Rotorblätter von Windkrafträdern
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Erneuerbare Energien
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Die Chemie spielt eine wesentliche Rolle im Bereich der erneuerbaren Energien. Denn eine sichere und umweltverträgliche Energieversorgung ist ohne sie nicht möglich. Ihre innovativen Materialien lassen Windräder drehen, setzen Solaranlagen unter Strom und bewegen Elektroautos. Die Chemie liefert Hightech-Materialien für erneuerbare Energien wie hochreines Silizium für Solarzellen und ultrastabile Kunststoffe für Windkraftanlagen. Und sie entwickelt Lösungen für die Speicherung von Sonnen- und Windenergie.

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Kind taucht in BadewanneKind taucht in BadewanneKind taucht in Badewanne

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Die Spiegle-dich-nicht-Schicht

Die Gewinnung erneuerbare Energien wird durch Chemie ...immer effizienter. Gegen die Witterung müssen Solarthermie- bzw. Sonnenkollektoren mit einer möglichst lichtdurchlässigen Scheibe geschützt werden. Doch selbst hochwertiges Glas reflektiert mindestens 10 % des eintreffenden Lichts. Um diesen Verlust zu minimieren, hat die Chemie spezielle Antireflexionsbeschichtungen entwickelt. Weniger als 1–2 % des Lichts werden damit reflektiert und bei schrägstehender Sonne lassen sie mehr Licht durch. Die einlagige, mit nanokleinen Poren versehene Schicht ist mit nur 140 nm hauchdünn. Zu ihrer Herstellung im Sol-Gel-Verfahren werden die Scheiben in ein Bad mit Siliziumdioxid-Lösung getaucht und dann bei 650° C gebrannt. Die resultierende Beschichtung zieht keinen Schmutz an, ist abriebfest und steigert die Wirtschaftlichkeit von Solarthermie-Anlagen deutlich.

PhotovoltaikPhotovoltaikPhotovoltaik

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Die Schwester der Photovoltaik

Solarthermie und Photovoltaik sind zwei Schwestern ...in der Familie der erneuerbaren Energien. Beide arbeiten meist auf dem Dach und nutzen die Energie der Sonne. Und das mit Hilfe der Antireflexionsschichten aus der Chemie noch effektiver. Während die Photovoltaik Sonnenlicht in Strom umwandelt, gewinnt die Solarthermie daraus Wärme. Hausbesitzer können diese Wärme mit Kollektoren auf dem Dach einfangen. Eine Flüssigkeit transportiert die Wärme zu einem Wärmespeicher im Gebäude, um damit günstig und nachhaltig Warmwasser zu erzeugen und das Gebäude zu heizen. In der industriellen Großanwendung fangen Spiegel die Sonnenstrahlung ein, um einen Wärmeträger auf bis zu 1.200° Celsius zu erhitzen. Mit dieser Energie wird dann in Solarkraftwerken allerdings Strom statt Warmwasser erzeugt.

Windrad zur Gewinnung von WindenergieWindrad zur Gewinnung von WindenergieWindrad zur Gewinnung von Windenergie

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Schutzanzug für Windenergie

Die Chemie bietet innovative Lösungen für erneuerbare ...Energien. Zum Schutz vor dem Verschleiß durch Umwelteinflüsse hat die Chemie besondere Beschichtungssysteme für Rotorblätter entwickelt. Durch diese Hightech-Beschichtungen drehen sich die Rotoren über Jahre hinweg stoisch im Wind – unbeeinträchtigt von Regen, Schnee, Sonne, Sturm, Hitze, Kälte und UV-Strahlung. Erneuerbare Energien wie die Windenergie profitieren von chemischen Stoffen. Die erste Beschichtung basiert häufig auf dem abriebbeständigen und UV-resistenten Kunststoff Polyurethan, aber auch auf Polyester- oder Epoxidharzen. Zum Ausgleich kleiner Oberflächenmakel nach dem Formen dient eine Spachtelmasse auf Methacrylatbasis. Und weil die Windkrafträder kein Sonnenlicht reflektieren sollen, sind die final aufgetragenen Decklacke matt. Piloten und Anwohner danken es.

BadewanneBadewanneBadewanne

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Unabhängiges Wohnen

1992 in Freiburg gebaut, war es vollkommen unabhängig von den Zwängen der konventionellen Energieversorgung: Deutschlands erstes energieautarkes Haus. In einem Modellversuch war es das Zuhause für eine dreiköpfige Familie – ganz ohne Strom- oder sonstigen Energieanschluss. Dank optimaler Dämmung, Photovoltaikanlage und hauseigenem Brennstoffzellen-Minikraftwerk reichte die Sonne als alleinige ...Energiequelle für behagliches Wohnen vollkommen aus.

Erneuerbare Energien - SolartascheErneuerbare Energien - SolartascheErneuerbare Energien - Solartasche

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Hauchdünn und voller Spannung

Ob Mini-Solarzelle im Taschenrechner oder Solaranlage ...auf dem Hausdach: Die blauen Solarzellen aus Silizium sind immer eins – hart und unbiegsam. Doch das kann sich mit der organischen Photovoltaik (OPV) ändern. Organische Halbleitermaterialien auf Kunststoffbasis absorbieren das Sonnenlicht und wandeln es in elektrischen Strom um. Die organischen Solarzellen sind einfach, energiearm und kostengünstig herzustellen, indem die Halbleitermaterialien auf Folien aufgedampft oder gedruckt werden. So entstehen hauchdünne, flexible Solarzellen. Eine Herausforderung sind allerdings die im Vergleich zu Solarsilizium noch geringe Lebensdauer und der geringe Wirkungsgrad der OPV-Zellen. Erste Einsatzbereiche sind mobile Ladegeräte. Künftig könnten OPV-Folien auch großflächig an Fassaden und Fenstern zur Stromerzeugung dienen.

Erneuerbare Energien - SolarthermieErneuerbare Energien - SolarthermieErneuerbare Energien - Solarthermie

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Wie funktioniert Solarthermie?

Bei der Solarthermie nehmen Kollektoren auf dem Hausdach ...die Sonnenenergie auf und geben diese als Wärme an eine Trägerflüssigkeit weiter. Die Flüssigkeit transportiert die Wärme durch Rohrleitungen zu einem Wärmespeicher, in dem Wasser zur Verwendung im Haushalt erwärmt wird. Zwei Typen von Sonnenkollektoren kommen dabei zum Einsatz: Flachkollektoren, in denen die Wärmeträgerflüssigkeit über flächige Absorber erwärmt wird, und Vakuum-Röhrenkollektoren. Diese bestehen z. B. aus zwei ineinanderliegenden Röhren, dazwischen existiert ein Vakuum wie bei einer Thermoskanne. Die Aufnahme der Sonnenenergie erfolgt mittels einer Absorberschicht auf der inneren Röhre. Die Wärme wird dann auf Leitblechen an ein U-förmiges Rohr übertragen, das von einer Flüssigkeit durchströmt wird. Von außen lenken Spiegel die Strahlung zusätzlich auf die Röhren.

Junge telefoniert - mobiler SolarstromJunge telefoniert - mobiler SolarstromJunge telefoniert - mobiler Solarstrom

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Solarstrom to go

2007 wurde der Solarstrom mobil. Mit dem ersten portablen ...Handy-Ladegerät ließ sich der geliebte „Handfernmelder“ mittels polykristalliner Solarzellen auch unterwegs laden. Bis aus Silizium, dem zweithäufigsten Element der Erde, die blauen Zellen werden, sind aufwendige Veredelungsverfahren notwendig. Denn nur kristallines Silizium mit einem Reinheitsgrad von fast 100 Prozent kann für Solarzellenproduktion genutzt werden. Eine interessante Perspektive sind organische Solarzellen, die auf Kohlenwasserstoffverbindungen basieren. Zwar liegt ihr Wirkungsgrad noch unter dem kristalliner Zellen. Aber sie lassen sich hauchdünn auf Folien aufdrucken und flexibel handhaben. Ein Handy-Ladegerät könnte so künftig auf Bekleidung aufgebracht oder als transparente Folie im Sonnenlicht ausgerollt werden.

Solarthermie - Gewinnung von SolarenergieSolarthermie - Gewinnung von SolarenergieSolarthermie - Gewinnung von Solarenergie

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Wärme wahren

In der Solarthermie ist die aufgenommene Wärme das ...kostbare Gut, das nicht verloren gehen darf, weil es im Haus genutzt werden soll. Die Sonnenkollektoren sollen Wärme erzeugen, aber nicht wieder abgeben – außer am dafür vorgesehenen Punkt: dem Wärmespeicher. Deshalb muss das gesamte System möglichst gut isoliert sein. Diese Aufgabe übernehmen Dämmmaterialien aus Kunststoff: Melaminharzschaumstoffe minimieren den Wärmeverlust am Kollektor auf dem Dach, an den Leitungen und am Warmwasserkessel im Gebäude. Der Wirkungsgrad der Anlage steigt dadurch erheblich. Melaminharzschaumstoff, der auch zur Schalldämmung eingesetzt wird, ist darüber hinaus temperaturbeständig und leicht zu verarbeiten.

Solarthermie-AnlageSolarthermie-AnlageSolarthermie-Anlage

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Stets liquide

Ein wichtiges „Bauteil“ der Solarthermie-Anlage ...ist flüssig: die Wärmeträgerflüssigkeit. Sie nimmt die Sonnenwärme auf und transportiert sie vom Kollektor zum Wärmespeicher. Die Anforderungen für diesen Job liegen nahe: Die Substanz muss leichtflüssig sein, Wärme gut speichern und transportieren und darf keine Ablagerungen im System hinterlassen. Wasser bringt alle diese Eigenschaften mit sich. Solarthermie-Systeme sind aber ganzjährig mit der Flüssigkeit befüllt. Deshalb muss in der Regel ein Frostschutzmittel zugegeben werden. Hier kommt meist Propylenglykol zum Einsatz. Es verhindert das Gefrieren des Wassers bis zu 28° C. Soweit der „Hausgebrauch“ zur Warmwassergewinnung. Für Solarkraftwerke, die in industriellem Maßstab Strom erzeugen, werden derzeit hitzestabile Silikonöle oder Salzschmelzen als Wärmeträgerfluid getestet.

Silizium aus QuarzsandSilizium aus QuarzsandSilizium aus Quarzsand

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Reine Kristallzucht

Silizium für die Solarzellenproduktion wird aus Quarzsand ...oder Quarzkies gewonnen. Reiner Quarzsand besteht zu 46 Gewichtsprozent aus Silizium. Erhitzt man den Quarz unter Zugabe von Kohlenstoff auf etwa 1.800° Celsius, erhält man zu 99 Prozent reines Rohsilizium. In einem weiteren Schritt muss Chlorwasserstoff hinzugegeben werden: Es entsteht Trichlorsilan, das – destilliert und gespalten – polykristallines Reinstsilizium mit einer Reinheit von fast 100 Prozent für die Solarzellenproduktion ergibt. Dieses Material wird geschmolzen, zu Blöcken auskristallisiert und anschließend in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, zersägt.

Schon gewusst?

Silizium lässt sich heute mit fast 100%iger Reinheit gewinnen. Dann kommen auf 1 Milliarde Siliziumatome nur noch ein paar wenige Fremdatome.

monokristallines Siliziummonokristallines Siliziummonokristallines Silizium

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So entsteht ein Einkristall

Einen höheren Wirkungsrad als polykristallines Silizium ...haben Solarzellen aus monokristallinem Silizium. Bei ihrer Herstellung wird ein kleiner Siliziumkristall in einem Tiegel in flüssiges, etwa 1.400° C heißes Silizium getaucht und – bei Drehung um die eigene Achse – langsam nach oben gezogen. So entsteht ein Einkristall („Ingot“) in Form einer Siliziumkristallsäule, die anschließend in hauchdünne Scheiben geschnitten und zu Solarzellen verarbeitet wird.

Erneuerbare Energien: WindkraftanlageErneuerbare Energien: WindkraftanlageErneuerbare Energien: Windkraftanlage

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Sorry, Don!

An ihnen wäre Don Quijote verzweifelt. Windkraftanlagen mahlen zwar kein Getreide, aber sie ziehen ihre Kreise genauso unerschütterlich wie ihre literarischen Vorbilder. Dabei trotzen sie jahrelang Witterungseinflüssen wie Schnee, Regen, Kälte, Hitze und UV-Strahlung. Mit welchen Innovationen die Chemie das möglich macht, zeigen wir Ihnen gern. 

Schon gewusst?

Die Rotorblätter von Windkrafträdern halten Windgeschwindigkeiten von über 300 km/h aus. Ihre Spitzen werden dabei bis zu 1 Meter verbogen.

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