Photovoltaik - Strom aus Sonnenlicht

Photovoltaik / Solarstrom

von Sabine und Christian Dürschner (Juli 1996, ergänzt Januar 2002)

Mittlerweile sieht man sie immer häufiger auf den Dächern: Blau schimmernde Solarmodule. Dank der vergleichsweise hohen Einspeisevergütung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) und der zinsverbilligten Finanzierungsmöglichkeiten im Rahmen des 100.000-Dächer-Programmes der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) ist es für viele Menschen interessant geworden, in Photovoltaik zu investieren. Eine Investition, die sich auf Dauer für uns alle bezahlt macht. Die Solarzellen des Solargenerators wandeln das Licht der Sonne - einer unerschöpflichen Energiequelle - in Strom um. Dieser physikalische Vorgang heißt Photovoltaik und ist eine der umweltverträglichsten Arten der Stromerzeugung.

Eine Photovoltaik-Anlage mit einer Leistung von 5 kWp erzeugt pro Jahr durchschnittlich ca. 4.500 kWh. Dies bedeutet eine jährliche CO2-Ersparnis von umgerechnet 3.200 kg (Basis: CO2-Emissionen im deutschen Durchschnitt der Stromerzeugung: 0,7 kg/kWh). Der Stromertrag einer PV-Anlage dieser Größe reicht aus, um den Jahresstrombedarf von zwei vierköpfigen Energiespar-Haushalten zu decken. Oder man kann mit einem Elektro- Hybridfahrzeug Audi duo (mit einem Verbrauch von durchschnittlich 30 kWh/100 km) jährlich 15.000  km elektrisch fahren. Ein Elektrofahrzeug City-El mit einem Verbrauch von nur ca. 10 kWh/100 km könnte mit dieser Energiemenge sogar 45.000 km weit fahren...

Erneuerbare Energien
Die Sonne als Energielieferant
Sonnenkollektoren - Solarzellen
Photovoltaik - Strom aus Sonnenlicht
System- und Anlagentechnik - Netzverbund
Solar-Elektromobile
Hinweise zur Errichtung einer eigenen Solaranlage
Ausblick



Erneuerbare Energien

Angesichts der Probleme, die durch den immer weiter steigenden Verbrauch der fossilen Energieträger, wie z.B. Kohle oder Erdöl, für unsere Umwelt entstehen, muß eine Neubesinnung im Umgang mit der Energie erfolgen. Ziel dieser Neubesinnung ist zum einen der sparsame und sinnvolle Umgang mit Energie, zum anderen der verstärkte Einsatz erneuerbarer Energiearten.

Erneuerbare (regenerative) Energien basieren vor allem auf der direkten oder indirekten Nutzung der von der Sonne auf die Erde eingestrahlten Energie. Schon sehr früh hat es der Mensch verstanden, erneuerbare Energien zu nutzen. Sie deckten bis in das 19. Jahrhundert hinein den damals bescheidenen Bedarf. Mit dem Beginn der Industrialisierung übernahmen diese Aufgabe mehr und mehr die fossilen Brennstoffe.

Systeme zur Nutzung der erneuerbaren Energiequellen sind vorhanden. Ihre bisher relativ seltene Anwendung ist oft darauf zurückzuführen, daß die konventionellen Energiearten derzeit relativ günstig angeboten werden, weil die Kosten, die aus den Umweltbelastungen resultieren, weitgehend nicht in den Energiepreisen enthalten sind.

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Die Sonne als Energielieferant

Unter den erneuerbaren Energiequellen ist die Sonne, vom Energieangebot her betrachtet, mit weitem Abstand die bedeutendste. In Deutschland erreicht die Sonneneinstrahlung immerhin das achtzigfache des inländischen Primärenergieverbrauchs. Doch die Strahlung der Sonne ist je nach Wetterlage sowie Tages- und Jahreszeit starken Schwankungen unterworfen. Die jährliche durchschnittliche Sonnenscheindauer beträgt in Deutschland zwischen 1.300 und 1.900 Stunden (Erlangen: ca. 1.700 Stunden). Mehr als 75 % davon entfallen auf das Sommerhalbjahr.

Die auf die Erde auftreffenden Sonnenstrahlen können auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Dabei wird zuerst zwischen aktiver und passiver Nutzung unterschieden. Unter passiver Sonnenenergienutzung versteht man den Einsatz baulicher und architektonischer Mittel zum klimagerechten Bauen.

Bei der aktiven Sonnenenergienutzung unterscheidet man nach den Kriterien indirekt und direkt. Unter der indirekten Nutzung der Sonnenenergie versteht man den Einsatz von Biomasse (Pflanzenöl, Stroh, Holz, etc.) und den Betrieb von Wind- und Wasserkraftanlagen. Mit direkter Nutzung der Sonnenenergie bezeichnet man die Umwandlung der Sonneneinstrahlung in Wärme und elektrische Energie.

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Sonnenkollektoren - Solarzellen

Die Sonnenkollektoren wandeln die solare Einstrahlung in Wärme um. Die Wärme kann z.B. zur Warmwasserbereitung und zur Unterstützung einer Niedertemperaturheizung verwendet werden. Der Kollektorwirkungsgrad liegt je nach verwendeter Technik zwischen 80 und 90 %. Die Umwandlung der Solarstrahlung im Wärme wird Solarthermie genannt.

Die Solarzelle - eine kleine Scheibe aus Halbleitermaterial, die bei Bestrahlung mit Sonnenlicht elektrische Energie abgibt - ist ein einfacher und einer der umweltverträglichsten Stromerzeuger. Es kann auch diffuse Strahlung bei bewölktem Himmel genutzt werden. Den Vorgang der direkten Umwandlung von Sonnenlicht in Strom nennt man Photovoltaik. Der Ertrag der photovoltaischen Anlagen ist durch wetter- und jahreszeitlich bedingte Unterschiede bei der ankommenden Sonnenstrahlung relativ stark schwankend. Im nachfolgenden Bild ist der Ertrag der 3,3-kWp-Photovoltaik-Anlage des Vereins Solar Energie Werk Erlangen e.V. im Jahr 1995 dargestellt.

Solarzellen werden heute meist aus Silizium hergestellt. Bei Silizium-Solarzellen unterscheidet man drei verschiedene Arten: monokristalline, multi- bzw. polykristalline und amorphe Solarzellen.

Der Wirkungsgrad von im Handel erhältlichen Solarzellen liegt je nach Technik zwischen 11 und 18 % bei multi- und monokristallinen Zellen sowie zwischen 6 und 8 % bei amorphen Zellen. Kristalline Solarzellen werden üblicherweise in einer Größe von 10 x 10 cm² hergestellt. Solarzellen werden durch Montage und elektrische Verschaltung zu Solarmodulen und diese wiederum zu Solarmodulfeldern, dem eigentlichen Solargenerator, zusammengefaßt.

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Photovoltaik - Strom aus Sonnenlicht

Bereits 1839 veröffentlichte der französische Physiker Bequerel einen Bericht über einen Versuchsaufbau, in dem er an zwei Metallplatten in einer alkalischen Flüssigkeit bei direkter Sonneneinstrahlung elektrischen Strom nachweisen konnte. Bis zur heutigen Technik der Solarzellen war es noch ein weiter Weg, denn die erste Solarzelle wurde erst 1954 entwickelt. Doch am Prinzip, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, hat sich nichts geändert. Zunächst nur in der Raumfahrt verwendet, rückte die Photovoltaik nach der ersten Ölkrise 1973 immer mehr in das Interesse der Öffentlichkeit. Die technischen Systeme zur photovoltaischen Stromerzeugung sind heute ausgereift, zuverlässig und wartungsarm.

Die Photovoltaik macht sich den photoelektrischen Effekt zunutze. Bei Lichteinfall (elektromagnetische Strahlung) auf die Solarzelle werden durch Photonen Elektronen aus dem Kristallgitter gelöst. Diese Elektronen stehen dann als freie negative Ladungsträger zur Verfügung. Die Folge ist eine Spannung an den Metallkontakten der Solarzelle. Wird der Stromkreis über eine äußere Verbindung geschlossen, fließt Gleichstrom. Dieser Effekt tritt sowohl bei direkter Einstrahlung (an einem sonnigen Tag) als auch bei diffuser Einstrahlung (bei bedecktem Himmel) auf. Der theoretisch mögliche Umwandlungsgrad beträgt "nur" ca. 35 bis 40 %, da nicht die gesamte einfallende Strahlung Ladungsträger losschlagen kann.

Während die Spannung einer Solarzelle weitgehend unabhängig von der Einstrahlung ist, hängt der Strom, den die Zelle liefern kann, direkt von der Einstrahlung ab. Die zu erzielende Generatorleistung ist somit in weiten Grenzen proportional zu der eingestrahlten Lichtleistung. Die Leistung von Solarzellen bzw. Solarmodulen wird als Maximal-Leistung in Watt peak (Wp) angegeben und unter den sog. Standardbedingungen (senkrechter Strahleneinfall, Bestrahlungsstärke: 1.000 W/m², Zellentemperatur: 25C) ermittelt. Mit monokristallinen Solarzellen können unter diesen Bedingungen Stromstärken bis zu 3,0 Ampere bei einer konstanten Spannung von 0,5 Volt erzeugt werden. Die Leistung, das Produkt aus Stromstärke und Spannung, ergibt sich demnach mit maximal 1,5 Watt pro Zelle. Es sind daher ca. 700 Solarzellen notwendig, wenn eine Leistung von einem Kilowatt erbracht werden soll.

Das nachfolgende Bild zeigt die angesprochenen Leistungsschwankungen aufgrund des unterschiedlichen Strahlungsangebotes sehr deutlich: Der 08. Mai 1994 war ein sehr sonniger Tag ohne Wolken (obere "Glocken"-Kurve), am 08. Mai 1995 wurde der Sonnenschein durch Wolkenfelder behindert ("gezackte" untere Kurve).

Den höchsten Entwicklungsstand als Material für Solarzellen hat bisher Silizium erreicht. Rund 95 % aller bisher hergestellten Solarzellen haben Silizium als Grundstoff. Das kristalline (mono- oder polykristalline) Silizium ist das Ausgangsmaterial für die Halbleitertechnik. Es zeichnet sich durch exzellente Langzeitstabilität aus. Es kann nur hochreines Silizium verwendet werden. Das Rohmaterial dafür ist z.B. Sand, dessen Vorräte auf der Erde fast unerschöpflich sind. Zum Aufbau einer Solarzelle werden nur wenige Zehntelmillimeter dicke Siliziumscheiben benötigt, die zwischen zwei Glasscheiben oder eine Glas-Folien-Kombination eingebettet werden. Die Herstellung monokristalliner Zellen ist aufwendig und teuer, garantiert aber den besten in einer Serienfertigung erreichbaren Wirkungsgrad (14 bis 18 %). Polykristalline Solarzellen sind einfacher und preiswerter herzustellen, haben dafür aber einen geringeren Wirkungsgrad (11 bis 15 %).

Seit einigen Jahren spielt auch das amorphe Silizium eine Rolle. Es ermöglicht die Herstellung von Dünnschichtzellen mit einer Dicke von einigen Tausendsteln Millimetern. Es ist das geeignete Material für die Anwendung in Kleingeräten (Uhren, Taschenrechnern, etc.). Der Vorteil geringerer Herstellungskosten kann, wegen der Nachteile wie niedrigerer Wirkungsgrad (6 bis 8 %) und nicht ausreichender Langzeitstabilität (Absinken des Wirkungsgrades) noch nicht in größeren Anlagen genutzt werden.

Der beste Wirkungsgrad einer Solaranlage wird erreicht, wenn die Sonnenstrahlen im senkrechten Winkel auf die Solarzelle treffen. Eine stetige Nachführung ist technisch aufwendig und mit hohen Investitionskosten verbunden. Eine festinstallierte Anlage sollte deshalb nach Süden ausgerichtet sein. Bei ganzjährigem Betrieb liegt der ideale Neigungswinkel bei 40. Nimmt man eine Abweichung von 5 % vom bestmöglichen Energiegewinn in Kauf, erlaubt dies eine Dachorientierung zwischen Südosten und Südwesten bei Dachneigungen von ca. 45.

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System- und Anlagentechnik - Netzverbund

Der Solargenerator, eine Zusammenschaltung mehrerer Solarmodule, liefert Gleichstrom. Eine Anpassungselektronik mit MPP-Regelung (maximum power point) sorgt dafür, daß bei jeder Einstrahlung das jeweilige Optimum der erzeugten Solarleistung erreicht wird. Der von der Solaranlage erzeugte Gleichstrom wird von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. In Gebäuden, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, wird der Solarstrom zweckmäßigerweise in die Hausinstallation eingespeist.

Lange Zeit galt: Die erzeugte Elektroenergie wird vorrangig selbst genutzt und nur der Überschuß in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Bei nicht ausreichender Solarstrahlung ist es problemlos möglich, Strom aus dem Netz zu beziehen. Dadurch ist einerseits die Versorgungssicherheit auch in sonnenarmen Zeiten gewährleistet und andererseits kann auf größere Energiespeicher verzichtet werden. Hinzu kommt, daß der eingespeiste Strom durch das örtliche Energieversorgungsunternehmen (EVU, hier: Erlanger Stadtwerke AG) vergütet wird. Die Mindestvergütung für den mit Solaranlagen erzeugten und in das öffentliche Netz eingespeisten Strom wurde fast zehn Jahre lang durch das bundesweite Stromeinspeisegesetz vom 07.12.1990 geregelt und betrug lediglich rund 17 Pf/kWh.

Seit dem 01.04.2000 gilt das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), daß eine Mindestvergütung von 99 Pf (50,62 Euro-Cent) für jede solar erzeugte und in das Stromnetz eingespeiste Kilowattstunde vorschreibt. Der Vergütungssatz verringert sich für neu hinzukommende PV-Anlagen ab dem 01.01.2002 auf 94 Pf/kWh (48,06 Euro-Cent). Damit ist es für den Solaranlagenbetreiber vorteilhaft, den gesamten erzeugten Solarstrom ins Stromnetz einzuspeisen, statt einer 'Überschußeinspeisung' spricht man in diesem Fall von einer 'Volleinspeisung' des Solarstromes.

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Solar-Elektromobile

Rund 25 % des bundesdeutschen Energieverbrauches und damit auch eine entsprechende Kohlendioxidbelastung entfallen auf den Kraftfahrzeugverkehr. Angesichts dieser Tatsache wird deutlich, daß die Reduzierung des Individualverkehrs und der Betrieb von schadstoffarmen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren allein nicht ausreichend ist. Eine wirkliche Alternative vor allem für kleine und mittlere Strecken ist ein über eine Solarstromtankstelle versorgtes Elektromobil in Leichtbauweise. Der Betrieb dieses Elektrofahrzeuges erfolgt im Netzverbund. Die für diesen Verbund notwendige netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage sollte aber in der Jahresenergiebilanz mindestens soviel Solarstrom in das öffentliche Netz einspeisen, wie diesem zum Auftanken des Solar-Elektromobils entnommen wird.

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Hinweise zur Errichtung einer eigenen Solaranlage

Die gesetzliche Grundlage für die Genehmigung von Solaranlagen ist im Freistaat Bayern die Bayerische Bauordnung. Danach ist die Errichtung und Änderung von Solaranlagen grundsätzlich genehmigungsfrei, wenn die Photovoltaik-Module bzw. Sonnenkollektoren auf einem Dach (auch Flachdach) oder an einer Fassade angebracht werden. Bei Planungsbeginn sollte aber trotzdem mit der zuständigen Bauaufsichtsbehörde (hier: Bauaufsichtsamt der Stadt Erlangen) über das Vorhaben gesprochen werden, da örtliche Bebauungspläne oder andere Einschränkungen für die bauliche Gestaltung (Denkmalschutz) gegebenenfalls die Genehmigungsfreiheit aufgehoben haben könnten. Die Freistellung der Baumaßnahme vom Genehmigungsverfahren entbindet den Bauherren jedoch nicht von der Verpflichtung, die allgemein gültigen Regeln der Technik einzuhalten.

Die beabsichtigte Errichtung einer Photovoltaik-Anlage im Netzparallelbetrieb (Netzverbund) muß vor dem Beginn der Montage bei dem zuständigen Energieversorgungsunternehmen (EVU, in Erlangen z.B. die Erlanger Stadtwerke AG) angemeldet werden. Diese Abstimmung dient insbesondere dem Schutz bei Arbeiten im Netz, der Vermeidung von unzulässigen Rückwirkungen und der Zählung des eingespeisten Stroms. Die Photovoltaik-Anlagen dürfen nur durch Fachfirmen errichtet werden. Bei netzgekoppelten Anlagen dürfen nur Elektrofirmen den Netzanschluß erstellen, die im Installationsverzeichnis des jeweiligen EVU eingetragen sind. Mit der Installation der netzgekoppelten Anlage sollte erst begonnen werden, wenn das Einverständnis des zuständigen EVU vorliegt.

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Ausblick

Solargeneratoren erzeugen während ihrer Nutzungszeit (>20 Jahre) etwa das Zehnfache der Energie, die zu ihrer Produktion, ihrem Betrieb und ihrem Unterhalt aufgebracht werden muß. Ein weiteres Plus der Solarzellen ist es, daß während des Betriebes kein nennenswerter Einsatz von Primärenergie mehr notwendig ist. Angestoßen durch das "1.000-Dächer-Programm" des Bundesforschungsministeriums zur Förderung der Photovoltaik hat die Nutzung der Solarenergie zur Stromerzeugung bereits heute ihre Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt. Die Installation einer Photovoltaik-Anlage gehört heute zum Stand der Technik.

Eine weitere Verbreitung der Solarenergie scheitert bis heute an den vergleichsweise hohen Kosten. Das augenblickliche Verhältnis der Entstehungskosten von einer konventionell erzeugten kWh zu einer photovoltaisch produzierten kWh unterscheidet sich etwa um den Faktor 10. Deshalb ist es auch heute noch ein wichtiges Ziel, Solarzellen wesentlich kostengünstiger und mit weniger Aufwand an Energie zu produzieren. Vor allem sinkende Herstellungskosten bei einer Großserienfertigung, in kleinerem Rahmen auch der technische Fortschritt, werden helfen, die Verbreitung der Solarenergienutzung zu fördern. Der Erfolg der Solartechnik wird nicht zuletzt auch von der Bewertung und Kostenentwicklung der fossilen wie nuklearen Stromerzeugung abhängen.

Mit mehr als 1.700 Stunden durchschnittlicher Sonnenscheindauer pro Jahr liegen die Stadt Erlangen und ihr Umland in einem Gebiet, das an zweiter Stelle in der Skala der Sonnenstunden in Deutschland steht. Gute Voraussetzungen also für den weiteren Ausbau der Möglichkeiten zur verstärkten Nutzung des Kraftwerkes Sonne. Das Austauschen von Energiearten allein wird aber nicht ausreichend sein. Daneben muß der rationelle und sparsame Umgang mit Energie alltägliches Gebot werden.

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Quellenhinweis: Auszug aus der Broschüre "Sonne im Rathaus - Informationsbroschüre zum Projekt und zum Thema 'Photovoltaik'", Autoren: Sabine & Christian Dürschner, Herausgeber: Stadt Erlangen, Juli 1996, von den Autoren ergänzt durch aktuelle Informationen im Januar 2002.

 
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