Regenerative Zukunft

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Photovoltaik

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... bezeichnet die direkte Stromgewinnung aus Sonnenenergie. Hierbei muss zwischen Photovoltaik, bei der in Solarzellen das Sonnenlicht absorbiert wird und direkt in Strom umgewandelt wird, und Solarthermie, bei der das Sonnenlicht erst Flüssigkeiten erwärmt und anschließend die Wärme zur Stromerzeugung genutzt wird, unterschieden werden. Oft wird hier nicht genug differenziert und beispielsweise der allgemeine Begriff Solaranlage verwendet, dies kann jedoch sowohl eine Photovoltaikanlage als auch eine Solarthermieanlage sein. Im Folgenden wird die Verwendung und Entwicklung, die technischen Details, die Wirtschaftlichkeit und die Umwelteinflüsse der Photovoltaik ausführlich diskutiert.

 

Verwendung und Entwicklung

Der Begriff Photovoltaik (geläufige Abkürzung PV) steht für die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels so genannter Photovoltaikmodule. Die Stromerzeugung daraus ist stark von der Intensität des eingestrahlten Sonnenlichts abhängig, der so genannten Globalstrahlung. In Abbildung 1 ist diese für Europa dargestellt unter der Annahme, dass die PV-Module perfekt ausgerichtet sind. Hieraus geht hervor, dass im Süden Spaniens mit über 2100 kWh (Kilowattstunden) pro Quadratmeter nahezu doppelt so viel Energie auf die PV-Modulfläche einfällt wie in Deutschland mit circa 1100 kWh pro Quadratmeter. Somit kann in Spanien mit einem Photovoltaikmodul pro Jahr doppelt so viel Strom gewonnen werden wie in Deutschland. Die Errichtung von PV-Anlagen in Nähe des Äquators ist daher generell zu bevorzugen. Ein wichtiger Standortfaktor ist neben der Lage zum Äquator das Klima der Region. So sind Wüsten mit sehr seltener Bewölkung des Himmels ideal für die Gewinnung von Strom aus Photovoltaik, was auch in dieser Abbildung ist. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die optimale Ausrichtung des PV-Moduls. So sollten PV-Anlagen im Idealfall perfekt nach Süden ausgerichtet sein und je nach geographischer Breite unter entsprechendem Winkel bezüglich des Zenits montiert werden. Abbildung 2 zeigt die Verteilung der Globalstrahlung in Deutschland für den Fall flach liegender, nicht ausgerichteter PV-Module und perfekt nach Süden mit optimalen Winkel fest montierte PV-Module. Der Unterschied ist doch beträchtlich, so beträgt die Jahressumme an Solarstrahlung auf einen Quadratmeter PV-Modulfläche in Berlin mit optimaler Ausrichtung über 1200 kWh im Vergleich zu einem flach liegenden Modul mit unter 1000 kWh, d.h. über 20% mehr. Ideal ist natürlich eine Nachführung der PV-Module entsprechend dem aktuellen Sonnenstand (von Ost nach West und im Winkel zum Zenit), was aber aus praktischen Gründen selten durchgeführt wird. Detaillierte Solarstrahlungskarten für europäische Länder finden Sie hier und Solarstrahlungskarten von Deutschland für die einzelnen Monate hier.

 

All diese Effekte führen dazu, dass die Photovoltaik in Deutschland nur ein Arbeitsvermögen/-fähigkeit von circa 10% aufweist. Das bedeutet, dass eine Photovoltaikanlage mit den Kenndaten von 1000 Wattpeak (kWP) unter Standardtestbedingungen (1000 W/m², AM 1.5 Spektrum, 25°C Modultemperatur) in Realität in Deutschland im Jahr gemittelt nur 10% dieser nominellen Leistung liefert, natürlich mit Schwankungen von null bis nahezu 1000 Watt. Das heißt die PV-Anlage produziert so viel Strom wie ein 100 Watt Generator, der dauerhaft Strom produzieren würde.

Ein großer Vorteil von Photovoltaikanlagen im Vergleich zu konzentrierter Solarthermie (CSP) ist, dass die Photovoltaik auch diffuses Licht effizent in Strom umwandeln kann. Diffuses Licht ist der Anteil an direkter Sonnenstrahlung der durch Wolken und Partikel in der Atmosphäre gestreut wird und somit auf indirektem Weg auf das PV-Modul trifft. CSP hingegen kann durch Nutzung fokussierender Spiegel nur die direkte Sonnenstrahlung in nutzen und ist somit in Gebieten mit hohem Bewölkungsanteil wie Deutschland ungeeignet. In Deutschland beträgt der Anteil der diffusen Strahlung an der Gesamtstrahlung 60%. Somit sind nur 40% der Stromgewinnung von PV-Anlagen aus direkter Sonnenstrahlung. Weitere Einflüsse wie Verschattung der PV-Module, Schneelast und vieles mehr finden Sie auf hier.

 

 

Aufgrund all dieser genannten Einflüsse ist die Photovoltaik wie auch Wind und Solarthermie eine fluktuierende Energiequelle. Die Fluktuationen sind aufgrund des unterschiedlichen Sonnenstandes sowohl jahreszeitlich, was hier gezeigt wird, als auch von der Tageszeit und der Bewölkung abhängig. Somit müssen Zeiten geringer Sonneneinstrahlung entweder durch andere Energieerzeuger wie Wind, Wasserkraft, Gaskraftwerke oder Biomasse ersetzt werden oder aus Energiespeichern zur Verfügung gestellt werden. Ein günstiger Fakt ist, dass Wind und Photovoltaik teilweise komplementär Strom erzeugen, das heißt sie ergänzen sich gut, da meist in Zeiten hoher Sonneneinstrahlung schwächerer Wind weht und bei starker Bewölkung und atmosphärischen Instabilitäten stärkerer Wind. Diese teilweise Ergänzung von PV und Wind gilt auch jahreszeitlich. Im Winter ist die Ausbeute aus Windkraftanlagen größer als im Sommer im Kontrast zur Photovoltaik. Da PV-Anlagen vor allem Tag den meisten Strom erzeugen, können sie als Spitzenlastkraftwerk gesehen werden. Das bedeutet, dass PV-Module vor allem dann Strom erzeugen, wenn der Verbrauch sehr hoch ist, was im Generellen vor allem um die Mittagszeit der Fall ist [1].

 

 

Wie alle erneuerbaren Energien wird auch die Photovoltaik vor allem in den letzten Jahren stark ausgebaut. In Abbildung 3 ist die zeitliche Entwicklung der weltweit installierten Photovoltaikleistung dargestellt. Sie folgt beinahe einem exponentiellen Verlauf und weist vor allem seit dem Jahr 2007 enorm hohe Wachstumsraten auf. Der Anteil Deutschlands an der weltweit installierten PV-Leistung ist mit über 40% unverhältnismäßig hoch, was an den finanziellen Förderungen der PV-Anlagen liegt. Wie schon im obigen Abschnitt diskutiert ist jedoch die Errichtung von PV-Anlagen in südlichen Regionen Europas bzw. global gesehen in den Wüsten wesentlich sinnvoller, so dass zu erwarten ist, dass der Anteil dort zunehmen wird. In Abbildung 4 sind die jährlich in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen und die installierte Gesamtkapazität dargestellt. Im Annual Report der IEA-PVPS wird die Entwicklung der Photovoltaik für die einzelnen Staaten der Erde ausführlich diskutiert.

 

 

 

Technik und Solarzellenarten

In Solarzellen, die aus physikalischer Sicht Halbleiterbauelemente darstellen, wird das Licht der Sonne absorbiert und über den photoelektrischen Effekt positive und negative Ladungsträger gebildet. Diese werden über Elektroden aus der Absorptionsschicht der Solarzelle extrahiert, so dass sich ein Stromfluss bildet wenn die Solarzelle kurz geschlossen bzw. ein Verbraucher angeschlossen wird. Die Leistung (vor allem der Stromfluss) einer Solarzelle ist daher stark von der Beleuchtungsstärke, d.h. von der Sonneneinstrahlung abhängig. Eine sehr gute und anschauliche Erklärung der physikalischen Grundlagen und die Erklärung der wichtigsten Kenndaten von Solarzellen wie Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, Maximum Powerpoint und Wattpeak finden Sie hier. Die Nennleistung von PV-Modulen wird in Wattpeak (WP) angegeben und stellt die Leistung dar, die unter Standardtestbedingungen von 1000 W/m² senkrechter Sonneneinstrahlung (senkrecht) bei 25 °C Zelltemperatur erreicht wird. Übliche Nennleistungen von PV-Modulen liegen in der Größenordnung von 10 bis 100 WP. Diese PV-Module werden wiederum zu PV-Anlagen verschaltet. Handelsübliche Solarzellen altern nur sehr langsam und relativ schwach. So wird von Herstellern von PV-Modulen üblicherweise garantiert, dass diese nach 25 Jahren noch mindestens 80 % der Anfangsleistung erbringen. Genauere Informationen zur Alterung von Solarzellen finden sie hier.

Siliziumsolarzellen sind mit circa 95% der momentan verbreitetste Typ zur Gewinnung von Strom aus Photovoltaik. Silizium ist das zweit häufigste Element auf der Erde und Hauptbestandteil von Sand und somit in ausreichender Menge vorhanden. Die Zellen sind circa 10 mal 10 cm bis hin zu 15 mal 15 cm groß und werden in den PV-Modulen in Reihe geschalten, wodurch sie deren Spannung von je 0,5V pro Solarzelle addiert (während der Strom gleich bleibt). Auf den Solarzellen ist eine transparente Antireflektionsschicht aufgebracht um Reflektionsverluste zu vermeiden. Zum Schutz der verschalteten Solarzellen im Photovoltaikmodul werden diese meist in transparentes Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Alurahmen umfasst und frontseitig mit Glas abgedeckt.

Bei den Siliziumsolarzellen unterscheidet man zwischen drei Zelltypen: monokristallin, polykristallin und amorph.

  • Monokristalline Siliziumzellen werden aus gezogenen Siliziumeinkristallstäben hergestellt, die mit Hilfe des Drahtsägeverfahren zu unter 1mm dünne Scheiben zerschnitten werden. Der Energieaufwand und der hohe Anspruch an Materialreinheit führt zu vergleichsweise hohe Kosten dieser Solarzellenart, wobei sie mit Wirkungsgraden von 24% im Labor und bis zu 17% in der Massenproduktion die höchsten unter den Siliziumsolarzellen aufweisen.
  • Polykristalline Siliziumsolarzellen werden aus Siliziumblöcken mit genanntem Sägeverfahren geschnitten, die über verflüssigtes Silizium gebildet wurden. Bei der Erstarrung der Siliziumblöcke bilden sich unterschiedliche Kristallstrukturen an deren Grenzen Defekte auftreten. Der dadurch geringere Wirkungsgrad von bis zu 18% im Labor und bis zu 15% in der Massenproduktion wird durch die geringeren Produktionskosten und Energieaufwand wieder ausgeglichen.
  • Amorphe Siliziumsolarzellen sind sehr dünne, weniger als 1µm dicke Solarzellen (Vergleich: Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm). Wegen der geringen Dicke wird dieser Solarzellentyp auch Dünnschichtsolarzelle genannt und die mono- bzw. polykrsitallinen Solarzellen mit einer Dicke von mehr als 100 µm dementsprechend Dickschichtsolarzellen. Bei den amorphen Dünnschichtsolarzellen wird das Silizium auf einem Trägermaterial, zum Beispiel Glas, aufgedampft. Die Herstellung ist wesentlich weniger energieintensiv als die der Dickschichtsolarzellen und somit sind auch die Produktionskosten niedriger. Jedoch liegen die Wirkungsgrade dieser Solarzellenart noch unter 7% in der Produktion und bei circa 13% im Labor, so dass diese meist nur für kleine Anwendungen in Uhren oder Taschenrechnern verwendet werden.

 

Neben den Siliziumsolarzellen gibt es noch eine Vielzahl Solarzellen aus anderen Materialien, wobei alle daraus resultierenden Solarzellen Dünnschichtsolarzellen darstellen.

  • Galliumarseniddünnschichtsolarzellen (GaAs) weisen sehr hohe Wirkungsgrade auf - im Labor bis zu 41%, sehr temperaturbeständig und robuster als Siliziumzellen gegenüber UV-Strahlung [6]. Ihre Herstellung ist jedoch sehr teuer, so dass diese Solarzellentechnik auf den Einsatz in der Raumfahrt begrenzt bleibt.
  • Cadmiumtelluriddünnschichtsolarzellen (CdTe) sind durch die Abscheidung dünner CdTe-Schichten mittels chemische Badabscheidung (CBD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) sehr günstig herstellbar. Im Labor wurden dafür Wirkungsgrade von bis zu 16 % erreicht, Modul-Wirkungsgrade sind bis knapp 10% möglich. First Solar entwickelt und produziert diese Solarzellenart im großen Stil und installiert diese PV-Module meist in großen Solarparks. Da Cadmium toxisch ist, hat First Solar einen Recyclingzyklus entwickelt, wobei zudem betont werden muss, dass es sich bei den Solarzellen um relativ stabile CdTe-Verbindungen handelt und nicht um reines reaktives Cadmium.
  • CIGS- oder CIS-Dünnschichtsolarzellen bestehen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Dabei spielen vor allem die Anteile dieser Stoffe in der aufgedampften Dünnschicht eine große Rolle. CIGS Solarzellen haben Laborwirkungsgrade von 20% gezeigt [6]. Der Modul-Wirkungsgrad beträgt bis zu 12%.
  • Organische Dünnschichtsolarzellen basieren auf dem Ansatz Stoffe aus der organischen Chemie (Kohlenwasserstoffverbindung) zur Gewinnung von Strom aus Sonnenenergie zu nutzen. Die organischen Materialien können dabei je nach Molekülart auf einen Untergrund thermisch aufgedampft, aus einer Lösung aufgeschleudert oder sogar gedruckt werden. Da es eine Vielzahl an organischen Verbindungen gibt die zudem kostengünstig hergestellt werden können und der Herstellungsprozess bei vergleichsweise geringen Temperaturen abläuft, wird das Potential für diesen Solarzellentyp sehr hoch geschätzt. Zudem können diese Solarzellen auch flexibel hergestellt werden, was ein großes Anwendungsfeld ermöglicht. Da sich die Entwicklung von organischen Solarzellen noch relativ am Anfang befindet, gibt es bisher nur ein paar Nischenanwendungen, wie zum Beispiel die Energy Sun Bags (Taschen mit PV-Modulen) von Konarka. Die Wirkungsgrade im Labor der Firma Heliatek aus Dresden reichen schon bis zu 8,3% (Stand Oktober 2010). Erste kommerziell erhältliche organische PV-Module haben jedoch bisher nur einen Wirkungsgrad von circa 2%.
  • Grätzel-Zellen bzw. Farbstoffzellen stellen eine Art technische Photosynthese dar. Auch hier werden organische Farbstoffe genutzt. Hierbei wird zwischen 2 Elektroden ein Elektrolyt eingefüllt, wobei an der einen Elektrode eine Monolage organischer Absorbermoleküle angeheftet wird. Die Zellen liefern einen Laborwirkungsgrad von über 10%, haben jedoch aufgrund ihrer aggressiven Elektrolyte nur kurze Lebensdauern. Kommerziell erhältliche Grätzel-PV-Module haben einen Wirkungsgrad von nur 2-3%.


In Tabelle 1 sind die momentanen Rekordeffizienzen der verschiedenen Solarzellen im Entwicklungslabor und im PV-Modul und ihre entsprechenden Limitierungen beziehungsweise Nachteile dargestellt. Die Entwicklung der Rekordeffizienzen von Solarzellen finden Sie hier und hier. Deutlich erkennbar ist, dass sich die Dünnschichtsolarzellen in letzter Zeit immer weiter verbessern, während die Silizium-Dickschichtzellentechnologie kaum noch Steigerungspotentiale zulässt. So liegt der maximal zu erreichende Wirkungsgrad von Silizium bei 28%, wobei im Labor schon 24% erzielt wurden [15]. Aufstrebende Technologien hingegen, wie die organische Photovoltaik, lassen noch große Optimierungspotentiale zu.

Wie schon erwähnt basieren die meisten PV-Anlagen auf Solarzellen aus Silizium. Diese werden dann meist so verschaltet, dass das PV-Modul eine Ausgangsspannung von 12V bzw. 24V liefert. Da der Strom des PV-Moduls meist in das Stromnetz eingespeist wird, muss die vom PV-Modul erzeugte Gleichspannung mittels eines Wechselrichters in Wechselspannung von 220V und 50Hz (in Deutschland) umgewandelt werden. Nähere praktische Tipps für die Planung von Photovoltaikanlagen finden Sie hier. Da Photovoltaikanlagen in der Regel nur geringe Leistungen erzeugen und sehr dezentral verteilt sind, wird der Strom aus Photovoltaikanlagen zu über 98% in das feingliedrige Niederspannungsnetz eingespeist und somit sehr verbrauchernah. Eine Prinzipskizze ist in Abbildung 5 gezeigt.

Der prinzipielle Aufbau einer PV-Anlage ist auf solarcontact.de sehr schön mit Hilfe von Animationen erläutert.


 

Wirtschaftlichkeit

Eine oft diskutierte Thematik ist die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen, das heißt, ob sie in der Lage sind ökonomisch mit den fossilen Energien, der Kernenergie und den anderen erneuerbaren Energiearten mitzuhalten. Diese Frage zu beantworten ist jedoch nicht so einfach wie es oft dargestellt wird, da bei der Betrachtung eine Vielzahl von Faktoren wie Standort, Solarzellentechnik, Ausrichtung der PV-Module, technische Entwicklung und vieles mehr einfließen. Die große Bedeutung der Standortwahl wurde schon im oberen Abschnitt diskutiert und in Abbildung 1 veranschaulicht und ist für alle erneuerbare Energieformen wesentlich. So erzeugt ein Photovoltaikmodul in Spanien doppelt so viel Strom pro Jahr als in Deutschland. Folglich ist der Stromgestehungspreis aus PV-Anlagen in Deutschland auch doppelt so hoch. Perfekte Standorte sind vor allem Wüsten, da der Himmel hier selten bewölkt ist, die Sonne fast im Zenit steht und somit eine hohe jährliche Einstrahlung gewährleistet wird. Um die Stromgestehungskosten zu bestimmen, das bedeutet den Strompreis pro Kilowattstunde, muss man die Lebensdauer einer Photovoltaikanlage berücksichtigen. Liefert eine PV-Anlage 40 Jahre Strom ist der Strompreis viel geringer als wenn sie nur 20 Jahre lebt, da bei erneuerbaren Energien vor allem die Investitionskosten zur Errichtung der Anlagen ins Gewicht fallen. Gegenteiliges gilt bei fossilen Energien, bei denen die Rohstoffkosten den Strompreis vorgeben. Im Generellen wird von PV-Modulherstellern garantiert, dass PV-Module nach 25 Jahren noch mindestens 80% der Anfangsleistung erbringen und dann noch längst nicht unbrauchbar sind. Somit ist eine Lebensdauer von Photovoltaikmodulen nur schwer anzugeben, führt jedoch in der Kostenkalkulation zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen.

Für verschiedene Städte wie zum Beispiel Berlin, Dresden, Osnabrück gibt es den sogenannten Solaratlas. Dabei handelt es sich um eine Stadtkarte die das Potenzial zur Errichtung von Solaranlagen (Kleinsolarthermieanlagen oder Photovoltaikanlagen) für die einzelnen Gebäude der Stadt zeigt. Dabei sind jährliche Sonneneinstrahlung, Dachneigung und Verschattung eingerechnet. Für nähere Informationen können Sie sich den Solaratlas von Berlin oder den von Dresden anschauen oder fragen bei Ihrer Stadtverwaltung nach ob auch Ihre Stadt etwas ähnliches vor hat oder sogar schon besitzt.

 

 

In Abbildung 6 finden Sie die Entwicklung der Investitionskosten von Photovoltaikanlagen von 2006 bis 2011. Die Kosten für PV-Module haben sich demnach in den letzten 5 Jahren mehr als halbiert und betrugen im 2. Quartal rund 2400 € pro installiertem Kilowattpeak PV-Leistung. Darin sind alle Systemkosten enthalten, das heißt Wechselrichter, Montage und Anschluss. In der Studie des Fraunhofer ISE wurden Ende 2010 die Stromgestehungskosten für Photovoltaikanlagen abgeschätzt. Sie nahmen spezifische Investitionskosten von 2750 bis 3050 € pro Kilowattpeak an und errechneten die Stromgestehungskosten für unterschiedliche Standorte [16]. Je nach Anlagengröße variieren die Stromgestehungskosten für den Standort Deutschland (Einstrahlung 1100 kWh/m²a) von 26 Cent (Freiflächenanlagen) bis circa 34 Cent (kleine Privatanlagen) und für den Standort Spanien (Einstrahlung 2000 kWh/m²a) von 18 Cent bis 21 Cent [16]. Hier wurde jedoch nur eine Betriebsdauer von 20 Jahren angenommen. Allerdings erzeugt ein Photovoltaikmodul auch nach 20 Jahren noch mindestens 80% seiner Anfangsleistung. In der Studie wird zudem eine Abschätzung der Stromgestehungskosten für das Jahr 2030 gegeben welche zwischen 6 und 12 Cent/kWh liegt, je nach Sonneneinstrahlung. In deren Berechnung ist jedoch nicht enthalten, dass eine Speicherung des Stroms aus Photovoltaikanlagen notwendig ist. Auch wenn die Photovoltaik mit der Mittagszeit meist genau dann Strom liefert, wenn auch der Verbrauch am höchsten ist, ist eine Speicherung oder ein Regelkraftwerk nötig um die Fluktuationen auszugleichen.

Wer die Errichtung einer eigenen Photovoltaikanlage anstrebt, kann mit Hilfe des Photovoltaikrechners eine schnelle, angepasste Abschätzung über die Größe, Kosten und den Ertrag der Anlage und gleichzeitig eine Beratung zur Förderung bekommen. Ein Beispiel: Errichtet man eine 3kWp Photovoltaikanlage in Berlin auf der Südseite eines 45° geneigten Satteldaches (Solareinstrahlung 1000kWh/a) die ab 1.1.2012 in Betrieb geht, benötigt man 20 m² (4m x 5m) Phtotovoltaikmodulfläche um den Jahresstromverbrauch eines 2 Personenhaushaltes (2500 kWh/a) zu decken. Die geschätzten Investitionskosten hierfür belaufen sich auf 5.600 bis 7.000 €, die Gesamtvergütung für den eingespeisten Solarstrom nach EEG beläuft sich in den 20 Jahres Betriebszeit auf 13.400€ (bzw. jährlich auf circa 660€), was einer Rendite von knapp 5% entspricht [17]. In den 20 Jahren Laufzeit werden somit über 25 Tonnen CO2-Ausstoß vermieden [17]. Auch nach den 20 Jahren EEG-Vergütung erzeugen die Solarmodule jedoch noch Strom den sie in das Netz einspeisen können

Berücksichtigt man dies kann die Photovoltaik aber noch nicht mit den Erzeugungskosten aus konventionellen Kohlekraftwerken mit halten. Um die Technologie dennoch voranzutreiben, wird die Erzeugung von Strom aus PV-Anlagen in vielen Ländern vom Staat gefördert. In Deutschland bekommt jeder, der eine PV-Anlage an das Stromnetz anschließt nach dem Erneuerbaren Energien Gesetz (EEG) der Bundesregierung für 20 Jahre eine feste Vergütung pro Kilowattstunde eingespeisten Stroms zugesichert. Ausgenommen sind hiervon jedoch Agrarflächen, da die schwarz-gelbe Regierung unter Kanzlerin Merkel beschlossen hat, Photovoltaikanlagen auf Ackerflächen ab dem Jahr 2010 nicht mehr zu fördern. Natürlich ist es sinnvoll vorrangig Dachflächen zu nutzen, jedoch gibt es in Deutschland wesentlich mehr Ackerflächen als benötigt und vor allem auf Weideland für kleinere Nutztiere wäre es auch möglich PV-Anlagen auf entsprechenden Gestellen zu installieren, ohne dass sie den Weidebetrieb stören. Die höchste EEG-Vergütung wird momentan mit 28,74 Cent pro eingespeister Kilowattstunde Strom für Photovoltaikanlagen, die auf dem Dach installiert sind (abhängig von der Anlagengröße), gewährleistet. Der Sinn des EEG ist es, erneuerbare Energien, wie die Photovoltaik, soweit zu fördern bis sie sich zu einer wettbewerbsfähigen Massentechnologie entwickelt hat und zur konventionellen Stromgewinnung konkurrenzfähig wird. Die Wirtschaftlichkeit wird hierbei damit erreicht, dass es jedes Jahr eine Degression, also eine Abnahme der Einspeisevergütung gibt. Diese ist in Abbildung 7 dargestellt und wurde unter der schwarz-gelben Regierung drastisch erhöht. Grund hierfür war einerseits das starke Wachstum der Photovoltaik in Deutschland (Abbildung 4) und die somit unterschätzen Kosten für den Staat. Andererseits wird vermutet, dass die Kosten für Photovoltaikanlagen schneller gesenkt werden können als es nach dem alten EEG-Regelsatz prognostiziert wurde. Daher ist die jährliche Degression jetzt an den jährlichen Zubau an Photovoltaikanlagen gekoppelt. Nähere Informationen zu den Änderungen finden Sie hier.

Hätte man im Jahr 2005 eine Photovoltaikanlage auf dem Dach errichtet, würde man für den in das Stromnetz eingespeisten Strom noch über 54 Cent/kWh an Vergütung bekommen, 2011 sind es nur noch 28,74 Cent/kWh. Das Ziel dieser Kostendegression ist es, die Hersteller von Photovoltaikanlagen dazu zu bewegen, ihre Module immer kostengünstiger zu produzieren, bis sie eines Tages wettbewerbsfähig sind und keine Subvention mehr notwendig ist. Dass dieser Plan relativ gut aufgeht sieht man an dem starken Absinken der Kosten für neue PV-Anlagen in Abbildung 6. Daher wurde dieses Konzept auch von vielen anderen Ländern, v.a. in Europa übernommen. Ein Beispiel: Würde man heute eine Photovoltaikanlage für 2400 € pro Kilowattpeak in Dresden errichten (jährliche Einstrahlung 900 kWh/m²), so würde die Anlage innerhalb der 20 Jahre EEG-Vergütung knapp 5000 € erwirtschaften (Annahme: 0,5% Leistungsabnahme pro Jahr wegen Alterung, keine Wartungskosten enthalten) und das PV-Modul würde auch nach den 20 Jahren EEG-Vergütung weiter Strom erzeugen. Es ist also immer noch sehr lukrativ in Photovoltaikanlagen für sein Eigenheim zu investieren. Eine andere Option sich an den Gewinnen zu beteiligen und etwas für die Umwelt zu tun sind die sogenannten Bürgerkraftwerke bei denen sich mehrere Personen zusammenschließen um eine größere PV-Anlage zu installieren. Nähere Informationen dazu finden Sie hier.

Wie man an der bisherigen Diskussion erkennt, ist aus ökonomischer Sicht nicht der Wirkungsgrad der PV-Module primär wichtig sondern der Preis der PV-Module pro Kilowattpeak. Daher können Dünnschichtsolarzellen wie CdTe durchaus mit Silizium-Dickschichtsolarzellen mithalten bzw. sind sogar kostengünstiger. Nur wenn die Dach- oder Freifläche zu mieten ist oder die Nutzungsfläche begrenzt, spielt der Wirkungsgrad eine Rolle.

 

Die diskutierte Kostenabsenkung der Photovoltaikanlagen ist den Erfolgen im Bereich der Forschung und Entwicklung zu verdanken. In Abbildung 8 ist die Entwicklung der Forschungsinvestitionen der deutschen Photovoltaikbranche gezeigt, die in den letzten 5 Jahren enorm angestiegen ist und im Jahre 2008 163 Millionen Euro betrug. In der ganzen Photovoltaikbrachen und Branchen, die Vordienstleistungen für die Solarstromindustrie erbringen, sind über 130.000 Menschen beschäftigt, so dass neben der Windenergie und Biomasse die Photovoltaik ein wichtiger Arbeitszweig in Deutschland geworden ist [9]. Aktuelle Informationen zur Marktentwicklung finden Sie auf der photovoltaik-guide.de [18].

 

 

Umweltproblematik

Bei allen regenerativen Energiequellen ist das Hauptargument für deren Nutzung ihr vergleichsweise geringerer Eingriff in die Natur und Umwelt, vor allem aber der wesentlich geringere Treibhausgasausstoß bei der Energieerzeugung im Vergleich zu fossilen Energien. Jedoch muss auch bei der Stromerzeugung aus Photovoltaik ein Treibhausgasausstoß angegeben werden, was am energetisch aufwendigen Prozess der Herstellung des PV-Moduls und der dazugehörigen Anlagenteile liegt, bei denen CO2 frei wird. Ins Gewicht fallen hier vor allem die Solarzellenproduktion. Wieviel CO2 bei der Herstellung frei wird hängt somit vor allem von der Solarzellentechnik und vom Energiemix des verwendeten Stromes zur Solarzellenproduktion ab. Momentan wird der CO2-Ausstoß für Photovoltaikanlagen je nach Technologie zwischen 20 g und 50 g pro erzeugte Kilowattstunde Strom angegeben. Das sind nur 1/20 im Vergleich zur Stromerzeugung durch die Verbrennung von Kohle [10, 11]. Natürlich hängt der CO2-Ausstoß pro kWh bei erneuerbaren Energien stark von der Nutzungsdauer und der Sonneneinstrahlung ab, da bei PV-Anlagen fast nur am Anfang, d.h. zur Herstellung, Treibhausgase emittiert werden.

Eine andere wichtige Information ist die energetische Amortisationszeit bzw. Energierücklaufzeit, welche stark vom Standort (Sonneneinstrahlung) abhängt. Sie variiert für Photovoltaikmodule in Deutschland von einem Jahr (Dünnschichtsolarzellen) bis zu 4 Jahren (monokristallinen Solarzellen) [10, 12]. Die Unterschiede zwischen den Technologien liegen an der unterschiedlichen Herstellung von Dünnschichtsolarzellen, bei denen weniger Material und geringere Prozesstemperaturen benötigt werden. Da PV-Module vom Hersteller garantiert auch nach 25 Jahren noch mindestens 80 % ihrer Anfangsleistung bringen sollen, haben sie folglich eine sehr positive Energieausbeute. Der Erntefaktor von PV-Anlagen beträgt je nach Technologieart zwischen 5 und 25 für eine angenommene Lebensdauer von nur 25 Jahren [12]. Das bedeutet, dass Photovoltaikanlagen schon heute bis zu 25 mal so viel Energie erzeugen, wie für ihre Herstellung nötig ist.

Der „Rohstoff“ aus dem Photovoltaikanlagen Strom generieren ist die Sonnenstrahlung, welche hoffentlich für die nächsten Milliarden Jahre nicht versiegen wird. Rohstoffengpässe kann es daher höchstens bei der Herstellung der PV-Module geben, nicht aber bei dem Energierohstoff, wie es bei Kohle, Erdgas, Erdöl und Uran der Fall ist. Die Module bestehen aus einem Plastik- oder Aluminiumrahmen mit einer frontseitigen Glasabdeckung - hier sollten keine Limitierungen vorhanden sein. Da Silizium eines der häufigsten Elemente der Erde ist („wie Sand am Meer“) ist auch hier kein Rohstoffengpass für die siliziumbasierten Solarzellen zu erwarten. Anders sieht die Situation schon bei verschiedenen Dünnschichttechnologien aus. So enthalten die vorab diskutierten CIS/CIGS-Solarzellen das seltene Element Indium und auch oft Selen. Die Ressourcen von Indium werden auf 16.000 Tonnen geschätzt, wirtschaftlich abbaubar sind davon etwa 11.000 Tonnen [13]. Somit ist es so selten wie Silber oder Quecksilber. Daher wird versucht das Indium durch Gallium zu ersetzen, was jedoch auch zu den seltenen Elementen gehört aber in größeren Mengen vorhanden ist. Ähnliches Problem tritt bei den CdTe-Solarzellen auf, da Cadmium und Tellurid auch zu den seltenen Elementen auf der Erde gehören. Zudem wird bei CdTe- und auch organischen Solarzellen Indium in den transparenten Kontakten genutzt um die Ladungen in der Solarzellen abzuführen. Hierfür gibt es jedoch Alternativen wie Zinkoxid, Kohlenstoffnanoröhrennetzwerke oder transparente Polymere. Zwar sind in CIGS- und CdTe-Solarzellen diese Elemente nur in den weniger als 1 Mikrometer dünnen Schichten enthalten, sollte es aber zur Massenproduktion kommen, könnten auch Materialengpässe auftreten. Zudem ist das verwendete Cadmium als Element hochgradig toxisch. Es wird jedoch kaum etwas in die Umwelt abgegeben und es sogar argumentiert, dass fossile Kraftwerke bei der Verbrennung mehr Cadmium ausstoßen. First Solar hat aus den beiden genannten Gründen die Initiative ergriffen und will die CdTe-PV-Module nach Ende ihrer Nutzung recyceln. Solarworld recycelt zudem auch Silizium-Dickschichtsolarzellen.

Häufig wird auch argumentiert, dass die Herstellung von Silizium-Dickschichtzellen sehr umweltfeindlich sei, weil aggressive Chemikalien zur Aufreinigung des Siliziums verwendet werden. Tatsächlich werden mit Chlorwasserstoff, der Zwischenverbindung Silicochloroform, Flußsäure, Kalilauge, Bor- und Phosphorverbindungen sehr reaktive Stoffe verwendet [14]. Da die Verbindungen zum Teil sehr toxisch sind, werden diese Stoffe jedoch in abgeschlossenen Reaktionsbehältern verwendet, so dass es im Normalfall nicht zur Exposition in die Umwelt kommen sollte. Nichtsdestotrotz können geringe Mengen durch Störfälle frei gesetzt werden und Mitarbeiter verletzt werden. Bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen werden bei der Reinigung der Prozesskammern teilweise die Stoffe Stickstofftrifluorid und Schwefelhexafluorid verwendet, die starke Treibhausgase darstellen und daher klimaschädlich sind, wenn sie in die Atmosphäre gelangen.

Ein großer Vorteil der Silizium-Photovoltaik hingegen ist, dass keine Minenarbeiter zur Herstellung von Modulen unter widrigen Bedingungen Energierohstoffe fördern müssen, wie es bei Kohle oder Uran der Fall ist. Auch ist der Eingriff in die Natur wesentlich geringer als bei der Erdölförderung, dem Kohle- oder dem Uranabbau (vor allem beim Tagebau). Nur bei den Dünnschichttechnologien der CIGS-/CIS- und CdTe-Dünnschichtsolarzellen müssen die seltenen Elemente aus der Erdkruste gefördert werden, wobei einige davon jedoch Nebenprodukte bei der Förderung von Erzen sind.

Häufig wird auch angeführt, dass die Fläche der Erde oder Deutschlands nicht ausreichen würde um den gesamten Strombedarf aus Photovoltaik zu decken. Auch wenn dies wegen Fluktuationen und Standortwahl kein sinnvolles Szenario ist, soll hier mit einer einfachen Rechnung gezeigt werden, dass es ausreichen würde 1/3 der Fläche Sachsens bzw. etwas über die Hälfte der Fläche Deutschlands mit PV-Modulen zu bestücken, um den Stromverbrauch von Deutschland bzw. den der Welt zu decken: Der jährlich Strombedarf Deutschlands beträgt ungefähr 600 Terawattstunden, der globale 20.000 TWh. Nimmt man an, dass alle Photovoltaikanlagen in der südlichen Hälfte Deutschlands errichten würden, so erzeugen die PV-Anlagen mit einem sehr konservativ angenommenen Performance-Ratio von 75% jährlich 1000 kWh pro Kilowattpeak installierter Leistung (Abbildung 1). Um den Strombedarf Deutschlands bzw. der Welt zu decken müsste man demnach 0,6 Terawatt bzw. 20 Terawatt Photovoltaikleistung installiert werden. Das entspräche einer quadratischen Fläche von etwa 77 km x 77 km Photovoltaikmodule für den Strombedarf Deutschlands und 450 km x 450 km für den globalen Bedarf bei einem Anlagenwirkungsgrad von 10%. Das klingt im ersten Moment viel, jedoch würde es somit reichen die Hälfte der Fläche Deutschlands mit Photovoltaikmodulen zu bestücken um den Strombedarf der gesamten Weltbevölkerung zu decken. Würden diese PV-Module nicht in Süddeutschland sondern der Sahara errichten werden, reicht wegen der wesentlich höheren jährlichen Sonneneinstrahlung (Abbildung 1) rund die Hälfte der PV-Modulfläche aus. Nicht eingerechnet sind in dieser sehr vereinfachten Betrachtung die Verschattung der Module durch deren Verkippung nach Süden und der Energiespeicherungsbedarf.

Ein finales, sehr wichtiges Argument, das zu einer hohen Akzeptanz der Photovoltaik in der Öffentlichkeit führt ist der Fakt, dass PV-Module auf Gebäuden montiert werden können und somit keine zusätzlichen Grünflächen verbrauchen. Das heißt, wenn man PV-Anlagen nur auf Dächern von Gebäuden oder anderen versiegelten Flächen errichtet, ist der Eingriff in die Natur minimal. Somit ist auch der Einfluss auf die Ästhetik und der zusätzliche Eingriff in die Natur geringer als bei konventionellen Kraftwerken, Wind- oder Wasserkraftwerken.



Zusammenfassung Photovoltaik – Pro und Contra

 

Pro

Contra

  • geringer Treibhausgasausstoß (zwischen 20 bis 50 g CO2 pro kWh erzeugtem Strom)
  • keine endlichen Energierohstoffe nötig wie bei den fossilen Energieträgern und der Kernenergie

  • PV-Anlagen auf Gebäuden aufstellbar, daher nahezu kein extra Flächenverbrauch

  • Einsatz vor allem in sonnenreichen Regionen sinnvoll

  • großes Kostensenkungspotential durch Verwendung neuer Solarzellentechnologien und Weiterentwicklung
  • fluktuierende Stromerzeugung aus PV-Anlagen, daher wird Energiespeicherung nötig
  • im Vergleich zur Windenergie relativ hohe Energierücklaufzeit

  • vor allen in Deutschland noch relativ unwirtschaftlich, daher sind noch Förderungen nötig

 


 

Quellen:

[1] http://www.buerger-kraftwerke.de/commonFiles/pdfs/Erneuerbare_Energien/DAKS_Buerger_machen_Energie_Handlungsleitfaden.pdf, 09.06.2011

[2] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_opt/pvgis_Europe-solar_opt_presentation.png, 09.06.2011

[3] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_opt/pvgis_solar_optimum_DE.png, 09.06.2011

[4] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_hor/pvgis_solar_horiz_DE.png, 09.06.2011

[5] BMU, Erneuerbare Energien in Zahlen, 2010 (Link)

[6] http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzellen#cite_note-zsw2010-6, 09.06.2011

[7] http://www.oe-a-wiki.org/index.php?option=com_content&view=article&id=86:best-research-cell-efficiencies , 09.06.2011

[8] BSW Solar (Link)

[9] http://www.solarwirtschaft.de/medienvertreter/infografiken/solarstrom.html, 09.06.2011

[10] E.A. Alsema et al., „ENVIRONMENTAL IMPACTS OF PV ELECTRICITY GENERATION - A CRITICAL COMPARISON OF ENERGY SUPPLY OPTIONS“ 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden,Germany, 4-8, 2006

[11] Fthenakis, V. M., Kim, H. C., & Alsema, E. (2008). Emissions from Photovoltaic Life Cycles. Environmental Science & Technology, 42(6), 2168-2174 (doi: 10.1021/es071763q)

[12] http://www.volker-quaschning.de/datserv/kev/index.php, 09.06.2011

[13] http://de.wikipedia.org/wiki/Indium#cite_note-usgs-15, 09.06.2011

[14] http://www.sfv.de/sob99334.htm, 09.06.2011

[15] http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik.html, 09.06.2011

[16] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Studie Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien, Dezember 2010 (Link)

[17] http://www.solaranlage.eu/photovoltaik/rechner

[18] http://www.photovoltaik-guide.de/category/marktentwicklung

 


Beitrag erstellt von Christoph Schünemann (Juni 2011)

Zuletzt aktualisiert am Dienstag, den 17. April 2012 um 13:25 Uhr  

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