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==Photovoltaik – Sonnenstrom überall== | ==Photovoltaik (PV) – Sonnenstrom überall== | ||
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|valign="top"|[[Bild:Umwelt energie photovoltaik.jpg|thumb| Photovoltaik - netzgekoppelte Anlagen]] | |valign="top"|[[Bild:Umwelt energie photovoltaik.jpg|thumb| Photovoltaik - netzgekoppelte Anlagen]] | ||
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Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Herzstück jeder Solarzelle ist ein Halbleiter, | Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Herzstück jeder Solarzelle ist ein Halbleiter, meist Silizium. Solarzellen beruhen auf dem photovoltaischen Effekt: Bei bestimmten übereinander angeordneten Halbleiterschichten entstehen unter dem Einfluss von Licht (Photonen) freie positive und negative Ladungen, die durch ein elektrisches Feld getrennt werden und als Elektronen über einen elektrischen Leiter abfließen können. Der so entstehende Gleichstrom kann direkt zum Betrieb elektrischer Geräte genutzt oder in Batterien gespeichert werden. Er kann auch in Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. | ||
meist Silizium. Solarzellen beruhen auf dem photovoltaischen Effekt: Bei bestimmten übereinander angeordneten Halbleiterschichten entstehen unter dem Einfluss von Licht (Photonen) freie positive und negative Ladungen, die durch ein elektrisches Feld getrennt werden und als Elektronen über einen elektrischen Leiter abfließen können. Der so entstehende Gleichstrom kann direkt zum Betrieb elektrischer Geräte genutzt oder in Batterien gespeichert werden. Er kann auch in Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. | |||
===Ein dynamischer Markt=== | ===Ein dynamischer Markt=== | ||
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Der zentrale Baustein eines PV-Generators ist '''die Solarzelle'''. Sie verursacht etwa die Hälfte der gesamten Kosten eines Systems. Mit sinkenden Modulkosten müssen aber auch die anderen Komponenten, vor allem der Wechselrichter der Anlage, mit der Kostenreduktion Schritt halten. | Der zentrale Baustein eines PV-Generators ist '''die Solarzelle'''. Sie verursacht etwa die Hälfte der gesamten Kosten eines Systems. Mit sinkenden Modulkosten müssen aber auch die anderen Komponenten, vor allem der Wechselrichter der Anlage, mit der Kostenreduktion Schritt halten. | ||
Inzwischen stehen eine große Zahl von Halbleitermaterialien für die Herstellung von Solarzellen zur | Inzwischen stehen eine große Zahl von Halbleitermaterialien für die Herstellung von Solarzellen zur Verfügung. Das wichtigste Element ist nach wie vor das Silizium. Es wird in drei Varianten hergestellt: | ||
Verfügung. Das wichtigste Element ist nach wie vor das Silizium. Es wird in drei Varianten hergestellt: | |||
* Das teure, aber sehr reine monokristalline Silizium ist sehr aufwändig in der Herstellung, weist aber die besten Wirkungsgrade für die Umwandlung der Strahlungsenergie auf; | * Das teure, aber sehr reine monokristalline Silizium ist sehr aufwändig in der Herstellung, weist aber die besten Wirkungsgrade für die Umwandlung der Strahlungsenergie auf; | ||
* Polykristallines Silizium ist einfacher und kostengünstiger in der Herstellung, die geringere Reinheit des Materials führt jedoch auch zu etwas schlechteren Wirkungsgraden, die sich in einem größeren Aufwand für die erforderliche Generatorfläche, Gestelle und Landverbrauch niederschlagen; | * Polykristallines Silizium ist einfacher und kostengünstiger in der Herstellung, die geringere Reinheit des Materials führt jedoch auch zu etwas schlechteren Wirkungsgraden, die sich in einem größeren Aufwand für die erforderliche Generatorfläche, Gestelle und Landverbrauch niederschlagen; | ||
* Noch billiger in der Herstellung sind Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium, allerdings ist der Wirkungsgrad und die Lebensdauer gegenüber den kristallinen Zellen herabgesetzt, was die Kostenvorteile weitgehend wieder ausgleicht. | * Noch billiger in der Herstellung sind Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium, allerdings ist der Wirkungsgrad und die Lebensdauer gegenüber den kristallinen Zellen herabgesetzt, was die Kostenvorteile weitgehend wieder ausgleicht. | ||
Neben Materialien aus Silizium ist noch eine Vielzahl '''weiterer Materialien''' und Materialkombinationen in der Erprobung und Entwicklung. Vor allem im Bereich der Dünnschichttechnologie, die mit deutlich weniger Material als die kristallinen Zellen auskommt, werden erhebliche Kostensenkungen | Neben Materialien aus Silizium ist noch eine Vielzahl '''weiterer Materialien''' und Materialkombinationen in der Erprobung und Entwicklung. Vor allem im Bereich der Dünnschichttechnologie, die mit deutlich weniger Material als die kristallinen Zellen auskommt, werden erhebliche Kostensenkungen erwartet. Die wichtigsten Materialien für Solarzellen sind neben dem amorphen Silizium z.B. Gallium-Arsenid (GaAs), Germanium (Ge), Cadmium-Tellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS). | ||
erwartet. Die wichtigsten Materialien für Solarzellen sind neben dem amorphen Silizium z.B. Gallium-Arsenid (GaAs), Germanium (Ge), Cadmium-Tellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS). | |||
Ein vielversprechendes Konzept für die Zukunft sind '''Tandemzellen'''. Hier werden mehrere Halbleitermaterialien so kombiniert, dass sie einen größeren Bereich des Spektrums des Sonnenlichts ausnutzen können. Bei Laborzellen aus einer Kombination von Gallium-Arsenid und Gallium-Antimon wurden | Ein vielversprechendes Konzept für die Zukunft sind '''Tandemzellen'''. Hier werden mehrere Halbleitermaterialien so kombiniert, dass sie einen größeren Bereich des Spektrums des Sonnenlichts ausnutzen können. Bei Laborzellen aus einer Kombination von Gallium-Arsenid und Gallium-Antimon wurden unter konzentriertem Licht Wirkungsgrade gemessen, die deutlich über denen einfacher Solarzellen lagen. | ||
unter konzentriertem Licht Wirkungsgrade gemessen, die deutlich über denen einfacher Solarzellen lagen. | |||
===Netzgekoppelte Anlagen=== | ===Netzgekoppelte Anlagen=== | ||
Photovoltaische Anlagen mit einigen Kilowatt Leistung können in Dächer oder Fassaden integriert werden. Die deutsche Bundesregierung hat 1999 ein 100.000-Dächer-Förderprogramm ins Leben gerufen, mit dem die weitere Marktentwicklung solcher Anlagen durch zinsgünstige Kredite gefördert wird. Im Rahmen dieses Programms sollen rund 300 MW PV-Leistung installiert werden. Mit dem [[Erneuerbare-Energien-Gesetz]], das die Einspeisung erneuerbaren Stroms in das deutsche Stromnetz regelt, wurde die Förderung von PV-Strom von anfänglich 8,4 auf 50,5 Cent/kWh sehr stark angehoben. Das gab der Nachfrage nach PV-Anlagen einen weiteren deutlichen Schub. Um die Kostendegression anhaltend zu stimulieren, sinkt die Förderung allerdings für Neuanlagen jedes Jahr um 5 %. | Photovoltaische Anlagen mit einigen Kilowatt Leistung können in Dächer oder Fassaden integriert werden. Die deutsche Bundesregierung hat 1999 ein 100.000-Dächer-Förderprogramm ins Leben gerufen, mit dem die weitere Marktentwicklung solcher Anlagen durch zinsgünstige Kredite gefördert wird. Im Rahmen dieses Programms sollen rund 300 MW PV-Leistung installiert werden. Mit dem [[Erneuerbare-Energien-Gesetz]], das die Einspeisung erneuerbaren Stroms in das deutsche Stromnetz regelt, wurde die Förderung von PV-Strom von anfänglich 8,4 auf 50,5 Cent/kWh sehr stark angehoben. Das gab der Nachfrage nach PV-Anlagen einen weiteren deutlichen Schub. Um die Kostendegression anhaltend zu stimulieren, sinkt die Förderung allerdings für Neuanlagen jedes Jahr um 5 %. | ||
Ein typisches System besteht aus einem dach- oder fassadenintegrierten '''Solargenerator''', der bei Einstrahlung Gleichstrom liefert. Über einen Wechselrichter wird der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und direkt in Haushaltsgeräten genutzt oder ins Netz eingespeist. Wenn der Solargenerator | Ein typisches System besteht aus einem dach- oder fassadenintegrierten '''Solargenerator''', der bei Einstrahlung Gleichstrom liefert. Über einen Wechselrichter wird der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und direkt in Haushaltsgeräten genutzt oder ins Netz eingespeist. Wenn der Solargenerator keine ausreichende elektrische Leistung liefern kann, wird zusätzlicher Strom aus dem Netz bezogen. Zur Erweiterung der Leistung können mehrere Module parallel und in Serie verschaltet werden. Bei größeren Leistungen im Megawatt-Bereich ist in der Regel eine Aufstellung des PV-Generators auf geeigneten freien Flächen notwendig, die in Mitteleuropa nur begrenzt verfügbar und relativ teuer sind. Große PV-Kraftwerke werden deshalb in unseren Breiten eher die Ausnahme bleiben. | ||
keine ausreichende elektrische Leistung liefern kann, wird zusätzlicher Strom aus dem Netz bezogen. Zur Erweiterung der Leistung können mehrere Module parallel und in Serie verschaltet werden. Bei größeren Leistungen im Megawatt-Bereich ist in der Regel eine Aufstellung des PV-Generators auf geeigneten freien Flächen notwendig, die in Mitteleuropa nur begrenzt verfügbar und relativ teuer sind. Große PV-Kraftwerke werden deshalb in unseren Breiten eher die Ausnahme bleiben. | |||
===Netzunabhängige Kleinanlagen=== | ===Netzunabhängige Kleinanlagen=== | ||
Eine weitere wichtige Anwendung sind netzunabhängige Kleinanlagen zur Versorgung von entlegenen Funk- und Messstationen, Notrufsäulen, Garten oder Wochenendhäusern. Je nachdem, ob die Verbrauchsgeräte mit Gleich- oder Wechselstrom arbeiten, ist ein Wechselrichter notwendig. In der Regel werden eine Batterie und ein Laderegler gebraucht, um Schwankungen der Einstrahlung zu überbrücken oder um auch nachts Solarstrom zur Verfügung zu stellen. | Eine weitere wichtige Anwendung sind netzunabhängige Kleinanlagen zur Versorgung von entlegenen Funk- und Messstationen, Notrufsäulen, Garten oder Wochenendhäusern. Je nachdem, ob die Verbrauchsgeräte mit Gleich- oder Wechselstrom arbeiten, ist ein Wechselrichter notwendig. In der Regel werden eine Batterie und ein Laderegler gebraucht, um Schwankungen der Einstrahlung zu überbrücken oder um auch nachts Solarstrom zur Verfügung zu stellen. | ||
'''In Entwicklungsländern''', in denen die Versorgungsnetze noch unzulänglich ausgebaut sind, wird die Photovoltaik bereits erfolgreich bei Einzelhausversorgungen (Solar Home Systems), Dorfstromversorgungen, | '''In Entwicklungsländern''', in denen die Versorgungsnetze noch unzulänglich ausgebaut sind, wird die Photovoltaik bereits erfolgreich bei Einzelhausversorgungen (Solar Home Systems), Dorfstromversorgungen, Pumpenanlagen angewandt. In vielen Fällen der dezentralen Klein- und Kleinstanwendungen sind die brennstoffunabhängigen, wartungsarmen Systeme die beste und oft auch wirtschaftlichste Lösung für eine netzferne Stromversorgung. | ||
Pumpenanlagen angewandt. In vielen Fällen der dezentralen Klein- und Kleinstanwendungen sind die brennstoffunabhängigen, wartungsarmen Systeme die beste und oft auch wirtschaftlichste Lösung für eine netzferne Stromversorgung. | |||
===Ökologisch zahlt es sich aus=== | ===Ökologisch zahlt es sich aus=== | ||
Solarzellen haben keinen Schornstein: Keine Luftschadstoffe, kein Brennstoffverbrauch, kein Lärm sind bei der Stromerzeugung zu verzeichnen. Allerdings ist die Herstellung herkömmlicher Solarzellen energieintensiv. Zwischen drei und fünf Jahre müssen sie hierzulande arbeiten, um die Energie wieder reinzuholen, die ihre Herstellung gekostet hat. Jede weitere Kilowattstunde ist dann aber ökologisch | Solarzellen haben keinen Schornstein: Keine Luftschadstoffe, kein Brennstoffverbrauch, kein Lärm sind bei der Stromerzeugung zu verzeichnen. Allerdings ist die Herstellung herkömmlicher Solarzellen energieintensiv. Zwischen drei und fünf Jahre müssen sie hierzulande arbeiten, um die Energie wieder reinzuholen, die ihre Herstellung gekostet hat. Jede weitere Kilowattstunde ist dann aber ökologisch gesehen umsonst (siehe auch [[Erneuerbare Energien|Kapitel “Ökologische Qualitäten erneuerbarer Energien”]]). | ||
gesehen umsonst (siehe auch [[Erneuerbare Energien|Kapitel “Ökologische Qualitäten erneuerbarer Energien”]]). | |||
Setzt man voraus, dass für die Herstellungsenergie konventionelle Kraftwerkstechnologie eingesetzt wird, so sind folgerichtig indirekte Umwelteinwirkungen zu verzeichnen. Dabei ist aber zweierlei zu beachten: Zum einen sind diese Emissionen ein Problem des jetzigen und nicht des zukünftigen Energiesystems. Würde die Energie zur Herstellung von Solarzellen mit Solarzellen erzeugt, gäbe es diese Emissionen nicht. Zum anderen ist das Minderungspotenzial immens. Durch fortschrittliche Technologien und Serienfertigung, aber auch durch den Übergang auf andere und weniger materialintensive Prozesse ist mit wesentlichen Einsparmöglichkeiten zu rechnen. | Setzt man voraus, dass für die Herstellungsenergie konventionelle Kraftwerkstechnologie eingesetzt wird, so sind folgerichtig indirekte Umwelteinwirkungen zu verzeichnen. Dabei ist aber zweierlei zu beachten: Zum einen sind diese Emissionen ein Problem des jetzigen und nicht des zukünftigen Energiesystems. Würde die Energie zur Herstellung von Solarzellen mit Solarzellen erzeugt, gäbe es diese Emissionen nicht. Zum anderen ist das Minderungspotenzial immens. Durch fortschrittliche Technologien und Serienfertigung, aber auch durch den Übergang auf andere und weniger materialintensive Prozesse ist mit wesentlichen Einsparmöglichkeiten zu rechnen. | ||