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Acronym: PV
Definition: ein Verfahren zur direkten Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie
Abbildung 1: Das Solarkraftwerk Caischavedra in Graubünden, Schweiz. In Regionen mit kalter, klarer Bergluft funktionieren Photovoltaikanlagen besonders gut. Bild: Axpo AG.
Die Photovoltaik (oder Fotovoltaik) ist ein technisches Verfahren, um Energie von Licht (also eines Teils der Strahlung der Sonne) mit Hilfe von Solarzellen direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Meist wird Sonnenlicht, d. h. Sonnenenergie eingesetzt, obwohl Solarzellen durchaus auch mit anderen (technischen) Lichtquellen wie Lasern arbeiten können. Man erhält damit eine erneuerbare Quelle elektrischer Energie. Der Artikel über Solarzellen beschreibt einige technische Aspekte dieser Bauelemente, während es hier um allgemeinere Aspekte geht.
Kosten bei Herstellung und Betrieb
Photovoltaikanlagen weisen einerseits relativ hohe, wenn auch mit den Jahren ständig sinkende Herstellungskosten auf. Andererseits liefern sie, einmal hergestellt, für viele Jahre (häufig mehr als 20) elektrische Energie mit Hilfe der kostenlosen Sonnenenergie. Bei den heutigen Herstellungskosten sind sie in der Regel nicht mit fossilen Energieträgern konkurrenzfähig, wobei es gewisse Ausnahmen gibt. Beispielsweise können Berghütten so mit Strom versorgt werden, ohne dass lange teure Kabel verlegt werden oder z. B. benzingetriebene Generatoren laufen, die mit Kraftstoff versorgt und gewartet werden müssen.
Es besteht die Hoffnung, dass durch weitere technische Fortschritte beim Design und den Herstellungsverfahren für Solarzellen die Kosten so stark sinken, dass die Konkurrenzfähigkeit mit fossilen Energien erreicht wird. Diese Entwicklung könnte stark beschleunigt werden sowohl durch Preissteigerungen in Folge der Verknappung fossiler Energieträger (Stichwort Peak Oil im Falle von Erdöl) als auch durch CO2-Abgaben als Instrument des Klimaschutzes. Auch im Konkurrenzverhältnis mit Kernenergie dürfte die Photovoltaik Chancen gewinnen dadurch, dass die Kostenentwicklungen beider Technologien gegenläufig sind und die Kernenergie wegen diverser Probleme (z. B. Unfallrisiken, Endlagerproblematik und die Gefahr der Proliferation von Atomwaffen) stark an Akzeptanz verloren hat.
Leistungsdichte und Energieausbeute, Flächen- und Materialbedarf
Ein Problem der Photovoltaik ist die relativ geringe Leistungsdichte, die im Kern durch die Leistungsdichte der Sonneneinstrahlung begrenzt ist. Wenn beispielsweise Sonnenlicht mit 1 kW pro m2 einfällt und ein Solarmodul einen Wirkungsgrad von 15 % hat, sind 150 W elektrischer Leistung zu gewinnen. Für größere Leistungen wird dann eine relativ große Fläche benötigt. Vor allem aber setzt dies einen erheblichen Materialaufwand voraus, was entsprechende Kosten nach sich zieht und (stark abhängig von der gewählten Technologie) auch einen erheblichen Einsatz an grauer Energie. Ein Stück weit kann dieses Problem durch energieeffizientere Produktionsmethoden und verbesserte Zellendesigns gemildert werden. Neue Designs können nämlich den Wirkungsgrad verbessern, was die nötige Fläche reduziert, und manchmal auch die benötigte Menge von Silizium reduzieren. Eine weitere Möglichkeit ist das Recycling: Die Rückgewinnung von Silizium aus ausgedienten Solarzellen ist viel weniger energieaufwändig als die Herstellung neuen Solarsiliziums. Unter günstigen Bedingungen kann in Mitteleuropa eine energetische Amortisationszeit deutlich unterhalb von 2 Jahren erreicht werden, in Zukunft wohl noch deutlich weniger.
Das Problem des Flächenbedarfs einer großtechnischen Photovoltaiknutzung sollte nicht überschätzt werden. Beispielsweise würde ein winziger Teil der Fläche der Sahara genügen, um einen erheblichen Teil der in Europa benötigten elektrischen Energie zu erzeugen. Das Hauptproblem ist hier sicher nicht der Flächenbedarf, sondern der große Bedarf an Material und finanziellen Ressourcen, teilweise auch für lange Hochspannungsleitungen zum Ferntransport der Energie. Eine andere Variante ist die Nutzung vieler sonst nicht genutzter Dachflächen; sie würde es erlauben, einen erheblichen Teil der elektrischen Energie z. B. in Deutschland ohne zusätzlichen Flächenbedarf zu erzeugen. Interessant ist auch der Aspekt, dass PV-Module quasi zum Bauelement werden, also teilweise andere Bauelemente ersetzen, was sowohl die Kosten als auch die energetische Amortisationszeit reduzieren kann.
Für die Amortisation relevant ist die im Mittel pro Jahr gelieferte Energiemenge von Photovoltaikanlagen. In Deutschland können Photovoltaikanlagen pro Jahr rund 900 Volllaststunden erreichen, d. h. so viel Energie erzeugen, wie in 900 Stunden mit idealer Sonneneinstrahlung produziert würde. Da ein Jahr 8760 Stunden hat, bedeutet dies, dass die durchschnittlich gelieferte Leistung etwa ein Zehntel der Maximalleistung ist. Da die volle Einstrahlung ca. 1 kW/m2 beträgt, entsteht pro m2 Modulfläche bei einem Modulwirkungsgrad von 15 % eine maximale Leistung von 150 W und eine mittlere Leistung von gut 15 W. Die jährlich gelieferte Energie ist 150 W · 900 h = 135 kWh. In Zukunft könnten Solarmodule freilich durch höhere Wirkungsgrade noch erheblich höhere Energiemengen liefern.
In jedem Fall ist klar, dass Photovoltaik unbegrenzte Energiemengen in dem Sinne liefert, dass solche Mengen jedes Jahr zur Verfügung stehen werden, während aber die zu gewinnenden Energiemengen pro Jahr trotzdem durch die vorhandenen Ressourcen im Sinne von Flächen, Material und Finanzen begrenzt sind. Von daher muss Photovoltaik trotz ihrer Unerschöpflichkeit mit hoher Energieeffizienz kombiniert werden, um in großem Umfang menschliche Bedürfnisse decken zu können.
Ausrichtung der Anlage
In der Regel sind Photovoltaik-Anlagen fest ausgerichtet, d. h. sie haben im Betrieb eine feste Orientierung zum Erdboden. Die Solarmodule sollten idealerweise nach Süden ausgerichtet werden, so dass sie zur Mittagszeit die maximale Bestrahlung erfahren, aber auch morgens und nachmittags noch produzieren können. Der Anstellwinkel (die Neigung gegenüber der Horizontalen) ist ebenfalls von Bedeutung; in Deutschland sollte er möglichst zwischen 30 und 35 ° betragen (wobei nördlichere Standorte einen steileren Winkel erfordern). Bei Dachanlagen auf Schrägdächern entspricht der Anstellwinkel meist der Dachneigung, während er auf Flachdächern durch eine geeignete Ständerkonstruktion bestimmt wird. Eine nicht ganz optimale Ausrichtung nach Süden, beispielsweise um 30 ° von der Südrichtung abweichend, verursacht nur moderate Ertragseinbußen von wenigen Prozentpunkten; erst bei starker Fehlausrichtung sinkt die Ausbeute erheblich. Der Anstellwinkel ist kritischer: Hier verliert man einige Prozentpunkte bereits mit einem Fehler von 10 °.
Optimal wäre natürlich eine automatische Nachführung im Tagesverlauf: einachsig von Osten nach Westen oder gar zweiachsig, also zusätzlich auch im Anstellwinkel. Dies kann den Ertrag um 20 % (einachsige Nachführung) oder gar 30 % (zweiachsige Nachführung) erhöhen, erhöht aber ebenfalls den technischen Aufwand erheblich. (Man beachte auch, dass nicht an festen Flächen befestigte Module eine stabile, windsichere Halterung benötigen.) Deswegen wird auf eine automatische Nachführung meistens verzichtet. (Die oben genannten Zahlen für die Ausbeute gelten für Systeme ohne Nachführung.)
Unverzichtbar ist die automatische Nachführung allerdings bei Systemen mit konzentrierender Optik: Hier wird das Sonnenlicht z. B. mit Hilfe von Linsen auf (oft relativ kleine) Solarzellen fokussiert, was nur bei korrekter Ausrichtung zur Sonne hin funktioniert.
Ökologische Aspekte
Der Betrieb von Photovoltaikanlagen ist äußerst umweltfreundlich: Dabei entstehen keinerlei Abgase, insbesondere nicht klimaschädliche wie Kohlendioxid, ebenfalls kein Lärm, keine radioaktiven Abfälle (Atommüll) oder sonstige schädlichen Einwirkungen. Deswegen wird Solarstrom meist als Ökostrom vermarktet. Andererseits ist die Produktion (und zu einem kleineren Teil der Aufwand für Transport und Installation sowie später die Entsorgung) verantwortlich für diverse Umweltbelastungen, insbesondere im Zusammenhang mit der eingesetzten grauen Energie. Das Bewusstsein hierfür nimmt zu; es wird beispielsweise von Herstellern darauf geachtet, Ökostrom (meist wieder aus Photovoltaik) für die Produktion einzusetzen.
Verfügbarkeit; Notwendigkeit der Speicherung
Sonnenlicht ist naturgemäß nicht immer verfügbar: nie nachts, und auch tagsüber im Ausmaß stark abhängig von den Wetterbedingungen. Deswegen setzt die alleinige Versorgung eines Inselnetzes mit Photovoltaik entsprechend große Speicher (meist Batterien) voraus, die die Gesamtkosten weiter erhöhen und die Ausbeute durch gewisse Energieverluste reduzieren.
Dieser Aspekt verliert stark an Bedeutung, wenn Photovoltaikanlagen zusammen mit vielen anderen Stromerzeugern (z. B. auch Blockheizkraftwerken und großen Kraftwerken) elektrische Energie in ein großes Verbundnetz einspeisen. Dann können z. B. bei guter Sonneneinstrahlung die Wasservorräte in Speicherkraftwerken geschont werden, die dann bei schlechterem Wetter oder nachts die fehlende Produktion übernehmen können. Deswegen wäre es durchaus möglich, etliche Prozent der in einem großen Netz umgesetzten elektrischen Energie durch Photovoltaik zu decken, ohne dass gewaltige zusätzliche Speicheranlagen aufgebaut werden müssten. Es ist sogar ein vorteilhafter Aspekt, dass Photovoltaik wertvolleren Tagstrom und keinen Nachtstrom liefert – außer eben, wenn sie einen Großteil der gesamten Energie liefern sollte.
Zukunftsaussichten der Photovoltaik
Der Photovoltaik wird zunehmend eine sehr große Bedeutung für die Energieversorgung der Zukunft zugeschrieben. Dies wohl nicht, weil sie in jeder Beziehung ideale Eigenschaften hätte, sondern weil sie zu den wenigen erneuerbaren Energiequellen mit wirklich großem Potenzial zählt. Photovoltaik ist nämlich nicht nur an sehr speziellen Standorten einsetzbar, wie z. B. Wasserkraftwerke oder Windenergieanlagen, sondern fast überall. Die Energieausbeute ist zwar an nicht idealen Standorten erheblich geringer als z. B. nahe dem Äquator, aber doch noch beträchtlich.
Es ist durchaus vorstellbar, dass im Jahr 2100 der größere Teil des weltweiten Energiemixes aus Photovoltaik stammen wird. Die dafür zu meisternden Herausforderungen sind erheblich, aber wohl doch noch überschaubar im Vergleich zu denen beispielsweise der Kernfusion.
Noch schwer abzusehen ist, in wieweit solare Großkraftwerke oder aber dezentrale Nutzungsarten (z. B. auf Hausdächern) dominieren werden. Für großtechnische Ansätze spricht, dass dies eine größere Rationalisierung ermöglicht, die das Kostenproblem entschärfen könnte. Außerdem könnte die Kapitalbeschaffung auf diese Weise einfacher zu bewerkstelligen sein. Andererseits haben auch dezentrale Ansätze wichtige Vorteile, insbesondere die verbrauchernahe Erzeugung sowie die Vermeidung von Abhängigkeiten.
Staatliche Förderung
In vielen Ländern wird mittlerweile die Entwicklung der Photovoltaik mit erheblichen staatlichen Mitteln gefördert. Das Ziel solcher Förderung ist, der Photovoltaik schneller zum Erreichen der Wirtschaftlichkeit zu verhelfen. Wenn dieser Punkt einmal erreicht ist, dürfte sich die Photovoltaik noch wesentlich rasanter entwickeln und schnell einen erheblichen Beitrag zur weltweiten Energieversorgung wie auch zum Klimaschutz bringen.
Es gibt recht unterschiedliche Förderinstrumente:
- Die Solarzellen-Forschung und Entwicklung kann staatlich vermehrt unterstützt werden.
- Forschungspreise können Anreize für verstärkte Anstrengungen in Richtung verbesserter Solarzellendesigns geben.
- Die Produzenten von Photovoltaikanlagen oder ihre Kunden können direkte Zuschüsse oder Steuererleichterungen erhalten.
- Eine Einspeisevergütung mit langfristig zugesagten Einspeisetarifen, die ggf. auf Kosten anderer Stromerzeuger oder Verbraucher subventioniert werden, schafft wirtschaftliche Anreize und Planungssicherheit.
Nicht vergessen werden sollte auch der Abbau von unnötigen Hemmnissen, etwa betreffend staatliche Vorschriften zur Gestaltung von Hausdächern oder übertriebene technische Auflagen der Stromversorgungsunternehmen, die die Einspeisung von Ökostrom erschweren.
Die Förderung der Photovoltaik wird gelegentlich kritisiert mit dem Hinweis darauf, dass die Kosten pro erzeugter Kilowattstunden deutlich höher sind als z. B. bei Windenergie oder Wasserkraft. Man könnte also mit den gleichen finanziellen Ressourcen eine größere Ökostromerzeugung bewirken, wenn die Fördermittel auf kostengünstigere Technologien konzentriert würden. Jedoch wird dabei nicht beachtet, dass es gerade darum geht, die Entwicklung kostengünstigerer Photovoltaik zu beschleunigen. Langfristig könnte eine solare Strategie also durchaus größere Wirkungen erzielen als eine, die sich auf bereits annähernd wirtschaftliche Technologien konzentriert.
Vergleich von Photovoltaik mit Solarthermie
Eine praktische Frage von Bedeutung ist, wie die Verwendung von Photovoltaikmodulen z. B. auf einem Hausdach im Vergleich zu thermischen Sonnenkollektoren zu bewerten ist.
Ein direkter Vergleich der Wirkungsgrade kann sehr irreführend sein. Zunächst einmal wäre es falsch, Volllast-Wirkungsgrade von z. B. 15 % von einem Solarmodul mit 80 % bei einem Sonnenkollektor zu vergleichen, da bei geringerer Sonneneinstrahlung der Wirkungsgrad des Kollektors viel stärker abfällt. Hinzu kommt, dass ein Sonnenkollektor für Warmwasser im Sommer häufig mehr Energie liefert als benötigt, so dass nicht der gesamte Ertrag nutzbar ist.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Vergleich verschiedener Energieformen. Elektrische Energie ist reine Exergie, d. h. Energie der höchsten Wertigkeit, und kann nicht direkt mit Wärmeenergie (v. a. mit Niedertemperaturwärme) verglichen werden. Man könnte damit z. B. eine Elektrowärmepumpe mit einer Leistungszahl von 3 antreiben, um die dreifache Menge von Niedertemperaturwärme zu erhalten.
Die Berücksichtigung all dieser Faktoren zeigt, dass der effektive Jahresertrag einer Photovoltaikanlage pro m2 Fläche in der Regel höher sein dürfte als der eines Sonnenkollektors, trotz dessen höheren Volllast-Wirkungsgrads. Dies trifft umso mehr zu, je höher die benötigte Kollektortemperatur und je niedriger die Außentemperatur ist. Auf der anderen Seite sind Photovoltaikanlagen auch teurer als Sonnenkollektoranlagen.
Für den Vergleich beider Konzepte im konkreten Fall ist ebenfalls von Bedeutung, welche Art von anderer Strom- bzw. Wärmeerzeugung jeweils verdrängt würde. Wenn beispielsweise ein Sonnenkollektor ermöglicht, einen für die alleinige Warmwasserbereitung im Sommer sehr ineffizienten Ölkessel zu ersetzen, erzeugt dies vermutlich einen größeren ökonomischen und ökologischen Nutzen als die Verdrängung von Strom aus einem effizienten Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk. In einem anderen Fall mag die Verdrängung von klimaschädlichem Kohlestrom wichtiger sein als die Einsparung von Holzpellets bei der Warmwasserbereitung.
Literatur
| [1] | Extra-Artikel: Wird Sonnenenergie erst nützlich, wenn sie nachts Strom erzeugen kann? |
| [2] | Extra-Artikel: Vergleich von Sonnenkollektor mit Solarzelle: höhere Produktion wegen höherem Wirkungsgrad? |
| [3] | Solar-Toolbox von solar campus |
Siehe auch: Sonnenenergie, Solarzelle, elektrische Energie, erneuerbare Energie, Ökostrom, Einspeisevergütung
Kategorien: Grundbegriffe, elektrische Energie, erneuerbare Energie