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Solarzelle

ein großflächiges Photoelement, durch das Strahlungsenergie der Sonne direkt in elektrische Energie umgewandelt wird, und zwar auf photoelektrischem Wege durch Freisetzen von Elektronen im Innern, z. B. von Silicium, Galliumarsenid oder Cadmiumtellurid. Mehrere Solarzellen können zu Solarbatterien oder Solargeneratoren zusammengeschaltet werden.
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Solartechnik

Einleitung
Der Fixstern Sonne gibt ununterbrochen eine unvorstellbar große Leistung in Form von elektromagnetischer Strahlung an den ihn umgebenden Weltraum ab. In jeder Sekunde verschmelzen im Innern der Sonne ca. 600 Mio. t Wasserstoff durch Kernfusion zu Helium und erzeugen dabei auf der Sonnenoberfläche eine Strahlungsleistung von 63000 kW/m² (63 MJ/s/m²). Im Abstand von 150 Millionen km, wo die Erde ihre Bahn um die Sonne zieht, beträgt die Leistung dieser Strahlung noch 1400 W/m². Dieser Wert wird als Solarkonstante bezeichnet. An einem klaren Tag treffen ca. 1000 W/m² Sonnenenergie auf die wolkenfreie Erdoberfläche. Die Sonneneinstrahlung ist -bedingt vor allem durch Wolken und die Neigung der Strahlen zur Erdachse- regional unterschiedlich. In der Bundesrepublik Deutschland treffen jährlich etwa 900 bis 1100 kWh Sonnenenergie auf einen Quadratmeter, in den Mittelmeerländern sind es etwa 1700 und in der Sahara sogar 2200 Kilowattstunden.

Die Gesamtmenge der auf die Erde eingestrahlten Sonnenenergie ist mehr als 10000 mal größer als der derzeitige gesamte Weltenergieverbrauch, der 1988 bei 90 Billionen kWh (1989= 12 Mrd. t SKE) und für die Bundesrepublik 1990 = 3200 Mrd. kWh oder 390 Mio. t SKE (neue Länder 1990 = 112 Mio. t SKE), lag.

Etwa 90 % des Weltverbrauchs an kommerzieller Energie wird durch die fossilen Energieträger Kohle, Öl und Gas gedeckt, bei deren Verbrennung zwangsläufig Kohlendioxid entsteht. CO2 zählt zu den Treibhausgasen und trägt nach heutigem Kenntnisstand etwa 50 % zum Treibhauseffekt bei. Aufgrund der zunehmenden Anreicherung von anthropogenen Spurengasen - vor allem CO2, CH4 (Methan), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), Ozon (O3) und N2O (Stickstoffdioxid) - in der Atmosphäre werden zukünftig Klimaveränderungen -hier insbesondere ein Anstieg der globalen Erdmitteltemperatur- erwartet, die katastrophale Folgen für das globale Klima haben könnten. Daher leisten alle Einsparungen von Primärenergie (Emissionsreduzierung) den größten Beitrag zur Lösung des globalen CO2-Problems.

Es wird unterschieden zwischen:

Nutzenergie

Energie in der vom Endverbraucher Form, z.B. Wärme zur Heizung, Licht zur Beleuchtung, Kraft zum Antrieb von Maschinen und Fahrzeugen.

Endenergie

Energie in der Form, wie sie dem Endverbraucher zugeführt wird, z.B. Strom, Fernwärme, Erdgas, Heizöl, Kraftstoffe, feste Stoffe, etc.

Primärenergie

Energie in der ursprünglichen, technisch noch nicht aufbereiteten Form, z.B. Kohle, Rohöl, Uran, die Solarstrahlung.

Solartechnik

Einleitung

Der Fixstern Sonne gibt ununterbrochen eine unvorstellbar große Leistung in Form von elektromagnetischer Strahlung an den ihn umgebenden Weltraum ab. In jeder Sekunde verschmelzen im Innern der Sonne ca. 600 Mio. t Wasserstoff durch Kernfusion zu Helium und erzeugen dabei auf der Sonnenoberfläche eine Strahlungsleistung von 63000 kW/m² (63 MJ/s/m²). Im Abstand von 150 Millionen km, wo die Erde ihre Bahn um die Sonne zieht, beträgt die Leistung dieser Strahlung noch 1400 W/m². Dieser Wert wird als Solarkonstante bezeichnet. An einem klaren Tag treffen ca. 1000 W/m² Sonnenenergie auf die wolkenfreie Erdoberfläche. Die Sonneneinstrahlung ist -bedingt vor allem durch Wolken und die Neigung der Strahlen zur Erdachse- regional unterschiedlich. In der Bundesrepublik Deutschland treffen jährlich etwa 900 bis 1100 kWh Sonnenenergie auf einen Quadratmeter, in den Mittelmeerländern sind es etwa 1700 und in der Sahara sogar 2200 Kilowattstunden.

Die Gesamtmenge der auf die Erde eingestrahlten Sonnenenergie ist mehr als 10000 mal größer als der derzeitige gesamte Weltenergieverbrauch, der 1988 bei 90 Billionen kWh (1989= 12 Mrd. t SKE) und für die Bundesrepublik 1990 = 3200 Mrd. kWh oder 390 Mio. t SKE (neue Länder 1990 = 112 Mio. t SKE), lag.

Etwa 90 % des Weltverbrauchs an kommerzieller Energie wird durch die fossilen Energieträger Kohle, Öl und Gas gedeckt, bei deren Verbrennung zwangsläufig Kohlendioxid entsteht. CO2 zählt zu den Treibhausgasen und trägt nach heutigem Kenntnisstand etwa 50 % zum Treibhauseffekt bei. Aufgrund der zunehmenden Anreicherung von anthropogenen Spurengasen - vor allem CO2, CH4 (Methan), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), Ozon (O3) und N2O (Stickstoffdioxid) - in der Atmosphäre werden zukünftig Klimaveränderungen -hier insbesondere ein Anstieg der globalen Erdmitteltemperatur- erwartet, die katastrophale Folgen für das globale Klima haben könnten. Daher leisten alle Einsparungen von Primärenergie (Emissionsreduzierung) den größten Beitrag zur Lösung des globalen CO2-Problems.

Es wird unterschieden zwischen:

Nutzenergie

Energie in der vom Endverbraucher Form, z.B. Wärme zur Heizung, Licht zur Beleuchtung, Kraft zum Antrieb von Maschinen und Fahrzeugen.

Endenergie

Energie in der Form, wie sie dem Endverbraucher zugeführt wird, z.B. Strom, Fernwärme, Erdgas, Heizöl, Kraftstoffe, feste Stoffe, etc.

Primärenergie

Energie in der ursprünglichen, technisch noch nicht aufbereiteten Form, z.B. Kohle, Rohöl, Uran, die Solarstrahlung.

Die Sonne liefert uns in 20 Minuten so viel Energie gratis, wie alle Erdbewohner zusammen in einem Jahr an Energie verbrauchen. Neben der Windenergie, der Wasserkraft usw. zählt sie zu den erneuerbaren Energien. Sie ist Energiequelle für nachfolgende Nutzungssysteme:

Passive Solarenergienutzung
Niedertemperatur-Kollektorsysteme (ca. 30 - 100 °C)
Solare Prozesswärme
Solarthermische Kraftwerke (ca. 100 - 1000 °C)
Photovoltaik-Anlagen
Passive Nutzung der Sonnenenergie > Seitenanfang

Sie wurde bereits im 5. Jahrhundert v. Chr. im nordgriechischen Olynthus praktiziert, in dem man eine Neustadt nach allen Regeln der Solararchitektur anlegte. Das heißt, es musste Energie gesammelt, gespeichert, verteilt und gleichzeitig ein Sonnenschutz erreicht werden. Die passive Nutzung der Sonnenenergie für die Wärmeversorgung von Gebäuden umfasst daher eine Vielzahl von architektonischen Konstruktionselementen. Die nach Süden weisende Fensterfläche ist die energetisch wirksamste Komponente solaren Bauens. Die Schwachpunkte sind in der Energiebilanz von Solarhäusern (Energiespar-Niedrigenergiehäuser) und bei der Wärmedämmung insgesamt bislang die Fensterflächen. So geringe Wärmeübergangszahlen wie bei Wänden mit optimaler Wärmedämmung unter 0,3 Watt pro Quadratmeter bei einem Kelvin Temperaturdifferenz (k= 0,3 W/m²K; k=0,3) lassen sich bei Fenstern nicht erreichen. Der k-Wert ist ein Maß für die Isolationsgüte. Je kleiner er ist, desto besser ist die Isolation.

In Zukunft dürfte vor allem die transparente Wärmedämmung (TWD) eine größere Bedeutung erlangen, weil sie die Energieeinstrahlung passieren lässt. In Klimazonen mit strahlungsreichen aber kalten Wintern ist die so genannte Trombe-Wand interessant, weil sie einen indirekten Gewinn an Sonnenenergie zulässt. Die Neufassung der Wärmeschutzverordnung für den Wohnungsbau 1994 soll einen gesetzlichen Rahmen für die Sonnenenergienutzung liefern und vor allem den Bau von Glasfassaden und Wärmedämmung fördern.

Solarkollektoren

Bei den Sonnenkollektoren, die man auf den Dächern der Häuser finden kann, handelt es sich meistens um flache Plattenhohlkörper oder Röhrensysteme, in denen Wasser fließt. Sie sind schwarz angestrichen, was die Aufnahme der Strahlungsenergie begünstigt. Diese Systeme sind oben mit einer oder mehreren Glasplatten und unten mit einer Wärmedämmung versehen. Das im Kollektor erwärmte Wasser fließt über einen Wärmetauscher in einen Warmwasserspeicher.

Der Einsatz von Solarkollektoren beschränkt sich in der Bundesrepublik weit gehend auf den Niedertemperaturwärmebereich, da hier die Direkteinstrahlung der Sonne für eine Nutzung im Mittel- und Hochtemperaturwärmebereich mittels konzentrierender Kollektoren zu gering ist. Die Anwendungsschwerpunkte der Kunststoff-, Flach- und Vakuumröhrenkollektoren liegen bei der Brauchwassererwärmung (66 %), Raumheizung (4 %) und der schon jetzt wirtschaftlichen Schwimmbad- und Hallenbeheizung. - Vielfach werden Sonnenkollektor und Wärmepumpe kombiniert, um höhere Temperaturen, z.B. für die Warmwasserbereitung zu erzielen. Die insgesamt in der Bundesrepublik installierte Kollektorfläche betrug 1993 knapp 400000 m², welche ungefähr 100 Mio. kWh Nutzenergie erzeugten. Die technische Leistungsfähigkeit der Anlagen konnte in den vergangenen Jahren deutlich verbessert werden. Wenn in Zukunft eine deutliche Kostenreduktion durch Großserien, einfache Montage der Kollektoren eintritt und die Energiepreise weiter steigen, dann können Sonnenkollektoren zur Brauchwassererwärmung spätestens ab der Jahrtausendwende wirtschaftlich sein.

Das ISI (Fraunhofer-Institut, Karlsruhe) und das DIW, (Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung, Köln) halten die Ausstattung von Einzelhäusern mit Sonnenkollektoren in Deutschland für unwirtschaftlich, weil die Investitionskosten für Kollektoren und Wärmespeicher, die Solarwärme für die sonnenarmen Wintermonate speichern, zu hoch sind. Das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik an der Universität Stuttgart sieht eine mögliche Lösung in zentralen Nahwärmesystemen für Siedlungen (Pilotanlage in Ravensburg).

Solare Prozesswärme

Neben der Raumwärme gibt es noch eine große Zahl anderer Einsatzbereiche von Wärme, die unter dem Stichwort "Prozesswärme" zusammengefasst werden und meist im Bereich Gewerbe und Industrie anzusiedeln ist. Die solare Wärmeerzeugung kann hier in vielfältiger Weise eingesetzt werden.

Einsatz solar erzeugter Prozesswärme im niederen und mittleren Temperaturbereich: > Seitenanfang
Trocknung landwirtschaftlicher Produkte (bereits in der BRD wirtschaftlich) 50 - 70 °C
Meerwasserentsalzung < 80 °C
Adsorptions-Kühlung < 130 °C
Solarthermische Wasserpumpen < 120 °C
Lebensmitteltechnologie 50 -150 °C
Destillation < 80 °C
Sterilisation (Heißluft) < 120 °C
Kochen < 140 °C
im hohen Temperaturbereich:
industrielle HT-Prozesswärme bis 1000 °C
Solarchemie bis 1500 °C
HT-Wärme für Materialforschung bis 3500 °C

Solarthermische Kraftwerke

Im größeren Ausmaß wird Elektrizität in solarthermischen Anlagen über den klassischen thermodynamischen Kreisprozess erzeugt. Dabei wird eine Flüssigkeit verdampft, die dann eine Turbine oder einen Motor mit Generator antreibt. Seit rund zehn Jahren sind solche Kraftwerke in Betrieb. Drei unterschiedliche Systeme sind heute von besonderem Interesse:

Das Solarfarm-Konzept arbeitet mit Parabolrinnen-Konzentratoren, die die Solarstrahlung auf eine Brennlinie fokussieren, in der das Rohr mit dem zu erhitzenden Wärmeträger angeordnet ist. Die Wärmeabgabe vieler Absorberrohre wird zusammengefasst und dem zentralen Dampferzeuger zugeführt. Solarfarmen haben sich teilweise als rentabel erwiesen. Entsprechende Demonstrationsanlagen gibt es in Italien, Portugal und Spanien. Die Plataforma Solar de Almeria (PSA) in Südspanien wird vom Spanischen Energie-Forschungsinstitut CIEMAT und der deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DFLR) betrieben. Den Betriebshaushalt teilen sich das Spanische Energie- und das Bonner Bundesforschungsministerium (BMFT). Das bisher größte Solarfarm-Kraftwerk mit inzwischen 30 Megawatt ging 1984 in der südkalifornischen Mojave-Wüste in Betrieb.

Die Firma LUZ, die 9 solarthermische Kraftwerke (350MW) betrieb, machte den Wegfall der Steuerbegünstigungen und die Verzögerung des Genehmigungsverfahrens für den Bau einer 10. Anlage für den Konkurs (1/92) verantwortlich. Eine Schlüsselrolle, um die Arbeiten nach LUZ fortzuführen, spielt die zur Flachgas AG gehörige Firma Flagsol, Köln. Nach Ansicht von Experten sind solche Anlagen zur Stromgewinnung vor allem zur Erzeugung von Prozesswärme für die Industrie bis 300 Grad Celsius und zur Meerwasserentsalzung geeignet. Neuartige Spiegelsysteme und bessere Wärmetransportmedien können die derzeit noch hohen Kosten noch weiter senken.

Das Solarturm-Konzept verwendet einen auf der Spitze eines Turmes befindlichen zentralen Empfänger (Receiver), auf den die Solarstrahlung durch zahlreiche der Sonne nachgeführte Spiegel (Heliostaten) gerichtet wird. Der Receiver absorbiert die Strahlung und gibt die Wärme auf hohem Temperaturniveau an ein flüssiges Wärmeträgermedium ab. Weltweit sind bisher 6 solcher Anlagen mit einer Leistung von 0,5 bis 10 MW betrieben worden (z.B. das mit EG-Hilfe 1982 errichtete 1-MW-Kraftwerk EURELIOS bei Adrano in Sizilien; die 10-MW-Versuchsanlage bei Barstow/ Kalifornien/USA). Allerdings wurden die meisten von ihnen inzwischen wegen Unwirtschaftlichkeit wieder stillgelegt. Die Stromerzeugungskosten sind mit über 2 DM je kWh um gut das 10-fache zu hoch. Jedoch fallen keine Folgekosten aufgrund der Umweltbelastung an.

Das Parabolschüssel-Konzept, das Mouchots großer Solarapparat bereits auf der Pariser Weltausstellung 1878 zeigte, verwendet parabolische Hohlspiegel, in deren Brennpunkt der Empfänger aufgehängt wird. Parabolschüsseln erreichen von den genannten Prinzipien die höchsten Konzentrationen, Temperaturen und Wirkungsgrade, sie werden aus technischen Gründen aber nur in kleinen Leistungseinheiten hergestellt. Heute arbeitet man bei Parabolschüssel-Anlagen selten mit flüssigem Wärmeträger, sondern fokussiert das Licht auf den Kopf eines so genannten Stirling-Motors, einer Wärmekraftmaschine, die Wärme direkt in mechanische Energie umsetzt. Auch der Einsatz kleiner Gasturbinen ist möglich. Für Experimente werden diese Anlagen weiterhin bei der Plataforma Solar in Almeria genutzt.

Neben den drei genannten Techniken ist noch eine vierte getestet worden, dass "Aufwindkraftwerk", das man auch der Windtechnik zuordnen könnte. In Manzanares, ebenfalls in Spanien, wurde die einzige Anlage dieser Art mit Mitteln des BMFT errichtet. Die in der Testanlage erzeugte Leistung betrug etwa 50 kW. Ob derartige Anlagen künftig realisiert werden, ist z.Zt. nicht abzusehen.

Künftige Leistungsbereiche und Systemdaten der solarthermischen Stromerzeugung: > Seitenanfang
Leistung in MW Temperatur in °C Konzentrationsfaktor
Parabolrinnen 30-400 200-500 60-90
Solarturm und Heliostatenfeld 30-200 500-1000 500-1200
Parabolschüsseln (Stirling) 0,02-0,05 600-1200 1500-4000

Ein viel versprechendes Hochtemperatur-Energiespeicherungs-System, neben den solarchemischen Salzen, könnte der Magnesiumhydrid-Speicher sein. Das durch einen Parabolspiegel gebündelte Sonnenlicht heizt das Magnesiumhydrid auf rund 450 °C auf. Dadurch wird Wasserstoff (H2) vom Magnesium abgespalten und strömt in einen Zwischenspeicher (Tank). Gleichzeitig treibt die Wärme z.B. einen Stirlingmotor und Stromgenerator an. Scheint die Sonne nicht, so strömt das H2 zurück, verbindet sich mit dem Magnesium unter Hitzeabgabe wieder zu Magnensiumhydrid und gibt dabei die gespeicherte Energie frei. Der Magnesiumhydrid-Speicher lässt eine sehr effiziente und kostengünstige Speicherung von thermischer Energie im Temperaturbereich von 300-400 °C erwarten.

Photovoltaik

Unter Photovoltaik (PV) versteht man die Technik der direkten Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Als Energiewandler werden Solarzellen verwendet, großflächige Dioden aus Halbleitermaterial. Wird Licht im Halbleitermaterial absorbiert, so entsteht an den metallischen Kontakten der Diode eine Spannung. Schließt man einen Verbraucher an, fließt Strom. Die absorbierte Lichtenergie ist in elektrische Energie umgewandelt worden. Das Verhältnis von erzeugter elektrischer Energie zu eingestrahlter Lichtenergie nennt man den Wirkungsgrad der Solarzelle.

Die nachfolgenden Daten zeigen die Entwicklung der Solarzelle auf:

1839 Becquerel entdeckt den photovoltaischen Effekt
1954 Erste Silicium-Solarzelle in den Bell Laboratories
1958 Erster Satellit mit Solarzellen zur Stromversorgung
1966 CdS/Cu2O-Dünnschichtzelle
1974 Erste amorphe Si-Zelle
1983 Erstes Photovoltaik-Kraftwerk mit einer Leistung von über 1 MW
1985 Erste Silicium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad über 20 %
1989 Erste Tandemzelle mit einem Wirkungsgrad von über 30 % unter konzentriertem Licht

Halbleitermaterialien für die bis zu 100 cm² großen Solarzellen sind heute das marktbeherrschende Silicium (Si) und das Galliumarsenid (GaAS), neuerdings aber auch die etwas ungewöhnlicheren Halbleitermaterialien Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2, "CIS"). Solarzellenmaterialien aus Silicium sind:

monokristallin: aus einkristalliner gesägter Scheibe (schwarz)
multikristallin: aus grobkörnig erstarrtem Si-Block gesägte Scheibe (blauschimmernd)
amorph: aus der Gasphase auf einen Träger abgeschiedene dünne Schicht
Kristalline Si-Solarzellen sind 0,3-0,5 mm dick. Bei amorphen Silicium, dessen Wirkungsgrad durch Sonneneinstrahlung mit der Zeit schlechter wird, ist eine Schicht von weniger als einem Tausendstel Millimeter für Solarzellen ausreichend, also rd. 500 mal dünner als kristalline Zellen. Solche Dünnschicht-Zellen sparen sehr viel Halbleitermaterial ein. Sie werden auf eine Trägerplatte (Substrat) in beliebiger Form großflächig aufgebracht. Durch Aufdampfen strukturierter Metallkontakte werden die Zellen schon bei der Aufbringung verschaltet (Integration). Dünnschichtsolarzellen können auch aus Verbindungshalbleitern hergestellt werden. Die bekanntesten Beispiele sind GaAs, CdTe und neuerdings CuInSe2 (CIS). Die CIS-Zelle weist alle Vorteile einer Dünnschichtzelle auf, ohne dass wie beim amorphen Silicium Degradationsprozesse auftreten. Die höchsten Wirkungsgrade von über 30 % lassen sich heute durch die so genannten Tandem-Solarzellen erreichen, allerdings bisher nur im Labor.

Wirkungsgrade von Solarzellen > Seitenanfang
Typ Laboratorium Produktion
cm² n % cm² n %
Silicium mono 4,00 23,3 100 15-17,5
multi 4,00 17,8 100 12-14
amorph 1,00 11,5 1000 5-8
GaAs 0,25 25,7 4 17
CdTe 1,00 10,9 - -
CuInSe2 3,50 14,1 - -
GaAs/GaSb (Tandem, Konz.) 0,05 37,0 - -

Gute Aussichten auf hohe Wirkungsgrade bei geringen Produktionskosten bietet die von Rudolf Hezel an der Universität Erlangen entwickelte und von der Firma NUKEM bis zur Fertigungsreife gebrachte MIS-Inversionsschicht-Zelle [Metall-Isolator-Silicium]. Dabei wird die Grenzschicht zur Trennung der elektrischen Ladungsträger nicht wie üblich durch Diffusion geeigneter Fremdatome ins Silicium (Dotieren) erzeugt, sondern durch Beschichtung der Oberseite der Zelle mit Siliciumnitrit und -oxid, wodurch darunter eine so genannte Inversionsschicht gebildet wird. Während das Dotieren Temperaturen von über 850 °C erfordert, reichen für die Beschichtung 500 °C aus. Das wirkt sich günstig auf die Kristallstruktur der Zelle aus und verringert die Produktionskosten, weil im Unterschied zur bisherigen Silicium-pn-Technologie mit 16 Arbeitsschritten nur noch 6 notwendig sind (Herstellung des elektrischen Feldes am pn-Übergang entfällt).

Die US-Firmen Texas Instruments und Southern California Edison, einer der großen amerikanischen Stromversorger, arbeiten seit 1985 an einer Technik, die Strom aus Photovoltaikanlagen zu konkurrenzfähigen Preisen ermöglichen soll. Neuartige Solarzellen werden auf der Basis von billigem metallurgisch reinem Silicium statt des hochreinen Halbleiter -Siliciums hergestellt, das -zu winzigen Kugeln verarbeitet- auf eine perforierte Aluminiumfolie aufgetragen und mit einer zweiten Folie abgedeckt wird. Eine Zelle (Spheral-Zelle) von 30 x 30 cm Größe erzeugt etwa 10 Watt. Mit umgerechnet ca. 100 W/m² kommt die neue Technik auf einen Wirkungsgrad (n) von 10 %. Der Produktionsprozess soll denkbar einfach sein, sodass die Kilowattstunde Strom nach diesem Verfahren nur noch 20 bis 30 Pfennig kostet. Heute wird noch mit etwa dem 10-fachen Preis für eine Kilowattstunde photovoltaisch erzeugten Stroms gerechnet. Erst der praktische Einsatz wird zeigen, ob die Erwartungen der Wissenschaftler und Techniker in Erfüllung gehen.

Weitere Sonderentwicklungen sind die photoelektrochemische Zelle (Grätzel-Zelle, n = 12 %). Sie wird als Alternative zur konventionellen Halbleiterzelle intensiv diskutiert und von mehreren Firmen gefertigt (Schweiz) und die chinesische JNLD-Zelle (Silicium-Zelle mit hohem Wirkungsgrad aufgrund eines neuen Designs. JNLD = Junction Near Local Defect Layer).

Um größere Leistungen bereitzustellen, werden mehrere Solarzellen in Modulen zusammengefasst. Die so genannte Schindeltechnik, bei der die Zellen wie Dachschindeln an den Kanten lückenlos übereinander gelegt werden, führt zu einem bisher unerreichten Modulwirkungsgrad. Durch geeignete Parallel- und Serienschaltung der miteinander verlöteten Einzelzellen lassen sich die gewünschten Ströme und Spannungen erzielen. Durch Wechselrichter kann der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Durch Zusammenschalten mehrerer Module lassen sich Photovoltaik-Anlagen für vielseitige Anwendungen und in unterschiedlichen Größen aufbauen. Kleine Stromversorgungen haben für bestimmte Anwendungen (Taschenrechner, Uhren) einen ansehnlichen Marktanteil erreicht. Die photovoltaischen autonomen Stromversorgungen netzferner kommerzieller Anlagen der Signaltechnik, der Telekommunikation, der Wasseraufbereitung und -versorgung, der Bewässerung, der Kühleinrichtungen und der dezentralen Dörfer haben in südlichen Ländern mit wenig entwickelter Infrastruktur weite Verbreitung gefunden und bieten der Industrie einen stetig zunehmenden Markt.

In der Bundesrepublik sind die Einsatzmöglichkeiten für autonome Stromversorgungen begrenzt, da das gesamte Gebiet weitgehend durch das öffentliche Netz erschlossen ist. Bei Kleinverbrauchern, die in entfernten und schwer zugänglichen Orten, etwa Telekommunikationseinrichtungen, Messstationen, Bauernhöfen, wohnen, spielt der Kilowattstundenpreis keine oder nur eine untergeordnete Rolle. Netzparallel betriebene Photovoltaikanlagen haben dagegen ein großes technisches Einsatzpotenzial. Viele Dachflächen wären z.B. sehr gut zur Aufstellung von Solarmodulen geeignet. Das Anwendungspotenzial von Photovoltaik wird noch weit größer, wenn man auch andere Flächen zur Aufstellung berücksichtigt, etwa Außenfassaden von Bürogebäuden, Schallschutzwände an Straßen und Bahnstrecken, wie es in der Schweiz demonstriert wird, oder freies Gelände (Ödland).

Photovoltaische Systeme liefern in unseren Breiten und bei heutigen Produktionskosten für die Komponenten Strom zu Preisen von 10,- DM/kWh (Kleinsysteme) bis hinunter zu 1,60 kWh (netzgekoppelte Großanlagen). 1 m² Solarzellenmodul kostet etwa 1000 bis 2000 DM, bei einer Lebensdauer von ca. 20 Jahren bedeutet dieser Anschaffungspreis einen Kostenfaktor von bis zu 1,- DM pro erzeugter kWh. Mit Nebenkosten für Bau und Wartung der Solaranlage ergeben sich bis zu 2,- DM pro kWh. Die Photovoltaik kann in unseren Breiten noch nicht mit dem Strom aus Großkraftwerken (z.B. Atomstrompreis 1993 = 0,10 DM/kWh) konkurrieren. Die Investitionskosten für PV-Systeme von derzeit (1996) etwa 27500 DM für 2-kW-Leistung (damit können etwa 2000 kWh pro Jahr erzeugt werden), müssten um etwa 2/5 reduziert werden, um im Vergleich zum heutigen Energiepreisniveau akzeptable Stromkosten von unter 0,50 DM/kWh zu erreichen. Somit sind die netzverbundenen Anlagen noch um etwa den Faktor 5 zu teuer. Für die Zukunft ist aber mit weiteren starken Kostenreduktionen zu rechnen. Beispielsweise will die Siemens Solar, die durch die Übernahme von Arco Solar der weltgrößte Hersteller von Solarzellen geworden ist (Weltproduktion 1992 = 54 MW) und überwiegend monokristalline Zellen herstellt, ab Mitte (wahrscheinlicher Ende) der 90er Jahre im großen Stil auch die Produktion von kostengünstigen Dünnschichtmodulen (zuerst mit amorphen Silicium beschichtet, später gegen z.B. wirkungsvollere GaAs-Schichten ausgetauscht) aufnehmen. Daher könnten bei netzgekoppelten Systemen die Stromerzeugungskosten bis 2010 auf eine Größenordnung von 30 bis 60 Pf/kWh sinken.

Im Zeitraum von 1990 bis 1994 wurden etwa 2250 Photovoltaikanlagen im Rahmen des deutschen "1000-Dächer-Photovoltaik-Programms" gefördert. Durch dieses Programm wurden netzgekoppelte Anlagen mit einer Leistung von 1 bis 5 kW mit in der Regel 70 v.H. der zuschussfähigen Anlagekosten begünstigt. Das bedeutete einen maximalen Zuschuss von 18900 DM pro kW installierter Leistung. - Das BMFT übernahm z.B. in den alten Ländern 50 % (neue Länder: 60 %), das Bundesland weitere 20 % (neue Länder: 15 %) der Technik- und Installationskosten. Bei Inanspruchnahme des "1000-Dächer-Programms" lassen sich für den privaten Betreiber einer 2-kW-Anlage Stromerzeugungskosten von rund 0,50 DM/kWh erreichen. Für die Einspeisung ins öffentliche Netz erhielt der Erzeuger 1995 rd. 16,5 Pf/kWh. Über die jeweils aktuellen Förderprogramme informiert u.a. das BMFT (Adresse am Ende des Artikels).

Die Stadt Saarbrücken war in Sachen photovoltaische Stromerzeugung Vorreiter in der Bundesrepublik (zinsloses Finanzierungsprogramm für Solartechnik, Zinsverbilligungen für Privatinvestitionen in energiesparende Maßnahmen). Aachen hat 1993 eine kostendeckende Vergütung für privat erzeugten Solar- (2,00 DM/kWh) und Windstrom (30 bis 40 Pf/kWh) beschlossen. Andere Städte haben sind mittlerweile gefolgt. Bei noch weiterer Kostenreduktion und Fortbestehen ähnlich dimensionierter Programme z.B. REN-Programm in NRW, wäre unter günstigen Voraussetzungen mit einer Verminderung auf knapp 0,20 DM/kWh im Jahre 2000 und auf etwa 0,12 DM/kWh im Jahre 2010 zu rechnen.

Ende 1995 waren PV-Anlagen mit einer Gesamtleistung von über 6 MW in Deutschland installiert (Anteil des "1000-Dächer-Programms": 1,1 MW). Das BMFT förderte z.B. 1992/93 5 Pilotkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 1,7 MW [Kobern-Gondorf, Neurather See, Neunburg v. Wald, Insel Pellworm und Fehmarn]. Technisch wäre in Deutschland laut BMFT die Erzeugung von rund 20 Mrd. kWh (rd. 5 % des westdeutschen Stromverbrauchs) möglich. Die direkte Umwandlung von Solarstrom in Strom ist wegen der hohen Erzeugerkosten von 0,5 bis 2 DM/kWh noch nicht wirtschaftlich (wegen der Investitionskosten, der geringen Sonneneinstrahlung usw.). Aus diesem Grunde rechnet das DIW nicht mit einer Zunahme von photovoltaischer Stromerzeugung bis zum Jahr 2005, womit die nicht ganz unproblematischen fossilen und kerntechnischen Brennstoffe, deren Vorrat endlich (Erdöl, Erdgas: 40-60 Jahre, Kohle: ca. 240 Jahre) ist, vorerst nicht substituiert werden. Zudem ist die großflächige Nutzung von Photovoltaik wegen der geringen Speicherfähigkeit von Elektrizität problematisch. Im Winter und nachts kann nur wenig bzw. keine Energie gewonnen werden.

Solar-Wasserstoff-Kreislauf

Das Speicher-Problem könnte u.a. mit Hilfe des Sekundärträgers Wasserstoff H2 gelöst werden. H2 könnte in Gebieten mit hoher, dauerhafter Sonneneinstrahlung (Sahara) mit Solarstrom aus Wasser produziert, in sonnenärmere Industrieländer transportiert und als umweltfreundlicher Brennstoff genutzt werden. H2 ist ein sehr universeller Brennstoff, der in der Flamme oder flammenlos katalytisch verbrannt werden kann. Er kann Motoren oder Gasturbinen zur Stromerzeugung antreiben, aber auch Motoren von Straßenfahrzeugen. In der Brennstoffzelle wird die chemische Energie des Wasserstoffs auf elektrochemischem Wege in Elektrizität umgewandelt.

Neben der bereits bestehenden Pilotanlage in Neunburg vorm Wald, in der Strom aus Wasserstoff zum Preis von 1,50 DM/ kWh gewonnen wird, soll Hamburg Standort für ein europäisches Pilotprojekt werden (Kosten rd. 1 Mrd. DM), in dessen Rahmen in Kanada mittels Wasserkraft produzierter Wasserstoff nach Europa transportiert wird. Langfristig könnte Wasserstoff ein wichtiger Energieträger werden. Um Wasserstoff in den infrage kommenden Ländern produzieren zu lassen, müssten dort stabile politische Verhältnisse vorherrschen. Ebenso müsste für eine solare Wasserstoff-Wirtschaft von der Erzeugung, Speicherung, Transport, Verteilung bis hin zum Verbrauch, erst eine Infrastruktur geschaffen werden und zudem sind die technischen Probleme noch nicht ausreichend gelöst.

Die Leistungsdichte der Sonnenstrahlung im erdnahen Weltraum beträgt 1400 W/m2 (Solarkonstante). Deshalb ist zeitweilig daran gedacht worden, auf einer geostationären Umlaufbahn (35800 km) Solarzellensatelliten zur Energieerzeugung zu stationieren. Der Transport der erzeugten elektrischen Energie könnte nach entsprechender Umwandlung mit einem Mikrowellenstrahl erfolgen, der auf der Erde von einer Spezialantenne (Rectenna) aufgefangen und in Gleichstrom zurückverwandelt würde. - Eine andere Technik ist die eines orbitalen Spiegels, der die Sonnenstrahlen zu einer auf dem Boden befindlichen Kraftstation lenkt. Da die Sonne eine geometrische Ausdehnung hat, wird der reflektierte Sonnenfleck auf der Erde zu einem Sonnenfleck von 330 km Durchmesser. Der dazu nötige Spiegel müsste etwas größer, ca. 370 km sein! Außerdem müsste aufgrund des Photonendrucks der Sonne auf den Spiegel Bahnkorrekturen mittels eines Steuerungssystems vorgenommen werden. Technologisch wäre das alles ein enormer Aufwand, der wirtschaftlich nicht zu realisieren ist, sodass bis heute keine Erfahrungen vorliegen.

Fazit

Die Solarenergie wird kurzfristig überschätzt und langfristig unterschätzt. Sie kann auch im Verbund mit den anderen erneuerbaren Energien die fossilen Energieträger und die Kernkraft (vorerst) nicht ersetzen, sondern nur ergänzen. Das CO2-Problem kann für die Solarenergie zum Auslöser einer beschleunigten Entwicklung werden, sodass in nicht allzuferner Zukunft z.B. die immer noch schädlichen fossilen Energieträger wenigstens z.T. substituiert werden können. Zwischenzeitlich ist es Aufgabe der Umwelt- und Energiepolitik, dafür Sorge zu tragen, dass es:

zu spürbaren Energieeinsparungen
zu wesentlichen CO2-Reduktionen
zu energiewirtschaftlichen Marktchancen für erneuerbare Energien kommt.

[ 14. November 2001: Beitrag editiert von: Siggi ]</p>

Wir haben auf Arbeit grad mit Solar zu tun deswegen bin ich bisschen auffen Stand.

Siggi, dein langer Beitrag hat' mich grad vom Stuhl gehauen! :eek: :eek: :eek: