Photovoltaik
Die Sonne liefert in einer Stunde mehr Energie auf die Erde als weltweit pro Jahr verbraucht wird. Die Sonnenenergie lässt sich vielfältig nutzen, z.B. mit Hilfe von Photovoltaik (PV). Deutsche PV-Technik ist auf allen Kontinenten im Einsatz und stellt sowohl in netzgebundenen Systemen als auch in Inselanlagen Strom zur Verfügung.
- Funktionsschema einer Solarzelle:
1.) negative Elektrode
2.) positive Elektrode
3.) n-Silizium
4.) p-Silizium
5.) Grenzschicht
Technologien und Anwendungen
Der Einsatz von Photovoltaikzellen ermöglicht die direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie. Durch das Sonnenlicht werden in der Solarzelle positive und negative Ladungen getrennt, die an den beiden Polen der Solarzelle wie bei einer Batterie zur Nutzung bereitstehen. Um größere Kapazitäten zu erhalten, werden viele Solarzellen in einem Solarmodul zusammengefasst und verschaltet. Über 90 Prozent der weltweit eingesetzten Solarzellen bestehen aus kristallinem Silizium, das sich jahrzehntelang bewährt hat. Zukünftig wird verstärkt auch auf Dünnschichtzellen gesetzt werden, da diese aufgrund geringeren oder nicht vorhandenen Siliziumbedarfs kostengünstiger hergestellt werden können.
Der Preisverfall bei Solarsilizium in 2009 hat den Abstand zwischen kristallinen und Dünnschichtmodulen zwar deutlich verringert, aufgrund neuer Techniken, z.B. Organischer Photovoltaik (OPV), bietet sich bei Dünnschichttechnik aber noch ein erhebliches Preissenkungspotential. Die Dünnschichtzellen weisen derzeit noch niedrigere Wirkungsgrade auf, so dass im Vergleich zu Standardmodulen mehr Aufstellfläche für die Installation der gleichen Leistung benötigt wird. Bei der Auswahl geeigneter Photovoltaikmodule sollten neben den reinen Modulkosten (Preis pro Kilowatt) daher auch die Systemkosten pro erzeugter Kilowattstunde ("Gestehungskosten") berücksichtigt werden. Standorte mit hohem Anteil direkter Sonneneinstrahlung erhöhen die Rentabilität einer Investition.
Den stärksten Zuwachs weltweit erfahren zurzeit die netzgekoppelten Solarstromanlagen, bei denen mittels Wechselrichtern der Solarstrom in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.
Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen gibt es in vielen Leistungsklassen; von der Kleinanlage auf Wohnhäusern mit 1 kWp (Kilowatt peak) Leistung und einer Solarfläche von ca. 10 Quadratmetern bis zur Großanlage im Freigelände mit bis zu 60 MWp (Megawatt peak) Leistung. Kleinanlagen mit einer Nennleistung von üblicherweise 3-4 kWp können optimal in bestehende Gebäude integriert werden. Mittlere Anlagen mit Größen von ca. 30 bis 50 kWp werden oft auf Fabrikhallen und Bürogebäuden, landwirtschaftlichen Gebäuden, Schulen, Rathäusern und anderen öffentlichen Gebäuden installiert. Großanlagen mit Leistungen von bis zu 60 MW werden in der Regel als Freiflächenanlagen gebaut.
Photovoltaikanlagen bieten zudem die Möglichkeit, elektrische Energie unabhängig von vorhandenen Stromnetzen nutzen zu können. Dann entfallen die hohen Erschließungskosten für den Bau von Stromnetzen über große Strecken. Eine Off-Grid-Nutzung bietet sich auch in Regionen mit unzuverlässiger Stromversorgung an. Die einfachste Variante ist die unmittelbare Verwendung des solar erzeugten Gleichstroms zum Betrieb elektrischer Geräte. Photovoltaik kann aber auch zum Aufbau von netzfernen Inselsystemen genutzt werden. Solche „Mini Grids“ können einzelne Gebäude bis hin zu mehreren Ortschaften mit Strom versorgen. Zur Einspeisung in die Mini Grids muss der Strom zuvor mit einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden.
Zur Gewährleitung einer bedarfsgerechten Stromversorgung selbst in Stunden mit schwacher Sonneneinstrahlung ist beim Aufbau von Mini Grids die Integration eines Speichermoduls (z.B. Batterie) zweckmäßig. Eine langfristig komfortable und kostengünstige Variante der netzfernen Stromversorgung durch Inselsysteme ist auch die Kombination von Photovoltaik- mit Wind- und Wasserkraftanlagen und/oder Diesel- oder Biokraftstoff-betriebenen Stromgeneratoren (Hybridsysteme). Da Treibstoff für Generatoren in ländlichen Gegenden oft über weite Distanzen transportiert werden muss, kann durch PV-Inselsysteme so unter Umständen für die Stromerzeugung benötigter Brennstoff (z.B. Diesel) eingespart werden.
