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

Obwohl netzgekoppelte Solarpaneele den Verbrauch fossiler Brennstoffe in Wärmekraftwerken verringern können, werden diese Einsparungen zumindest teilweise durch die zusätzlichen fossilen Brennstoffe untergraben, die für den Bau und die Instandhaltung einer dualen Energieinfrastruktur erforderlich sind. Die Kombination von Solar- und Windenergie kann den Anteil der erneuerbaren Energien im Stromnetz weiter erhöhen, doch erfordert dies einen weiteren Ausbau der Infrastruktur. Dies erfordert nicht nur Energie, sondern auch eine Menge Geld und Zeit.

Das gleiche Problem stellt sich, wenn fossil befeuerte Kraftwerke durch Energiespeicher ersetzt werden sollen, um an sonnigen Tagen erzeugten Überschussstrom für Zeiten ohne oder mit unzureichender Sonneneinstrahlung zu speichern. Energiespeicher, ob sie nun in ein Stromnetz integriert sind oder sich in einzelnen Haushalten befinden (netzunabhängige Systeme), sind sehr teuer und kohlenstoffintensiv in Bau und Wartung.

Autonome Solaranlage

Die Herstellung von Solarmodulen kostet natürlich Geld und Energie. Die finanziellen und energetischen Kosten für die zugehörige Back-up-Infrastruktur sind jedoch um ein Vielfaches höher. Bei netzgekoppelten Solaranlagen sind diese Kosten sehr schwer genau zu berechnen, aber bei autonomen Solaranlagen (ohne Netzanschluss und mit eigener Energiespeicherung) ist es viel 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 u. a. für die Beleuchtung, die Musikanlage und das Aufladen 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.

Aber während die Solarmodule 30 Jahre und der Laderegler etwa 10 Jahre halten dürften, muss ich die Bleibatterie im Durchschnitt alle drei bis fünf Jahre ersetzen. ¹ Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren belaufen sich die Kosten auf 120 Euro für die Solarmodule, 150 Euro für die Laderegler und - im günstigsten Fall - 1020 Euro für die Batterien. Auf die Batterien (und die zugehörigen Laderegler) entfallen also etwa 90 % der gesamten Lebenszykluskosten.

Die Energiespeicherung dominiert auch die graue Energie der Anlage (und die daraus resultierenden Kohlenstoffemissionen). Für die Herstellung meiner Blei-Säure-Batterie wurden 1200 Megajoule (MJ) an Energie benötigt. ² Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren (bestenfalls sechs Batterien) entspricht das 7200 MJ. Die drei Laderegler fügen über eine Lebensdauer von 30 Jahren weitere 360 MJ hinzu, so dass sich der Gesamtenergieverbrauch für das Batteriesystem auf 7560 MJ beläuft. ³ Im Gegensatz dazu kostet die Herstellung der Solarmodule nur 2275 MJ von insgesamt 9835 MJ. ⁴ Fazit: Mehr als 75 % des gesamten fossilen Energieverbrauchs entfallen auf die Energiespeicherung.

Andere Batterietypen würden an diesem Fazit nichts Wesentliches ändern. Bei einem vergleichbaren netzunabhängigen System mit Lithium-Ionen-Batterien würde die Energiespeicherung etwa 95 % der gesamten Lebenszykluskosten ausmachen (das ist fast doppelt so viel wie bei einem System mit Bleibatterien). Wenn man von einer optimistischen Lebensdauer (10 Jahre) ausgeht und die Laderegler einbezieht, macht die Lithium-Energiespeicherung etwa 70 % der in ein Solarnetzsystem investierten Energie aus. ^{5 6} Bei Nickel-Eisen-Batterien würde die Energiespeicherung 85 % der gesamten Lebenszykluskosten ausmachen (es gibt keine Daten zu den Energiekosten). ⁷

Auch die Größe und der Standort der Solaranlage machen keinen Unterschied. Eine größere Anlage benötigt mehr Solarmodule, aber auch größere Batterien und teurere und leistungsfähigere Laderegler. Die Verhältnisse bleiben die gleichen. ⁸ Der einzige Faktor, der den Anteil der Solarmodule an den Gesamtkosten etwas erhöhen kann, sind die Strukturen, auf denen sie montiert sind. Ich berücksichtige das nicht, weil ich sie aus Holzabfällen selbst gebaut habe. Wenn die Solarmodule jedoch auf einem Dach montiert werden, ist eine Selbstbaulösung weniger naheliegend. Aber auch in diesem Fall sind die Kosten für die Energiespeicherung bei weitem der wichtigste Faktor.

Direkte Sonnenenergie: viel billiger und nachhaltiger

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen sind Sonne und Wind nicht auf Abruf verfügbar. Das Problem mit unserem Ansatz für erneuerbare Energien ist, dass wir darauf bestehen, dass Energie immer unbegrenzt verfügbar sein sollte, unabhängig von Wetter, Jahres- oder Tageszeit. Eine Anpassung der Energienachfrage an das Angebot - wie in der Vergangenheit - würde zu einer dramatischen Senkung der Kosten und des Verbrauchs fossiler Brennstoffe führen.

Wenn ich zum Beispiel den Batteriespeicher meiner Solaranlage weglassen würde, wäre mein System etwa zehnmal billiger: 120 Euro statt 1.290 Euro über eine Lebensdauer von 30 Jahren. Alternativ könnte ich 1.290 Euro allein für Solarmodule ausgeben, was mir eine Solaranlage mit 1075 Watt bescheren würde. Das ist das Zehnfache der Kapazität der Anlage mit Batterien, mehr als auf den Balkon passt.

Ohne Batterie und Laderegler sinken auch die Energiekosten der Anlage von 9835 MJ auf 2275 MJ. Mit anderen Worten: ich könnte mit der gleichen Investition in fossile Brennstoffe mindestens viermal so viel Sonnenenergie erzeugen.

Wie lässt sich direkte Sonnenenergie in die Praxis umsetzen?

Schön und gut, aber die Sonne scheint nicht nach Sonnenuntergang und die Menge der Sonnenenergie schwankt im Laufe des Tages und des Jahres. Wie also kann der Einsatz von Solarmodulen ohne Batterien (oder andere Back-up-Infrastrukturen im Falle von netzgekoppelten Anlagen) praktikabel sein?

Um diese Frage zu beantworten, werfen wir einen Blick auf einen Pionier der „direkten Sonnenenergie“: die Living Energy Farm. Dieses Wohnprojekt im US-Bundesstaat Virginia ist dank der Sonnenenergie völlig „netzunabhängig“, aber nur 10 % des erzeugten Solarstroms fließen durch eine (Nickel-Eisen-)Batterie. Die Sonnenkollektoren versorgen jedoch mehrere Häuser, eine Gemeinschaftsküche, eine Metallwerkstatt und eine Farm mit Strom. ^{9 10}

Die Solaranlage ist seit 2011 in Betrieb und besteht aus einzelnen Systemen mit einer Gesamtspitzenleistung von 1400 Watt. ¹¹ Zum Vergleich: Die durchschnittliche Spitzenleistung einer privaten Solaranlage in Großbritannien und den USA - für einen Haushalt - beträgt 4000 Watt bzw. 6500 Watt. Wie in meiner Wohnung wird auch in der Living Energy Farm sparsam mit Energie umgegangen, aber die Tatsache, dass kaum Batterien verwendet werden, hat andere Gründe.

Einige Geräte werden nur tagsüber benutzt

Ein erster Grund liegt auf der Hand: Einige elektrische Geräte und Maschinen werden nur tagsüber benutzt. Das gilt zum Beispiel für alle Maschinen in der Metallwerkstatt, wie Bandsäge, Kompressor, Schleifmaschine, Kreissäge, Drehbank, Fräse und Bohrmaschine. Das gilt auch für landwirtschaftliche Maschinen wie eine Getreidemühle und eine Tiefbrunnenpumpe. Diese Maschinen sind direkt an Sonnenkollektoren angeschlossen und bieten alle Möglichkeiten moderner netzbetriebener Technik, 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) verwendet. Weitere Beispiele für Geräte und Maschinen, die nur tagsüber genutzt werden könnten, sind Staubsauger, Nähmaschinen, Waschmaschinen, Spielkonsolen, Laserschneider und 3D-Drucker. Es ist gar nicht so schwer, sich eine moderne Gesellschaft vorzustellen, in der Tätigkeiten wie Staubsaugen und Heimwerkerarbeiten nur noch tagsüber stattfinden. Eine Rückkehr ins Mittelalter ist das sicher nicht.

Außerdem müssen nicht alle elektrischen Geräte ständig überwacht werden. Waschmaschinen oder Geschirrspüler, die sich automatisch einschalten, wenn die Sonne scheint, werden oft als Beispiele für ein „intelligentes“ Stromnetz angeführt. Dieser Ansatz setzt jedoch eine umfangreiche Infrastruktur aus Stromübertragungs- und Kommunikationsnetzen sowie elektronisch gesteuerten Geräten voraus.

Im Gegensatz dazu wird bei einem dezentralen, direkten Solaransatz die Intelligenz von der Sonne und der Drehung unseres Planeten bereitgestellt. Eine direkt solarbetriebene Wasch- oder Geschirrspülmaschine kann am Abend vollständig geladen und eingeschaltet werden. Die Maschine springt dann morgens „automatisch“ an. Sie können sogar Zeitschaltuhren (elektronisch oder mechanisch) verwenden, um verschiedene Geräte nacheinander zu betreiben.

Ob und inwieweit Wolken eine zusätzliche Einschränkung für eine direkte Solaranlage darstellen, hängt von der Größe der Solarmodule ab. Eine Verdopplung der Fläche der Solarmodule garantiert bei mäßiger Bewölkung eine ausreichende Sonnenenergie, während die Anlage viel billiger und nachhaltiger bleibt als ein System mit Batterien oder einer anderen Backup-Infrastruktur.

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

Viele Geräte haben bereits Batterien

Bei direkter Sonnenenergie lassen sich elektrische Geräte auch nach Sonnenuntergang nutzen. Wie bereits erwähnt, verfügt die Living Energy Farm über ein bescheidenes Batteriesystem, das nach Sonnenuntergang u. a. Strom für Beleuchtung, Ventilatoren und elektronische Geräte liefert. ¹⁰ Darüber hinaus verfügen viele moderne Geräte bereits über eingebaute Energiespeicher. Dies gilt für alle Arten von Elektrofahrzeugen, für die meisten elektronischen Geräte und für ältere Elektrogeräte mit AA-Batterien.

So können diese Geräte tagsüber mit direkter Sonnenenergie aufgeladen und nach Sonnenuntergang dank des eingebauten Akkus noch mehrere Stunden lang genutzt werden. In Kombination mit einer Lithium-Ionen-Powerbank kann ein direktes Solarpaneel USB-Geräte auch nach Sonnenuntergang laden. Das kann sogar für die Beleuchtung funktionieren, denn es gibt viele batteriebetriebene Lampen, die man als moderne Taschenlampen verwenden kann, aufgehängt an verschiedenen Stellen in Räumen und Gebäuden.

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 sie werden (im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien) nicht recycelt. Die beste Lösung ist natürlich, den Gebrauch von Elektrogeräten zu reduzieren. Aber sie mit direkter Sonnenenergie aufzuladen ist viel nachhaltiger und effizienter als über zusätzliche Batterien oder ein mit fossilen Brennstoffen betriebenes Stromnetz. Wenn wir schon High-Tech-Geräte verwenden, dann möglichst auf die intelligenteste Art und Weise.

Nicht-elektrische Energiespeicherung

Ein dritter Grund, warum direkte Sonnenenergie praktischer ist, als es auf den ersten Blick scheint, ist die Tatsache, dass einige elektrische Geräte dank thermischer Energiespeicherung auch nach Sonnenuntergang genutzt werden können. Dies ist viel billiger und nachhaltiger als die Speicherung elektrischer Energie. Die thermische Energiespeicherung ist für Raum- und Warmwasserheizungssysteme bereits recht gut etabliert, bei denen das solar erwärmte Wasser in einem isolierten Heizkessel oder (nur für die Raumheizung) in der Gebäudehülle gespeichert wird. Es ist keine Überraschung, dass die Living Energy Farm über solche Systeme verfügt, und die Solarthermie sorgt auch in meiner Wohnung für Warmwasser.

Der gleiche Ansatz funktioniert aber auch für zwei wichtige Haushaltsgeräte, die nach Sonnenuntergang funktionieren müssen und ebenfalls viel Strom verbrauchen: den Kühlschrank und den Herd. Anstatt den Strom aus einem Solarmodul in einer Batterie zu speichern, um dann nach Sonnenuntergang einen Kühlschrank oder einen Herd zu betreiben, verwenden diese Geräte auf der Living Energy Farm eine Wärmedämmung. Dadurch wird die Wärme im Inneren (im Falle des Herdes) oder außerhalb (im Falle des Kühlschranks) gehalten, wenn kein Strom vorhanden ist. Die Wärmedämmung sorgt auch für eine sehr hohe Energieeffizienz, so dass jedes dieser Geräte bereits mit einem Solarpaneel von nur 100-200 Watt betrieben werden kann.

Ein Kühlschrank, mit direkter Sonnenenergie betrieben

Es ist durchaus möglich, einen herkömmlichen Kühl- oder Gefrierschrank direkt an ein Solarmodul anzuschließen, aber ein solches Gerät würde sich in der Nacht sehr schnell aufheizen. Selbst Kühlschränke der energieeffizientesten Kategorie haben eine relativ geringe Isolierstärke (normalerweise 2,5 cm). Wird diese Dämmstärke jedoch auf etwa 12,5 cm erhöht, sinkt der Energieverbrauch eines Kühlschranks um das Vierfache. ^{12 13} Die passive Kühlleistung eines Kühlschranks kann durch Hinzufügen einer thermischen Masse in Form eines Wassertanks im Inneren des Geräts weiter erhöht werden. Tagsüber kühlt das Solarmodul das Wasser oder wandelt es in Eis um. In der Nacht verlangsamt dieses kalte Wasser oder Eis die Erwärmung des Kühlschranks. ¹⁴

Ein Kühlschrank, der mit direkter Sonnenenergie betrieben wird, lässt sich auch oben und nicht nur vorne öffnen. Kalte Luft ist schwer, und so geht auf diese Weise viel weniger Energie verloren, wenn jemand die Tür öffnet. All diese Design-Entscheidungen führen zu einer spektakulären Energieeffizienz. Eine Studie über Kühlschränke mit direkter Sonneneinstrahlung in sehr sonnigen Regionen (Texas und New Mexico, USA) zeigte, dass sie ihre Kühlleistung 6 oder 7 Tage lang ohne Stromzufuhr aufrechterhalten konnten. Die Geräte wurden das ganze Jahr über mit Sonnenkollektoren von nur 80 bis 120 Watt betrieben. ¹⁵ Die Living Energy Farm betreibt ihren Solarkühlschrank mit einem 200-W-Panel. ¹⁰

Im Gegensatz zur solaren Heizung ist die solare Kühlung optimal auf die jahreszeitlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlung abgestimmt. Im Sommer, wenn mehr Sonnenenergie vorhanden ist, wird mehr Energie für die Kühlung benötigt. Der oben erwähnte Kühlschrank in New Mexico verzeichnete einen Energieverbrauch von 406 Wattstunden pro Tag im Sommer und nur 230 Wattstunden im Winter. ¹⁶ Außerdem kann die Technologie in der gesamten Kühlkette eingesetzt werden, von der der Haushaltskühlschrank nur ein kleiner (aber wesentlicher) Teil ist. Eine weitere Anwendung ist die Luftkühlung, die allerdings weniger gut erforscht und schwieriger zu realisieren ist. ¹⁷

Ein Elektroherd, mit direkter Sonnenenergie betrieben

Im Prinzip kann auch ein herkömmlicher Herd direkt an ein Solarmodul angeschlossen werden, aber wie bei einem herkömmlichen Kühlschrank ist das nicht sehr praktisch. Man kann nur tagsüber kochen, und man muss viele Solarpanels installieren. Eine einzige Kochplatte benötigt 1000 Watt elektrische Leistung. Ein elektrischer Solarkocher löst diese Probleme, indem er das Kochfeld mit einer Wärmedämmung ausstattet. Die Technologie ist im Grunde eine Kombination aus einem Elektrokochfeld und einer Kochkiste.

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

Forscher der US-amerikanischen California Polytechnic State University (Cal Poly) haben 2015 den ersten elektrischen Solarkocher gebaut. Ihr 12-Volt-Gerät, das inzwischen weiterentwickelt wurde, benötigt nur ein 100-W-Solarpanel, um zu funktionieren. Es kocht einen Liter Wasser in einer Stunde. Bei einem ganzen Tag Sonnenlicht können damit fast 5 kg Bohnen, Reis, Eintopf oder Kartoffeln gekocht werden. ¹⁸

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

Thermisch oder elektrisch?

Wie die solare Warmwasserbereitung und Raumheizung können auch Kochen und Kühlen sowohl mit als auch ohne Strom funktionieren - mit PV-Paneelen einerseits und solarthermischen Kollektoren andererseits. Doch während die solare Raumheizung und Warmwasserbereitung ohne Strom kosten- und energieeffizienter sind, ist es bei der solaren Kühlung und dem solaren Kochen genau umgekehrt.

Für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung sind relativ geringe Temperaturunterschiede erforderlich, die durch kostengünstige thermische Solarkollektoren aus Glasplatten und Wasserrohren erzeugt werden können. Zum Kühlen und Kochen hingegen sind größere Temperaturunterschiede erforderlich, für die anspruchsvollere (Vakuumröhren- oder Parabolrinnen-) Sonnenkollektoren benötigt werden - und diese sind teurer als PV-Module. ^{20 21}

Die einzige Ausnahme ist ein einfacher Solarkocher - ein isolierter Kasten mit einer Glasplatte. Allerdings kann er keine so hohen Temperaturen erreichen. Außerdem hat ein elektrischer Solarkocher einige zusätzliche Vorteile. Mit einem nicht-elektrischen Gerät muss man draußen kochen, was weniger praktisch, aber auch weniger effizient ist, vor allem im Winter: Ein thermischer Solarkocher verliert mehr Wärme an die Umgebung. Ein elektrischer Solarkocher ist außerdem energieeffizienter, da er von allen Seiten isoliert ist. Er funktioniert auch besser bei bewölktem Wetter und kann nach Sonnenuntergang verwendet werden. Auf der Living Energy Farm wird der Parabolspiegel-Solarkocher nur unter optimalen Bedingungen eingesetzt - bei voller Sonne und hohen Außentemperaturen.

Worin besteht die technische Herausforderung?

Obwohl die Living Energy Farm all diese Anwendungen der direkten Sonnenenergie in die Praxis umsetzt, gibt es einige technische Herausforderungen für diejenigen, die diesem Beispiel folgen wollen. Fast alle unsere modernen Technologien sind darauf ausgelegt, mit einer stabilen und nicht unterbrochenen Stromversorgung zu arbeiten. Das muss nicht so sein, aber im Moment erfordert die direkte Sonnenenergie in der Regel etwas Bastelei. Ein direktes Solarsystem ist viel einfacher zu bauen als ein autonomes System mit Batterien, aber es erfordert oft Modifikationen auf der Geräteseite.

Einige Geräte können direkt an ein Solarmodul angeschlossen werden: Es genügt, die positiven und negativen Kontakte des Solarmoduls und des Geräts zu verbinden. Maschinen mit Gleichstrommotor zum Beispiel vertragen große Schwankungen in der Stromversorgung. Die Metallwerkstatt und die landwirtschaftlichen Maschinen auf der Living Energy Farm funktionieren auf diese Weise. Wenn die Sonne durch Wolken verdeckt wird, kann die kombinierte elektrische Last größer werden als die von den Solarmodulen gelieferte Energie, aber das stoppt die Maschinen nicht. Alle Motoren werden langsamer, weil sie sich die verfügbare Energie teilen, aber sie verrichten alle weiterhin nützliche Arbeit. ^{10 22}

Das Gleiche gilt für alle Geräte, die auf der Basis von Widerstandsheizelementen arbeiten, wie Wasserkocher, Kochplatten oder elektrische Heizsysteme. Sie arbeiten unabhängig von Leistung und Spannung, nur eben langsamer oder schneller. Ein direkt solarbetriebener Kühlschrank arbeitet vorzugsweise mit einem variablen Gleichstromkompressor, der seine Geschwindigkeit an die schwankende Solarstromproduktion anpassen kann. ^{10 23}

Viele andere Geräte benötigen eine bestimmte und stabile Eingangsspannung, die in der Regel nicht mit der vom Solarmodul erzeugten Spannung übereinstimmt. Dieses Problem lässt sich lösen, indem man einen DC-DC-Wandler (einen „Buck“- oder „Boost“-Wandler) zwischen das Solarpanel und das Gerät schaltet. Dabei handelt es sich um ein kleines elektronisches Modul, das die schwankende Gleichspannung eines Solarmoduls in eine konstante Ausgangsspannung für ein Gerät mit niedriger Spannung umwandelt (5 V, 12 V oder höher). ²⁴

Wenn sie zusätzlich einen Wechselrichter verwenden, können sogar Wechselstrom-Geräte direkt an einem Solarpanel betrieben werden. ²⁵ DC-DC-Wandler sind für alle Geräte, die elektronische Komponenten enthalten, unerlässlich. Das ist heute bei vielen Geräten der Fall, auch bei solchen, die bis vor kurzem noch ohne Elektronik auskamen, wie z. B. Waschmaschinen oder Kaffeemaschinen. Daher gibt es oft zwei Möglichkeiten, solche Geräte mit direktem Solarstrom zu betreiben. Entweder man baut einen Gleichspannungswandler ein oder man modifiziert das Gerät, indem man die Elektronik umgeht.

Selbstbauanleitungen und kommerzielle Geräte

Die meisten Anwendungen der direkten Solarenergie arbeiten mit Kleinspannung, so dass man in den Selbstbau einsteigen kann. Das Low-tech Magazine wird demnächst eine Anleitung dazu veröffentlichen. Die Living Energy Farm verwendet jedoch für eine Reihe von Anwendungen Gleichstrom mit höheren Spannungen. Beispiele dafür sind die Werkzeugmaschinen in der Metallwerkstatt (90V) und eine Reihe von leistungsstarken elektrischen Solarkochern (48V, 180V). Es ist keine gute Idee, diese Systeme selbst zu bauen, wenn Sie nicht die Hilfe eines qualifizierten Elektrikers haben, da diese Spannungen zu tödlichen Unfällen führen können.

Wer seinen eigenen elektrischen Solarkocher (mit niedriger Spannung) bauen möchte, findet sowohl bei Living Energy Farm als auch bei Cal Poly umfassende Anleitungen. ²⁶ Die Geräte können mit einfachen Materialien hergestellt werden. Das Isoliermaterial sollte feuerfest sein. Beispiele sind Steinwolle, Glasfaser, Naturwolle oder Ton.

Für Heizelemente können verschiedene Technologien verwendet werden, aber das Einbetten von Nickelchromdrähten in Zement ist die einfachste Möglichkeit. Diese Drähte können von einer Vielzahl von Geräten wie Toastern, Öfen und Kochplatten übernommen werden. Im Prinzip können die Heizdrähte direkt am Kochtopf angebracht werden, aber es ist praktischer, ein beheiztes „Nest“ zu bauen, in das ein Topf gestellt werden kann.

Wird Energie verschwendet bei direkter Sonnenenergie?

Die Nachhaltigkeit einer Solaranlage hängt nicht nur von der Energie ab, die für die Herstellung und Wartung der Infrastruktur benötigt wird, sondern auch von der Energie, die von den Solarmodulen während ihrer Lebensdauer erzeugt wird. Einige mögen 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 benutzt, und wenn kein elektrisches Gerät angeschlossen ist, wird auch ein Solarmodul keinen Strom erzeugen. Folglich nimmt die vom Modul erzeugte Strommenge im Laufe seiner Lebensdauer ab, während der Energiebedarf für die Herstellung des Moduls gleich bleibt. Dies macht den Strom aus einem direkten Solarmodul kohlenstoffintensiver.

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

Außerdem entfallen bei der direkten Nutzung von Solarstrom die durch Batterien verursachten Lade- und Entladeverluste oder die Energieverluste in der Übertragungsinfrastruktur bei netzgekoppelten Systemen. Beides muss durch zusätzliche Solarmodule ausgeglichen werden. Außerdem vergeuden an Batterien oder das Netz angeschlossene Solarmodule auch Energie - eine Folge des großen Unterschieds in der Energieerzeugung zwischen Sommer und Winter.

Maximierung der direkten Sonnenenergie mit kollektiven Dienstleistungen

Dennoch ist es wichtig, die Energieproduktion eines direkten Solarmoduls zu maximieren. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, kurz auf das ursprüngliche Beispielsystem auf meinem Balkon zurückzukommen. Direkte Sonnenenergie könnte eine schöne Ergänzung zu diesem System sein, insbesondere für den Kühlschrank und den Herd. Wegen dieser Geräte bin ich 2016 zu dem Schluss gekommen, dass es unmöglich ist, meine Wohnung vollständig vom Stromnetz zu trennen.

Die Living Energy Farm zeigt jedoch, dass das möglich ist: Auf dem Balkon ist Platz für weitere 200 Watt Solarmodule (4 x 50 W), genug, um sowohl einen wärmeisolierten Kühlschrank als auch ein Kochfeld zu betreiben. Eine zusätzliche Batteriekapazität wäre nicht erforderlich.

Für andere Geräte ist direkter Solarstrom in meinem Fall jedoch kaum von Nutzen. Es wäre nicht sehr effizient, ein zusätzliches Solarpanel für die Waschmaschine oder die Bohrmaschine zu installieren, da sie nur gelegentlich benutzt werden. Das scheint einem „intelligenten“ Stromnetz in die Hände zu spielen, denn auf diese Weise können viele Haushalte denselben Solarstrom nutzen - es gibt immer jemanden, der Wäsche waschen oder ein Loch bohren muss.

Ein solches intelligentes Netz erfordert jedoch eine umfangreiche Infrastruktur, selbst wenn direkte Sonnenenergie in dieser Größenordnung genutzt werden würde. Es braucht vielleicht keine Batterien oder fossile Brennstoffe als Backup, aber es braucht eine Übertragungs- und Kommunikationsinfrastruktur.

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

In der Gemeinschaftswerkstatt der Living Energy Farm kann direkter Solarstrom viel effizienter genutzt werden als in einer einzelnen Werkstatt, die nur gelegentlich genutzt wird. Eine kollektive Wäscherei in jeder Straße würde ebenfalls die direkte Sonnenenergie viel effizienter nutzen. Außerdem sparen wir auf diese Weise eine Menge Energie bei der Herstellung von Geräten und gewinnen eine Menge Platz.

Direkte Windenergie?

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

Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen Solarenergie und Windenergie. Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls hängt nicht von seiner Größe ab, was die Solarenergie ideal für die dezentrale Energieerzeugung macht. Im Gegensatz dazu steigt der Wirkungsgrad einer Windturbine mit zunehmendem Rotordurchmesser überproportional. Viel besser als eine Windturbine pro Haushalt ist daher eine etwas größere Windturbine für eine Gemeinschaft von Haushalten, z. B. für den Betrieb einer gemeinsamen Wäscherei oder Werkstatt.