Photovoltaik in der Praxis

Theoretisch lassen sich mit Solarzellen beliebige Spannungen und Stromstärken erzielen. Man braucht nur die einzelnen Module - wie bei Batterien - entsprechend hintereinander (höhere Spannung) oder parallel (höhere Stromstärke) zu schalten. Der erzeugte Stom läßt sich in Batterien einspeisen, so daß er selbst dann zur Verfügung steht, wenn es dunkel ist. Ebenso kann der Solarstrom über Wechselrichter ins Netz eingespeist werden.

In der Praxis ist der photovoltaisch erzeuge Strom allerdings noch so teuer und erfordert einen derart hohen Flächenbedarf, daß er bislang nur für spezielle Anwendungen im Schwachlastbereich in Frage kommt. Zum Beispiel sind Solarzellen ideale Stromerzeuger für Taschenrechner, Kopfhörer-Radios, elektrische Weidezäune, Meßstationen, Signaleinrichtungen und sonstige verbrauchsarme Elektronik. Auch Fernsehumsetzer werden mitunter schon mit ihnen betrieben. Sie können auch preisgünstiger, als es der Bau einer Leitung wäre, die Stromversorgung einer Berghütte oder eines Wochenendhauses sicherstellen. Eine Alternative zur normalen Stromerzeugung können sie aber - bislang jedenfalls - nicht bieten.

Von praktischer Bedeutung sind die Solarzellen beim gegenwärtigen Stand der Technik vor allem für die Stromversorgung in Entwicklungsländern. In diesen sonnenreichen, aber unerschlossenen Gebieten können sie beispielsweise Bewässerungspumpen antreiben und eine bescheidene Stromversorgung, z. B. für Beleuchtung, Rundfunkempfang oder Kühlung, sicherstellen.

Solar-Kraftwerke in Deutschland

Die deutschen Stromversorger haben an verschiedenen Stellen regelrechte Solarkraftwerke errichtet. In diesen Anlagen wird die Ergiebigkeit der verschiedenen Solarzellen getestet. Außerdem erprobt man die günstigsten Techniken der Aufstellung (evt. auch Nachführung), der Stromspeicherung und der Netzeinspeisung.

Das erste Solarkraftwerk wurde 1983 auf der Insel Pellworm in Betrieb genommen. Es versorgte dort mit einer installierten Spitzenleistung von 300 kW das Kurzentrum (seit 1992 auf 600 kW erweitert. 1988 folgte eine Anlage in Kobern-Gondorf an der Mosel mit 340 kW. Drei Jahre später wurde am Neurather See zwischen Aachen und Köln eine noch größere Anlage mit 360 kW eröffnet. Außerdem gibt es zahlreiche kleinere Anlagen, die von den EVU zu Versuchszwecken eingerichtet urden.

Von 1990 bis 1999 wurde im bayerischen Neunburg vorm Wald in einem Pilotprojekt die Solar-Wasserstoff-Technologie getestet. Die rund 6000 Solarmodule der Anlage erreichen bei optimalem Wetter eine Leistung von 280 Kilowatt.

Die Wasserstoff-Technik

Ein besonderes Problem ist die Speicherung des photovoltaisch erzeugten Stroms, der ja im Tages- wie im Jahreszyklus sehr unregelmäßig anfällt. Die Speicherung in Batterien stößt bei größeren Strommengen bald an praktisch-wirtschaftliche Grenzen. Man müßte also, wie dies ja auch bei der normalen Stromerzeugung geschieht, auf Pumpspeicherkraftwerke ausweichen. Bei der Einspeisung ins Netz über Wechselrichter - einer weiteren Speichermöglichkeit - macht man indirekt von dieser Möglichkeit Gebrauch. Gerade für den photovoltaischen Gleichstrom bietet sich aber noch eine weitere Speicherungsmöglichkeit an, nämlich die elektrolytische Umwandlung zu Wasserstoff. Der Erprobung dieser Variante diente ein Solarzellenkraftwerk, das von 1990 bis 1999 im bayerischen Neunburg vorm Wald getestet wurde. Seine rund 6000 Module leisteten bis zu 280 Kilowatt. Der Strom wurde durch Wasser geleitet, das mit Hilfe von Säure oder Lauge leitend gemacht worden war. Dabei zerfielen die Wassermoleküle (H2O) in je zwei Wasserstoff- und ein Sauerstoffatom. Der so gewonnene Wasserstoff ließ sich in Tanks speichern und auf verschiedene Weise wieder energetisch nutzen: Zum Beispiel wurde er in Heizkesseln verbrannt, um Wärme zu erzeugen. Es gab in Neunburg vorm Wald auch eine Tankstelle, an der verflüssigter Wasserstoff zum Antrieb von entsprechend umgerüsteten Autos gezapft werden konnte. Bei Bedarf ließ sich der gespeicherte Wasserstoff auch wieder in Strom umwandeln. Besonderes Interesse galt dabei den sogenannten Brennstoffzellen, die den Prozeß der Elektrolyse gleichsam rückgäng machen: Durch Zufuhr eines Brennstoffs (Wasserstoff) und eines Oxydationsmittels (Sauerstoff) erzeugen sie auf chemische Weise ganz unmittelbar elektrische Energie.

Photovoltaik-Anlage am Neurather See mit 360 kW Spitzenleistung.

Relativ geringe Leistungen bei großem Flächenbedarf

Solche Solarzellen-Kraftwerke stellen allerdings nur vergleichsweise geringe Leistungen bereit, wenn man bedenkt, daß mit fossiler oder nuklearer Energie betriebene Wärmekraftwerke etwa die tausend- bis zweitausendfache Leistung erbringen. Hinzu kommt, daß die tatsächlich verfügbare Dauerleistung eines Solarzellenkraftwerks - im Gegensatz zu einem Kohle- oder Kernkraftwerk - nicht der installierte Spitzenleistung entspricht. Die angegebene Spitzenleistung wird nur unter optimalen örtlichen Verhältnissen erreicht. Die tatsächliche Leistung liegt jedoch wesentlich darunter. So müßte die Solaranlage in Kobern-Gondorf mit ihren jährlich etwa 250 000 kWh über 8000 Jahre lang betrieben werden, um mit den 500 MW eines Steinkohlekraftwerkblocks konkurrieren zu können, der jährlich etwa 2 Milliarden kWh erbringt. Oder anders gesagt: Ein konventionelles Kraftwerk erzeugt in ein paar Minuten genausoviel Strom wie die Solaranlage in Kobern-Gondorf in einem ganzen Jahr.

Dafür ist der Flächenbedarf solcher Solarzellenkraftwerke um so beachtlicher. Zum Beispiel sind in Pellworm 351 360 Solarzellen des Formats 10 x 10 cm erforderlich, von denen jeweils 20 in insgesamt 17 568 Modulen zusammengefaßt sind. Pro Kilowatt installierter Leistung wird (einschließlich der Modulrahmen) eine Fläche von 15 Quadratmetern benötigt. Wiederum auf die Leistung eines Steinkohleblocks umgerechnet, entspräche dies einer Fläche von über sieben Quadratkilometern allein für die Module. Damit hätte man aber, wie schon bemerkt, noch nicht die tatsächliche Dauerleistung zur Verfügung, wie sie Kohle- oder Kernkraftwerke bieten.

Dennoch ist der Flächenbedarf nicht das entscheidende Hindernis, um Photovoltaik im großen Stil zur Stromerzeugung einzusetzen. Das größere Handikap sind die hohen Kosten des so erzeugten Stroms: In Pellworm kostete eine Kilowattstunde noch DM 3,75. Bei neueren Anlagen ist die Photovoltaik mit etwa 2 DM noch immer etwa zehnmal so teuer wie normal erzeugter Strom.

Photvoltaisch versorgter Kleinstaubsauger

Photovoltaisch beleuchtete Bus-Wartehalle.

Blutanalyse-Gerät mit Solarstromversorgung

Weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit in Sicht

In den Labors ist man jedoch zuversichtlich, den Wirkungsgrad von Solarzellen noch erheblich verbessern und gleichzeitig die Herstellungskosten senken zu können, so daß sich der wirtschaftlich sinnvolle Einsatzbereich erheblich erweitern könnte. So hofft man, den Wirkungsgrad von Zellen aus amorphem Silizium auf bis zu 15 % steigern zu können. Durch sogenannte Tandem- oder Tripelzellen, bei denen zwei oder drei Dünnschicht-Solarzellen mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit übereinander liegen, könnte man sogar etwa 20 % erreichen.

Es wird nicht nur mit Silizium experimentiert, sondern auch mit anderen Halbleitermaterialien wie Kadmiumtellurit, Kupferindium-Diselenid oder Legierungen aus Silizium und Germanium. Ebenso hofft man das Langzeitverhalten der Dünnschicht-Zellen verbessern können, das bislang solchen aus kristallinem Silizium unterlegen ist. Bei der traditionellen "Dickschichtzelle" aus Silizium eröffnet die MIS-I-Zelle neue Möglichkeiten zur Senkung der Herstellungskosten infolge des Wegfalls von Verfahrensschritten und der Erhöhung des Wirkungsgrades durch doppelseitige Nutzung. Am fernen Horizont zeichnet sich sogar die Möglichkeit ab, die Photoynthese der Pflanzen eines Tages durch eine Art Farbanstrich kopieren zu können, der das einfallende Licht in elektrischen Strom umsetzt.

Den "Rappenecker Hof" bei Freiburg versorgen Solarmodule mit 4 kW in Verbindung mit einem Windkonverter und Dieselgenerator.