Weltrekord: 41,1 Prozent des Sonnenlichts wandelt eine Solarzelle des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Strom. Dafür konzentrierten die Forscher die einfallende Sonne 454-fach auf eine fünf Quadratmillimeter kleine High-Tech-Zelle. Auch wenn es das kleine Kraftpaket in dieser Form kaum auf die Hausdächer schaffen wird, haben sich die Freiburger mit ihm mal wieder ihre Ausnahmestellung in der internationalen Solarforschung gesichert. Rund 830 Mitarbeiter erforschen die naturwissenschaftlich-technischen Grundlagen solarer Energiegewinnung, fahnden nach neuen Werkstoffen und Verfahren, bauen Prototypen und Demonstrationsanlagen oder prüfen und messen Neuentwicklungen aus der Industrie. Ziel: Strom und Wärme so effizient und günstig wie irgend möglich vom Himmel zu pflücken.

Ingrid Hädrich hat sich im letzten Jahr als Diplomandin am ISE beworben, dem größten Solarforschungsinstitut Europas. Zwar hatte sie sich im Studium auf Energietechnik spezialisiert. Doch ihr war nicht klar, ob sie dort als angehende Wirtschaftsingenieurin mithalten könnte. Sie konnte. Vor ein paar Wochen unterschrieb die 24-Jährige einen Arbeitsvertrag und wird vorerst zwei Jahre am ISE weiter forschen. „Ich befasse mich mit der Einkapselung von Solarzellen“, erklärt sie. In Solarmodulen liegen Siliziumscheiben wie der Belag in einem Sandwich. Von unten ein Substrat, von oben Glas und dazwischen Spezialkleber. Von den Zutaten des Sandwiches hängen später Kosten und Wirkungsgrade der Module ab. Hersteller suchen ständig nach neuen Materialien. Wenn sie etwas Vielversprechendes finden, lassen sie häufig am ISE analysieren, ob Kostennachteile durch bessere Wirkungsgrade kompensiert werden und umgekehrt. Für Hädrich sind solche Analysen ganz konkret. „Wir bauen im Technikum Prototypen und analysieren und messen eingehend ihre Funktion“, berichtet sie. Dieser praktische Teil, die Suche nach einfachsten Lösungen, die mit Serienreife noch nichts zu tun haben, liegt ihr.

Heute vermarktete Zellen wandeln circa 15 Prozent des Sonnenlichts in Strom. Doch weil die Glasabdeckung Licht reflektiert und die Module im Realbetrieb aufheizen, ist auch das eine theoretische Größe. Die Forscher suchen Lösungen, um Deckschichten zugleich licht- und wärmedurchlässig zu gestalten. „Es geht um Größenordnungen von bis zu 5 Prozent mehr relativem Wirkungsgrad“, so die junge Ingenieurin. Prozente, die sich über die Laufzeit einer Solaranlage auszahlen.

Marktnahe Entwicklung ist eine Facette des ISE. Daneben nähern sich Forscher dort solaren Zukunftswelten an, die heute noch illusorisch klingen: Irgendwann könnten alle Oberflächen an Gebäuden Strom und Wärme erzeugen - Solarputz, Solarfenster, Komplettdächer aus kombinierten Fotovoltaik-Solarthermiemodulen. Ingrid Hädrich glaubt an diese Vision. „Ich habe auch aus Idealismus heraus auf regenerative Energien gesetzt“, sagt sie. „Ich möchte an etwas arbeiten, hinter dem ich stehe.“ Ihre Entscheidung, nach der Diplomarbeit am ISE zu bleiben, hat ebenfalls mit dieser Überzeugung zu tun. Sicher hätte sie als Absolventin des renommierten Instituts in der Industrie mehr verdienen und einen unbefristeten Job haben können. Doch nach der intensiven Betreuung ihrer Diplomarbeit und dem regen Austausch im jungen, engagierten Team mochte sie die Forschung nicht hinter sich lassen. „Ich lerne hier jeden Tag, muss mich in Simulationsprogramme und Messtechnik einfuchsen und damit dann auch Ergebnisse erzielen. Das fordert mich heraus, und es macht Spaß“, sagt Hädrich.

Engagierte Forscher, die Wissen aufsaugen, um Neues zu generieren und es auf möglichst kurzem Weg in die Wirtschaft zu transferieren - sie schweben sowohl der High-Tech-Strategie als auch dem jüngst beschlossenen „Masterplan Umwelttechnologien“ der Bundesregierung als Idealtyp vor. Mit insgesamt 350 Millionen Euro Forschungsförderung soll der „Masterplan“ Klimaschutztechnologien weiterentwickeln helfen, rund 100 Millionen davon für erneuerbare Energien. Um das Ziel zu erreichen, bis 2020 ein Fünftel des Endenergiebedarfs der EU aus regenerativen Quellen zu erzeugen, muss die grüne Energie effizienter erzeugt, genutzt und verteilt werden als bisher.

Yvonne Scholz ist Doktorandin am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart. Sie beschäftigt sich mit der Frage, wie sich die Schwankungen bei der Erzeugung von Wind- und Solarstrom mit der ebenfalls schwankenden Stromnachfrage synchronisieren lassen? Die Umwelttechnik-Ingenieurin entwickelt ein Modell zur Integration erneuerbarer Energien in die europäische Stromversorgung. „Think big“ ist das Motto, weil sich lokale Produktionsschwankungen und Lastspitzen umso besser abfedern lassen, je größer das Netz ist. Europa als virtuelles Kraftwerk sozusagen. „Damit eine solche Vision Chancen hat, muss man vorher genau analysieren, in welcher Verteilung welche Kapazitäten effektiv wirken und kostengünstig realisiert werden können“, erklärt sie.

Um mit erneuerbarer Energie in Industrieländern einen Großteil des Bedarfs zu decken, sind gezielte Investitionen in Übertragungsnetze und ganz andere Überkapazitäten vonnöten als beim Verfeuern fossiler Energie. Scholz ergründet in ihrer Systemanalyse per Simulation, wo die begrenzten finanziellen Ressourcen die beste Wirkung entfalten. „Durch Kombination von Wind-, Solar- und Biomassekraftwerken mit Pumpspeicher-Kraftwerken lässt sich schon allein mit Erneuerbaren viel ausgleichen“, sagt sie. Konventionelle Kraftwerke seien dann nur noch zum Abfangen von Lastspitzen nötig.

Scholz arbeitet mit einem „linearen Optimierungsmodell“, das heute schon zur Planung des Kraftwerkbetriebs im Einsatz ist. Sie füttert es mit zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Modelldaten aus einem Geoinformationssystem - einer digitalen Europakarte, in der jeweils Informationen über regionale Ressourcen angelegt sind. Etwa die einfallende Solarstrahlung, die DLR-Kollegen seit über 20 Jahren per Satellit analysieren, Windgeschwindigkeiten oder regionale Geothermie-, Wasserkraft- und Biomassepotentiale. Teils analysiert und sammelt sie diese Eingangsdaten selbst, teils stützt sie sich auf vorhandene Analysen.

Doch wofür das alles? „Ich kann eingeben, welchen Anteil die erneuerbaren Energien am EU-Energiemix haben sollen, und dann per Simulation ermitteln, welche Potentiale dafür wo genutzt werden müssen“, erklärt die 31-Jährige. Die Szenarien dienen Politikern, Betreibern und Investoren als Entscheidungshilfe. Scholz ist Überzeugungstäterin. Es sei möglich, bis 2050 etwa 80 Prozent des Strombedarfs mit grünem Strom zu decken, sagt sie. „Mir wäre es lieber, wir würden das früher schaffen.“ Mit ihrer Forschung im multidisziplinären Team will sie ihren Teil dazu beitragen.

Ihre Kollegen sind Physiker, Geographen und Ingenieure verschiedenster Fachrichtungen. „Für unsere übergreifenden Systemanalysen brauchen wir Spezialisten und Generalisten“, so Scholz. Ihr eigenes Projekt, das sie mit zwei anderen Doktoranden vorantreibt, baue sie auch auf Vorarbeiten von Spezialisten auf. Ihre Dissertation will sie dieses Jahr zu Ende bringen und würde danach gern am Institut bleiben - obwohl auch am DLR die meisten Jungwissenschaftler befristete Verträge haben. Doch das stört sie nicht. Überhaupt ist Scholz um ihre berufliche Zukunft nicht bange: „Mein Fachgebiet boomt im In- und Ausland.“ Das möchte sie für ihren weiteren Weg nutzen. Im Ausland zu forschen, den internationalen Austausch vorantreiben, das wäre zumindest mittelfristig ganz nach ihrem Geschmack.