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Schon die alten Ägypter haben die Bedeutung der Sonne für das Leben auf der Erde erkannt und sie in Form des Sonnengottes „Re“ als Erhalter und Beherrscher der geschaffenen Welt verehrt. Heutzutage ist die Bewunderung der Sonne mindestens innerhalb der Branche der Erneuerbaren Energien angebracht. Die Durchführung einer Energiewende mit Hilfe der Erneuerbaren Energiequellen Biomasse, Photovoltaik und Wind wird erst durch das Wirken der Sonne ermöglicht. Da die einzelnen Erneuerbaren Energien meiner Meinung nach noch stärker zusammenarbeiten könnten, um die Energiewende voranzubringen, möchte ich heute der Frage nachgehen welche Parallelen und Chancen auf Zusammenarbeit es zwischen der Bioenergie und der Photovoltaik gibt?

Unterschiede und Gemeinsamkeiten der regenerativen Bio- und Sonnenenergie

Es lohnt sich einen kleinen Ausflug zu gemeinsam genutzten Prinzipien und vorhandenen Unterschieden zwischen beiden sonnenbasierten Energieformen zu unternehmen. Das macht Spaß und im günstigsten Fall stößt man auf einige inspirierende Gedanken. Also los.

Nachwachsende Rohstoffe als Grundlage der Bioenergie können ohne die Sonnenenergie nicht gedeihen und die Photovoltaikmodule ohne die Sonne keinen elektrischen Strom erzeugen. In der indirekten Nutzung der Sonnenenergie bei der Bioenergie und der direkten Nutzung bei der Photovoltaik-Technologie liegt auch schon ein wesentlicher Unterschied zwischen beiden Energiegewinnungsformen.

Bioenergie basiert auf einer Umwandlung der Sonnenenergie in organische Substanz und kann somit als biochemische gespeicherte Sonnenenergie betrachtet werden. So simpel es klingt, ist Biomasse eben auch „gespeicherte Sonnenenergie“! Eine Photovoltaikzelle hält sich nicht mit der Speicherung der Energie auf, sondern wandelt das Sonnenlicht ganz direkt in elektrischen Gleichstrom um.

Für den Vorteil der Konservierung von Energie in Form von Biomasse muss man den Preis bezahlen, dass sie erst durch die Anwendung chemischer Verfahren (Verbrennung) wieder freigesetzt werden kann.

Eine wichtige Gemeinsamkeit beider „Energieformen“ ist, dass sowohl die direkte Nutzung (Solarenergie), als auch die indirekte Nutzung (Bioenergie) zur Deckung des Bedarf an elektrischem Strom UND dem Bedarf an Wärme verwendet werden kann. Diese Flexibilität ist besonders bei der Bioenergie gegeben, welche durch die Verbrennung mit Kraft-Wärme-Kopplung sogar gleichzeitig beide Energiebedürfnisse befriedigen kann. Bei der Solarenergie entscheidet man sich in der Regel schon bei der Installation der Anlage für die Wärme- oder Stromproduktion.

Struktur der Sonnenblume nutzen für Photovoltaikmodule Grätzel-Zelle Farbstoffsolarzelle

Pflanzen als Inspirationsquelle der Solarbranche

Ich bin überzeugt, dass ein stärkerer Austausch zwischen Solarenergie- und Bioenergie-Branche für beide Parteien nützliche Perspektiven über die Prinzipien das Sonnenlicht einzufangen und umzuwandeln eröffnet. Da ich mich mit der Bioenergie weit besser auskenne, als mit der Solarenergie, möchte ich im Folgenden einige Inspirationen aus der Welt der Bioenergie und Botanik geben, welche für die Solarbranche nützlich sein können. Bisher habe ich nur wenig schriftlich Festgehaltenes zu diesem Thema finden können. Kommentare über weitere Ansätze wären toll.

1. Heliotropismus der Sonnenblume

Eines der interessantesten Beispiele ist dabei das Einfangen des Sonnenlichts durch die verschiedenen Arten von Sonnenblumen. Wie effektiv die Umwandlung des Sonnenlichts innerhalb der Pflanze ist, weiß ich leider nicht, aber die Eleganz der Sonnenblume möglichst viel Sonnenenergie einzufangen ist sehr faszinierend. Nicht nur, dass sie sich an den täglichen Sonnenzyklus angepasst hat und ihre Blüte sich kontinuierlich mit dem Sonnenstand bewegt (Blüten-Heliotropismus).

Auch die Anordnung des Blütenstands ist im optimalen mathematischen Verhältnis (Fibonnacci-Folge) vollzogen und reduziert den gegenseitigen Schattenwurf auf ein Minimum. Die Anordnung einer maximalen Anzahl von Solarmodulen pro Fläche kann durch die Beobachtung von Pflanzenblüten und dem Blätterstand sicher weiter optimiert werden.

Auch das natürliche Design des Übergangs von Pflanzenhalm zu der sich drehenden Pflanzenblüte könnte aus Stabilitätsgründen für die Konstruktion von Solarmodulen interessant sein.

2. Vielfalt der Pflanzenblätter

Auf Grund der bisher zu verwendenden Baumaterialien, ihrer Eigenschaften und den Produktionskosten verfügen Solar- und Photovoltaikmodule notgedrungen über eine vergleichsweise einfache Geometrie. Das Ideal von Photovoltaikmodul-Entwicklern ist aber wahrscheinlich die Architektur von Pflanzenblättern.

Die Vielfalt an Formen von Pflanzenblättern zeigt, welche vielfältigen Varianten es gibt, die Sonnenenergie so effizient wie möglich einzufangen. Die Aufgabenpalette von Photovoltaikmodulen ist zwar nicht so umfangreich wie die von Pflanzenblättern (die z.B. auch den Gasaustausch übernehmen müssen), eine nützliche Inspirationsquelle bilden ihre Struktur aber trotzdem.

3. Pflanzenzelle vs. Photovoltaikzelle

Noch einen weiteren Schritt an die Pflanze heran gezoomt begegnen wir der sicherlich offensichtlichsten Schnittstelle zwischen Bioenergie und Solarenergie.

Auf der Ebene der Pflanzenzelle und somit auch dem Ort der Photosynthese ist das Lernpotential wahrscheinlich gewaltig. Eine komplette Pflanzenzelle mit ihrer komplexen Biochemie und dem Ziel des Aufbaus organischer Substanz muss für die Verbesserung der Energiegewinnung mit Photovoltaik sicher nicht  kopiert werden, aber vor dem betrachten ausgewählter Teil-Prozesse sollte man sich als Entwickler von Solartechnologie nicht scheuen.

Es gibt wissenschaftliche Stimmen, die der Meinung sind, dass die Photosynthese der Pflanzen sehr uneffektiv ist und das auf eine Ausnutzungsrate von nur 1 % des Sonnenlichts zurückführen. Abgesehen davon, dass ich solche Aussagen ziemlich anmaßend finde, sollte man auch berücksichtigen, dass wir zwar einige Prozesse der Photosynthese schon gut verstehen, aber bei ihrer Einbindung in die gesamte Pflanzenphysiologie sicher noch viel entdecken werden.

Eine spannende ingenieurtechnische Entwicklung hat Michael Gräzel, ein Schweizer mit sächsischen Wurzeln, vollbracht, als er 1990 die Grätzel-Zelle erfand. Diese mit dem Balzan-Preis  (2009) und Millenium-Technology-Preis (2010) ausgezeichnete Farbstoffsolarzelle basiert auf einer bionischen Herangehensweise (siehe auch Artikel: Bionik im Bereich Bioenergie) und funktioniert als technische Photosynthese.

4. Kreislaufwirtschaft von Pflanzen

Viele Naturwissenschaftler und Ingenieure würden sich wahrscheinlich ein Bein ausreißen, um ein Baumatetrial zur Verfügung zu haben, welches ähnliche Eigenschaften aufweist, wie eine (lebende) Pflanze. So lösen sich bei der Aufnahme und Umwandlung der Sonnenenergie durch bestimmte Pflanzen/ Energiepflanzen folgende Probleme wie von selbst, die bei dem technischen Pendant einer Photovoltaikzelle recht schwierig sein können:

  • Reinigung des Photovoltaikmoduls (Lotus-Effekt)
  • Verschleiß des Photovoltaikmoduls
  • Entsorgung bzw. Recycling des Photovoltaikmoduls

Welche Partnerschaften zwischen Bioenergie- und Solarbranche sind denkbar?

Abschließend möchte ich noch eine kleine Auswahl von Bereichen geben, in denen eine Zusammenarbeit zwischen Bioenergie und Solarbranche gefördert werden könnte, um Vorteile für beide Energieformen zu erreichen.

  • Grundlagenforschung
  • Design von Anlagen
  • Standortfaktoren von Solarmodulen bzw. Energiepflanzen
  • Energiewirtschaft. Stichworte: virtuelle Kraftwerke, Regelenergie
  • Speicherung von Sonnenenergie

Zu den begehrten natürlichen Ressourcen könnte zukünftig auch immer mehr der Faktor Sonnenlicht werden, da seine Umwandlung in technisch nutzbare Energie ständig verbessert und somit immer lukrativer wird.

Es gibt noch viel zu entdecken und auch zu entwickeln. Über Eure Kommentare und Anregungen freue ich mich wie immer sehr :-)