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Photovoltaik

Inhalt:

Technik
Erträge
Kosten
Import von Solarstrom

Technik

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 1,7m² großen Solarmodul zusammen geschaltet, mit einer Glasplatte darüber wetterfest zusammen geklebt und mit einem Aluminiumrahmen umgeben. Die Module liefern dann 30 - 40 V Gleichspannung und werden wiederum zu mehreren zusammen geschaltet. (Beispiel Moduldatenblatt) 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 18 % und 22%. 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. Seit 2010 haben sich Solarmodule durch Erreichen der Massenproduktion insbesondere auch in China deutlich verbilligt. Die Bundesregierung hat daraufhin die Erstattungen für Solarstrom immer weiter abgesenkt, er liegt heute für kleine Dachanlagen bei knapp 10cent/KWh, große Freiflächenanlagen kommen mit der Hälfte aus. (Genaueres hier ). Die Erstattungssätze haben bisher zum kostendeckenden Betrieb einer Solaranlage ausgereicht. Die Vergütungssätze werden sich weiterhin.

Nach dem aktuellen EEG ist es für den Anlagenbetreiber in der Regel sinnvoll, nicht allen Strom zu verkaufenden sondern einen Anteil selbst zu verbrauchten und so den teureren gekauften Strom zu ersetzen (siehe hier).
Die Förderung und Weiterentwicklung der Photovoltaik ist weiter sinnvoll und erforderlich, da sie

die erneuerbare Energieform mit den geringsten Umweltbeeinträchtigungen bei der Nutzung ist (keine Abgase, kein Lärm, gute Recycling-Möglichkeiten, bei Dachflächenanlagen kein Landschaftsverbrauch, keine Konkurrenz mit der Nahrungsmittelerzeugung, keine Naturschutzprobleme)
laut Umfragen die akzeptierteste Energieform in der Bevölkerung ist
neben den anderen EE zur Abdeckung des Strombedarfs benötigt wird
durch die Beschäftigung des örtlichen Handwerks Arbeitsplätze in der Region sichert
eine Dezentralisierung der Energieversorgung bedeutet und damit eine Verringerung der Abhängigkeit von den Monopolstrukturen im Strommarkt (unter der Voraussetzung, dass die Abnahmepflicht zu fairen Preisen bleibt)
neben der Windkraft das größte Potenzial aller EE hat. So könnte man selbst unter deutschen Wetterbedingungen durch Nutzung aller Dachflächen, Fassaden und Lärmschutzwände rein rechnerisch etwa die Hälfte des derzeitigen Strombedarfs Deutschlands decken.

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. 1) Eine andere Studie ergab für Osnabrück 70%.

Die Förderung über das EEG hat schon erhebliche Erfolge gebracht, so dass der erstattete Preis pro kWh für kleine Dachanlagen seit 2000 von anfänglich etwa 50Cent auf inzwischen unter 10 Cent gefallen 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 2012 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

in der Energieversorgung die Abhängigkeit zu Förder- und Durchleitungsländern (z.B. Algerien) bestehen bliebe
kaum deutschen Arbeitskräfte beteiligt wären
sich die sehr hohen Investitionen nur durch wenige europäische Strom-Monopolisten tätigen ließen, die dann auch - wie auch schon jetzt - ein Preisdiktat ausüben würden
die technische Versorgungssicherheit nur von wenigen Kabeltrassen abhängen würde

Siehe hierzu auch eine Erläuterung der DESERTEC-Vision

Alles zur Photovoltaik ausführlich vom