationsraten. An fehlerhaften Kristallstrukturen, wie an der unregelmäßigen Kristalloberfläche, gehen Ladungen durch Ladungsausgleich innerhalb der Solarzelle für den äußeren Stromkreis verloren. Im Jahr 2002 ist es Forschern vom ise gelungen einen innovativen und kostengünstigen Passivierungsprozess zu entwickeln, durch den die Rekombinationsrate verkleinert und der Wirkungsgrad auf 21 Prozent angehoben werden konnte.^[47]

Ein weiteres viel versprechendes Konzept scheint durch die Tandemzellen gegeben. Mittels einer speziellen Kombination von mehreren Halbleitern mit unterschiedlichen Energielücken kann die Solarzelle auf einen größeren Spektralbereich des Lichts reagieren. Bei Laborzellen liegen die Wirkungsgrade deutlich über denen einfacher Solarzellen.^[48]

Da die Herstellung herkömmlicher Solarzellen ziemlich energieintensiv ist, müssen die Anlagen hierzulande drei bis fünf Jahre arbeiten, um sich ökologisch zu rentieren. Die Kosten einer netzgekoppelten Kilowattstunde liegen in Mitteleuropa ungefähr zwischen 60 und 90 Eurocent, während bei netzunabhängigen Hausanlagen bis zu 1,00 Euro anfallen. Moderne Solaranlagen sind mittlerweile optisch so weit entwickelt, dass sie Dachfenstern sehr ähnlich und deshalb unauffällig sind und den ästhetische Ansprüchen genüge tragen.^[49] Weil bisherige Solarzellen noch sehr teuer bzw. nicht effizient genug sind, suchen Wissenschaftler weiter nach besseren Techniken. Die neuesten Ideen sind die Farbstoffsolarzelle und die organische Plastikzelle. Die elektrischen Ladungen werden hier nicht durch eingebaute elektrische Felder wie den p–n–Übergang sondern allein durch irreversibel ablaufende chemische Reaktionen getrennt.^[50] Weiterhin sieht es so aus, als ließe sich der Wirkungsgrad mittelfristig bis auf zehn Prozent anheben und eine Lebensdauer von zehn Jahren erreichen, wodurch das Produkt dann kommerziell nutzbar wäre.^[51] Das Positive an diesen neuen Erfindungen ist die simple und preiswerte Herstellung des Stromerzeugers und dass er aufgrund seiner flexiblen Struktur an praktisch jede Umgebung angepasst werden kann.

Im Bereich des Personenverkehrs spielt Photovoltaik eine immer bedeutendere Rolle. Es existieren bereits diverse Modelle von Elektrofahrzeugen, deren Batterie mit elektrischer Energie aufgeladen werden kann. Wenn die benötigte Energie mittels Solarzellen hergestellt wird, dann spricht man von Solarmobilen.^[52] Überdies sollen ab 2007 in einem Pilotprojekt mit einem Solarflugzeug namens Solar Impulse erste Langstreckenflüge unternommen werden können. Dieses Solarflugzeug soll samt Pilot rund 800 Kilogramm wiegen.^[53]

1.2.2 Solarthermie

Solarthermische Kraftwerke nutzen die Hochtemperaturwärme aus fokussierenden und damit die Sonne konzentrierenden Sonnenkollektoren, um eine konventionelle Kraftmaschine anzutreiben. Diese Anlagen können entweder zur reinen Stromerzeugung oder auch zur Kraft–Wärme–Kopplung eingesetzt werden. Mittels dieser kombinierten Erzeugung von Strom und Prozesswärme kann ein solarthermisches Kraftwerk beispielsweise gleichzeitig Elektrizität, Kälte über eine Absorptionskältemaschine, industriellen Prozessdampf sowie Trinkwasser über eine Meerwasserentsalzungsanlage erzeugen. Damit können bis zu 85 Prozent der gesammelten Solarwärme in Nutzenergie umgewandelt werden. Die Kraftwerke können über den Einsatz als Solarkraftwerk hinaus aufgrund einer effizienten thermischen Speicherung und der Möglichkeit der Zufeuerung mit fossilen Brennstoffen nachts als Teil eines konventionellen Kraftwerkparks genutzt werden. Damit werden Kosten gespart, vor allem solange die thermischen Speicher im Verhältnis zu den niedrigen Kosten fossiler Energieträger finanziell noch nicht tragbar sind.^[54]

Vor allem die trockenen und heißen Zonen der Erde kommen für solarthermische Kraftwerke als Standorte in Frage, da lediglich direkte Sonneneinstrahlung durch Spiegel gebündelt werden kann. Fünf verschiedene Arten solarthermischer Kraftwerke wurden bereits realisiert. Die Parabolrinnenkraftwerke ^[55] konzentrieren die Sonnenstrahlung mittels eines parabolisch gekrümmten Spiegels auf ein Absorberrohr. Der Spiegel kann eine Breite von 6m und eine Länge von 100m und das Thermoöl im Absorberrohr eine Temperatur von 400°C erreichen. Das Öl wird abgeführt und über einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung genutzt, der dann das Kraftwerk antreibt. Die Parabolrinnen werden seit Mitte der 80er Jahre in Kalifornien betrieben und haben einen Spitzenwirkungsgrad von 21 Prozent erlangt.

Bei den Solarturmkraftwerken ^[56] wird die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln ausgerichteter Spiegel, so genannter Heliostaten, auf die Spitze eines Turms konzentriert. In dem Strahlungsempfänger auf der Turmspitze wird eine Flüssigkeit verdampft. Dieser Dampf kann dann über Turbinen geleitet die Generatoren antreiben und Strom erzeugen.^[57] Die Salzschmelze, das verwendete Wärmeträgermedium dieses Kraftwerks, hat den Vorteil einer guten Energiespeicherfähigkeit. Da bei diesem Konzept jedoch Temperaturen von über 1000°C erreicht werden können, besteht die Gefahr lokaler Überhitzung der Absorberrohre. Ein Prototyp wurde Anfang der 90er Jahre auf der Plataforma Solar in Almeria getestet. Zurzeit wird an Druckluftabsorbern geforscht, mit denen man die Energie der Sonne direkt in ein modernes Kraftwerk integrieren und 50 Prozent der Energie in Strom umwandeln kann.

Den höchsten bisher nachgewiesenen solar–elektrischen Wirkungsgrad von 30 Prozent erzielen die Paraboloidkraftwerke ^[58] Hierbei wird die Sonnenenergie mittels eines zweiachsigen Parabolspiegels direkt auf einen im Brennpunkt des Spiegels aufgehängten Absorber konzentriert. Die darin befindlichen Gase wie Helium oder Luft werden auf bis zu 900°C erhitzt und treiben dann einen Motor oder eine Turbine an. Nach diesem Prinzip funktioniert auch der Sonnenofen bzw. Reflektorkocher, der aus einem Parabolspiegel bestehend das Kochgut im Brennpunkt auf hohe Temperaturen erhitzen kann.^[59]

Während die bereits genannten Konzepte nur bei direkter solarer Strahlung zum Einsatz kommen, können Aufwindkraftwerke auch die diffuse Sonnenstrahlung nutzen. Die Sonne erwärmt hier die Luft unter riesigen Glashäusern, die warme Luft steigt durch einen hohen Kamin nach oben und der dadurch entstehende starke Zug wird zum Antrieb von Windturbinen genutzt. Für effektive Leistungen sind jedoch Turmhöhen von 1000m und eine Fläche von mehreren Quadratkilometern nötig, während der Wirkungsgrad dabei immer noch niedriger ist als bei den anderen genannten Technologien.

Ein System mit einfacher und kostengünstiger Bauweise stellen die Anfang 2001 vorgestellten Kollektoren der Fresnel–Anlage ^[60] dar, deren Spiegelsegmente facettenartig angeordnet sind, um das Licht auf ein Absorberrohr zu konzentrieren. Ob sich dieses Modell als wirtschaftlich erweisen wird, dürfte die Pilotanlage zur Stromerzeugung zeigen.

Wie Eisenbeiß, Geyer und Trieb aufzeigen, hat die solare Stromerzeugung im Großmaßstab einen erheblichen Vorteil gegenüber kleinen Anlagen. Aber auch mit Kosten von 9 bis 11 Eurocent

[…] sind Solartechniken gegenüber modernen, fossil befeuerten Kraftwerken wenig attraktiv – nicht nur weil Nachhaltigkeit und vermiedene Umweltlasten betriebwirtschaftlich nicht gutgeschrieben werden, sondern auch, weil fossile Energieträger heute zu historischen Tiefpreisen erhältlich sind^[61].

Aufgrund der notwendigen Voraussetzung einer konstanten direkten Sonneneinstrahlung sind solarthermische Kraftwerke für unsere Breiten ungeeignet.

1.2.3 Sonnenkollektoren

Mit nicht fokussierenden Solarkollektoren wird Sonnenwärme in Nutzwärme umgewandelt – etwa zur Erwärmung von Duschwasser oder zum Heizen. Ein die Wärme gut absorbierendes Wärmeträgermedium fließt durch ein Schlauchsystem und wird darin durch die Solarstrahlung erwärmt. Wenn das Wärmeträgermedium Wasser ist, kann es sofort zur Warmwasserversorgung eingesetzt werden. In anderen Fällen erwärmt eine noch schneller und leichter erhitzbare Flüssigkeit ihrerseits das Wasser, wodurch die Effektivität eines Solarkollektors erhöht werden kann. Die das Wärmeträgermedium umgebenden Absorber sind meist schwarz, da schwarze Flächen die einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung besser absorbieren und weniger reflektieren als beispielsweise weiße Flächen. Einen Teil der aufgenommenen Energie gibt der Absorber aufgrund der entstehenden Temperaturdifferenz jedoch wieder an seine Umgebung ab. Dieser Anteil wird durch den Emissionsgrad charakterisiert. Technische Verbesserungen sorgen in letzter Zeit für bessere Wirkungsgrade. Selektive Beschichtungen ermöglichen eine hohe Aufnahme der kurzwelligen Sonnenstrahlung, während gleichzeitig die Emission der langwelligen Wärmestrahlung verringert wird. Anstelle der bislang eingesetzten galvanisch aufgebrachten Schichten dampft man neuerdings eine Titan–Nitrid–Oxid–Schicht auf, die sich sowohl durch einen niedrigeren Emissionsgrad als auch durch ein umweltfreundlicheres Produktionsverfahren auszeichnet.^[62][63]

Die verschiedenen technischen Ausführungen der Kollektoranlagen unterscheiden sich ebenso im Anschaffungspreis wie im Wirkungsgrad. Bei so genannten Absorbern fließt das Wärmeträgermedium durch nicht abgedeckte schwarze Kunststoffmatten. Sie werden vor allem für die Erwärmung des Badewassers in Schwimmbädern benutzt. Die erreichten Temperaturen sind zu gering für die häusliche Warmwasserzubereitung. Durch die niedrigen Anschaffungskosten sind Absorber für Schwimmbäder günstiger als fossile Energieträger.

Bei Flachkollektoren ^[64] werden Wärmeverluste durch gute Isolierung verringert. Der Absorber besteht hier aus Metall (meist Aluminium und Kupfer)^[65] und ist in einen wärmeisolierenden Kasten integriert. Die Isolierung auf der Sonnenseite ist transparent und nutzt den Treibhauseffekt. Meist setzt man ein eisenarmes Solarsicherheitsglas ein, das einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich besitzt: Die einfallende kurzwellige solare Strahlung kann die Glasscheibe ungehindert passieren, während die entstehende langwellige Wärmestrahlung zum Großteil von der Glasscheibe reflektiert wird und so zur Erwärmung des Wärmeträgermediums dient.^[66] Durch diese Wirkungsweise können Flachkollektoren auch noch Wärme liefern, wenn die Umgebungstemperatur schon abgesunken ist. Im Winter muss das vorgewärmte Wasser jedoch aufgrund mangelnder Speicherkapazitäten auf konventionelle Weise nachgewärmt werden. Für einen Vier–Personen–Haushalt bietet sich eine Kollektorfläche von 6m² an, die ungefähr 60 Prozent des jährlichen Brauchwasserbedarfs decken kann. Bei einem gut gedämmten Haus samt großflächigen Heizungssystemen können die Kollektoren auch für den Heizbedarf genutzt werden.

Bei Vakuumröhrenkollektoren ^[67] können Wärmeverluste fast vollkommen vermieden werden. Das die Absorber umgebende Vakuum wird von druckfesten Glasröhren umschlossen. Dieses Prinzip ähnelt der Isolation von Thermoskannen. Im Bereich der Kollektortechnologien haben diese Systeme die höchsten Wirkungsgrade. Da sie auch im Winter Wärme liefern können, werden sie für die Heizung von Gebäuden und die Herstellung von Prozesswärme genutzt.

Obwohl der Kollektormarkt in Deutschland in den letzten Jahren rasant expandiert^[68] und bereits über vier Millionen m² Kollektorfläche installiert ist, liegt der Beitrag solarer Wärme nur bei 2 Promille der gesamten Wärmebereitstellung. Daher wird versucht, die Kosten weiter zu optimieren, indem immer mehr größere Einzelmodule produziert bzw. zusätzlich als Dachhaut verwendet werden. Gleichzeitig soll die Montage der Anlagen vor Ort so vereinfacht werden, dass sie von begabten Laien ausgeführt werden kann. Die Wärmekosten mittels Kollektoren liegen heute bei 10 bis 25 Eurocent pro Kilowattstunde. Der Ausbau der solaren Wärme könnte in Deutschland zukünftig erheblich zur nachhaltigen Energieversorgung beitragen. Mit der Installation von unzähligen unabhängigen Kleinanlagen ist es allerdings nicht getan. Eine entscheidende Voraussetzung für eine umfassende Wärmeversorgung im größtmöglichen Ausmaß ist der Aufbau von Nahwärmenetzen. Hierbei wird eine große Anzahl von Gebäuden miteinander verbunden und gemeinsam an einen großen Speicher angeschlossen, um auch im Winter zu vertretbaren Kosten Sonnenwärme zur Verfügung zu haben.

1.2.4 Passive Solarnutzung

Unter passiver Solarnutzung versteht man die Nutzung direkter und diffuser Sonnenstrahlung ohne den Einsatz aktiver Technik zur Unterstützung oder zum Ersatz der traditionellen Gebäudeheizung. Die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärmeenergie erfolgt direkt an der Gebäudestruktur. Transparente Südfassaden, wie große Fensterflächen, Wintergärten oder eine lichtdurchlässige Wärmedämmung, sorgen für einen größtmöglichen Einfall solarer Strahlung und damit für die Erwärmung des Raums und der Wände. Die Integration von Sonnenkollektoren in die Fassadenelemente verringert trotz reduzierter Wärmedämmung den Wärmeverlust an der Fassade.^[70] Durch Kombination mit wärmespeichernden Bauteilen und vor allem einer guten thermischen Isolierung nach Norden hin wird erreicht, dass ein Gebäude insgesamt wie eine Art Sonnenkollektor fungiert.^[69]

Obwohl die durch die Fenster eintretende Sonnenenergie bei so genannten Niedrig–Energie–Häusern oder Passivhäusern tagsüber gut für Raumwärme sorgen kann, entweicht bei Nacht durch die meisten Fenster mehr Energie als durch gut gedämmte Wände. Um mit einer Fenstervergrößerung eine positive Energiebilanz erreichen zu können, muss vor allem bei Passivhäusern auf eine gute Qualität der Verglasung geachtet werden. Während sich bei Niedrigenergiehäusern der jährliche Heizwärmebedarf bereits bei einer Fenstervergrößerung mit Wärmeschutzglas verringert, erreicht man bei Passivhäusern den Effekt Fenster–als–Heizung nur mit einer sehr kostspieligen Dreifach–Verglasung. Niedrig–Energie–Häuser können schon mit einem geringen Mehrkostenaufwand realisiert werden, wohingegen sich die Investitionskosten für Passivhäuser auf ungefähr 200 Euro pro Quadratmeter Nutzfläche belaufen. Die Mehrinvestitionen beim Bau solcher Häuser können allerdings meist durch die Heizkosteneinsparungen in den Folgejahren kompensiert werden. Ein Passivhaus braucht nur gut 20 Prozent des Heizwärmebedarfs von Niedrig–Energie–Häusern bzw. 7,5 Prozent von herkömmlichen Häusern.^[71]

Als Bewohner eines Passivhauses ist man relativ unabhängig von der zukünftigen Energiepreisentwicklung, da man im Extremfall auch im Winter auf ein zusätzliches Beheizen verzichten kann. Mittels der Installation einer Photovoltaik– und Kollektoranlage samt großen Energiespeichern lässt sich überdies ein vollständig energieautarkes Haus realisieren. Die Kosten für solch ein Einzelprojekt sind jedoch sehr hoch und momentan ist solch ein Großprojekt noch wenig wirtschaftlich.

1.3 Staatliche Maßnahmen für den Ausbau erneuerbarer Energien

Die staatlichen Maßnahmen für den Ausbau erneuerbarer Energien können als direkte oder indirekte Folgen der in Kapitel 2.2 dargestellten Rolle der internationalen Politik verstanden werden. Ziel dieser Maßnahmen war und ist es, in Deutschland eine mittel– bis langfristige Wettbewerbsfähigkeit der erneuerbaren Energien zu erreichen.

Im Jahr 1990 wurde das Stromeinspeisungsgesetz beschlossen, welches die öffentlichen Elektrizitätsversorgungsunternehmen verpflichtete, den aus erneuerbaren Energien erzeugten Strom abzunehmen und zu vergüten. Das Erneuerbare–Energien–Gesetz (EEG) hat 2000 „das – auch im internationalen Vergleich – überaus erfolgreiche Stromeinspeisungsgesetz abgelöst und an die neuen Rahmenbedingungen liberalisierter Wettbewerbsmärkte angepasst.“^[72] Durch das EEG werden die Investitionen der bislang vornehmlich privaten Betreiber gesichert, indem für Strom und Wärme über eine feste Laufzeit hinweg ein bestimmter Vergütungssatz gezahlt wird. Darüber hinaus wird eine Vorrangregelung für erneuerbare Energien geschaffen.

Seit dem 17. Dezember 2003 gibt es einen Entwurf zur Reform des Erneuerbare–Energien–Gesetzes.^[73] Ebenso wie das EEG entspricht diese Novelle einer notwendigen Weiterentwicklung im Förderbereich der erneuerbaren Energien. Gemäß dem Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit werden mit ihr

[…] anspruchsvolle Anreize zur Senkung der Kosten und Erhöhung der Wirkungsgrade gegeben. Mit der Neuregelung kann erwartet werden, dass die rechnerischen Differenzkosten unterhalb der Kosten liegen werden, die sich bei unveränderter Fortführung der bisherigen gesetzlichen Regelung ergeben hätten […] und sich die Wettbewerbsfähigkeit regenerativen Stroms in dem Maße einstellen [kann], wie dessen Kosten unter die für konventionellen Strom sinken.^[74]

Eine weitere öffentliche Maßnahme zur Förderung erneuerbarer Energien war das 100.000–Dächer–Programm^[75], bei dem der Bund von 1999 bis 2004 zinsgünstige Kredite für die Installation von Photovoltaikanlagen bereitstellte. Insgesamt wurden Solarstromanlagen mit einer Spitzenleistung von 300 Megawatt auf deutschen Dächern angebracht.

Die seit Februar 2002 geltende Energiesparverordnung begrenzt den Primärenergiebedarf zum Heizen eines Neubaus. Ob die anspruchsvollen Ziele jedoch durch eine verbesserte Wärmedämmung, durch energiesparende Heizsysteme oder den Einsatz erneuerbarer Energien erfüllt werden, bleibt dem Bauherrn freigestellt. Das gesamte Wärmesystem soll zukünftig durch diese neue Verordnung optimiert werden.^[76]

Außerdem werden die zur Verfügung stehenden Energieforschungsmittel immer stärker für die Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbarer Energien eingesetzt; im Jahr 2002 wurden 74 von 121 Millionen Euro vom Gesamtetat Energieforschung für die Weiterentwicklung der erneuerbaren Energien zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig werden pro Jahr weitere 50 Millionen Euro aus Sondermitteln des Zukunftsinvestitionsprogramms der Bundesregierung für die Forschung auf diesem Gebiet verwendet.^[77] Diese Geldmittel werden dringend für den ausgeprägten Forschungsbedarf der erneuerbaren Energien benötigt, so:

Im Bereich der Photovoltaik: Steigerung des Wirkungsgrades der Solarzellen und die damit verbundene Senkung der flächenbezogenen Kosten sowie die Entwicklung kostengünstiger Fertigungsverfahren.

Im Bereich der Windenergie gibt es Forschungsbedarf bei der Entwicklung von Anlagen für den Offshore–Bereich mit einer installierten Leistung von bis zu 5 MW. Hinzu kommen Fehlerfrüherkennungsverfahren und die Verbesserung von Windprognosen zwecks Erleichterung der Regelung von Spannung und Frequenz im Netz.

Im Bereich Biomasse stehen die Optimierung der Brennstoffbereitstellung und die Effizienzverbesserung der Umwandlungstechnologien im Vordergrund.^[78]

Zusätzlich erforderliche Forschungsgelder könnten durch Umschichtungen im Haushalt zur Verfügung gestellt werden. Diverse von der Regierung unabhängige Organisationen^[79] haben in Die Zukunft ist erneuerbar auf einen nötigen Abbau klimaschutzkontraproduktiver Subventionen hingewiesen. Denn nur mittels horrender Subventionen der fossilen Brennstoffe, letztlich finanziert durch die Steuerzahler, kann die Wettbewerbsfähigkeit konventioneller Energieträger aufrechterhalten werden.^[80]

[...]

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^[1] Der Begriff Nachhaltigkeit wird in der vorliegenden Arbeit in diversen Zusammenhängen benutzt, da sich nachhaltige Entwicklung auf den unterschiedlichsten Ebenen vollzieht: Die Inhalt (vgl. z.B. Schlüsselthemen der Agenda 21: Kapitel 2.2.1 dieser Arbeit) können und müssen auf den verschiedenen Ebenen (z.B. auf der persönlichen, kommunalen, nationalen, internationalen, globalen) umgesetzt werden.

^[2] Hauff: „Wir nehmen unsere Kinder nicht ernst genug“ – Interview.

Die zitierten Autoren (bei fehlendem Autoren die entsprechenden Kurztitel) werden im Text nur mit Nachnamen genannt, der Übersichtlichkeit halber durch Kapitälchen hervorgehoben und finden sich im Literaturverzeichnis wieder. In den Fußnoten wird der Autor samt Titel bzw. Kurztitel genannt (vgl. Rost: Arbeitstechniken: S. 250). Bei Zeitschriften oder Veröffentlichungen, die keinen Autor und nur einen Herausgeber haben, gebe ich entsprechend der bibliothekarischen Form den Sachtitel der Publikation an, unter dem diese dann auch im Literaturverzeichnis zu finden ist. (vgl. Rost: Arbeitstechniken: S. 264).

Die für das Literaturverzeichnis nötigen Mindestangaben (vgl. Rost: Arbeitstechniken: S. 255, 259, 272) werden angegeben, soweit dies möglich ist. Bei mehr als drei Autoren wird stellvertretend nur der erste Verfasser genannt und die übrigen durch [u.a.] ersetzt. Um Missverständnissen vorzubeugen, werden die Vornamen ausgeschrieben (vgl. Rost: Arbeitstechniken: S. 256 f.).

^[3] Um einerseits beide Geschlechter zu berücksichtigen und andererseits übersichtlich zu schreiben, werde ich im Folgenden Schüler und Schülerinnen zu SchülerInnen und Lehrer und Lehrerinnen zu LehrerInnen zusammenfassen. Während immer beide Geschlechter gemeint sind, werde ich aufgrund der besseren Lesbarkeit einheitlich das weibliche grammatische Geschlecht verwenden.

^[4] Vgl. Gudjons: Handlungsorientiert lehren und lernen.

^[5] Mit Rahmenplan ist im Folgenden immer der momentan noch gültige Vorläufige Rahmenplan Sachkunde aus dem Jahr 1986 gemeint.

^[6] Nicht–Regierungs–Organisationen (NRO) oder non–government–organisations (NGO) sind z.B. Gewerkschaften, Kirchen, Stiftungen, studentische Organisationen, Umweltorganisationen, Entwicklungs–, 3.Welt–, Menschenrechts–Organisationen, Jugend– und Kinderorganisationen und freie Institute aus Forschung und Wissenschaft, vgl. Lexikon der Nachhaltigkeit: Akteure: NRO (NGO).

^[7] Im aktuellen Rahmenplan wird von Sachkunde (vgl. Vorläufiger Rahmenplan Sachkunde), in der Entwurfsfassung von Sachunterricht gesprochen (vgl. Rahmenplan Grundschule Sachunterricht). Nach Kaiser suggeriert die Bezeichnung Sachkunde, dass den Kindern der Unterrichtsstoff von oben herab belehrend beigebracht wird. Im Sinne eines weiteren Verständnisses als Sach–, Sozial– oder auch Beziehungsunterricht, folge ich Kaiser und spreche im Folgenden nur von Sachunterricht, vgl. Kaiser: S. 14.

^[8] Ich habe mich dazu entschieden, auch die Zahlen von eins bis zwölf bei Zahlenangaben (z.B. Preise und Prozente) als Ziffern wiederzugeben, da ein Ausschreiben zur Unübersichtlichkeit führen würde.

^[9] Ebenso wie alle anderen bewegten Körper (Bälle, Fahrräder, Maschinen, laufende Menschen) können Wasser und Wind Bewegungsenergie bzw. kinetische Energie besitzen. Diese kann in viele Erscheinungen umgewandelt werden, wie zum Beispiel Wärme oder elektrische Energie, vgl. Soostmeyer: Energie: S. 6.

^[10] Alle Körper, die eine gewisse Höhe aufweisen und herunterfallen können, besitzen Lageenergie bzw. potentielle Energie. Diese wirkt nur, wenn sie in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Je höher ein Gegenstand liegt bzw. je schwerer er ist, desto mehr Lageenergie besitzt der Körper, vgl. Soostmeyer: Energie: S. 6.

^[11] Vgl. Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 3 ff; S .84.

^[12] Vgl. Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 23.

^[13] Vgl. Beckman, Duffie: Sonnenenergie: S. 13.

^[14] Vgl. Anhang: Abbildung 1: Struktur des Primärenergieverbrauchs.

^[15] Vgl. Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 22.

^[16] Vgl. Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 84.

^[17] 4,4 TWh aus Solarthermie entsprechen 0,52% und 0,14 TWh aus Photovoltaik entsprechen 0,02% an der Gesamtnutzung erneuerbarer Energien der EU von 840,7 TWh. Vgl. Umweltpolitik: Erneuerbare Energien in Zahlen: S. 23.

^[18] Vgl. Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 84 f.

^[19] Im Jahr 2002 waren es 2,9% (vgl. Anhang: Abbildung 1: Struktur der Primärenergieverbrauchs) und im Jahr 2003 3,1% (vgl. Deutlicher Zuwachs bei erneuerbaren Energien. Pressemitteilung.)

^[20] Vgl. Umweltpolitik: Erneuerbare Energien in Zahlen: S. 24 ff.

^[21] Bundeskabinett beschließt EEG–Novelle.

^[22] Vgl. Kapitel 2.1 dieser Arbeit.

^[23] Vgl. Anhang: Abbildung 2: Reichweiten verschiedener Energieträger.

^[24] Vgl. Kapitel 1.3 dieser Arbeit.

^[25] Die folgenden Ausführungen folgen soweit nicht anders angegeben: Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 27–38; 59–78.

^[26] Vgl. Umweltpolitik: Erneuerbare Energien in Zahlen: S. 12.

^[27] Vgl. Umweltpolitik: Erneuerbare Energien in Zahlen: S. 12.

^[28] Vgl. Formel der Photosynthese: Kapitel 1.2 dieser Arbeit.

^[29] Vgl. Treibhauseffekt: Kapitel 2.1 dieser Arbeit.

^[30] Vgl. Umweltpolitik: Erneuerbare Energien in Zahlen: S. 12.

^[31] Vgl. Umweltpolitik: Erneuerbare Energien in Zahlen: S. 12.

^[32] Vgl. Beckman, Duffie: S. 19–21.

^[33] Vgl. Schülerduden: Die Chemie: S. 324.

^[34] Vgl. Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 22.

^[35] Vgl. Anhang: Abbildung 3: Durchschnittliche jährliche Sonneneinstrahlung.

^[36] Hierbei wird positive und negative Ladung getrennt (p–Schicht und n–Schicht). Sobald man die unterschiedlich geladenen Pole miteinander verbindet, können sich die Teilchen ausgleichen und der Strom fließt, vgl. Soostmeyer: Energie: S. 7 f.

^[37] Vgl. kunterBUND: S. 33.

^[38] Vgl. Oswald, Schmidthals: Energie und Umwelt. Teil 1: S. 41.

^[39] Vgl. Fuhs: Photovoltaik: S. 2.

^[40] Vgl. Luther, Wettling, Wittwer: Solarthermie und Photovoltaik: S. 145; Oswald, Schmidthals: Energie und Umwelt. Teil 1: S. 41 f.; Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 40.

^[41] Vgl. Anhang: Abbildung 4: Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle.

^[42] Vgl. Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 41.

^[43] Vgl. Hahn–Meitner–Institut (HMI), Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (ISE) und Institut für Solarenergieforschung (ISFH).

^[44] Die Dicke eines menschlichen Haares liegt beispielsweise bei 50–100 µm.

^[45] Vgl. Solarenergie – Forschung und Entwicklung: S. 3 f.

^[46] Vgl. Fuhs: Photovoltaik: S. 1.

^[47] Vgl. Glunz, Preu: Masse plus Klasse: S. 86–88.

^[48] Vgl. Anhang: Abbildung 5: Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen.

^[49] Vgl. Anhang: Abbildung 6: Installierte Solarmodule.

^[50] Vgl. 21 – Das Magazin für zukunftsfähige Bildung: S. 21.

^[51] Vgl. Erneuerbare Energien: Monatsmagazin: S. 50.

^[52] Vgl. Anhang: Abbildung 7 und 8: Solarautos; Anhang: Abbildung 9: Solarroller.

^[53] Vgl. Photon: S. 84–86, Anhang: Abbildung 10: Solarflugzeug.

^[54] Die folgenden Ausführungen folgen soweit nicht anders angegeben: Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 44 ff.

^[55] Vgl. Anhang: Abbildung 11 und 12: Parabolrinnenkraftwerke.

^[56] Vgl. Anhang: Abbildung 13 und 14: Solarturmkraftwerke.

^[57] kunterBUND: S. 32.

^[58] Vgl. Anhang: Abbildung 15: Paraboloidkraftwerk.

^[59] Vgl. Hauke, Meier: Solarkocher: S. 27.

^[60] Vgl. Anhang: Abbildung 16: Fresnel–Anlage.

^[61] Eisenbeiß, Geyer, Trieb: Thermische Solarkraftwerke: S. 37.

^[62] Die folgenden Ausführungen folgen soweit nicht anders angegeben: Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 49 ff.

^[63] Vgl. Sonnenkollektoren: Typen und Einsatz.

^[64] Vgl. Anhang: Abbildung 17: Skizze eines Flachkollektors.

^[65] Vgl. Sonnenkollektoren: Typen und Einsatz.

^[66] Vgl. Sonnenkollektoren: Typen und Einsatz.

^[67] Vgl. Anhang: Abbildung 18: Skizze eines Vakuumröhrenkollektors.

^[68] Vgl. Luther, Wettling, Wittwer: Solarthermie und Photovoltaik: S. 140.

^[69] Die folgenden Ausführungen folgen soweit nicht anders angegeben: Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 55 ff.

^[70] Vgl. Bühring [u.a.]: Haustechnikkonzepte für Passivhäuser: S. 70 f.

^[71] Vgl. Was ist Energie?: S. 4.

^[72] Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 103.

^[73] Vgl. Regierungsentwurf zur Novelle des EEG: S. 87.

^[74] Novelle des Erneuerbare–Energien–Gesetzes (EEG): S. 7 f.

^[75] Vgl. 100.000–Dächer–Programm.

^[76] Vgl. Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 57 f.

^[77] Vgl. Erneuerbare Energien und nachhaltige Entwicklung: S. 103.

^[78] Anforderungen an die zukünftige Energieversorgung: S. 35.

^[79] Gemeint sind Nicht–Regierungs–Organisationen (NRO), vgl. Einleitung dieser Arbeit: Fußnote 5.

^[80] Vgl. Die Zukunft ist erneuerbar: S. 6.