Photovoltaik wandelt Sonnenstrahlung in elektrische Energie um In

Photovoltaik wandelt Sonnenstrahlung in elektrische Energie um
In Gebieten mit ergiebiger Sonneneinstrahlung ist die direkte Umwandlung solarer
Strahlungsenergie in elektrische Energie besonders effizient
Von Prof. Dr. Mintken
Strahlungsenergie der Sonne lässt sich mit Hilfe von Solarzellen in elektrische Energie
umwandeln, die angewandte Technologie wird als Photovoltaik (PV) bezeichnet. PV-Anlagen
werden überwiegend als Kleinanlagen auf oder an Gebäuden errichtet, daneben werden auch
größere Anlagen auf freiem Feld als Solarparks aufgestellt. Insgesamt beträgt die in
Deutschland installierte Kapazität an PV-Anlagen mehr als 25000 Megawatt (MW), das sind
rechnerisch mehr als 14 % der in Deutschland aktuell vorhandenen Kapazität zur
Bereitstellung elektrischer Energie. Dabei handelt es sich allerdings um die Spitzenleistung
unter Testbedingungen, die auch als Peak-Leistung bezeichnet wird. Zu dem gesamten
Volumen des tatsächlichen jährlichen Bedarfs an elektrischer Energie tragen die PV-Anlagen
in Deutschland jedoch nur gut 4 % bei. Ursachen dafür sind die realen Einsatzbedingungen,
die zu einer gegenüber den Testbedingungen erheblich niedrigeren Leistung führen. Hinzu
kommt die mit rund 1500 Stunden nur geringe jährliche Dauer der in Deutschland sichtbaren
Sonneneinstrahlung, deren Einstrahlwinkel im Tagesverlauf variiert, wodurch der Ertrag der
PV-Anlage begrenzt wird. Insgesamt ergibt eine als PV-Anlage installierte Spitzenleistung
von 1 kW je nach den örtlichen Bedingungen in Deutschland im Jahr derzeit lediglich etwa
1,1 MWh.
Elektrische Energie aus solarer Strahlungsenergie ist nach dem Gesetz über erneuerbare
Energien (EEG) von den Betreibern von Energienetzen abzunehmen und mit gesetzlich
vorgegebenen Preisen zu vergüten. Die dadurch entstehenden Kosten fließen in die
Kalkulation der Netzbetreiber und Versorger ein und werden an deren Kunden weitergegeben.
Die Betreiber der PV-Anlage leisten keinen Beitrag zu den Kosten des Netzbetriebs. Die
elektrische Leistung der kleinen PV-Anlagen beträgt nur wenige Kilowatt (kW), bei der
Anlage auf dem Dach eines Einfamilienhauses etwa 5 kW. Solarparks erreichen dagegen
Leistungen von mehr als 100 MW, sie werden häufig als Projekte von
Investorengemeinschaften betrieben. Die Errichtung von PV-Anlagen ist in Deutschland
genehmigungspflichtig.
Solarzellen liefern Gleichspannung
Zur Umwandlung der solaren Strahlungsenergie in elektrische Energie werden Solarzellen
benötigt. Solarzellen bestehen im Wesentlichen aus einem besonders reinen
Halbleitermaterial, meistens Silizium, das in geringem Umfang mit anderen Stoffen
angereichert wird. Dieser Vorgang des Anreicherns wird als Dotierung bezeichnet. Zur
Spannungserzeugung werden zwei unterschiedlich dotierte Schichten benötigt. Die
Strahlungsenergie führt zu einer elektrischen Spannung zwischen diesen Schichten. Eine
einzelne Solarzelle aus Silizium liefert eine Spannung von höchstens etwa 0,6 Volt (V), der
Wirkungsgrad einer Solarzelle liegt praktisch bei etwa 14 %. Mehrere Solarzellen werden für
die praktische Anwendung in Reihe geschaltet und zu einem Modul zusammengefasst,
wodurch sich die verfügbare Spannung addiert. Ein handelsübliches Modul umfasst 6 Reihen
mit jeweils 10 bis 16 Zellen, die elektrische Peak-Leistung eines solchen Moduls liegt je nach
Ausführung bei etwa 0,2 kW.
Von den Solarzellen wird Gleichspannung erzeugt, in das öffentliche Energienetz kann jedoch
nur Wechselspannung eingespeist werden. Die Umwandlung der Gleichspannung in
Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz wird durch Wechselrichter vorgenommen.
Aus Kleinanlagen kann einphasig mit 230 V / 50 Hz in das öffentliche Energieverteilnetz
eingespeist werden, bei größeren Anlagen ist eine dreiphasige Einspeisung mit 400 V / 50 Hz
erforderlich. Aus Solarparks wird nach den Vorgaben des Netzbetreibers in eine höhere
Spannungsebene eingespeist, meistens 20 kV.
Solare Strahlungsenergie zum Betrieb solarthermischen Energieanlagen
Alternativ zum PV-Verfahren lässt sich die Sonneneinstrahlung auch in Wärme umwandeln,
mit der Dampf erzeugt wird, der über eine Dampfturbine einen Generator zur
Spannungserzeugung antreibt. Dieses Verfahren wird Solarthermie oder CSP-Verfahren
genannt. CSP steht für Concentrated Solar Power. Wärme wird durch Bündelung der
Strahlung gewonnen, indem die gebündelte Strahlung in Parabolrinnen auf Rohre mit
Thermo-Öl gerichtet wird, wodurch sich das Thermo-Öl erhitzt. Alternativ kann die Strahlung
auf einen Solarturm gespiegelt werden, in dem die Umwandlung in Wärme erfolgt. Über
Wärmetauscher kann die Wärme weitergegeben werden, Speicherung der Wärme für den
Betrieb des Generators in den strahlungsarmen Nachtstunden ist möglich und wird durch
Aufheizen von flüssigem Salz realisiert. Die Spiegel zum Auffangen der Sonneneinstrahlung
werden der Strahlung nachgeführt, um eine optimale Ausbeute zu erreichen. Derartige
Solaranlagen sind bereits in Spanien und anderen südlichen Staaten in Betrieb. Eine noch
größere Anlage wird derzeit im Königreich Marokko gebaut, es soll sich dabei zugleich auch
um ein Referenzobjekt für das ehrgeizige Projekt Desertec handeln, mit dem die
Energieversorgung in Nordafrika verbessert und auf mittlere Sicht der Energieexport nach
Europa vorbereitet werden soll. Dadurch könnten sich nach einer Stabilisierung in dieser
Region neue Chancen für Nordafrika im Rahmen der Mittelmeerunion eröffnen.
Literatur- und Quellenhinweise
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie: Energie in Deutschland. Berlin 2013
Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz - EEG)
www.profdrmintken.de
Autor:
Prof. Dr. Karl-Heinz Mintken VDI
Dipl.-Ing. Dipl.-Päd.
Freier Wissenschaftler
Cloppenburger Str. 458
26133 Oldenburg