Photovoltaik
Photovoltaik – Sonnenstrom überall
- Ressource: solare Direkt- und Diffusstrahlung
- Standorte: überall; insbesondere auch Dächer und Fassaden
- Einsatzgebiete: Stromerzeugung
- Leistungsbereich: wenige Watt bis einige MW
- Kosten heute:
netzgekoppelt:
- 0,60 – 0,90 Euro/kWh (Mitteleuropa);
- 0,35 – 0,50 Euro/kWh (Nordafrika)
Solar Home Systems:
- 1,00 Euro/kWh (Mitteleuropa)
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.
Ein dynamischer Markt
Solarzellen gibt es in allen denkbaren Größenordnungen. Kleinstzellen gelangen in Taschenrechnern und Uhren zum Einsatz. Im Kilowatt-Bereich können Häuser mit Strom versorgt werden. Zu großen Solarfeldern zusammengestellt, dringen Solarzellen neuerdings aber auch in den Megawatt-Bereich ein.
Zwar ist die Sonnenstrahlung in Deutschland nicht so üppig wie in südlichen Ländern. Da Solarzellen aber auch den diffusen Anteil der Strahlung energetisch umsetzen, lohnt sich Photovoltaik auch in unseren Breiten. Die Strahlungsenergie der Sonne ist in den südlichen Bundesländern im Jahresmittel höher als im Norden. Auf einen Quadratmeter fallen jährlich zwischen 900 und 1.200 kWh Strahlungsenergie. Eine Solarzelle setzt im Schnitt ein Zehntel davon in Strom um.
An Fläche ist ebenfalls kein Mangel: Auf 1.000 km² Dachflächen, Fassaden, Lärmschutzwällen und sonstigen Flächen könnten 135 TWh pro Jahr erzeugt werden. Das entspricht einem Drittel des gegenwärtigen Stromverbrauchs. Insgesamt 2.300 km² stehen auf Dächern und an Fassaden von Gebäuden und an anderen Stellen innerhalb von Siedlungsflächen in Deutschland zur Verfügung.
Derzeit werden weltweit pro Jahr Solarzellen mit einer potenziellen Leistung von 287 MW (2000) produziert, mit stark wachsender Tendenz. In Deutschland waren Ende 2001 Photovoltaikanlagen mit einer Gesamtleistung von etwa 175 MW am Netz.
Die Photovoltaik hat in den vergangenen Jahren nicht nur drastische Nachfragesteigerungen verbucht, sondern auch eine deutliche Kostenreduktion durchlaufen. Während Strom aus PV-Anlagen 1985 noch etwa 1,5 Euro/kWh kostete, liegen die Stromgestehungskosten heute in Mitteleuropa je nach Anwendungsfall und Technologie zwischen 0,60 Euro bei großen netzgekoppelten Generatoren und 0,90 Euro bei dezentralen Kleinanlagen. Die Investition für eine Hausdachanlage muss heute mit etwa 6.000 bis 9.000 Euro pro Kilowatt installierter Leistung veranschlagt werden, für größere Freiflächenanlagen bei etwa 5.000 bis 7.500 Euro. Auch für die Zukunft wird eine deutliche Verminderung der Kosten erwartet. Bis 2010 wird von einer Halbierung ausgegangen. Vor allem ein deutlicher Anstieg des Produktionsvolumen ist dafür verantwortlich. Aber auch die Verbesserung der Materialausbeute – heute geht ein Großteil des Halbleitermaterials beim Schneiden der Wafer und anderer Verarbeitungsschritte verloren – und Steigerungen des Wirkungsgrades werden helfen, die Kosten der innovativen Stromquelle zu drücken.
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 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;
- 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.
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).
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.
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 %.
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.
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.
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.
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 gesehen umsonst (siehe auch 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.