Photovoltaik

Solarmodul von BP an einer Autobahnbrücke

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 auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie ist 10.000 mal höher als der Primärenergieverbrauch (Stand 1998, 402 E J) der Menschheit. Der Energieeintrag 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 verfügbar zu haben, 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.

Leistung

Die Nennleistung in der Fotovoltaik wird in W_p (Watt_peak) beziehungsweise kW_p angegeben. "peak" (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad.

Neuere Entwicklungen begegnen diesen Effekt mit auf der Rückseite aufgebrachten Kapillarrohren. Gekühlt wird mit dem Untergrund. Der Untergrund wird so einige Grade wärmer. Dies erhöht den Stromertrag im Sommer. Im Winter trägt die Erwärmund des Untergrunds dazu bei, daß beim Heizen über eine Wärmepumpe die Leistungszahl höher und der Stromverbrauch niedriger wird.

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 10 und 16 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 kW_p pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kW_p, 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.

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.

Integration in das Stromnetz

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, im Sommerhalbjahr sogar zu einem großen Teil. Dadurch ist er aufgrund der höheren Preise für diese Stromkategorien (d. h. tagsüber zu liefernden Strom, der an Strombörsen auch als Peakload bezeichnet) auch wirtschaftlich interessant. Strom aus Fotovoltaik kann zwar nicht direkt als Spitzenlaststrom bezeichnet werden, sorgt aber für eine Absenkung der gesamten täglichen Lastkurve und somit auch der (Mittags-)Spitzen, dadurch wird der Abruf von Spitzenlaststrom eben verringert bzw. vermieden.

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, er wird sofort lokal verbraucht. Somit sollte auch der Gesamtstrombedarf sinken. Ein Ausbau der Hochspannungsnetze ist nicht notwendig, sie werden entlastet, dadurch wird gerade im Sommer die Belastung dieser Leitungen durch Erwärmung gemindert.

Speicherung

Strom einer netzgekoppelten Fotovoltaikanlage wird sofort verbraucht. Eine Zwischenspeicherung ist nicht notwendig, solange die momentane Gesamtleistung aus Fotovoltaik nicht langfristig über der momentanen Last im Stromnetz liegt. Dieser Fall kann nur zur Mittagszeit im Sommer eintreten, bei höchstem Angebot und gleichzeitig niedrigstem Bedarf. Die Speicherung ist langfristig trotzdem wünschenswert, um Energie vom Sommer in den Winter verschieben zu können, bei den aktuell möglichen Zubauraten aber auf Jahre hinaus nicht zwingend. Der Ausgleich kann auch durch den regenerativen Energiemix, gerade Windkraft mit gegenläufigen Angebotsverhalten, gedeckt werden.

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.

Kosten

Investitionskosten

Ein kW_p installierte Leistung einer netzgekoppelten Fotovoltaikanlage kostet derzeit (Inbetriebnahme 2006) bei großen Freiflächenanlagen ca. 4.000 €, bei kleineren Dachanlagen je nach Montageaufwand um ca. 5.500 €, bei Eigenleistung auch weniger. Solch eine Anlage liefert in Süddeutschland nach dem aktuellen Stand der Technik einen Jahresertrag von ca. 930 bis 1.100 kWh (in Abhängigkeit von Zellentyp, Ausrichtung, Dachneigung, Sonnenstunden und Temperatur).

Für eine private Hausanlage mit 3kW_p hat die Stiftung Warentest Preise von 12760 € ... 16840 € für die Module sowie 1750 € bis 2120 € für den Wechselrichter ermittelt (Quelle, Stand 05/2006). Dies entspricht (ohne Montagekosten) einem Preis von 4836 € ... 6320 € pro kW_p. Die Hauptseite zum Test findet sich hier.

Die Investitions- und damit die Stromkosten neu installierter Anlagen sinken stetig durch technische Weiterentwicklung gerade im Bereich der Solarzellen und ebenso durch Optimierung der Produktion.

Stromgestehungskosten

Bei Kapitalkosten von 4 % für die Investitionssumme und Betriebskosten von typisch ca. 1 % ergeben sich Erzeugungskosten von ca. 37 – 52 ct/kWh über einen üblichen Abschreibungszeitraum von 20 Jahren. Diese Kosten liegen gegenwärtig etwa 5–7 mal höher als die Kosten für konventionelle Erzeugung (6 bis 8 ct/kWh) oder 2–3 mal über den Strompreisen für Privatkunden (ca. 18 ct/kWh). Nach 20 Jahren ist die Anlage abbezahlt und es fallen bis zum Ende der Lebensdauer (bis zu 30 Jahre) nur noch die geringen Betriebskosten an. Bei konventioneller Stromerzeugung ist dagegen aufgrund der steigenden Brennstoffkosten mit einem Preisanstieg zu rechnen.

Aktuelle Situation

Die reinen Herstellungskosten der Module sind in den letzten Jahren (bis 2006) sogar stärker gesunken als die Marktpreise - obwohl der Rohstoff Silizium deutlich teurer wurde. Das EEG hat somit wie geplant bewirkt, dass dank Massenproduktion und technischem Fortschritt die Kosten gesenkt werden konnten. Nur leider haben die Hersteller dies nicht an ihre Kunden weitergegeben. Es ist zu beobachten, dass neben kräftigen Investitionen in neue Produktionsanlagen auch die Gewinne der Hersteller von Solartechnik deutlich gestiegen sind. So ist die Situation im Jahr 2006, dass sich aufgrund der Vergütungssenkung im EEG neue Solarstromanlagen nur noch an guten Standorten rechnen. Allerdings ist diese Taktik der Hersteller nur jeweils bis zur nächsten Senkung der Einspeisevergütung möglich. Zu hohe Preise würden dann die Nachfrage reduzieren, was wiederum eine Preissenkung der Module erzwingt.

Einspeisevergütung

Die Vergütung des Solarstroms in Deutschland ist im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) geregelt und liegt derzeit (Inbetriebnahme 2006) bei 40,6 bis 51,8 ct/kWh und ist für Personen, welche ihre Anlage in 2006 installieren bis 2026 garantiert. Ab 2007 verringert sich die jährliche Einspeisevergütung auf 37,9 bis 49,2 ct/kWh.

Installationen, Exportraten und weltweit führende Hersteller

2004 wurden in Deutschland gemäß einer umfangreichen Untersuchung der Zeitschrift Photon Solaranlagen mit einer Gesamtleistung von 700 MW_p installiert. Damit wurden nirgends in der Welt so viele Solarstromanlagen ans Netz genommen wie in Deutschland. Ursache dafür ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz, welches in Deutschland jede netzgebundene Solarstromanlage über 20 Jahre mit einer Vergütung von rund 20 Cent je eingespeister Kilowattstunde Strom fördert. Erhebungen der Zeitschrift Photon zufolge landeten knapp die Hälfte aller weltweit produzierten Solarzellen im vergangenen Jahr auf deutschen Dächern und Freiflächen. Aktuell werden in Deutschland rund 0,2 Prozent des Stromverbrauchs aus Solarenergie gewonnen.

Wohingegen in Deutschland im Jahr 2005 am meisten Solarstromanlagen installiert wurden, haben die japanischen Hersteller von Solarzellen ihre weltweite Führungsposition bei der Produktion verteidigt. Wie aus einer internationalen Markterhebung der Zeitschrift Photon International hervorgeht, wurden in vergangenen Jahr 45 Prozent aller Solarzellen von japanischen Unternehmen produziert, 19 Prozent von deutschen.

Im vergangenen Jahr wurden weltweit Solarzellen mit einer maximalen Leistung von 1.818 Megawatt (MW) hergestellt. Davon stammten 824 MW aus Japan, deutsche Hersteller kamen mit 332 MW auf Platz zwei. Die nächstplatzierten sind die amerikanischen Hersteller mit 156 MW sowie die chinesischen mit 150 MW. Chefredakteur Michael Schmela von PHOTON International: „Chinesische Hersteller von Solarzellen haben ihre Produktion 2005 verdreifacht. 60 Prozent aller weltweit nachgefragten Solarzellen kommen mittlerweile aus Asien.“ Im Vergleich zum Vorjahr stieg die weltweite Zellproduktion 2005 um 45 Prozent.

Der weltweit größte Hersteller ist seit dem Jahr 2000 unangefochten Sharp. Das japanische Unternehmen produzierte im vergangenen Jahr mit 428 MW mehr als alle deutschen Hersteller zusammen. Der deutsche Hersteller Q-Cells konnte sich mit 166 MW auf Platz zwei vorschieben (2004: 76 MW). Die nächstplatzierten deutschen Unternehmen sind Schott Solar auf Platz sechs (95 MW) und die Deutsche Cell (38 MW auf Platz zwölf).

Wie das englischsprachige Magazin Photon International im März 2005 berichtete, wiesen die großen deutschen Hersteller von Solarmodulen 2005 Exportraten von zwei bis sechs Prozent auf. Demgegenüber exportierte der Weltmarktführer Sharp 52 Prozent seiner Produktion, chinesische Hersteller bringen es auf Exportraten von 80 bis 100 Prozent.

Die Autoren der Marktübersicht gehen davon aus, dass das für 2006 prognostizierte Wachstum der internationalen Solarbranche wieder durch die Siliziumknappheit begrenzt sein wird. Rund 93 Prozent aller 2005 weltweit produzierten Solarzellen wurden aus kristallinem Silizium gefertigt.

Quellen: Zeitschriften Photon und Photon International, Januar bis April 2006.

Geschichte der Fotovoltaik

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik

Der fotoelektrische Effekt wurde bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. 1905 gelang es Albert Einstein den Fotoeffekt richtig zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekam. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Fotovoltaikzellen.

Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und auch die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem 100.000-Dächer-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet.

Das 100.000-Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben.

Im Jahr 2005 erreicht die Gesamtleistung der in Deutschland installierten Fotovoltaik-Anlagen 1 Gigawatt_peak. Bei Arnstein in der Nähe von Würzburg entsteht auf dem Gelände des ehemaligen Weinbauversuchsguts Erlasee 2005/2006 die größte Fotovoltaikanlage der Welt mit einer Leistung von mehr als 13 Megawatt.

Siehe auch

Literatur

Ralf Haselhuhn: Photovoltaik - Gebäude liefern Strom. Ein BINE-Informationspaket, TÜV Verlag, Köln 2005, ISBN 3-8249-0854-9
Thomas Seltmann: Fotovoltaik: Strom ohne Ende. Solarpraxis Verlag, Berlin 2000 (aktualisiert 2004), ISBN 3-934595-02-2
Adolf Goetzberger, Bernhard Voß, Joachim Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik. Teubner, Wiesbaden 1997, ISBN 3519132141
H.-G. Wagemann, H. Eschrich: Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung. Teubner, Wiesbaden 1994, ISBN 3-519-03218-X

Weblinks

Commons: Fotovoltaik – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Forschungseinrichtungen