18 Photovoltaik

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Prinzipiell kann sie von allen genutzt werden, die Platz für eine entsprechende Anlage haben. Die Kosten dafür sinken. Allerdings mangelt es an Förderungen und attraktiven Tarifen für Überschusseinspeisung ins Netz.

Die Radiosendung

Eine Sendung von Bernd Schweeger und Kathrin Wimmer.

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Hintergrundinformation

(Virus-Umweltbureau)

Kurzbeschreibung

Photovoltaik (PV) ist der Fachbegriff für das, was vielfach mit „Sonnenenergie“, oder „Strom aus der Sonne“ umschrieben bzw.plakativ dargestellt wird. Im Unterschied zu Sonnenkollektoren, die ebenfalls mit „Solarenergie“ Sonnenwärme zur Bereitstellung von Warmwasser oder Heizenergie nutzen, bedienen sich die „Solarzellen“ (ugs.) des lichtelektrischen Effektes, um Sonnenlicht direkt in Strom umzuwandeln. Nachdem sie (in diesem Fall direkt) auf Sonnenenergie basiert, zählt Photovoltaik zu den erneuerbaren Energien. Gemeinsam mit Windenergie teilt sie die Eigenschaft, dass das Energiedargebot schwankend ist, was aber in vielen Fällen ein geringeres Problem ist, als es auf den ersten Blick aussehen mag. Eine gewisse Planbarkeit ist dennoch gegeben, in der Nacht scheint z.B. die Sonne nie. Besonders interessant in diesem Zusammenhang: der Produktionsverlauf (Maximum in den heißen Mittags- und Nachmittagsstunden) korreliert direkt mit dem Bedarf an Kühlung. Hier sind also der Nachfrageverlauf eines bestimmten Nachfragesegments und das Angebot aus Photovoltaik direkt gekoppelt. An bedeckten Tagen geht nicht nur die Sonnenstromproduktion zurück, sondern auch die Nachfrage zur Kühlung von Gebäuden.

Die gesamte Sonneneinstrahlung auf der Erde ist so gewaltig, dass es von daher keine Limitierung gibt. Bei aller auf dieser Tatsache aufgebauten Euphorie sollte nicht übersehen werden, dass es andere Limits, wie Materialien, Einstrahlung/cm2 verfügbare Fläche, gibt.

Der Wirkungsgrad hat im Zusammenhang mit PV nicht die zentrale Bedeutung wie bei thermischen Kraftwerken, die fossile Brennstoffe verfeuern. Dort entsteht bei schlechtem Wirkungsgrad ein Schaden (Umwelt; Klima, Abwärme muss weggekühlt werden). Im Fall der PV ist es ausschließlich ein Wirtschaftlichkeitskriterium, wie hoch die Energieausbeute/Fläche ist. Nicht immer muss der maximale Wirkungsgrad der beste sein, wenn dafür die Herstellung der Module energetisch und finanziell aufwändiger ist. Strom aus Photovoltaik ist bezogen auf die erzeugte Kilowattstunde relativ teuer, Wirtschaftlichkeitsüberlegungen müssen bei dieser Technologie allerdings nicht dieselbe Rolle spielen, wie sie dies in anderen Fällen tun.

Dies hängt mit einer Besonderheit der Photovoltaik zusammen, dass es sich nämlich um eine relativ egalitäre, gewissermaßen eine „demokratische“ Energieumwandlungstechnologie handelt. Ihre Anschaffung setzt zwar auch Finanzmittel voraus, aber aufgrund der modularen Verfügbarkeit steht sie im Gegensatz zu konventionelleren Kraftwerkstechnologien einem sehr breiten Interessiertenkreis offen. Das heißt, nicht nur ein Energieversorger sondern jede Einzelperson, die über geeignete Flächen verfügt, kann eine solche Anlage erwerben und aufstellen (lassen). Dies eröffnet großen individuellen Handlungspielraum. Schließlich ist es eine individuelle, gruppendynamische bzw. gesellschaftliche Entscheidung, in welchem Fall Wirtschaftlichkeit verlangt wird - eine Entscheidung, die abänderbar ist. Wie wirtschaftlich ist ihr Fernsehgerät oder ihre „Satellitenschüssel“? Letztere haben einen Boom erlebt, weil es zur Prestigeangelegenheit wurde, solche Geräte zu besitzen - ein Weg der prinzipiell auch der PV-Technologie offen steht. Nicht zuletzt werden auch PKWs nicht gekauft, weil sie besonders wirtschaftlich wären, und die Modellwahl nach Kriterien getroffen, die nicht auf den nüchternen Transportzweck abstellen, sondern darauf, den Nachbarn zu beeindrucken bzw. zu übertrumpfen bzw. Emotionen nachzugeben, die von der Werbung geschürt werden. Im Falle der Autos geschieht dies eher zum Schaden der Umwelt, im Falle des Solarstroms kann die Schaffung eines solchen Trends positive Auswirkungen für Umwelt und nachhaltige Entwicklung haben.

Diese Überlegungen sollen allerdings nicht als Ausrede dafür dienen, die politische Verantwortung für eine Förderung auch dieser Technologie nicht wahrzunehmen. Neben der hervorragenden Eignung von Photovoltaik zur netzunabhängigen Inselversorgung (wo sie bei Berghütten oder Wetterstationen Dieselgeneratoren ersetzt hat) ist es in der Breitenanwendung durchaus sinnvoll, PV-Anlagen netzgekoppelt zu betreiben und den aufgrund des ungleichmäßig verlaufenden Verbrauchs nicht benötigten Überschussstrom in das Netz einzuspeisen. Die Vergütung (der Einspeisetarif) dafür ist mitentscheidend für die Attraktivität der PV, die in Österreich nicht nur nicht in adäquater Höhe gefördert wird, sondern jeweils immer mit einer engen Deckelung. Eine solcherart nicht ausreichend geförderte sondern behinderte Entwicklung bremst die Nachfrage und verlangsamt so die gewünschte Entwicklung, dass Photovoltaik durch Massenproduktion günstiger wird. Die Argumente sind dabei seit Jahrzehnten die gleichen (mehr Forschung statt Breiteneinführung, Technologie wäre nicht so weit, zu teuer, Energieamortisation s.u.).

ausführlichere Beschreibungen und Erläuterungen

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Seit 1958 in der Raumfahrt im Einsatz, erobert sie in den letzten Jahrzehnten langsam auch die Erdoberfläche (Berghütten, Taschenrechner, Parkscheinautomaten), in den letzten Jahren durch Massenproduktion und damit deutlicher Preisreduktion auch Hausdächer, Brachflächen (z.B. Braunkohletagbau) und Fassaden. Waren vor 2 Jahren noch 5 EUR/Watt als Kosten für eine PV-Anlage üblich, bekommt man Module+Wechselrichter derzeit um ca. 2 EUR/Watt, Mitte des Jahres 2010 wird mit ca. 1,5 EUR/Watt gerechnet.

Das sind die Kosten pro installierter Leistung, die bei PV den Löwenanteil ausmachen, da es kaum variable Kosten gibt.

Bei dem unten ausgeführten Durchschnittswert von 1000 Volllaststunden (d.h. der Teillastbetrieb wird umgerechnet auf einen durchgehenden Betrieb bei voller Leistung, ein Jahr hat 8760 Stunden) entspricht die obige Zahl dem Kilowattstundenpreis. “Grid parity” (d.h. Gestehungskosten = Endkund_innenstrompreis) wäre damit erreicht.

Das heißt, eine Photovoltaik-Anlage produziert zwar deutlich teurer als ein konventionelles Kraftwerk, gemessen an den „Generatorklemmen“, aber dort kommt noch der ganze Übertragungs- und Verteilungsaufwand samt Verlusten dazu, so dass für Haushalte der Vergleich mit dem Endkund_innenpreis aussagekräftiger sein kann.

Die Zeiten “furchtbar teurer” PV-Anlagen ignorieren (es darf zumindest teilweise Absicht unterstellt werden) die Entwicklung, die hier passiert ist und noch andauert, und die Besonderheiten, die teilweise andere Bewertungsmaßstäbe erfordern, als dies für konventionelle Technologien der Fall ist.

Ein Vorwurf der gegen die PV erhoben wurde ist, dass sich der Energieinput bei der Produktion der Module nicht amortisieren würde, dass kein Erntefaktor größer 1 erzielt werden könne. Dies ist als unrichtig zurückzuweisen.

Geschichte

Der photoelektrische Effekt wurde 1839 von Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Albert Einstein lieferte 1905 die Erklärung und bekam 1921 dafür den Physiknobelpreis.

Technische Beschreibung

Trifft auf eine Halbleiter-Diode Licht auf, werden Ladungsträger getrennt (d.h. ein – bekanntlich negativ geladenes - Elektron aus einem Atom “herausgeschossen”, ein positiv geladenes “Loch” bleibt zurück). Wenn diese beiden Ladungsträger nicht sofort wieder “rekombinieren” (d.h. das Elektron das Loch wiederfindet), werden Elektron und Loch durch das elektrische Feld im sogenannten „p n-Übergang“ in entgegengesetzter Richtung zu den Kontakten befördert. Eine Spannung wird an der Diode messbar, die v.a. vom verwendeten Material (z.B. Silizium) abhängt. Je nach Größe der Diode und der Lichtstärke kann die so entstandene Spannungsquelle mehr oder weniger Strom erzeugen.

Natürlich wird das Elektron physikalisch nicht im eigentlichen Sinn aus dem Atom herausgeschossen (wo sollte es denn danach sein ;-)). Es kommt vom sogenannten „Valenzband“ ins sogenannte „Leitungsband“ (Dieses Bändermodell dient zur Veranschaulichung der Vorgänge in einem Halbleiter). Das “Loch” ist im Valenzband. Aber anschaulicher ist wahrscheinlich das Bild vom “rausgeschossenen Elektron”.

Die Kennlinie der Diode (d.h. der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung) gleicht der Kennlinie im Finstern (oder im finsteren Gehäuse), ist aber um den momentan erzeugten Strom (proportional zur Lichtstärke) verschoben. Spannung (Einheit Volt) mal Strom (Einheit Ampere) ergibt die (momentane) Leistung (P=U*I) in Watt. Zu jedem Zeitpunkt gilt es, den sog. MPP (Maximum Power Point, d.h. den Punkt maximaler Leistung) in der Kennlinie zu finden (der sich durch Helligkeitsschwankungen laufend ändert).

Die Lichtstärke des Sonnenlichts schwankt geringfügig mit der Sonnenaktivität (und der Jahreszeit durch die leicht elliptischen Erdumlaufbahn) und liegt außerhalb der Atmosphäre bei ca.1400W/m2 (für Satelliten relevant).

Auf der Erdoberfläche ist die zu durchleuchtende Atmosphäre zu berücksichtigen, die bestimmte Spektralbereiche des Sonnenlichts absorbiert (abschwächt). An die Erdoberfläche gelangen in Österreich maximal (wolkenloser Sommertag) ca. 1000W/m2.

Je nach Halbleitermaterial kann nur ein gewisser Teil des Sonnenspektrums zur Stromerzeugung genutzt werden, die Energie der Photonen (Lichtteilchen) muss ausreichen, um das Elektron aus dem Atom herausschießen zu können. Bei Silizium ist das ab ca. 1 Mikrometer Wellenlänge (Infrarot) der Fall, die erzeugte Spannung ca. 0,5 Volt. (bei anderen Materialien ist kürzere Wellenlänge nötig, dafür mehr Ausgangsspannung abgreifbar). Überschüssige Photonen-Energie erwärmt die Solarzelle.

Technische Daten werden im Datenblatt üblicherweise bei Standardtestbedingung (STC, Standard Test Condition) angegeben: 25 Grad, 1000W/m2, AM1,5 (Air Mass 1,5).

Herstellung

Bei seit den 1950er-Jahren gebräuchlichen “monokristallinen” Silizium-Solarzellen wird durch “Dotierung” auf “Wafern” ein einziger “p-n-Übergang” erzeugt (im Gegensatz zur Miniaturisierung bei Prozessoren und Speichern eine großflächige Diode auf dem gesamten Wafer). Dotierung nennt man den Beschuss der Oberfläche mit Bor- bzw. Phosphor-Atomen, wodurch sich ein Teil der Atome in der Kristallstruktur einlagert und die elektrische Leitfähigkeit an dieser Stelle gezielt verändert. Wafer ist eine aus einem “Einkristall” gesägte Scheibe (ca. 0,3-0,5mm, ca. 50% Verschnitt), 1954 mit 2 Zoll Durchmesser, heute mit bis zu 12 Zoll. (Einkristalle sind sehr langsam aus der Schmelze gezogene Zylinder mit perfekter Kristallstruktur, also wirklich ein einziger riesiger Kristall.) Die Effizienz bei der Energieumwandlung (der sogenannte Zellwirkungsgrad) konnte dabei von 4% (1954) auf heute ca.20% gesteigert werden.

Da Wafer sehr teuer sind, werden seit den 1980er-Jahren auch “polykristalline” Solarzellen hergestellt. Dabei wird ein (0,3mm dickes) Band aus der Schmelze gezogen (das String-Ribbon-Verfahren ist nur eines von vielen, siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle), und zwar so schnell, dass die perfekte Kristallstruktur nur mehr über einige mm zustandekommt. Das Band muss nur noch in (quadratische) Zellen zerschnitten statt vollflächig aus dem Zylinder gesägt werden. Die “Korngrenzen” (Grenzen zwischen den Kristallen) sind am Schimmern der Oberfläche zu erkennen, polykristalline Zellen also an einer gescheckten Oberfläche. Die Korngrenzen wirken wie Verunreinigungen, die Zellen haben dadurch ca. 0,2% weniger Zellwirkungsgrad als vergleichbare monokristalline Zellen, sind aber durch die ressourceneffizientere Herstellung zu bevorzugen.

Siliziumzellen liefern einzeln ca. 0,5V, daher werden viele (gleiche) kristalline (d.h. mono- oder polykristalline) zu “Photovoltaik-Modulen” (mit je nach Größe 12-50V Ausgangsspannung) in Serie geschaltet, zusammengebaut und wetterfest (hinter hagelfestem Glas mit wasserdichter Folie, meist weiß) verpackt. Durch den Rahmen des Moduls und Abstände zwischen den Zellen kommt man heute auf einen “Modulwirkungsgrad” von 14-17%.

Grundsätzlich anders werden “Dünnschichtmodule” hergestellt. Im Vakuum werden auf eine Glasscheibe (oder biegsame Kunststofffolie) die (z.B. Silizium-) Atome gemeinsam mit der Dotierung schichtweise “aufgedampft”, d.h. erhitzt, bis sie sich in gewünschter Dicke (einige Mikrometer) an der gesamten Oberfläche (1-5m2 groß) anschlagen. Dabei werden einzelne Dioden als schmale Streifen (einige mm) erzeugt und im nächsten Schritt mit (transparentem) ITO (Indium-Zinn-Oxid) in Serie geschaltet.

Ausser a-Si (amorphes Silizium, Wirkungsgrad heute ca. 5%) werden auch CIS (Kupfer-Indium-Selenid), CdTe (Kadmiumtellurid) u.a. Materialien (bis ca. 10% Wirkungsgrad) verwendet.

Organische Solarzellen (mit ca.5% Wirkungsgrad) sind in Erprobung, die Lebensdauer ist aber noch begrenzt.

Mit einer Kombination aus Dünnschichtzellen und monokristalliner Zelle darunter (sog. “multikristalline” Zelle) wurde 2009 (5-schichtig!) bei ca. 1000-facher Konzentration des Lichtes der Rekordwirkungsgrad von 42% erreicht.

Anwendung

Um die erzeugte Leistung zu nutzen, wird unterschieden zwischen:

* Netzparallelbetrieb: der erzeugte Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Dabei unterscheidet man je nach Art unterschiedliche Förderungen:

+ bei Einspeisetarif (Ökostromgesetz in Österreich über 5kWp): Volleinspeisung, d.h. die PV-Anlage bekommt einen eigenen Stromzähler, der gesamte eingespeiste Strom wird gezählt und (dzt. mit 0,33-0,4 EUR/kWh) vergütet, auch wenn gerade gleich viel (um ca. 0,2 EUR/kWh) verbraucht wird. kWp ist die Anlagenleistung (“Kilowatt Peak”, d.h. bei Standardbedingungen)

+ bei Investitionsförderung (z.B. 50% vom Land Niederösterreich unter 5kW): Überschusseinspeisung, d.h. es gibt einen “2-Richtungs-Zähler”, der immer nur die momentane Gesamtleistung (d.h. Verbrauch minus Erzeugung) misst und getrennt (Verbrauch, Erzeugung) zählt. Dabei gilt es, möglichst viel der momentan erzeugten Leistung selbst zu verbrauchen, da man für den Verbrauch immer noch ca. 0,2 EUR/kWh bezahlt, für Einspeisung aber nur den Marktpreis (ca.0,04 EUR/kWh) bekommt.

* Inselbetrieb: der erzeugte Gleichstrom wird in Akkumulatoren (bei großen Energiemengen sind auch Druckluft, Wasserstoff und Pumpspeicher anzudenken) gespeichert und bei Bedarf, entweder direkt als Gleichstrom oder über Wechselrichter entnommen. Dabei ist (z.B. mittels “Solarladeregler”) darauf zu achten, dass die Akkus (=Akkumulatoren) nur selten überladen und nie tiefentladen werden, da das ihrer Lebensdauer sehr abträglich ist.

* Netzparallelbetrieb mit Backupsystem: da Wechselrichter zur Netzeinspeisung bei Netzproblemen aus Sicherheitsgründen abschalten müssen, bedarf das Umschalten auf Inselbetrieb besonderer Vorkehrungen: Netztrennung, kombinierter Einspeise-/Inselwechselrichter (oder beide extra), Akku wie oben.

Anwendungsdetails

Vor allem bei kristallinen Zellen ist auf die Hinterlüftung zu achten, da bei steigender Temperatur der erzeugte Strom zwar leicht ansteigt (typ. 0,05%/Grad C), die Spannung aber stark sinkt (typ. -0,5%/Grad C), d.h. die Leistung sinkt (typ. -0,45%/Grad C). Temperaturen über 50 Grad C sollten nach Möglichkeit vermieden werden.

Ertrag: In Österreich kann mit ca. 1000 Volllaststunden/Jahr gerechnet werden, d.h. 1kWh/Wp. (Wp Watt-peak Spitzenleistung bei Testbedingungen)

(Vgl. Sahara: ca. 3000 Volllaststunden/Jahr)

Ideen der Wasserkühlung bzw. Kombination mit Solarthermie gibt es, bei ersterer sollte die nötige Pumpenleistung beachtet werden, der verbleibende Effekt ist fraglich. Bei letzterer stellt sich das Problem, dass man das Wasser auf bis zu 95 Grad C aufheizen können will, das PV-Modul wird sich dabei schwer gleichzeitig auf 50 oder gar 30 Grad C kühlen lassen.

Die Idee ist bestechend, man nützt dieselbe Fläche zweimal und kaskadisch und nützt auch Solarwärme, indem gleichzeitig die PV-Anlage gekühlt wird. Die beschriebene Temperaturdiskrepanz limitiert in der Praxis diesen theoretisch guten Ansatz.

Literatur/Weblinks

http://de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaik

http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenspektrum

Fußnoten

Auf die Großtechnologie “solarthermische Kraftwerke” wird hier mit Ausnahme des kurzen Hinweises auf DESERTEC (s.u.) nicht eingegangen.

Kosten im Kraftwerk ohne Berücksichtigung von Folgekosten wie Transformation, Übertragung etc.

Interviewpartner_innen

in der Sendung


Ing. Stefan Hehberger

Nachrichtentechniker und Pionier der Alleinversorgung mit Solarenergie
stefan.hehberger[at]aon.at