Photovoltaik

Unter Fotovoltaik (auch Photovoltaik) versteht man die Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie. Sie ist seit 1958 zunächst in der Energieversorgung von Satelliten mittels Solarzellen im Einsatz. Mittlerweile wird sie zur Stromerzeugung auf der ganzen Welt eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, an Schallschutzwänden oder auf Freiflächen.

Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos – das griechische Wort für Licht – und Volta – nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität – zusammen.

Technische Beschreibung

Die als Licht und Wärme auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie (1,5 x 1018 kWh / Jahr) ist 15.000 mal höher als der Primärenergieverbrauch (Stand 2006, 1,0 x 1014 kWh / Jahr) der Menschheit. Der Lichtenergieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 1018 kWh. Diese Strahlungsenergie kann fotovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt.

Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Fotovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden.

Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt.

Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Fotovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Bekannte, akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind Parkuhrsysteme, die sich häufig in größeren Städten finden.

Die fotovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Fotovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die fotovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Ohne die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im großen Maßstab werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Allerdings haben das Stromeinspeisegesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz zu einem Boom bei der Errichtung von Fotovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1000 MW installierter elektrischer Leistung von Fotovoltaikanlagen überschritten, das entspricht einem großen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten 10 Jahren.

Wirkungsgrad

Die mit Solarzellen in der Fotovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 6 (Dünnschichtmodule) und 16 (monokristalline Module) Prozent. Zur Gesamtbetrachtung fließen allerdings noch die Verluste des Wechselrichters mit ein.

Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Fotovoltaik aufgrund des zur Zeit eher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv. So erzeugt eine Windkraftanlage mit 5 MW Leistung etwa genauso viel Energie wie eine 500 m x 500 m (25 ha) große Solarstromanlage.

Potenzial

Das erreichbare Potenzial ist sehr hoch: Trotz der scheinbar ungünstigen Bedingungen in Deutschland genügten theoretisch etwa 2 Prozent der Gesamtfläche des Landes, um mit heute verfügbarer Technik in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten, die Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt. Der Einwand, die Fläche in Mitteleuropa würde für einen wesentlichen Anteil von Fotovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist somit nicht haltbar. Die nötige Fläche könnte ohne Neuversiegelung über die Nutzung bisher bebauter Flächen (vor allem Dächer) erreicht werden. Die Fotovoltaik kann daher langfristig auch in Deutschland einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourcenschonung liefern.

Die genannte Zahl von 2 % ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kWp pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kWp, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Größenordnung für das Jahr 2004 und 2005) und der Gesamtfläche Deutschlands von ca. 350.000 km².

Entwicklung der Solarstomerzeugung in Deutschland

Im Jahr 2005 wurden ca. 0,2 Prozent der deutschen Stromerzeugung aus Solarenergie gewonnen, allerdings bei konstant starkem Wachstum, das etwa einer Verzehnfachung der Erzeugung alle fünf Jahre entspricht. Für das Jahr 2010 gehen verschiedene Prognosen von 0,45-1,0 Prozent aus (Quelle: Verband der Netzbetreiber/Bundesverband Erneuerbare Energien). Auch bei theoretisch hohen Potenzialen spielt Solarstrom aktuell und in den nächsten Jahren für die deutsche Stromerzeugung nur eine sehr kleine Rolle, allerdings ist durch das zum Wind gegenläufige Angebotsverhalten der Sonnenenergie der Stromanteil aus Fotovoltaik für einen funktionierenden regenerativen Energiemix erforderlich.

Bei den obigen Angaben zum Flächenbedarf ist eine eventuell notwendige Zwischenspeicherung der Energie noch nicht berücksichtigt. Geht man davon aus, dass 25 % der Energie sofort verbraucht und 75 % gespeichert werden, würde dies bei Umwandlungsverlusten von 50 % den Flächenbedarf für Fotovoltaik ungefähr verdoppeln und zusätzliche Investitionskosten erfordern.

Schwankung des Angebots

Das schwankende Angebot der Fotovoltaik wirkt aus Sicht des Stromnetzes nicht anders als schwankender Verbrauch; die im Niederspannungsbereich eingespeiste Fotovoltaikleistung stellt sich dabei wie eine Verbrauchsminderung dar. Diese ist, wie die durch den Stromverbraucher verursachte Schwankungen der Last, vorhersehbar. Aufgrund dieser Planbarkeit kann Fotovoltaikleistung wie die Windenergie in den Kraftwerksfahrplan des Tageslastgangs einbezogen und ohne zusätzlichen Aufwand wie Verbrauchsschwankungen im Mittellastbereich gesteuert werden. Bei einem Ausbau in großem Maßstab muss die Fotovoltaik mit anderen, gut regelbaren Kraftwerken oder Speichertechnologien kombiniert werden. Hierfür in Frage kommen insbesondere Gaskraftwerke (GuD), Wasserkraftwerke, Pumpspeicherwerke, verteilte Anlagen auf Basis der Kraft-Wärme-Kopplung sowie zukünftig auch Druckluftspeicherkraftwerke, Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicherung sowie Speicherung in Form von Wasserstoff. Sehr gut geeignet sind auch rein logistische Konzepte wie das Demand Side Management und das Virtuelle Kraftwerk.

Konformität zum Verbrauch

Da Strom aus Fotovoltaik naturgemäß tagsüber, zu Zeiten hohen Verbrauchs zur Verfügung steht, trägt sie gerade zur Deckung der Spitzen- und Mittellast bei und ergänzt damit ideal Grundlast abdeckende Kernkraftwerke.

Übertragung

Bei einer dezentralen Stromversorgung aus vielen großflächig verteilten Fotovoltaikanlagen werden Leitungsverluste aufgrund der geringen Entfernungen zwischen Stromquelle und Endverbraucher verringert. Der erzeugte Strom verlässt den Niederspannungsbereich praktisch nicht, sondern wird sofort lokal verbraucht.

Die derzeitig ungeregelte Subventionspolitik Deutschlands mindert diesen Effekt jedoch erheblich, da elektische Energie weiterhin erzeugt wird, um verkauft (also übertragen), und nicht um direkt genutzt zu werden.

Speicherung

Der in einer Solarzelle genutzte Fotovoltaische Effekt erzeugt zunächst nur eine Verschiebung von Ladungsträgern im Siliziumhalbleiter, welche als Spannung messbar ist. Ein angeschlossener Verbraucher sorgt nun für einen als Strom bezeichneten Ladungsträgerausgleich, welcher eine erneute Ladungsträgerverschiebung in der Solarzelle ermöglicht.

Dieser Strom wird in einer netzgekoppelten Fotovoltaikanlage, nachdem er wechselgerichtet wurde, permanent an das Versorgungsnetz abgegeben und dort verbraucht, was eine Zwischenspeicherung unnötig macht.

Der Einsatz von Fotovoltaikanlagen als Insellösung macht jedoch eine Speicherung notwendig, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Während in Kleinstanlagen (öffentliches Telefon, Parkscheinautomat…) die Speicherung in Akkumulatoren zweckmäßig ist, setzt man bei größeren Anlagen (Berghütte) zunehmend auf Brennstoffzellen als Speichermedium und die Windenergie als zusätzliche Energiequelle.

Versorgungssicherheit

Trotz des schwankenden Angebots steht die geplante Leistung aus Fotovoltaik deutlich sicherer zur Verfügung als die eines einzigen Großkraftwerks. Ein unvermuteter Ausfall eines solchen großen Stromerzeugers hat im Stromnetz stärkere Störwirkung als der Ausfall einer einzelnen Fotovoltaikanlage. Durch die breite Streuung und die hohe Anzahl der Fotovoltaikanlagen (derzeit ca. eine Million) ergibt sich eine, im Vergleich zu einer einzelnen Großanlage, extreme Betriebssicherheit.

Um einen ungeplanten Ausfall großer Stromerzeuger abzusichern muss permanent Reserveleistung bereitgehalten werden, dies ist für den Anteil Fotovoltaikleistung nicht notwendig und spart somit Kosten. Aber auch ein geplanter Ausfall eines Großkraftwerks (z.B. für eine Revision) muss durch ein anderes Kraftwerk abgesichert sein, was bei Fotovoltaik ebenfalls nicht erforderlich ist.

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