Sonnenkraftwerke
Arten und Technik
Die Solarenergie leistet einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung und zur Energiewende. Solarenergie lässt sich zur Wärmeerzeugung in Solarthermieanlagen nutzen oder wird zur Stromgewinnung in Fotovoltaikanlagen verwendet. Allerdings unterliegt die Sonneneinstrahlung naturgemäß starken jahres- und tageszeitlichen Schwankungen.
Photovoltaik
Strom aus Sonnenlicht
Photovoltaik bedeutet, Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Begriff leitet sich aus dem griechischen Wort für „Licht“ (photos) sowie aus der Einheit für elektrische Spannung (Volt) ab. Photovoltaikanlagen wandeln das Sonnenlicht über Solarzellen direkt in elektrische Energie um.
Leistung von Photovoltaikanlagen
Herkömmliche Solarmodule setzen heute bis zu 30 Prozent des aufgenommenen Lichts in Strom um. Die Leistung von Fotovoltaikanlagen wird in Watt-Peak (Wp) oder Kilowatt-Peak (kWp) angegeben. Die englische Bezeichnung „peak“ bezieht sich dabei auf die höchstmögliche Leistung der Anlage, auch installierte Leistung genannt.
Lichteinstrahlung, Einstrahlungswinkel, Lichtspektrum und Temperatur, die auf Solarzellen treffen, sind je nach Region in Deutschland unterschiedlich. Deshalb produziert eine baugleiche Fotovoltaikanlage – je nach Standort – unterschiedlich viel Strom. Als Faustregel für die Jahresleistung einer Fotovoltaikanlage in Süddeutschland gilt: eine Kilowattstunde (kWh) pro Watt (Wp) der Nennleistung. Im Norden liegen die Werte wegen der geringeren Sonneneinstrahlung etwas niedriger.
So funktioniert die Erzeugung
Das Sonnenlicht erzeugt an der Grenzschicht zwischen verschiedenartigen Halbleitern Elektronen-Loch-Paare, die in einem elektrischen Feld voneinander getrennt werden. So wird zwischen den Anschlusskontakten eine elektrische Gleichspannung erzeugt.
Wie das genau funktioniert, zeigt auch dieses Video der HTW Berlin.
Die einzelnen Solarmodule werden in Reihe geschaltet (Reihenschaltung), wobei sich die Spannungen summieren. In einem Wechselrichter wird Gleichstrom mit hoher Spannung in Wechselstrom umgewandelt. Dies ist notwendig, um die durch die Sonne gewonnene Energie in das Stromnetz einspeisen oder selbst verwenden zu können.
Material
Solarzellen sind in der Regel zehn mal zehn Zentimeter groß und werden zu Modulen verschaltet. Es gibt mehrere Klassen von Solarzellen, die sich in Kosten und Wirkungsgrad unterscheiden. Die wichtigsten sind:
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Art
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Material
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Anwendung
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|---|---|---|
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Art
Kristalline Siliziumzellen:
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Material
Kristallines Silizium (Si)
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Anwendung
Rund 90 Prozent aller Solarmodule
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Art
Dünnschichtzellen
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Material
Meist amorphes Silizium (a-Si), auch Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Diselenid (CIS), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)
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Anwendung
Etwa 10 Prozent aller Solarmodule
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Art
Galliumarsenidzellen
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Material
Galliumarsenid (GaAs)
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Anwendung
Meist als Dünnschichtzelle für Spezialanwendungen, wie im Weltraum (z. B. für die Energieversorgung von Satelliten)
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Art
Organische Zellen
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Material
Organisches Material aus der Natur
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Anwendung
Derzeit noch in einem frühen Entwicklungsstadium
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Dünnschichtzellen
Bislang fertigen Hersteller rund 90 Prozent aller Solarmodule aus kristallinem Silizium. Eine Alternative zu diesen Modulen sind die sogenannten Dünnschichtzellen. Sie heißen so, weil die Strom erzeugenden Schichten nur wenige Mikrometer dick sind. Das Material wird in hauchdünnen Schichten auf einen Träger – aus Glas, Kunststoff oder Metallfolie – aufgebracht. Je nachdem, welches solaraktive Material (auch Absorber genannt) verwendet wird, unterscheiden Experten bei Solarzellen zwischen amorphem Silizium (a-Si), Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS).
Dünnschichtsolarzellen gibt es in verschiedenen Varianten. Das bisher gängigste Material ist amorphes Silizium. Der Vorteil: Da bei der Herstellung siliziumhaltiges Gas verwendet wird, muss bis zu 500-fach weniger Silizium eingesetzt werden als bei kristallinen Zellen. Auch das aufwendige Zuschneiden von Siliziumblöcken entfällt, bei dem knapp die Hälfte des Siliziums verloren geht.
Der Wirkungsgrad amorpher Siliziumzellen liegt mit etwas mehr als zehn Prozent zwar deutlich unter dem Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen. Er kann aber durch die Kombination mehrerer Schichten gesteigert werden: Diese absorbieren dann unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts. Auch die Kombination aus amorphem und mikrokristallinem Silizium, mikromorph genannt, bringt eine Steigerung des Wirkungsgrads.
Weitere Materialien für Dünnschichtzellen sind: Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) mit diversen Untergruppen. Die beiden Technologien sind mit 15 bis 17 Prozent Effizienz nah beieinander. Die Produktionskosten der CIGS-Module haben sich inzwischen der Siliziumtechnologie angeglichen. Künftig soll der Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Kostensenkung weiter gesteigert werden.
Tandem-Zellen
Bei der Tandem-Technologie werden beide Solarzellen-Arten kombiniert. Sowohl dünnschichtige als auch kristalline Solarzellen sind dabei übereinander geschichtet. Weil sie das Spektrum des Sonnenlichts effektiver ausnutzen, verfügen sie über einen Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent. Aktuell befinden sich Tandem-Zellen noch im Entwicklungsstadium.
Solarenergie bei der EnBW
Wissenswertes zur Solarenergie bei der EnBW:
Solarenergie
Solarthermieanlagen
Unter Solarthermie versteht man die Umwandlung der Sonnenenergie in Wärme. Die erste solarthermische Nutzung geht zurück bis in die Antike: Brenn- und Hohlspiegel wurden im alten Ägypten oder in den frühen südamerikanischen Hochkulturen für die Fokussierung von Sonnenstrahlen verwendet.
Die Herausforderung bei der Solarthermie besteht in der begrenzten Speicherfähigkeit von Wärme. Haushalte mit einer solarthermischen Anlage auf dem Dach haben deshalb meistens einen großen Wasserspeicher. In ihm kann die Wärme für einige Tage gespeichert werden. Um die im Sonnenlicht enthaltene Energie zu sammeln, werden thermische Solarkollektoren verwendet. Sie heizen mit der absorbierten Sonnenenergie ein Übertragungsmedium auf.
Temperaturbereiche
Bei der Solarthermie unterscheidet man zwei Temperaturbereiche.
Niedrigtemperatur
Niedrigtemperatur
Flachkollektoren
Ein beschichtetes Absorberblech in einem flachen Kollektor wandelt die Sonneneinstrahlung in Wärme um und gibt diese an ein Wärmeträgermedium, in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch, ab. Im Warmwasserspeicher geht die Wärme auf das Brauchwasser über. Die Energieübertragung erfolgt mithilfe eines Wärmetauschers, wobei das Wärmeträgermedium und das Brauchwasser nicht miteinander in Kontakt kommen. Flachkollektoren arbeiten durchschnittlich bei Temperaturen von 80 bis maximal 150 Grad Celsius. Ihr Einsatzgebiet ist die Warmwasserversorgung und Raumheizung.
Vakuumröhrenkollektoren
In ihnen sitzt der Absorber in einer luftleeren Glasröhre, was den Wärmeverlust deutlich verringert. Der Absorber sammelt die im Sonnenlicht enthaltene Energie und wandelt sie in Wärme um. Diese Kollektoren arbeiten typischerweise bei Temperaturen von 150 bis maximal 230 Grad Celsius.
Hochtemperatur
Hochtemperatur
Werden höhere Temperaturen gebraucht, muss das Licht gebündelt werden. Das kann über Reflektoren in Vakuumröhrenkollektoren geschehen oder über Spiegel, die das Licht auf eine zentral verlaufende Wärmeleitung bündeln. So funktioniert etwa ein Parabolrinnenkollektor. Seine Arbeitstemperatur liegt zwischen 200 und 500 Grad Celsius und erreicht maximal 1.000 Grad Celsius. Noch höhere Temperaturen von bis zu 1.200 Grad Celsius erzielen Solarturmkraftwerke, bei denen ein ganzes Feld von Spiegeln die Strahlen auf einen Brennpunkt an der Spitze eines Turms bündelt. Dabei muss jeder einzelne Spiegel der Sonne nachgeführt werden. Das derzeit größte Solarturmkraftwerk steht in Kalifornien.
Niedrigtemperatur
Flachkollektoren
Ein beschichtetes Absorberblech in einem flachen Kollektor wandelt die Sonneneinstrahlung in Wärme um und gibt diese an ein Wärmeträgermedium, in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch, ab. Im Warmwasserspeicher geht die Wärme auf das Brauchwasser über. Die Energieübertragung erfolgt mithilfe eines Wärmetauschers, wobei das Wärmeträgermedium und das Brauchwasser nicht miteinander in Kontakt kommen. Flachkollektoren arbeiten durchschnittlich bei Temperaturen von 80 bis maximal 150 Grad Celsius. Ihr Einsatzgebiet ist die Warmwasserversorgung und Raumheizung.
Vakuumröhrenkollektoren
In ihnen sitzt der Absorber in einer luftleeren Glasröhre, was den Wärmeverlust deutlich verringert. Der Absorber sammelt die im Sonnenlicht enthaltene Energie und wandelt sie in Wärme um. Diese Kollektoren arbeiten typischerweise bei Temperaturen von 150 bis maximal 230 Grad Celsius.
Hochtemperatur
Werden höhere Temperaturen gebraucht, muss das Licht gebündelt werden. Das kann über Reflektoren in Vakuumröhrenkollektoren geschehen oder über Spiegel, die das Licht auf eine zentral verlaufende Wärmeleitung bündeln. So funktioniert etwa ein Parabolrinnenkollektor. Seine Arbeitstemperatur liegt zwischen 200 und 500 Grad Celsius und erreicht maximal 1.000 Grad Celsius. Noch höhere Temperaturen von bis zu 1.200 Grad Celsius erzielen Solarturmkraftwerke, bei denen ein ganzes Feld von Spiegeln die Strahlen auf einen Brennpunkt an der Spitze eines Turms bündelt. Dabei muss jeder einzelne Spiegel der Sonne nachgeführt werden. Das derzeit größte Solarturmkraftwerk steht in Kalifornien.