Photovoltaik

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Technik


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Bei der Photovoltaik wird die Lichtenergie der Sonne mit Hilfe von Solarzellen direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Die Solarzellen bestehen aus 0,3 mm dünnen Siliziumscheiben, welche sehr geringe Mengen anderer Halbleitermetalle enthalten. Eine einzelne Solarzellen ist etwa 15cm x 15cm groß und liefert nur etwa 0,5 V Gleichspannung. Es werden deshalb 50 - 70 Zellen zu einem etwa 1,5m² großen Solarmodul zusammen geschaltet, mit einer Glasplatte darüber wetterfest zusammen geklebt und mit einem Aluminiumrahmen umgeben. Die Module liefern dann 20 - 30 V Gleichspannung und werden wiederum zu mehreren zusammen geschaltet. Zur Herstellung des Siliziums für die Solarzellen benötigt man zwar viel Energie, diese wird jedoch von der Anlage in etwa 4 Jahren wieder erzeugt.

Die Montage der Module erfolgt sinnvollerweise auf sowieso vorhandenen Dachflächen, es gibt aber auch Freiflächenanlagen. Die Erträge sind am größten, wenn die Sonne senkrecht auf die Module scheint. Sie sollten deshalb möglichst nach Süden ausgerichtet sein und mit einem Neigungswinkel von 30 – 60° installiert werden. Es gibt aber auch Fassadenanlagen an senkrechten Flächen. Die zusammen geschalteten Modulen erzeugen Gleichstrom, der mit Wechselrichtern in Wechselstrom von 230 V umgewandelt und direkt in das Stromnetz eingespeist wird. Die Lebensdauer der Anlagen beträgt (bis auf die Wechselrichter) über 20 Jahre. Da die Anlagen keine bewegten Teile besitzen, ist der Wartungsaufwand sehr gering. Man kann die Module auch so schalten, dass damit 12 V oder 24 V-Gleichstromanlagen versorgt werden. So können netzunabhängige Anlagen in abgelegen Gebieten (z.B. in der 3. Welt) oder mobile Systeme (Boote, Campingbusse) versorgt werden. Kleinere Module können z.B. zur netzunabhängigen Stromversorgung von Parkscheinautomaten dienen. In beiden Fällen muss für Nacht- und Schattenzeiten ein Akku integriert werden. Kleinstmodule versorgen Taschenrechner und Uhren mit Strom.

 

Erträge

Die Module wirken am besten bei sehr klarer, kalter Luft. Der Wirkungsgrad der Umwandlung des Sonnenlichts beträgt zwischen 12 % und 20%. Die Stromerzeugung nimmt bei bedeckten Himmel erheblich ab. Die Erträge pro Jahr hängen von den Sonnenscheinstunden ab und schwanken um +/- 10 %, sie fallen größtenteils im Sommerhalbjahr an. In Deutschland ergeben sich Erträge von 70 - 120 kWh/pro Jahr und m² oder 700 - 1000 kWh/Jahr und pro kW installierter Leistung. In Südeuropa liegen die Erträge bei 180 kWh, in der Sahara bei 235 kWh pro Jahr und m². Die Anlage auf dem Dach eines Einfamilienhauses von z.B. 4 kW Spitzenleistung (Flächenbedarf etwa 40 m²) kann damit rein rechnerisch auch in Deutschland den Stromverbrauch einer Familie erzeugen (im Sommer mehr, im Winter weniger). Bei der Photovoltaik treten grundsätzlich die gleichen Probleme unregelmäßiger Stromerzeugung wie bei der Windenergie auf, sie sind jedoch noch erheblicher, da die Abschaltung bei Nacht und die Sommer – Winter-Differenz systembedingt auftreten. Sie spielen jedoch wegen der Netzkopplung bei den bisher erzeugten Strommengen noch keine Rolle und lassen sich bei höheren Anteilen von Solarstrom auf ähnliche Weise abmildern. Da der Solarstrom tagsüber anfällt, fällt die Erzeugung mit den Zeiten des höchsten Verbrauchs zusammen. Alle Photovoltaikanlagen in Deutschland erzeugen je nach Wetterlage tagsüber so viel Strom wie mehrere Atomkraftwerke ( zeitabhängige Gesamtleistung der Photovoltaikanlagen siehe hier).

Tabelle der Solarerträge von Einzelanlagen in Deutschland

 

Kosten

Nach dem EEG wird der in das Netz des örtlichen Energieversorgers eingespeiste Strom für einen Zeitraum von 20 Jahren mit einem festgelegte Satz vergütet. Diese Sätze werden jedes Jahr abgesenkt. In den letzten Jahren (2010) haben sich Solarmodule durch Erreichen der Massenproduktion insbesondere auch in China deutlich verbilligt. Die Bundesregierung hat daraufhin 2010 eine zusätzliche 16%ige Absenkung der Erstattungen für Solarstrom vorgenommen, zum 1.1.2011 werden die Erstattungen erneut um 13% gesenkt. Ab 2011 wurden je nach Anlagengröße 21,0 - 28,6 ct/kWh erstattet, ab Mitte 2013 10-15 ct/kWh (Genaueres hier ). Die Erstattungssätze haben bisher zum kostendeckenden Betrieb einer Solaranlage ausgereicht, die weitere ist noch nicht absehbar. Die Vergütungssätze werden sich weiterhin pro Jahr um 8 - 13 % verringern, der jährliche Zubau an installierter Leistung soll auf 3500 MWp begrenzt werden.
Nach dem aktuellen EEG kann es für den Anlagenbetreiber sinnvoll sein, den selbst verbrauchten Solarstrom separat abzurechnen (siehe hier).
Die Förderung und Weiterentwicklung der Photovoltaik ist weiter sinnvoll und erforderlich, da sie

Es wurde z.B. für Aachen errechnet, dass sich allein durch Photovoltaikanlagen auf allen geeigneten Dachflächen Aachens rein rechnerisch etwa 65  % des derzeitigen Stromverbrauchs erzielen ließe. 2) Eine andere Studie ergab für Osnabrück 70%.

Die Förderung über das EEG hat schon erhebliche Erfolge gebracht, so dass der Preis pro kWh erstattete Preis seit 2000 drastisch gesunken ist. Die Wirkungsgrade der Solarzellen sind von 10 % auf bis fast 20  % gestiegen, in Labormustern liegen sie bereits höher. Weitere Preissenkungen sind absehbar, da die Großserienfertigung für Solarmodule noch ausgeweitet werden kann und durch die weitere Forschung Solarzellenvarianten mit höheren Wirkungsgraden entwickelt werden. Der Anteil des Solarstroms an der deutschen Stromerzeugung lag 20012 bei 5%, die solare Stromerzeugung ist weiterhin stark ansteigend.

Siehe hierzu auch die Erläuterungen des Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV)

 

Import von Solarstrom

Die Solarstromerzeugung erzielt in südlichen Breiten höhere Erträge. So sind in Südspanien die 1,5-fachen und in der Sahara die doppelten Strommengen pro Fläche wie bei uns zu erreichen. Weiterhin stehen in diesen Gebieten im Gegensatz zu Mitteleuropa große verkarstete Gebiete zur Verfügung, die sonst nicht genutzt werden können. Man könnte deshalb in diesen Gebieten mit sehr großen Freiflächenanlagen Strom erzeugen und über lange Hochspannungstrassen nach Mitteleuropa transportieren. Da sich unter den dortigen Bedingungen Parabolrinnenkraftwerke lohnen würden, ließe sich über Tagesspeicher der Ausfall nachts überbrücken. Der Energieverlust wäre mit etwa 5 % moderat. Es ist unklar, in wie weit sich die sehr hohen Kosten (geschätzt 400 Millarden €) des Projekts eventuell durch die höheren Erträge kompensieren ließen.

Ein entscheidende Nachteil ist jedoch, dass

Siehe hierzu auch:

Pro: Klaus Marsiske von der Zeitschrift Sonne Wind & Wärme

Contra: diverse Artikel von Eurosolar

 

Alles zur Photovoltaik ausführlich vom

 

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