Das Potential der Windenergie und die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Nutzung wurden bereits in Abschn. 1.2.3 kurz erörtert. Im Folgenden werden die technischen und wirtschaftlichen Aspekte der Windenergienutzung näher behandelt.

Das Verhalten von Halbleitern und Isolatoren lässt sich durch das

Energiebändermodell

gut erklären [7.1, 7.10]. Für die photoelektrischen Effekte spielen lediglich das

Valenzband

mit oberer Energiekante

W

V

und das

Leitungsband

mit unterer Energiekante

W

L

eine Rolle (Abb. 7.1a). Die beiden Bänder sind durch eine Bandlücke D

W

 = 

W

L

 − 

W

V

getrennt, die z. B. beim Silizium 1,12 eV beträgt. Die Zustandsdichte

Z(W)

der Elektronenenergie

W

innerhalb der Bänder wird von einer Parabel beschrieben. Entsprechend dem Exklusionsprinzip von Pauli ergibt sich die Auftretenswahrscheinlichkeit eines Energiezustands durch Multiplikation mit der Fermi-Dirac-Statistik (Abb. 7.1b).

Mit Brennstoffzellen lassen sich Wasserstoff sowie Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzin, Methanol) oder Biogas elektrochemisch direkt in elektrische Energie umwandeln. Gegenüber Wärmekraftmaschinen, die den Umweg über die mechanische Energie nehmen, ergeben sich höhere Wirkungsgrade, und dies ohne rotierende Teile und entsprechende Lärmemissionen. Bereits für kleine Leistungen lassen sich Wirkungsgrade von 50–60 % erreichen, was mit konventioneller Technik nur mit Kombianlagen im 10–100 MW-Bereich möglich ist. Die Umweltbelastung bei Verwendung von Erdgas ist wegen des höheren Wirkungsgrads und der andersartigen Verbrennung (kein Ruß, keine Stickoxide, keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe) geringer als bei konventionellen thermischen Kraftwerken. Die CO

2

-Emissionen können durch Erhöhung des Wasserstoffanteils weiter reduziert werden.

Elektrochemische Elemente bestehen aus zwei Elektroden, die von den jeweiligen Prozesspartnern umgeben sind und über einen Ionenleiter voneinander separiert werden. Dieser sorgt dafür, dass die Prozesse der Reduktion und der Oxidation räumlich voneinander getrennt ablaufen. An der Anode findet der Oxidationsprozess statt, bei welchem diese aus dem Elektrolytraum Elektronen aufnimmt, während die Kathode Elektronen für den Reduktionsprozess an den Elektrolyt liefert. Die dabei entstehenden Ionen werden über den Elektrolyten ausgetauscht.

Seit den fünfziger Jahren werden Forschungsanstrengungen unternommen, durch

kontrollierte Verschmelzung von Wasserstoffkernen

zu Helium

Energie zu gewinnen. Obwohl große Fortschritte erzielt worden sind, ist die technische Realisierung noch in weiter Ferne, weshalb die wirtschaftliche Tragbarkeit der Kernfusion heute schwer zu beurteilen ist. Die internationale Gemeinschaft versucht dennoch, die Option Fusion für die Zukunft offen zu halten. Deren Bedeutung in Zusammenhang mit der in Kap. 1 dargelegten Klimaproblematik ist offensichtlich. Zusammen mit der Solarstrahlung ist die Kernfusion langfristig die einzige Energiequelle mit praktisch unbegrenztem Potential. Es ist jedoch kaum damit zu rechnen, dass vor Mitte des 21. Jh. die Fusion eine für die Energiewirtschaft nennenswerte Rolle spielen wird.