Umweltfreundlicher Strom durch Sonnenenergie

Photovoltaik Anlage

Die Photovoltaik (neue Dudenschreibweise: Fotovoltaik) ist die direkte Umwandlung des Lichts in elektrische Energie. Schon 1958 kam sie in der Raumfahrt zum Einsatz. Aktuell werden PV-Module auf Dachflächen und Parkscheinautomaten, auf Freiflächen, in Taschenrechnern und an Schallschutzwänden installiert. Der Begriff “Photovoltaik” kommt vom griechischen φῶς (phos) für „Licht“ in Verbindung mit Volt für elektrische Spannung. Auch wenn Photovoltaik manchmal synonym mit Solartechnik gleichgesetzt wird, umfasst Letztere noch mehr, nämlich beispielsweise auch die Solarthermie (Wärmenutzung der Sonnenstrahlung).

Globale Bedeutung der Photovoltaik

Die weltweite Nennleistung von Photovoltaikanlagen liegt im Jahr 2016 bei über 230 GW, weltweit kommt etwas mehr als ein Prozent des elektrischen Stroms aus dieser Energiequelle. Das ist im Vergleich mit anderen erneuerbaren Energiequellen nicht allzu viel, auch in Deutschland steht Photovoltaik nur auf Rang 3 nach Windkraft und Biomasse. In Europa liegt der Anteil an der Stromerzeugung bei 3,5 %, in Deutschland bei 5,9 % (Windkraft: 13,3 %, Biomasse: 7,7 %). In südlichen Ländern kann man das Sonnenlicht etwas besser nutzen, so in Italien, wo Solarzellen zu ~8,0 % an der Stromerzeugung beteiligt sind. In der Regel werden die Solarmodule aus kristallinen Siliziumzellen hergestellt, deren weltweiter Anteil bei 90 % liegt. Es gibt noch einige alternative technische Möglichkeiten.

Noch ist die Photovoltaik-Technologie vergleichsweise teuer, doch die Kosten sinken seit den frühen 2000er Jahren sehr deutlich. Es gibt inzwischen Weltregionen wie etwa afrikanische oder amerikanische Wüsten, in denen die Stromgestehungskosten mit PV-Anlagen unter denen mit fossilen Brennstoffen liegen. Allerdings scheint die Sonne nur am Tag, der Strom muss also gespeichert werden. Die Speicherung in Akkus ist immer noch recht teuer, sodass beim direkten Kostenvergleich mit konventioneller Energie die Photovoltaik aktuell noch schlecht abzuschneiden scheint. Wenn aber externe Kosten berücksichtigt werden, welche die fossile Stromerzeugung verursacht, nämlich alle Klima-, Umwelt- und Gesundheitsschäden, dann ist Photovoltaik heute schon ohne jede Förderung konkurrenzfähig. Dasselbe trifft auf die anderen Arten der erneuerbaren Energien zu.

Förderprogramme für PV-Anlagen

Das deutsche Erneuerbare-Energien-Gesetz, das die Blaupause für adäquate Gesetze in über 100 Staaten der Welt wurde, legt eine Einspeisevergütung für 20 Jahre bei der Neuerrichtung einer PV-Anlage fest. Nach der Errichtung kann sich der Betreiber auf die gleichbleibende Vergütung über zwei Jahrzehnte verlassen, allerdings sinkt die Höhe (jeweils für neu errichtete Anlagen) fast im Jahrestakt. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz war von Anfang an so angelegt, dass die Fördersätze für die grünen Energien sukzessive sinken (Degression), um deren technische Marktanpassung mehr oder weniger zu erzwingen. Das gelingt auch, PV-Anlagen (und Windkraft-, Biomasse- und sonstige EE-Anlagen) werden immer effizienter. Es gibt noch weitere Förderprogramme für die Errichtung einer Photovoltaikanlage. Dazu gehören Steuergutschriften für das produzierende Gewerbe und produktionsnahe Dienstleistungen (bundesweite Investitionszulage), KfW-Förderprogramme, das BMU–Demonstrationsprogramm sowie regionale Programme in der Bundesländer und einiger Kommunen. Auch lokale Klimaschutzfonds und einige private Anbieter fördern die Photovoltaik.

Seit wann gibt es Photovoltaik?

Das manche Materialien Licht in Strom umwandeln (fotoelektrischer Effekt), entdeckte 1839 der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel. Albert Einstein stellte 1905 seine Arbeit zur Lichtquantentheorie vor (Nobelpreis für Physik 1921), ab 1954 wurden Siliziumsolarzellen hergestellt. Die ersten Wirkungsgrade lagen bei rund sechs Prozent (2016: über 80 %). Eine erste technische Anwendung war ab 1955 die Stromversorgung von Telefonverstärkern, auch bei Belichtungsmessern für Fotoapparate setzte sich die Photovoltaik schnell durch. Die Raumfahrt nutzte sie seit den späten 1950er Jahren, ab den 1980er Jahren forschte man intensiver für praktische Anwendungen in unserem Alltag. Durch die Ölkrisen der 1970er Jahre und Nuklearunfälle der 1980er Jahre setzte ein Umdenken bezüglich der Energiegewinnung ein. Viele Staaten legten Förderprogramme auf, Deutschland war hier ein Vorreiter. Daraufhin stieg die Zahl der installierten Anlagen weltweit stark an, sie könnte 2020 nach Prognosen der IEA bis zu 500 GWp (Gigawattpeak) erreichen.

Fotoelektrischer Effekt

Photovoltaik basiert auf dem äußeren fotoelekrischen Effekt (es gibt noch mehr solcher Effekte beispielsweise in Halbleitern). Verkürzt dargestellt löst die Photonenbestrahlung durch das Sonnenlicht aus dem Silizium der Solarzelle Elektronen – also elektrischen Strom – heraus. Den 1839 durch Becquerel entdeckten Effekt konnte Heinrich Hertz 1886 verifizieren, bis ihn Albert Einstein 1905 theoretisch untermauerte.

Nennleistung einer PV-Anlage

Für die Nennleistung gibt es die Einheit Wp(Watt Peak), in der gängigen Tausender-Größenordnung sind es folglich kWp. Der Peak ist nötig für die Angabe der maximalen Leistung bei optimaler Sonneneinstrahlung. Diese Leistung wird auch im Labor ermittelt. Die Testbedingungen sind nötig, um PV-Module normieren zu können. Neben dieser angegebenen Spitzenleistung, die in der Praxis durchaus manchmal erreicht wird, interessiert die Betreiber von Solaranlagen vor allem der Jahresertrag im Verhältnis zu den Kosten. Monats- oder Quartalserträge sind kaum interessant, weil die reale Leistung je nach Sonneneinstrahlung sehr stark schwankt – um bis zu 1.000 %. Den Jahresertrag gibt man mit Kilowattstunden (kWh) an. Er hängt stark von den Faktoren

Standort,
Ausrichtung der Module und
Verschattungen

Bei der Investitionsplanung für eine PV-Anlage werden zuerst diese Faktoren ermittelt. Den höchsten Ertrag in Deutschland und Mitteleuropa liefern nicht verschattete Module mit einer Neigung von 30 bis 40 Grad und südlicher Ausrichtung. Die optimale Neigung in Süddeutschland liegt bei 32°, in Norddeutschland bei 37°. Auch die Erwärmung spielt für den Wirkungsgrad der PV-Module eine nicht unerhebliche Rolle. Zu warme Module leisten weniger. Bei guter Sonneneinstrahlung könnte also der Wirkungsgrad paradoxerweise sinken, was sich durch eine Koppelung von Photovoltaik und Solarthermie in einem Modul umgehen lässt. Das aufgeheizte Wasser kühlt die Solarzellen und wird gleichfalls genutzt, gleichzeitig steigt die Effizienz der Solarzellen. Auch wird die Dachfläche doppelt genutzt. Solche bislang noch kostenintensiven Module sind zweifellos sehr zukunftsträchtig.

Montagesysteme für die Photovoltaik

PV-Module lassen sich gut auf Freiflächen aufstellen, auf Dächern wird zwischen den Aufdach- und Indach-Systemen unterschieden. Aufdach-Systeme stehen mit einem Montagegestell auf dem Dach und sind vergleichsweise einfach zu installieren, Indach-Systeme werden in die Dachkonstruktion integriert. Sie übernehmen Dachfunktionen wie Dichtigkeit und Wetterschutz. Das spart einen Teil der Dachdeckung ein und sieht optisch sehr vorteilhaft aus. Aufdach-Systeme wiederum können auf jeder Art von Dach – auch auf flachen Dächern – installiert werden, weil selbst ihre Neigung gut anzupassen ist. Die Kosten pro installiertem kWp liegen im Jahr 2016 zwischen rund 850 bis 900 Euro.