Im Jahre 2011 war der weltweite Gesamtbedarf an Energie (elektrische Energie, Wärmeenergie und mechanische Energie) in der Größenordnung von \(147\cdot 10^{12}\,\rm{kWh}\). Davon beanspruchten die Industriestaaten den Löwenanteil.
Hinweis: Die jährliche Sonneneinstrahlung in der Sahara beträgt ca. \(2200\,\rm{\frac{kWh}{m^2}}\).
a)
Berechne den weltweiten Energiebedarf eines Jahres in Joule.
b)
Berechne, wie viele Quadratkilometer man in der sehr sonnenreichen Sahara mit Solarzellen (Wirkungsgrad 10%) auslegen müsste, damit man die gesamte benötigte Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen könnte. Gib eine vergleichbar große Landfläche zur Einordnung an.
c)
Nenne einen Grund, warum die in Teilaufgabe b) abgeschätzte Fläche in der Praxis nicht ausreichen dürfte.
d)
Aktuell beträgt der Bedarf an elektrischer Energie lediglich etwa 17% des gesamten Energiebedarfs. Erläutere, warum es unter Aspekten des Umweltschutzes dennoch sinnvoll sein könnte, den gesamten weltweiten Energiebedarf in Form elektrischer Energie zu gewinnen.
Umrechnung in Joule:\[147\cdot 10^{12}\,\rm{kWh}=147\cdot 10^{12}\cdot 10^3\cdot 3600\,\rm{J}=5{,}29\,\cdot 10^{20}\,\rm{J}\]
b)
Der Bedarfs an elektrischer Energie in kWh beträgt \[E_{\rm{el}}=147\cdot 10^{12}\,\rm{kWh}\] Da der Wirkungsgrad nur 10% ist, braucht man jedoch die 10-fache solare Energie: \[{E_{{\rm{Sonne}}}} = 10 \cdot {E_{{\rm{el}}}} \Rightarrow {E_{{\rm{Sonne}}}} = 10 \cdot 147 \cdot {10^{12}}\,{\rm{kWh}} = 1{,}47 \cdot {10^{15}}\,{\rm{kWh}}\] Der "Quadratmeter-Ertrag" in der Sahara ist \(2200\frac{{{\rm{kWh}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{2}}}}}\). Somit gilt für die Fläche \[A = \frac{1{,}47 \cdot 10^{15}\,\rm{kWh}}{2200\,\rm{\frac{kWh}{m^2}}} = 6{,}68 \cdot 10^{11}\,\rm{m}^2 = 6{,}68 \cdot {10^5}\,\rm{km}^2\]Dies entspricht in etwa der Größe von Frankreich.
Möchte man diese Fläche quadratisch mit Solarzellen belegen, so würde für die Kantenlänge des Solarquadrates gelten \[a = \sqrt A \Rightarrow a = \sqrt {6{,}68 \cdot {{10}^5}\,\rm{km^2}}=817\,\rm{km}\]
c)
Die elektrische Energie aus der Sahara müsste zu den - meist nördlichen - Industriestaaten transportiert werden. Hierbei gibt es zahlreiche Verlustquellen, so dass die "Solarzellen-Fläche" noch deutlich höher sein müsste.
d)
Elektrische Energie kann in der Regel sehr einfach in andere Energieformen wie Wärmeenergie oder Bewegungsenergie (Elektroauto) umgewandelt werden. Daher könnten z.B. auch Autos Heizungen mit sauberer elektrischer Energie aus Solarzellen betrieben werden, sodass keine fossilen Brennstoffe mehr verbrannt werden müssen. Dies reduziert z.B. die Emissionen von Kohlenstoffdioxid und macht den Abbau von Kohle, Öl und Gas überflüssig, was auch der Umwelt zu gute kommt.
