Photovoltaik — Sauberer Strom aus Sonnenlicht
Unsere Sonne ist ohne Frage die wichtigste Energiequelle für alles Leben auf der Erde: Ihr Licht erwärmt die Atmosphäre, es ermöglicht die Photosynthese der Algen und Pflanzen, es treibt den Wasserkreislauf, Wetter und Winde an. Was liegt näher, als diese unerschöpfliche und kostenlos verfügbare Energiequelle auch technisch zu nutzen? In nur wenigen Minuten überträgt die Sonne so viel Energie auf die Erde, wie die gesamte Menschheit in einem ganzen Jahr verbraucht. Solarenergie stellt somit eine vielversprechende Möglichkeit dar, den Energiebedarf unserer Zivilisation in Harmonie mit Umwelt und Natur zu decken.
Die Herausforderung liegt darin, diese Energie einzufangen, technisch zu nutzen und möglichst auch zu speichern, denn die Schwankung der Lichtintensität im Tagesverlauf entspricht in der Regel nicht dem Bedarf der Menschen an Energie. Bestes Beispiel: Die künstliche Beleuchtung, die genau dann benötigt wird, wenn nachts kein Sonnenlicht zur Verfügung steht. Neben der Nutzung von Sonnenenergie als Wärme, zum Beispiel durch Sonnenkollektoren oder solarthermische Kraftwerke, gewinnt die unmittelbare Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie durch Photovoltaik immer mehr an Bedeutung. Sie nimmt mittlerweile bereits 9,5 % am deutschen Strommix (2019) ein, weltweit sind Ende 2018 bereits Photovoltaikanlagen mit zusammen über 500 Gigawatt Leistung installiert – ein wichtiger Beitrag zu einer Wende hin zu erneuerbaren, nachhaltigen Energiequellen.
Wie funktioniert Photovoltaik?
Solarzellen basieren auf dem photoelektrischen Effekt, der 1839 vom französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt wurde und mit dem sich viele weitere große Forscher wie Heinrich Hertz, sein Schüler Wilhelm Hallwachs und auch Albert Einstein befassten. Einstein lieferte 1907 eine quantentheoretische Erklärung dafür, warum Licht in bestimmten Materialien elektrische Ladungen erzeugt. Aber erst in den 1950er Jahren entstanden in amerikanischen Labors die ersten Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Silizium, deren Stromabgabe eine technische Anwendung erlaubte: Zum Beispiel in der erwachenden Raumfahrt, aber auch bereits damals als dezentrale Stromversorgung zum Beispiel von Telefonverstärkern. Der Gleichstrom, den Solarzellen aus Licht erzeugen, kann direkt verbraucht, in Batterien gespeichert oder nach Umwandlung in Wechselspannung in das
Stromnetz eingespeist werden.
Basismaterial Silizium
Silizium, das Material der allermeisten heutigen Solarzellen, gehört zu den Halbleitern. In Form von Siliziumdioxid (Quarz, Sand) kommt dieser Rohstoff in der Erdkruste häufig vor und ist somit fast unbegrenzt verfügbar. Aus hochreinem Silizium kann monokristallines, polykristallines oder amorphes Silizium hergestellt werden. Aus diesen Basismaterialien werden wiederum Solarzellen mit unterschiedlichen Eigenschaften produziert: Solarzellen aus amorphem Silizium bieten dabei einen geringen Wirkungsgrad bei ebenfalls niedrigeren Kosten, Solarzellen aus monokristallinem Silizium sind teurer, haben aber den höheren Wirkungsgrad. Welche Zellenart die richtige ist, hängt vom spezifischen Anwendungsfall ab. Bei der dezentralen Stromversorgung von Leuchten stehen Kompaktheit und hoher Wirkungsgrad im Vordergrund, daher arbeiten hei Solarleuchten by Selux mit hocheffizienten Solarzellen aus in der Regel monokristallinem Silizium.
Nennleistung und Ertrag
Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird mit Wp (Watt Peak) angegeben. Wp bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die in etwa der maximalen Sonnenstrahlung in Deutschland entsprechen. Diese Standard-Testbedingungen (STC = standard test conditions) sind 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einer Luftmasse (abgekürzt AM von englisch „air mass“) von 1,5 dienen der Vergleichbarkeit von unterschiedlichen Solarmodulen. Eine typische PV-Installation auf dem Dach eines Einfamilienhauses (40 m2 Fläche) liefert ca. 4 – 5 kWp, die PV-Zellen einer hei-Solarleuchte by Selux haben nominelle Leistungen im Bereich 100 bis 250 Wp. Natürlich eignet sich Photovoltaik besonders gut für Regionen, die innerhalb des sogenannten Solargürtels liegen, in dem eine hohe jahreszeitenunabhängige Solareinstrahlung herrscht. Dazu gehören die südlichen Teile Europas, Nordamerikas, Mittel- und Südamerika, Afrika, Asien und Australien. Aber auch in den daran angrenzenden Regionen wie Mitteleuropa lässt sich Photovoltaik wirtschaftlich betreiben, wie die Erfahrungen der letzten Jahrzehnte zeigen. Viele Städte und Regionen in Deutschland und anderen Ländern verzeichnen in Solar-Katastern, welche Erträge mit Photovoltaik wo zu erwarten sind.
Wirtschaftlichkeit
Solarstrom ist nicht nur aus ökologischer Sicht nachhaltig, sondern inzwischen auch aus wirtschaftlicher Sicht wettbewerbsfähig. In den vergangenen Jahrzehnten sind durch den technischen Fortschritt die Solarzellen, aber auch weitere Systemkomponenten wie Wechselrichter, Regel- und Ladeelektronik sowie Batteriespeicher immer leistungsfähiger geworden. Zugleich sanken die Kosten durch Skaleneffekte in der Produktion ganz erheblich: So sind die Solarzellenpreise heute 90% niedriger als 2010. In vielen Regionen mit entsprechender Lichtintensität gilt Photovoltaik bereits als die günstigste Möglichkeit, Strom zu gewinnen. Bei Anwendungen wie der dezentralen Energieversorgung etwa von Straßen- oder Wegebeleuchtung („Off-Grid“) kommen zusätzliche Faktoren hinzu, die Wirtschaftlichkeit und Ökobilanz positiv beeinflussen: So entfallen nicht nur die Stromkosten selbst, sondern auch sämtliche Belastungen wie Leitungskosten und Verlegearbeiten .
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