Solarstrahlung

Autoverkehr und Sonnenenergie

SONNE

Die Solarkonstante, die Stärke der Sonnenstrahlung beim Eintritt in die Atmosphäre, beträgt 1360 W/m².

Bezogen auf die Kugeloberfläche der Erde (viermal so ausgedehnt wie ihr Querschnitt) reduziert sich die Strahlungsstärke auf 340 W/m² (bzw. 680 W/m² bezogen auf die sonnseitige Halbkugel).

Die Leistung, die ein Mensch erzeugen kann, beläuft sich nur auf 100 W. Die Pferdestärke wurde auf immerhin 735 W festgesetzt, und die Leistung eines VW-Käfers betrug etwa 37000 W.

Mit der Sonnenenergie, die auf 150 m² trifft, könnte man also theoretisch spielend einen VW-Käfer betreiben. Die Frage ist, welcher Anteil der Sonnenenergie nutzbar ist, wobei auch die lokalen Klima- und Witterungsverhältnisse eine große Rolle spielen. Die oben angegebenen Werte beziehen sich auf die Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre.

Mehr als ein Drittel der Sonnenstrahlung wird in den Weltraum zurückgeworfen (hauptsächlich durch Wolkenreflexion); die Atmosphäre absorbiert zwar nur einen kleinen Teil der direkten Sonnenstrahlung, dennoch ist weniger als ein Drittel der Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche photovoltaisch wirksam (vor ihrer Umwandlung in Wärmestrahlung). [-> Anmerkung ]

Den größten Teil der Strahlung absorbiert die Atmosphäre in Form von langwelliger Rückstrahlung der Erdoberfläche. Auch in dieser Form ist die Sonnenstrahlung energetisch wirksam: in Form von Windkraft und Biomasse.

Unter der Annahme, dass die Sonnenenergie nur teilweise nutzbar ist, ergibt sich, dass man die Fläche, die notwendig für den Antrieb eines VW-Käfers ist, auf etwa 450 m² verdreifachen muss.

Doch reicht auch diese Fläche noch nicht, denn die technische Ausbeute der Photovoltaik wird auch von ihrem Fürsprecher Matthias Loster mit nur 8 % angegeben. Darin eingerechnet sind möglicherweise hohe Verluste für Speicherung und Transport der Sonnenenergie, wenn sie beispielsweise in wolkenlosen Wüsten gewonnen werden soll. Es gibt jedenfalls Solarzellen, die ein Mehrfaches der angegebenen technischen Ausbeute erzielen.

Wie bei so vielen Dingen, ist es leider auch bei den Fragen der Energieleistung und der Substitution fossiler Energie sehr schwer, an zuverlässige Informationen zu gelangen (Lehrbücher inbegriffen). Jede Quelle liefert verschiedene Maßeinheiten und Grundmengen, so dass ein Vergleich kaum möglich ist.

Aus dieser Grafik kann man ableiten, dass unsere Breiten (50. nördlicher Breitengrad) etwa 900 kJ/cm² Solarstrahlung erhalten: 660 kJ/cm² im Sommer und mit 240 kJ/cm² nur knapp 27 % im Winterhalbjahr!

In den mittleren und höheren Breiten ist zu bedenken, dass es jahreszeitlich und in der Gesamtbilanz nur eine geringere Ausbeute an Sonnenenergie geben kann. Andererseits wird der Nordwesten Europas durch eine hohe Windausbeute begünstigt.
Eine regionale Beeinträchtigung durch Wolkenbildung scheint sich auf die Ausbeute der Sonnenenergie weniger stark auszuwirken als die Strahlungsbilanz infolge des Sonnenstandes.

Autoverkehr

Hier soll nur der rechnerische Verbrauch an Sonnenenergie (und an Fläche für ihre Gewinnung) durch den Straßenverkehr interessieren. Allerdings produzieren Solarzellen elektrischen Strom, und dieser ist zum Antrieb von Kraftmaschinen wenig geeignet. Erdöl ist für diesen Zweck sehr gut geeignet und wird auch ziemlich exklusiv für den Betrieb von Kraftfahrzeugen verwendet (- der Erdöl-Anteil, der für Heizzwecke verwendet wird, fällt geringer aus als der für Kraftstoffe).

Günstig auf den photovoltaischen Flächenverbrauch würde sich auswirken, dass das Gefährt nicht ständig in Betrieb ist; ungünstig, dass auch für seine Herstellung und für die Infrastruktur zu seinem Gebrauch Energie in einem Ausmaß verbraucht wird, das ich hier gar nicht beziffern kann.

Zweifellos setzen die meisten braven Arbeitnehmer, die mit der Anschaffung ihres Autos die Industrie subventionieren, dieses nur während etwa 5 % seiner Lebenszeit ein. Man muss aber auch einen bedeutenden Teil des Fahrzeugbestandes einbeziehen, der gewerblich genutzt wird - bei vielleicht 30 % Laufzeiten innerhalb der Nutzungsdauer.

Die meisten Leute glauben, es sei besser, ein Auto zu haben als keins zu haben ...

Zu meiner Überraschung werden Kraftfahrzeuge der Leistungsklasse des VW-Käfers auch heute noch gebaut: vom Ford Ka, VW Lupo (mit 37 kW Leistung) über den Fiat Panda, Opel Corsa, Renault Twingo bis zum Smart For Two (mit 40 kW Leistung).

Die Liebe der Autoindustrie und angeblich auch der Massen gilt aber Fahrzeugen, die es auf die zehnfache Leistung bringen: vom Porsche 911 Turbo und einigen Audis mit 368 kW Leistung über den Jaguar XK und den Land/ Range Rover Autobiography mit 375 kW Leistung bis zu einigen Mercedes Benz Typen mit 386 kW Leistung.

Vom Kraftfahrt-Bundesamt (KBA) werden nicht die kW-Leistungen statistisch ausgewertet, sondern nur die Hubräume der registrierten PKW. Zur Economy Class zählt alles unter 1400 cm³ und zur Luxus-Klasse alles über 2000 cm³. 2011 gehörten knapp 32 % der angemeldeten PKW der ersteren Kategorie an und knapp 16 % der Luxusklasse.

Ich habe daher keine reellen Zahlen, sondern kann nur schätzen, dass jeder Autobesitzer in Deutschland durchschnittlich nicht die Energieleistung eines VW-Käfers in Anspruch nimmt, sondern eher die von deren zwei oder drei.

Umrechnen kann man die Leistung seines Fahrzeugs anhand der PS-Zahl (1 PS = 0,735 kW).

Luxusautos sollen den Eindruck erwecken, ihre Besitzer wüssten mit Geld etwas sinnvolles anzufangen.

Solarenergie

Unter Einbeziehung der technischen Verluste (340 W/m² x 8/100 Ausbeute = 27,2 W/m²) müsste von einem photovoltaischen Flächenbedarf von 1360 m² für den ständigen Betrieb eines Käfers mit 37 kW Leistung ausgegangen werden.

Aus den Angaben von M. Loster geht aber hervor, dass seine Berechnungen nicht von der vollen Solarkonstante ausgehen, sondern nur von 250 W/m².

Die reale Globalstrahlung in Deutschland liegt dagegen bei nur etwa 125 W/m².
Dann müsste die Berechnungs-Basis für Deutschland folgendermaßen aussehen: 125 W/m² x 8/100 Ausbeute = 10 W/m²

Der Flächenbedarf für den ständigen Betrieb eines Käfers läge dann bei 3700 m². Bei einer Nutzungsdauer von nur 5 - 10 % der Lebenszeit des Fahrzeugs reduzierte sich dieser Flächenbedarf wieder auf 185 - 370 m².

Da die durchschnittliche Leistung des deutschen Automobils aber weit mehr Energie verbraucht als ein VW-Käfer, kann man den durchschnittl. photovoltaischen Flächenbedarf pro Kraftfahrzeug getrost auf 500 m² schätzen.

alternative Energie

Die Mindestleistung von Solarzellen pro Jahr und Quadratmeter wird für Deutschland mit 100 kWh angegeben. Damit ist aber möglicherweise eine Nennleistung gemeint, die beispielsweise in Deutschland nicht überall oder regelmäßig erzielt werden könnte.

Laut Eberhard Waffenschmidt erziehlt auch die Windenergie dieselbe Energieleistung von 100 kWh/m²/a bei einem "Mindestabstand entsprechend dem dreifachen des Rotordurchmessers".

Die Erzeugung von Biomasse auf landwirtschaftlichen Flächen sei dagegen deutlich weniger effektiv und erreiche nur einen Bruchteil dieser Ausbeute: "[Mit] Energiepflanzen wie z.B. Mais lassen sich bestenfalls 5 kWh/m² als Energiegehalt von Biogas erzeugen" (Eberhard Waffenschmidt: Die Rolle der Photovoltaik bei einer 100-Prozent Versorgung Deutschlands mit Erneuerbaren Energien).

Daraus wäre zu folgern, dass mit der gesetzlichen Verordnung von Biosprit einem uneffektiveren System als der technischen Nutzung der Sonne der Vorzug gegeben wurde. Der Vorteil der Solarenergie ist gerade, dass sie auch auf landwirtschaftlich völlig unproduktiven Standorten gewonnen werden kann.

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Anmerkung zur photovoltaisch wirksamen Sonnenstrahlung:

Ich beziehe mich bei dieser Angabe auf die diffuse Himmelsstrahlung, die zwar im selben Spektralbereich liegt wie das direkte Sonnenlicht, aber energetisch viel schwächer ist.

Normalerweise wird in der solaren Strahlungsbilanz angegeben, dass 50 % der Sonnenstrahlung die Erdoberfläche erreicht und dort von den Pflanzen für die Photosynthese genutzt werden kann.