Photovoltaik

Die Sonne: eine antizyklische Energielieferantin

Die jährliche Strahlungsenergie der Sonne schwankt in unserem Lande je nach geographischer Lage zwischen 900 und 1.250 kWh/m². Nur bei klarem Wetter wird die maximale Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche von 1.000 W/m² ereicht. 75% der eingestrahlten Sonnenenegrie entfällt hierzulande auf den Sommer; 25 % auf die Wintermonate. Zum Vergleich: Die eingestrahlte Energie kann an einem Sommertag bis zu 80mal größer sein als an einem trüben Wintertag. Das Energieangebot der Sonnenenergie ist aber nicht nur schwankend, es wird dazu auch noch antizyklisch bereitgestellt: Heizenergie wird z.B. gerade dann gebraucht, wenn die Sonne nicht scheint.

Solarkraftwerke: Strahlung oder Wärme nutzen

Sonnenenergie ist Energie in Form von Sonnenstrahlung. Sie geht in neue Energiekreisläufe ein. Wind- und Wasserkraft sind daraus sekundär entstehende Formen: Die Sonne erwärmt Meere und Seen, Wasserdampf steigt auf, Wolken entstehen, Regen und Schnee fallen zur Erde. Flüsse und Gletscher bringen das Wasser zum Meer zurück. Wind gleicht den Luftdruckunterschied zwischen Zonen verschieden warmer Luft aus. Wind- und Wasserkraftwerke nutzen Sonnenenergie indirekt. Solarzellen- und Sonnenkollektoren-Kraftwerke nutzen Sonnenenergie direkt.

Je nach Art der Energieumwandlung von Sonnenenergie zu Elektrizität unterscheidet man grundsätzlich zwei Kraftwerkstypen:

  • Photovoltaische oder Solarzellen-Kraftwerke wandeln die Sonnenstrahlung (Licht) direkt um. Dies nennt man photovoltaischen Effekt (Photovoltaik). 
  • Solarthermische oder Solarwärme-Kraftwerke erzeugen durch Konzentration der Sonnenstrahlung Wärme und damit Dampf, der eine Turbine mit Generator zur Stromerzeugung antreibt. 

Photovoltaik: Aus Licht wird Strom

Mit Photovoltaik wird die Umwandlungstechnik einer Solarzelle bezeichnet, die aus Licht Strom erzeugt. "Photo" ist griechisch und steht dabei für Licht, das Wort "Voltaik" ist vom Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta abgeleitet worden. Ihm verdankt die Erforschung der Elektrizität sehr viel und deshalb nannte man das Maß für die elektrische Spannung „Volt“.

Das Prinzip der Photovoltaik ist sicher die eleganteste Art zur Wandlung von Energie in Strom: Wird die Solarzelle dem Licht ausgesetzt, entwickelt sich zwischen ihren beiden Kontakten ein elektrisches Spannungspotenzial. Man könnte sie also als Mini-Kraftwerk bezeichnen, das Dampfkessel, Turbine und Generator ersetzt. Zum photovoltaischen Prinzip: Auf die Grenzschicht zwischen zwei Halbleitern von unterschiedlichem Stromleitungsmechanismus fällt Sonnenlicht, wodurch sich zwischen den Halbleitern elektrische Spannung bildet. Die Stromstärke nimmt mit Beleuchtungsstärke und Flächengröße zu. Der Vorteil der Photovoltaik ist deren Umweltfreundlichkeit, nachteilig zu bewerten ist die geringe ökonomische Effizienz sowie der lange Zeitraum, bis eine Photovoltaikanlage die Energiemenge erzeugt hat, die zu ihrer Produktion erforderlich war (mehrere Jahre).

Die Solarzelle: Hoher Wirkungsgrad möglich

Die Solarzelle bietet aber noch mehr: Der Vorgang der Photosynthese, der die Voraussetzung für pflanzliches Leben ist und mit dessen Hilfe innerhalb von Millionen von Jahren alle Vorräte von Kohle, Öl und Gas aufgebaut worden sind, wird übersprungen. Sonnenenergie wird völlig unmittelbar in Strom umgesetzt. Man ging früher davon aus, dass der Wirkungsgrad von Solarzellen, je nach Material, theoretisch an die 30% betragen könnte. Neuberechnungen des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart haben ergeben, dass dieser sogar bei 43% liegt. Gegenwärtig werden in der Praxis 13 bis 15% erzielt, unter günstigen Bedingungen bis zu 18% und im Labor sogar noch mehr. Im Vergleich hierzu hat die pflanzliche Photosynthese einen Wirkungsgrad von 2% und liegt mit ihrer Effizienz deutlich hinter der Solarzelle.

Die Photovoltaik hat dennoch immer noch einen verschwindend geringen Anteil an der Deckung des gesamten Strombedarfs. Dies liegt allerdings nicht am Wirkungsgrad, sondern an den bislang noch hohen Herstellungskosten in Verbindung mit der grundsätzlich geringen "Leistungsdichte" der Sonnenstrahlung.

Diese beträgt nämlich höchstens 1 Kilowatt je Quadratmeter. In sonnenreichen Gegenden bedeutet das eine nutzbare Leistung von jährlich etwa 2.200 kWh je Quadratmeter, in unseren Breiten jedoch nur etwa 1.000 kWh je Quadratmeter. Es erfordert viel Fläche, um mit Hilfe der Photovoltaik große Leistungen zu erzielen. Außerdem erfordert die Herstellung von Solarzellen zunächst einen beträchtlichen Energieaufwand. Bei einer Erneuerung wird dieser Energieaufwand erneut fällig. Derzeit wird die Lebensdauer von Zellen aus Silizium auf rund dreißig Jahre veranschlagt.

Solaranlagen: Ausbeute hängt von der Ausrichtung ab

Durch optimale Ausrichtung erreichen Solaranlagen die höchste Energieausbeute. Sie sollten in südliche Richtungen ausgerichtet sein. Eine geringe Abweichung aus der Südausrichtung um 20° nach Ost oder West verringert die Energieausbeute nur wenig. Vom Breitengrad des Standortes ist der optimale Neigungswinkel für eine Solaranlage abhängig. Anlagen in Deutschland werden 30° bis 45° zur Horizontalen geneigt. Hierdurch erhöht sich die Sonnenenergieausbeute um etwa 10%.

Die Photovoltaikanlage: Sinnvoll und unterstützend

Heutzutage werden Taschenrechner, Uhren und Parkscheinautomaten mit Strom aus Sonnenlicht versorgt. Auch die Stromversorgung von Gebäuden wird durch Photovoltaikanlagen unterstützt.

Eine Photovoltaikanlage besteht neben den Solarmodulen aus den Montagegestellen, dem Wechselrichter, den Stromzählern und der Verkabelung. Auf dem Dach befestigt man sturmsicher die Solarmodule mit speziellen Gestellen. Der entstehende Gleichstrom wird durch Wechselrichter in 230 V Wechselstrom umgewandelt. Über eine Zählereinrichtung ist der Wechselrichter an das öffentliche Stromnetz angeschlossen.

Photovoltaikanlagen für Wohngebäude

Ein Solargenerator mit der Größe von 10 m² erzeugt eine elektrische Leistung von maximal 1.000 Watt. So können in Deutschland durchschnittlich jährlich 800 kWh Strom erzeugt werden. Einschließlich Montage betragen die Kosten für die gesamte Photovoltaikanlage etwa 8.000 EUR. Der Strom aus dem Sonnenlicht kostet etwa 1,00 bis 1,25 EUR/kWh. Allerdings ist eine Stromversorgung allein durch die Photovoltaikanlage für das eigene Haus kaum möglich. Der Solarstrom wird hauptsächlich an Sommertagen erzeugt. In der Nacht und an Schlechtwettertagen, außerdem im Winter, muss der Strom weiterhin aus dem öffentlichen Netz entnommen werden. Die Strom-Speicherung ist sehr aufwendig und teuer.

Photovoltaikanlagen als Energieversorger

1958 schickte man den durch photovoltaische Zellen versorgten amerikanischen Satellit Vanguard I erfolgreich auf seine Mission. Heute lässt sich die Raumfahrt ohne Photovoltaik nicht mehr vorstellen. Auf der Erde werden Notrufsäulen an den Autobahnen und Bojen auf hoher See kostengünstig mit Sonnenenergie versorgt. Schrebergärten und Wohnwagen werden zunehmend mit Photovoltaikanlagen ausgestattet. Zukünftig könnten sich abgelegene Bauernhöfe und kleine Siedlungen zum Teil mit Strom aus Photovoltaikanlagen und kleinen Blockheizkraftwerken wirtschaftlich versorgen