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Erneuerbare Energie

Die Sonne als Energiequelle

Die Nutzung der Solarenergie hat in den vergangenen Jahrzehnten weltweit stark zugenommen. Doch das vorhandene Potenzial ist noch lange nicht ausgeschöpft.
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Schon in der Antike nutzte man die Sonne als Energiequelle. Die Gebäude hatten eine spezielle Architektur, bei der Fenster und Türen so positioniert waren, dass die Sonnenwärme aufgenommen und im Gebäude gespeichert werden konnte. Die Anfänge der aktiven Sonnenenergienutzung reichen bis ins 19. Jahrhundert zurück. 1954 wurde die erste Silizium-Solarzelle entwickelt und hatte einen Wirkungsgrad von gerade einmal 6%. Ende der 1950er Jahre wurden bei einem Satelliten zum ersten Mal Solarzellen angewendet. Als Folge der Erdölkrise in den 1970er Jahren wurden neue Technologien zur Solarenergienutzung entwickelt. In den darauffolgenden Jahren und Jahrzehnten hat die Solarenergie weltweit beträchtliche Bedeutung erlangt.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten Energie aus Sonne zu generieren. Je nach Funktionsweise und je nach der gewonnenen Energieform unterscheidet man zwischen:

Thermischen Solaranlagen, bei denen mittels Sonnenkollektoren Sonnenstrahlung in Wärmeenergie umgewandelt wird, 

Photovoltaikanlagen (PV Anlagen), die zur direkten Stromgewinnung verwendet werden,

Thermischen Solarkraftwerken (im Englischen Concentrated Solar Power Systems - CSP genannt), bei denen mit Sonnenenergie zunächst Wärme gewonnen wird, daraus mit einer Dampfturbinenanlage mechanische Energie erzeugt wird und schließlich in einem Generator elektrische Energie gewonnen wird. 

 

Thermische Solaranlagen

Bei einer Thermischen Solaranlage werden mittels Sonnenkollektoren die Sonnenstrahlen in Wärmeenergie umgewandelt. Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Sonnenkollektoren:  die klassischen, weit verbreiteten Flachkollektoren oder die teureren, leistungsstarken Röhrenkollektoren. In beiden Systemen wird eine Trägerflüssigkeit mittels einer Pumpe durch die Kollektoren geleitet und nimmt die entstehende Wärmeenergie auf. Die gewonnene Wärme kann für die Warmwasseraufbereitung und für die Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Thermische Solaranlagen brauchen im Unterschied zu Photovoltaik Anlagen eine geringere Fläche.

 

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Auf diesem Dach befindet sich am oberen Ende eine Phtovoltaikanlage mit mehreren Solarmodulen zur Stromgewinnung.  Unterhalb ist eine Solarthermische Anlage mit drei Sonnenkollektoren angebracht, die für die Warmwasseraufbereitung und zur Heizungsunterstützung verwendet werden können. Im Unterschied zur Solarthermischen Anlage benötigt die Photovoltaikanlage eine viel größere Fläche.

Die Vorläufer der heutigen Sonnenkollektoren reichen bis ins 19. Jahrhundert zurück. Zu einem Wendepunkt in der jüngeren Geschichte der Solarthermie kam es nach der ersten Ölkrise in den 1970er Jahren. Stark gestiegene Erdölpreise führten dazu, dass Mitte der 1970er Jahre erste umfassende Konzepte entwickelt wurden, um Solarkollektoren für die Warmwasserbereitung, zu Heiz- und Kühlzwecken zu nutzen. Inzwischen ist die Technik der Solarthermie weitgehend ausgereift und infolge der stark gesunkenen Herstellungskosten sind die Solarkollektoren für die Verbraucher interessant geworden. Solarkollektoren werden meist in Privathäusern, aber auch in gewerblichen Bauten genutzt. Da in unseren Breitengraden Warmwasser mit Sonnenkollektoren nicht konstant über das ganze Jahr über bereitgestellt werden kann, werden die Anlagen meist mit einer konventionellen Heizung kombiniert.

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In den vergangenen 10 Jahren haben Thermische Solaranlagen starke Zuwächse erzielt und sind weltweit seit 2006 um das fast Vierfache gestiegen. Sonnenkollektoren zur Warmwasseraufbereitung, sowie zu Heiz- und Kühlzwecken werden weltweit in allen Regionen und Ländern genutzt. Im Jahre 2016 waren die Top 5 Länder China, gefolgt von den USA, der Türkei, Deutschland und Brasilien. Die Kosten der thermischen Sonnenkollektoren sind inzwischen stark gesunken und für die breite Masse der Bevölkerung, auch in den Entwicklungsländern, leistbar geworden.

 

Strom aus Photovoltaik Anlagen

Photovoltaikanlagen gewinnen aus Sonnenlicht elektrischen Strom, indem sie mittels Solarzellen Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Dabei nutzen sie den physikalischen Effekt der Verarbeitung von Strom zu Licht mittels Leuchtdioden – nur umgekehrt. Während Solarkraftwerke und thermische Solaranlagen Energie und Wärme über mehrere Zwischenschritte erzeugen, geschieht dies bei der Photovoltaik direkt. Diese direkte Art der Energiewandlung ist das wichtigste Merkmal der Photovoltaik. Ein Photovoltaikmodul (auch Solarmodul oder Solarpanel genannt) ist ein Verbund mehrerer Solarzellen. Jede dieser Solarzellen kann als kleine Batterie betrachtet werden, die aus Sonnenstrahlung Strom gewinnt. Die Photovoltaikmodule können auf Dächern, an Fassaden oder im Freien angebracht werden. Der erzeugte Strom kann entweder im Haushalt verbraucht oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Neuerdings koppeln immer mehr Betreiber ihre Solaranlagen mit Energiespeichersystemen und speisen den Strom nicht mehr ins Netz, sondern nutzen ihn selbst.  Um den mittels Photovoltaikanlage erzeugten Solarstrom speichern zu können, gibt es verschiedene Formen von Solar-Akkus, deren Umweltverträglichkeit allerdings von Kritikern in Frage gestellt wird.

Photovoltaikanlagen werden sowohl in Privathäusern, aber auch in gewerblichen Bauten genutzt. Neuerdings werden auch immer mehr industrielle Großanlagen errichtet, die für die Stromnutzung im großen Stil ausgelegt sind.

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Hohe staatliche Förderungen haben in den vergangenen Jahren dazu beigetragen, dass die PV Nutzung stark gestiegen ist. Als Folge starker Kostensenkungen bei der Herstellung von PV- Solarmodulen ist die Nutzung von Solarstrom bei vielen Anlagen mit wenig oder gar keinen Subventionen rentabel und wird zunehmend wettbewerbsfähig mit Strom aus konventionellen Energiequellen. Hier sei angemerkt, dass auch die Stromgewinnung aus fossiler Energie oder Atomstrom, je nach Land in verschiedenem Ausmaß, staatlich gefördert wird.

In den vergangenen Jahren hat sich die Photovoltaik zu einer der am schnellsten wachsenden erneuerbaren Energien entwickelt.​

China ist die weltweit die Nummer eins bei der Nutzung von Solarenergie mittels Photovoltaikanlagen, gefolgt von Deutschland, Japan, den USA und Italien. Die weltweit größte PV Anlage befindet sich in Indien und ist seit 2016 in Betrieb. Sie nimmt eine Fläche von zehn Quadratkilometern ein und besteht aus 2,5 Millionen Modulen. Das Rekordprojekt unterstreicht Indiens Ambitionen, die Stromversorgung auf erneuerbare Quellen umzustellen.

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Der Gujarat Solarpark in Indien mit einer Kapazität von über 900 Megawatt ist derzeit die größte Photovoltaik Anlage in Asien.

Da die Fläche für den Photovoltaik-Ausbau in vielen Ländern immer knapper wird, werden Solaranlagen zunehmend auf Gewässern gebaut. Solche schwimmenden Kraftwerke gibt es bereits in Japan, aber auch in Großbritannien, China, Indien und Brasilien gibt es ähnliche Versuche.  Meist werden solche Anlagen auf Stauseen gebaut. Im japanischen Yamakura-Stausee baut die Firma Kyocera auf einer Wasseroberfläche von 180.000 m² den größten schwimmenden Solarpark der Welt. 51 000 Solarmodule sollen ab 2018 rund 14 Megawatt Strom liefern, das reicht für etwa 5000 Haushalte.

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Japan: Im Yamakura Stausee baut die Firma Kyocera den weltweit größten schwimmenden Solarpark der Welt. 51000 Solarmodule sollen ab 2014 circa 14 Megawatt Strom liefern.

Seit Ende 2016 gibt es in der nordfranzösischen Ortschaft Tourouvre die erste mit Photovoltaik-Modulen gepflasterte Straße der Welt. Ähnliche Versuche gibt es auch in den USA. Auch wenn es sich erst um Pilotprojekte handelt, so zeigt es doch, dass als Folge intensiver Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Solarenergienutzung interessante Innovationen entstehen.

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2016 wurde im nordfranzösischen Tourouvre der erste mit PV Modulen gepflastete Straßenabschnitt eröffnet. In einer Testphase soll evaluiert werden, ob die PV Module genügend Strom für die Straßenbeleuchtung liefern.

 

Thermische Solarkraftwerke (CSP)

Thermische Solarkraftwerke (Sonnenwärmekraftwerke) ermöglichen es ebenfalls, aus der Sonne Wärme zu gewinnen. Im Vergleich zu thermischen Solaranlagen, die mittels Sonnenkollektoren Wärme gewinnen, werden diese Anlagen jedoch meist in einem weit größeren, industriellen Maßstab genutzt. Zudem erfolgt die Wärmegewinnung bei weit höheren Temperaturen. Anders als bei der Photovoltaik, wo das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird, wird bei Thermischen Solarkraftwerken zunächst Hitze erzeugt. Parabolspiegel bündeln das Sonnenlicht auf Leitungen, in denen ein synthetisches Ölgemisch fließt. Die Flüssigkeit wird erhitzt und bringt über einen Wärmetauscher Wasser zum Verdampfen. Der Dampf treibt einen Generator an. Es gibt verschiedene technische Varianten bei der Solarthermie (Solarfarmkraftwerke, Solarturmkraftwerke etc.). Ein solarthermisches Kraftwerk kann auch um einen Wärmespeicher ergänzt werden. Bei reduzierter oder keiner Sonneneinstrahlung ermöglicht der Speicher einen Weiterbetrieb der Anlage um einige Stunden oder sogar durch die ganze Nacht. Häufig werden CSP Kraftwerke mit PV-Anlagen kombiniert. CSP Anlagen sind vor allem für Länder mit hoher direkter Sonneneinstrahlung geeignet.

Derzeit sind die Kosten der Stromgewinnung aus Solarkraftwerken noch wesentlich teurer als die aus Photovoltaik-Anlagen.

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Thermische Solarkraftwerke (CSP) hat es bis vor einigen Jahren nur in den USA gegeben. Inzwischen hat Spanien die USA bei der Kapazität von Solarkraftwerken überholt. In Marokko entsteht derzeit das größte Solarthermische Kraftwerk. Die Solaranlage Noor in Marokko erstreckt sich derzeit auf einer Fläche von über 2000 Fußballfeldern. 537000 Parabolspiegel bündeln das Sonnenlicht auf Leitungen, in denen Flüssigkeit erhitzt und über einen Wärmetauscher Wasser zum Verdampfen gebracht wird. Der Dampf treibt wiederum einen Generator an. Dubai, wo es bereits eine Anlage gibt, will eine noch viel größere Anlage bauen. Auch in diversen anderen Ländern sind Thermische Solarkraftwerke geplant.

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Das Noor Solarkraftwerk in Marokko ist das größte Thermische Solarkraftwerk der Welt. Sobald alle Teile der Anlage in Betrieb sind, werden 500 Megawatt Strom generiert und mehr als eine Million Menschen mit Elektrizität versorgt werden.

 

Vorteile der Solarenergie

Energie aus der Sonne ist unbegrenzt und kostenlos verfügbar. Es ist eine saubere Energiequelle, klimaschonend und umweltfreundlich und leistet so einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen und der Emissionen anderer Schadstoffe.

Aus Sonnenenergie kann nicht nur Strom gewonnen werden, Solarthermie kann auch für Heizung/Kühlung sowie für die Aufbereitung von Warmwasser genutzt werden.

Die Nutzung von Solarenergie führt zur Reduzierung von fossiler Energie, vermindert die Abhängigkeit von importierten Öl und Gas und trägt zu einer größeren Versorgungssicherheit bei.

Durch die Möglichkeit eigener Energiegewinnung werden die Verbraucher unabhängiger von den Preisvorgaben der Energiekonzerne.

 

Nachteile der Solarenergie

Sonnenenergie ist von Tageszeiten, Jahreszeiten und vom Wetter abhängig. In Regionen mit sehr wenig Sonne ist eine effiziente Nutzung von Solaranlagen aufgrund der unbeständigen Sonneneinstrahlung nur bedingt möglich.

Die Produktion einer Solaranlage ist aufwendig und benötigt einen hohen Energieaufwand. Der zur Produktion benötigte Energieaufwand und die von der Solaranlage produzierte Energie gleichen sich jedoch nach wenigen Jahren aus.

Die Investition in eine Solaranlage ist immer noch relativ hoch, obwohl die Kosten in den vergangenen Jahren stark gesunken sind. Zudem benötigen Solaranlagen viel Platz.

Solarmodule verursachen während ihrer Nutzung keine schädlichen Emissionen, können jedoch bei der Herstellung und Entsorgung ökologisch nachteilige Effekte hervorrufen.  Sie enthalten zum Teil giftige Stoffe, wie Cadmium, deren Entsorgung problematisch ist. Experten führen jedoch an, dass, umgerechnet auf die produzierte Strommenge, die negativen Effekte wesentlich geringer sind, als bei der Stromgewinnung aus fossiler Energie oder bei der Nutzung von Atomstrom.

 

Zukunftsperspektiven

Das Potential der Nutzung von Sonnenenergie ist enorm und noch lange nicht ausgeschöpft. Die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Solarenergie führt nicht nur zu mehr Effizienz, höheren Wirkungsgraden und Kostensenkungen, sondern bringt auch laufend interessante Innovationen hervor, die es ermöglichen Solarstrom an den ungewöhnlichsten Orten und in verschiedenen technischen Varianten zu gewinnen. Neueste Entwicklungen bringen die Nutzung von Sonnenenergie auf einen neuen Level und tragen dazu bei, dass trotz sinkender Subventionen die Solarenergie in Zukunft starke Zuwachsraten erreichen und einen wichtigen Anteil im zukünftigen Energiemix ausmachen wird.

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Kommentare

Bild des Benutzers Paul Stubenruss

Werte Frau Psenner, was sagen Sie zu diesen Vortrag von Herrn Hans Werner Sinn, er nennt die Energiewende in Deutschland politische geistesgestört. https://www.youtube.com/watch?v=xzXAZad3TcE
Gespannt warte ich auf Ihren angekündigten Gastbeitrag zur Energiegewinnung aus dem Meer.

Bild des Benutzers Ludwig Thoma

aja, der Herr Sinn, war mal für den Euro und dann dagegen, oder war es umgekehrt? Egal. Ist der jetzt auch Experte für Energiegewinnung?

Bild des Benutzers Paul Stubenruss

Noch eine Frage, sie nennen die CO² Einsparung. Dazu die Sichtweise eines Nobelpreisträgers für Physik : https://www.youtube.com/watch?v=V6beNHuDBmc

Bild des Benutzers Lockes Log

Wenn Sie hier schon mit Nobelpreisträger punkten wollen, sollten Sie der Verhältnismäßigkeit wegen auch die 71 anderen Nobelpreisträger erwähnen, die die Mainauer Deklaration 2015 zum Klimawandel sehr wohl unterzeichnet haben und diesem Physiker hier einhellig widersprechen.

Bild des Benutzers Monika Psenner

Antwort an Herrn Stubenruss - Klimawandel,

Vielen Dank für Ihren Kommentar und dem Link zum Video von Ivar Giaever (Physik Nobelpreisträger von 1973)

Der Großteil namhafter Klimaforscher und renommierter Wissenschaftler, sowie die Experten der UN-Klimakonferenz und diverser anderer renommierter Institutionen vertritt die Meinung, dass es höchste Zeit ist die notwendigen Maßnahmen zu ergreifen, um die vom Menschen verursachten CO2 Emissionen zu verringern. Nur so könne der Klimawandel gestoppt oder zumindest verringert werden und die Welt vor großen Katastrophen bewahrt werden.

Es gibt einige Klimaforscher und Wissenschaftler, welche diese Meinung nicht vertreten.

Ich bin weder Klimaforscher noch Klimaexperte, jedoch glaube ich der großen Mehrheit der Experten.

Bild des Benutzers Lockes Log

'Es gibt einige Klimaforscher und Wissenschaftler, welche diese Meinung nicht vertreten.'
Hier muss man wieder unterscheiden. Laut wissenschaftlicher Literatur befürworten jene die dazu Stellung nehmen zu ~97,1%, dass Menschen die globale Erwärmung verursachen (http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/8/2/024024/meta)
Kritiker, wie z.B. Richard Tol, kritisieren also nicht die Erkenntnis oder streiten ab, dass der Klimawandel vom Menschen verursacht wird, sondern fordern einen anderen Umgang mit dieser Tatsache. Das bezieht sich auf ökonomische Auswirkungen usw.
Neben diesem fachlichen Diskurs gibt es natürlich auch noch die fabelhafte Welt der Freizeitwissenschaftler, Autoren von selbst verlegten Büchern und vieles andere. Diese fallen aber überhaupt nicht ins Gewicht und sollten klar von Wissenschaft und Klimaforschung getrennt werden. Wollte dies nur nochmal unterstreichen, sonst entsteht der Eindruck ein Zweifel am Klimawandel könnte begründet werden. Denn auch wenn einem das Internet leicht suggerieren kann, dass da noch viele Fragen offen sein könnten (immerhin kommt auf ein Fachbuch ein Vielfaches an Trivialliteratur und allerlei Informationsseiten), ist dies eben nicht der Fall und der Klimawandel selbst steht überhaupt nicht mehr zur Debatte.

Bild des Benutzers Paul Stubenruss

Antwort an Thoma
Eine Auseinandersetzung mit dem was Herr Sinn sagt wäre sachlicher als auf seine Meinung zum Euro hin zu weisen, noch dazu wo er damit recht hat. Der Euro war auch am Anfang gut, nur wird er durch den dauernden Bruch der Verträge von der Politik zerstört, das gilt auch für die EU selbst. Was ist an den Aussagen von Herrn Sinn falsch?
Antwort an Lockes Log
Die Geschichte hat Beispiele genug wo ein einzelner Wissenschaftler gegenüber einem ganzen Haufen von anderen Wissenschaftlern recht hatte. Sachlich wäre es, zu sagen, wo der Nobelpreisträger Unrecht hat.
Werte Frau Psenner, ich lade auch Sie herzlichst ein, zu sagen, wo beide Wissenschaftler falsch liegen.

Bild des Benutzers Lockes Log

Ich maße mir nicht an jede Statistik korrekt einordnen zu können. Dafür kann ich diesen Herrn erstmal beurteilen und erspare mir so jedwede Leichtgläubigkeit.
Es gibt zwar immer wieder Umstürze in der Wissenschaft, was ja unter anderem in ihrer Methode liegt, aber diese werden durch Arbeit und Beweisführung begründet, nicht wie hier durch Spekulationen. Selbst Einstein wurde ignoriert und hatte erst recht, als Eddington einen Beweis geliefert hat.
In diesem Fall besteht die Arbeit hinter der These aber nicht einmal aus einer gehaltvollen Theorie, sondern "einem Tag oder vielleicht auch nur einen halben Tag Google " und die Qualifikation betitelt er selbst als "ich interessiere mich nicht besonders für den Klimawandel."
Die Logik sagt mir, dass dieser Mann also mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit unrecht hat. Andernfalls lägen 98,6% dieser Nobelpreisträger (darunter auch qualifizierte) falsch und würden damit ohnehin die Glaubwürdigkeit der Auszeichnung aufheben, wodurch auch dieser Herr keinen Titel mehr hätte, auf den Sie sich berufen könnten.
Da auch Nobelpreisträger nicht vor Irrtum gefeit sind und außerhalb ihres Fachs genauso wie jeder andere als Laien gelten, setzte ich also aus Vernunftgründen mein Vertrauen auf jene 98,6%, die Integrität der Wissenschaft samt Fachwissen und eben meinem objektivem Urteil, welches diesen Mann hier als unglaubwürdig einstuft.

Bild des Benutzers Monika Psenner

Werter Herr Stubenruss,
Vielen Dank für Ihren Kommentar und den Link zum Vortrag von Professor Sinn. Habe den Vortrag mit großem Interesse angehört.

Ohne auf die die Details von Professor Sinn‘s Vortrag einzugehen, hat er sicher dahingehend Recht, dass die ambitionierten Ziele der deutschen Energiewende zu den vorgegebenen Zeitpunkten nicht realisiert werden können.

Ziel der deutschen Energiewende ist es mittel- und längerfristig fossile Energien (Erdöl, Gas, Kohle) zu einem großen Teil durch erneuerbare Energien zu ersetzen und aus der Atomenergie gänzlich auszusteigen. Die Energiewende ist ein "Mehr-Generationenprojekt", bei dem es um den kompletten Umbau der Energieversorgung in den nächsten Jahrzehnten geht.
Diesbezüglich sind für die Jahre 2020, 2030, 2040 und 2050 Ziele vorgegeben, um wie viel Prozent die Treibhausgasemissionen gegenüber 1990 sinken sollen. (siehe Fünfter Monitoring Bericht „Energie der Zukunft“, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Seite 6 und 7). http://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Publikationen/Energie/fuenfter-monitorin...

Wie die Statistik zeigt, werden die größten Fortschritte bezüglich Umstieg auf erneuerbare Energie im Stromsektor gemacht, während in den anderen Sektoren wie Verkehrssektor, Wärmebedarf / Gebäudesektor nur kleine Fortschritte zu verzeichnen sind.
Es zeigt sich, dass die ambitionierten Ziele der deutschen Energiewende für 2020 nicht erreicht werden können. Das heißt aber nicht, dass die Ziele überhaupt nicht realisierbar sind. Der Umstieg auf erneuerbare Energie wird wesentlich länger dauern, als es in den Plänen der deutschen Energiewende vorgesehen ist. Der Fortschritt in Forschung und Entwicklung wird dazu beitragen die noch bestehenden Herausforderungen und technischen Hindernisse in Zukunft zu überwinden.
Die Politik und der Einfluss verschiedener Lobbys auf die Politik spielen bei der Umsetzung der deutschen Energiewende auf jeden Fall eine ganz wichtige Rolle. Einige Beispiele dazu: Die überstarke Autolobby ist gegen einen schnellen Umstieg auf Elektroautos, die Kohlelobby ist gegen weitere Schließungen von Kohlebergwerken etc.)

P.S. Der Beitrag zur Energiegewinnung aus dem Meer wird im Februar publiziert werden.

Bild des Benutzers Claudio Campedelli

Segnalo per gli appassionati al tema il seguente link a Minesto: https://minesto.com/
Produzione di energia elettrica partendo dalle correnti oceaniche.
Si può trovare molto materiale (anche dettagli) sulla tecnologia proposta.

Bild des Benutzers Konrad Fischer

Oh, kein einziges Wort zum Selbstentzündungsrisiko der Solarenergietechnik, hier in der Solarbrandchronik nachzuholen: www.konrad-fischer-info.de/pvbrand.htm - italienische Solarbrände inklusive.

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