Solarenergie. Solarthermie und Photovoltaik

INHALTSVERZEICHNIS

1. Einführung

2. Abgrenzung zu anderen regenerativen Energiequellen

3. Photovoltaik
3.1 Wie funktioniert eine Solarzelle ?
3.2 Zelltypen und Wirkungsgrade
3.3 Neuere Entwicklungen
3.4 Anwendungsgebiete: Netzgekoppelte und netzunabhängige Anlagen
3.5 Energetische Amortisation, Lebensdauer von PV-Anlagen

4. Solarthermie
4.1 Funktionsweise einer Solarthermieanlage
4.2 Wieviel Energie liefert eine Solarthermieanlage ?
4.3 Anwendungsgebiete
4.4 Energetische Amortisation, Lebensdauer der Kollektoren

5. Fazit und Ausblick

6. Literaturverzeichnis

7. Handout für Zuhörer

1. EINFÜHRUNG

Die Vorräte an Energierohstoffen werden in absehbarer Zeit zu Ende gehen. Nach neueren Berechnungen wird geschätzt, daß Kohle und Uranvorkommen noch ca. 150 Jahre reichen und Mineralöl und Erdgas noch ca. fünf Jahrzehnte zur Verfügung stehen werden.

Doch es gibt noch weitere Argumente welche für den verstärkten Einsatz regenerativer Energiequellen sprechen: Einerseits ist der Einsatz fossiler Brennstoffe mit Emissionen verbunden und die Nutzung der Atomkraft birgt Gefahren in sich. Andererseits hat sich gezeigt, daß von der Entwicklung bis zum großflächigen Einsatz neuer Techniken meist längere Zeiträume vergehen, die zur Optimierung der Entwicklungen und zur gesellschaftlichen Akzeptanz notwendig sind.

Dieses Referat soll zwei verschiedene regenerative Energiequellen näher betrachten: die Solarthermie und die Photovoltaik. Dabei werde ich hauptsächlich die technischen Grundlagen betrachten. Auf Fragen der Wirtschaftlichkeit und Fördermöglichkeiten werde ich im Referat aus Zeitgründen nicht eingehen, bin aber gerne bereit in der anschließenden Diskussion dazu Stellung zu nehmen.

2. ABGRENZUNG ZU ANDEREN REGENERATIVEN ENERGIEQUELLEN

Eigentlich müßte man auch die fossilen Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas zu den regenerativen Energiequellen zählen. Diese Brennstoffe sind im Endeffekt auch durch die Einwirkung von Sonne entstanden. Allerdings haben die Prozesse viele hunderttausend Jahre gedauert. Sie werden heute sehr viel schneller verbraucht als sie sich wieder nachbilden.

Als regenerative Energiequellen im eigentlichen Sinne bezeichnen wir durch Wärme und Licht erzeugte Energie. Diese kann aus dem glühenden Erdinnern stammen und in Form von Erdwärme genutzt werden. Bedeutender ist allerdings die Sonnenenergie. Die Sonne bewirkt einerseits durch ihre Strahlung den Wind- und Wasserkreislauf auf der Erde und das Entstehen von Leben und damit verbunden von Biomasse. Andererseits ist ihre Strahlungsenergie auch direkt zur Warmwassererzeugung und Stromgewinnung mittels Photovoltaik nutzbar.

Warmwassererzeugung durch die Sonne, auch Solarthermie genannt und Photovoltaik tragen in Deutschland zusammen nur ca. 1 % zur Energieversorgung bei, wobei die Solarthermie den weitaus größeren Anteil bildet. Trotzdem könnten beide Energiequellen in Zukunft von großer Bedeutung werden. Denn: Wenn nur ein zehntausendstel der eintreffenden Sonnenenergie zur Energieerzeugung genutzt werden würde, könnte damit der gesamte Energiebedarf der Menschen durch die Sonne gedeckt werden.

3. PHOTOVOLTAIK

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung der Energie des Sonnenlichtes in Strom mittels Solarzellen.

3.1 Wie funktioniert eine Solarzelle ?

Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien. Fast alle Solarzellen werden aus Silizium gefertigt, welches durch absichtliches Hinzufügen von Verunreinigungen, z.B. Phosphor einen Überschuß an positiven oder negativen elektrischen Ladungsträgern erhält. Diese absichtliche Hinzufügung nennt man Dotierung. Zum Solarzellenbau werden zwei Halbleiterschichten verwendet, wobei die eine einen Überschuß an positiven, die andere an negativen elektrischen Ladungsträgern enthält. Zwischen diesen beiden Schichten baut sich ein elektrisches Feld auf, welches zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Das heißt, die negativen Ladungen wandern auf die eine Seite der Zelle, die positiven Ladungen auf die andere. Durch dort jeweils angebrachte Metallkontakte kann die entstandene Spannung abgegriffen werden. Wenn der äußere Kreis zwischen den Metallkontakten oben und unten geschlossen wird, kann ein Verbraucher angeschlossen werden, denn es fließt ein Gleichstrom. Soll der erzeugte Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden, wird noch ein Wechselrichter benötigt, welcher den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

3.2 Zelltypen und Wirkungsgrade

Es gibt verschiedene Typen von Solarzellen. Ausgangsstoff ist meist Silizium, das aus Sand gewonnen wird, also quasi unbegrenzt zur Verfügung steht. Auf andere Typen, z.B. aus Cadmiumsulfid und Galliumarsenid soll hier nicht näher eingegangen werden.

A) Monokristalline Solarzellen:

Diese werden aus monokristallinem, d.h. hochreinem Silizium hergestellt. Das Silizium wird mittels diverser Prozesse in eine hochreine Form gebracht und dann dosiert verunreinigt, d.h. dotiert. Monokirstalline Solarzellen haben zwar den höchsten Wirkungsgrad von 14 bis 17 %, sind aber vergleichsweise teuer herzustellen. Wirkungsgrad ist der Anteil der durch Sonnenstrahlung auf die Solarzelle eintreffenden Energie, der dann tatsächlich in elektrischen Strom umgewandelt wird.

B)Polykristalline Solarzellen:

Diese sind preiswerter als die Zellen aus hochreinem Silizium herzustellen, haben dafür aber einen geringeren Wirkungsgrad von 13 bis 15 %.

C) Amorphe Solarzellen

Amorphe Solarzellen, auch Dünnschichtzellen genannt, entstehen durch das Aufbringen von sehr dünnen Siliziumschichten auf ein anderes Material, meist auf Glas. Die Schichten sind weniger als ein fünfzigstel so dick wie ein menschliches Haar. Die Produktionskosten sind vergleichsweise gering, die Wirkungsgrade erreichen nur 5 bis 7, im Labor sind allerdings schon etwa die doppelten Werte erzielbar.

3.3 Neuere Entwicklungen

Insbesondere im Bereich der letztgenannten Solarzellen, der amorphen Zellen findet eine rasante technische Entwicklung statt.

So hat beispielsweise die Pfeiffer Vacuum AG aus dem hessischen Aßlar eine Produktionsanlage zur Beschichtung von Glasscheiben unter Vakuum entwickelt, welche ab dem Jahr 2001 Solarzellen kostengünstig herstellen wird, die zu 99,9 % aus Fensterglas bestehen.

Die Sunways AG aus Konstanz hat transparente Solarzellen entwickelt, welche auf Glas in verschiedenen Farben aufgebracht werden können. Diese lassen noch Licht durch und können als Fassaden, Fenster und Glasschiebedächer eingesetzt werden. Hauptargument ist dabei, daß Licht durchgelassen wird und gleichzeitig bei niedrigen Kosten architektonisch ästhetische Verwendungsmöglichkeiten eröffnet werden.

Weitere Entwicklungen, so ein Gemeinschaftsprojekt der Hochschule Lausanne mit RWE, können schon bald zur Entwicklung von Solarzellen führen, die nur noch einen Bruchteil der heutigen kosten werden.

Hier wäre auch anzumerken, daß fast alle großen Öl- und Stromkonzern mittlerweile in der Solarforschung und im Handel mit Photovoltaikanlagen aktiv sind. So ist BP mittlerweile größter Produzent von Solarzellen und auch NUKEM ist mit ihrer Tochtergesellschaft ASE bedeutender Wettbewerber in dieser Branche.

3.4. Anwendungsgebiete

Solarzellen sind in verschiedensten Anlagen einsetzbar:

Generell ist zu unterscheiden in netzgekoppelte und netzunabhängige Anlagen:

➙ Netzgekoppelte Anlagen speisen Energie in das öffentliche Versorgungsnetz ein. Dies kann die gesamte gewonnene Energie sein oder auch nur der Überschuß den der angeschlossene Verbraucher gerade nicht benötigt. Durch Netzkopplung kann das zeitlich schwankende Energieangebot durch Einspeisung oder Entnahme aus dem Netz ausgeglichen werden.
➙ Netzunabhängige Anlagen können nur betrieben werden, wenn überschüssige Energie in einer aufladbaren Batterie gespeichert wird oder das zeitlich schwankende Energieangebot akzeptabel ist. So ist der reine Solartaschenrechner im düsteren Raum meist nutzlos.

3.5 Energetische Amortisation, Lebensdauer von PV-Anlagen

Als energetische Amortisation bezeichnet man die Zeit, die eine Solaranlage benötigt, um soviel Energie zu erzeugen, wie für ihre Herstellung benötigt wurde. Öl, Gas- oder Kohlekraftwerke können sich übrigens nicht amortisieren, denn für ihren Betrieb ist die ständige Zufuhr von Brennstoffen notwendig. Photovoltaik-Anlagen haben sich gemäß einer Studie des Frauenhofer-Instituts für Solare Energiesysteme bisher als weitgehend wartungsarm und zuverlässig erwiesen. Ihre Lebensdauer dürfte bei ca. 30 Jahren liegen. Schon nach 1 ½ bis 4 Jahren amortisiert sich eine PV-Anlage energetisch. Das Vorurteil, daß für die Produktion von Solaranlagen mehr Energie aufgewendet werden muß als später daraus erlöst wird, stimmt heute nicht mehr.

4. SOLARTHERMIE

Grundsätzlich zu Unterscheiden von der Stromerzeugung mittels Photovoltaik ist die Warmwasserbereitung durch Sonneneinstrahlung, die sogenannte Solarthermie..

4.1 Funktionsweise einer Solarthermieanlage

Bei den Kollektoren gibt es verschiedene Typen. Kernstück eines jeden Sonnenkollektors ist der Absorber, der meistens aus mehreren schmalen speziell beschichteten Metallstreifen besteht. Diese Metallstreifen erhitzen sich durch die einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung und geben die Wärme an das Wärmeträgermedium ( meist Wasser mit Frostschutzmittelzusatz) weiter. Die transparente Abdeckung schützt einerseits den Kollektor, andererseits hält sie die Wärme im Innern, läßt sie ähnlich wie beim Treibhauseffekt nicht mehr nach außen abstrahlen.

4.2 Wieviel Energie liefert eine Solarthermienanlage ?

Mit einer richtig dimensionierten Solarthermienanlage (ca. 1,5 m² pro Person im Haushalt) kann 50 bis 65 % des Warmwasserbedarfs genutzt werden. Wenn Waschmaschine und Geschirrspüler wie auch mit einem Warmwasser- statt Kaltwasseranschluß versehen werden, kann die Energieausbeute noch erhöht werden. Der Anteil, wieviel Prozent des Warmwassers solar gedeckt werden kann schwankt im Jahr. Im Sommer kann die konventionelle Heizanlage meist ganz abgeschaltet werden.

4.3 Anwendungsgebiete

Neben der Erwärmung von Warmwasser im Haushalt/Gewerbe/Industrie werden Solarthermieanlagen auch für weitere Anwendungen verwendet:

> So werden in Deutschland über 200 Freibäder mittels Solarkollektoren beheizt.

> Solarkollektoren können teilweise auch zur Unterstützung der Beheizung von Gebäuden eingesetzt werden. Da in den Heizmonaten allerdings die Sonnenstrahlung eher gering ist, ist dies meist nur mit dem Einbau von Pufferspeichern möglich.

4.4 Energetische Amortisation, Lebensdauer der Kollektoren

Marktübliche thermische Solaranlagen amortisieren sich nach etwa 4 Jahren energetisch. Ihre Lebensdauer liegt zwischen 25 und 30 Jahren. Eine Langzeitstudie hat bei Kollektoren neueren Typs ergeben, daß Probleme meist dann auftreten, wenn das Dach auf welchem die Anlage montiert wurde zum Zeitpunkt der Solarkollektoranbringung eine geringere Restlebensdauer als der Kollektor selbst hatte. Ansonsten waren die Langzeiterfahrungen bei guter Planung und Montage positiv.

5. FAZIT UND AUSBLICK

Der Technik und der Markt für die Nutzung der Sonnenenergie wächst rasant. Wenn auch die Solarthermie schon auf einem hohen Entwicklungsstand ist, steht der großflächige Einsatz noch aus. In der Photovoltaik steht die Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarmodule und der Einstieg in die großtechnische Produktion bevor. Diese kommende Entwicklung ist einerseits sicherlich darauf zurückzuführen, daß an vielen Hochschulen diesbezüglich geforscht wird. Andererseits wird dem Markt für Photovoltaik ein großes wirtschaftliches Potential zugeschrieben. Sowohl in unseren Breitengraden, aber besonders auch in Gebieten mit weit höherer Sonneneinstrahlung wie z.B. Afrika, wo die Energieversorgung auch erst grundsätzlich im Aufbau ist, sind immense Potentiale nutzbar.

Die Bundesregierung wird im Frühjahr 2000 voraussichtlich ein Gesetz verabschieden, welches die Mindestvergütung von ins öffentliche Netz eingespeistem Solarstrom von 17 auf 99 Pfennig pro Kilowattstunde anheben wird. Des Weiteren existieren viele Fördermöglichkeiten für Errichter von Solarthermie- und Solarstromanlagen. Diese Rahmenbedingungen werden den Anlagenbau und die Solarforschung intensivieren. Gemäß einer Studie der KPMG können die regenerativen Energien auch zur Entstehung von mehreren zehntausend neuen Arbeitsplätzen führen

Langfristig wird an der Energieerzeugung mittels regenerativer Energien nichts vorbeigehen, da die fossilen Brennstoffe zu Ende gehen werden. Spannend wird hier werden, welche Länder und Unternehmen hier federführend in der Technik sein werden und wo diese Arbeitsplätze somit entstehen werden.

6. LITERATURVERZEICHNIS

Fox, Ulrich: Sonnenkollektoren, Kohlhammer, Stuttgart-Berlin-Köln 1998 Aktuell 99, Harenberg Lexikon der Gegenwart, Harenberg Dortmund 1998

BINE-Informationsdienst Kleine netzgekoppelte PV-Anlagen im Breitentest, Fachinformationszentrum Karlsruhe, 1998

BINE-Informationsdienst: Langzeitverhalten von Solaranlagen, Fachinformationszentrum Karlsruhe, 1998

Aufsatz Schichtweise Sonne, Vacuum-Inside, Zeitung der Pfeiffer Vacuum AG, 1998/99 Aßlar 100.000 Dächer-Solarstrom-Programm, Kreditanstalt für Wiederaufbau, Frankfurt/Main

Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien vom 20. August 1999, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

Solar-Jobs 2010, Studie des Frauenhofer ISE, Freiburg im Auftrag von Greenpeace, Hamburg, 1997

Internetseiten von:

http://bine.fiz-karlsruhe.de (BINE-Fachinformationszentrum)
http://www.kyocera.de (Hersteller von Solarzellen)
http://www.bpamoco.de (Hersteller von Solarmodulen BP-Solar)
http://www.nukem.de (ASE - Hersteller von Solarzellen)
http://www.solarserver.de/lexikon/index.html (Solarlexikon)
http://www.dgs-solar.org (Deutsche Gesellschaft für Solarenergie e.V.)
http://www.sunways.de (Hersteller der transparenten Solarzelle)
http://www.hausarbeiten.org/Hausarbeiten/Maschinenbau/Solartechnik 1/index.shtml (Hausarbeit zum Thema Solartechnik)
http://www.solardirect.de (Erklärung verschiedener Schlagworte)
http://www.greenpeace.de (Studie zur Wettbewerbsfähigkeit von Solarenergie der KPMG)
http://www.hof.de/gemeinhardt/solar/funktion/funktion.htm (Funktionsweise einer Solaranlage) http://www.solarstromag.de (Informationen zum geplanten neuen Stromeinspeisegesetz)

HANDOUT FÜR ZUHÖRER

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

empfehlenswerte Informationsquellen:

>Verschiedenes zur Solar: Publikationen des Informationsdienstes BINE, Mechenstr. 57, 53129 Bonn,

http://bine.fiz-karlsruhe.de

>Fördermöglichkeiten: Kreditanstalt für Wiederaufbau, Frankfurt/Main http://www.kfw.de

>Technik: Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V., München http://www.dgs-solar.org

>Wettbewerbsfähigkeit Solarenergie: Studie der KPMG im Auftrag von Greenpeace http://www.greenpeace.de

>Auswahl einiger Hersteller, insbes. von Innovationen:

Pfeiffer Vacuum GmbH, Asslar (Hersteller von Dünnschicht-Produktionsanlagen) BP-Solar (größter Hersteller von PV-Anlagen), http://www.bpamoco.de Sunways AG, Konstanz (Hersteller Power-Zelle), http://www.sunways.de Kyocera GmbH, Neuss (Hersteller Solarauto), http://www.kyocera.de

Regenerative Energie wird durch Wärme und Licht erzeugt:

> Erdwärme aus dem Erdinnern

> Sonnenenergie als Wind, Sonne als Motor für Wasserkreislauf, Biomassenentstehung,

Photovoltaik, Solarthermie (Anteil Photovoltaik und Solarthermie in Deutschland ca. 1 % an Energieerzeugung)

Photovoltaik

Funktionsweise einer Solarzelle:

Halbleitermaterial, meist Silizium (aus Sand hergestellt), wird absichtlich verunreinigt (=dotiert), so daß Materialien entstehen, welche positive bzw. negative Ladungsfelder ausbilden. Bei Lichteinstrahlung bewegen sich die Ladungsträger: die positiv geladenen zu dem Metallstück auf der einen Seite, die negativ geladenen zu dem Metallstück auf der anderen Seite. Verbindet man die Metallstücke, fließt Strom.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Viele Innovationen insbes. bei amorphen Zellen (z.B. Sunways AG, Hochschule Lausanne, Pfeiffer

Vacuum Technik AG)

Es gibt ➙Netzgekoppelte Anlagen (mit öffentlichem Stromnetz verbunden)

➙Netzunabhängige Anlagen (Betrieb nur bei Sonnenstrahlung oder mit Akkumulator)

Energetische Amortisation = Zeitraum den die Anlage benötigt um die Menge Energie zu erzeugen, welche für die Produktion von ihr selbst benötigt wurde.

Bei PV-Anlagen ca. 1 ½ bis 4 Jahre, Lebensdauer ca. 30 Jahre.

Solarthermie

Praxiseinsatz: Deckung von ca. 60 % des Warmwasserbedarfs (im Winter 10-20 %, im Sommer bis 100 %)

Anwendung: Warmwasserbereitung, auch Beheizung von Freibädern, bedingt zur Gebäudeheizung

Energetische Amortisation: in ca. 4 Jahren, Lebensdauer ca. 25 Jahre, Lebensdauer des Daches berücksichtigen.

Ausblick ➙Solarthermie ziemlich ausgereift

➙ Weitreichende Forschung bei Photovoltaiktechnik (Kostenreduktion !)

➙ Neues Stromeinspeisegesetz (geplant) fördert Solarstrom (99 Pfennig/Kilowattstunde)

➙ Arbeitsplatzpotential