Solarthermie und Photovoltaik
I. Solartechnik garantiert Versorgungssicherheit
Die Sonne ist ein gigantisches und nahezu unerschöpfliches Kraftwerk, Solarenergie nahezu
überall anzapfbar. Bereits mit heute verfügbaren solaren Technologien könnte theoretisch
das vierfache des Weltenergiebedarfes gedeckt werden. Solarenergie ist deshalb eine der
wichtigsten Schlüsseltechnologien des dritten Jahrtausends. Sonnenenergie ist geradezu prädestiniert für den weltweiten Ausbau der Energieversorgung.
- senkt den Energieverbrauch - und damit auch die Heizkosten,
- bietet hohen Warmwasserkomfort und
- gibt die Sicherheit, erstklassige und ökologisch sinnvolle Technik zu nutzen.
Schon bei Solaranlagen mit sechs Quadratmeter Kollektorfläche können bis zu 60 Prozent der Energie für die Trinkwassererwärmung eingespart werden.
Einführung in die Solarthermie
Im Folgenden geht es um die Themen Solarenergie, wie groß also beispielsweise das Strahlungsangebot der Sonne ist und es geht um den Beitrag von Solaranlagen zur Energieeinsparung.
Bei der Solartechnik steht die Brauchwasserbereitung, Schwimmbaderwärmung und die Heizungsunterstützung durch die Sonne im Mittelpunkt. Wie Solaranlagen integriert werden können und welche Qualitätskriterien bei Solaranlagen wichtig sind, wird im Abschnitt Solarthermie erläutert.
Solarheizung - nur mit der Sonne heizen
Bei einer Solarheizung fangen die Kollektoren im Sommer die Solarenergie auf, die in großen, saisonalen Speichern gelagert wird.
Im Winter jedoch ist die Energieausbeute für eine direkte Solarheizung in Gebäuden zu gering.
Solaranlagen können für die Gebäudeheizung nur einen geringen Beitrag leisten, weil die Sonne im Winter, zur Zeit des größten Bedarfs, nur eine sehr wenig nutzbare Leistung hervorbringt.
So sind bei einer Solarheizung, die die Trinkwassererwärmung und die Heizung unterstützen soll, eine große Kollektorfläche und ein großes Speichervolumen notwendig.
Die dafür notwendigen Investitionskosten für eine solche Solarheizung stehen in keinem Verhältnis zur Energieeinsparung.
Der Wunsch nach einer echten Solarheizung lässt sich nur mit sehr aufwendigen und teuren Anlagenkonzepten verwirklichen. Insbesondere die Speicher zur saisonalen Speicherung von Wärme für die Solarheizung sind teuer. Eine ausschließlich solare Wärmeversorgung ist aus diesem Grunde nicht wirtschaftlich.
Eine Solaranlage zur Warmwasserbereitung hat folgende Komponenten:
• Kollektorfeld
• Solarkreislauf mit Pumpe, Ausdehnungsgefäß und Sicherheitseinrichtung
• Solar-Regler
• Speicher mit zwei Wärmetauschern, Kaltwasserzulauf und Warmwasserauslauf
• Nachheizung mit Heizkessel, Speicherladepumpe und zugehöriger Regelung.
Bei einer Solaranlage entfallen etwa zwei Drittel der Investitionskosten auf Einzelkomponenten, ein Drittel ist für die Montage anzusetzen. Bei den Komponenten machen Kollektorfeld und Speicher den Hauptteil der Kosten aus. Der Rest verteilt sich auf die Regelung, das Rohrmaterial und sonstiges Zubehör.
Bei der Berechnung der Solaranlagen Wirtschaftlichkeit können Solaranlagen heute mit Heizöl oder Erdgas aus rein betriebswirtschaftlicher Sicht noch nicht konkurrieren. Aus volkswirtschaftlicher Sicht müssen bei der Berechnung der Solaranlagen Wirtschaftlichkeit die Solaranlagen positiver beurteilt werden, da sie die Umwelt schonen und die Abhängigkeit von Energieimporten verringern.
Förderung
Bei der Berechnung der Solaranlagen Wirtschaftlichkeit ist unbedingt zu berücksichtigen, daß Solaranlagen im Rahmen des Bundesprogramms zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien mit einem Zuschuß gefördert werden.
Darüber hinaus fördert die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) im Auftrag der Bundesregierung den Bau von Solaranlagen durch zinsgünstige Darlehen im Rahmen des Programms zur CO2-Minderung.
Immobilien haben eine sehr lange Lebensdauer, häufig über Generationen hinweg.
Aus diesem Grunde wollen Maßnahmen zu Modernisierung und zur Energieeinsparung wohl überlegt und berechnet sein, denn sie sollen auf lange Jahre hin Bestand haben.
II. Photovoltaik
Arten von Solarzellen
• Monokristalline Solarzellen,
• Polykristalline Solarzellen,
• Amorphe Silizium-(Si) Solarzellen
Derzeit werden in erster Linie monokristalline, polykristalline und amorphe Silizium-(Si) Solarzellen produziert.
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Zellen haben mit die größte Bedeutung, da sie den besten Wirkungsgrad aufweisen und das Ausgangsmaterial, hochreine Siliziumscheiben, aus der Halbleiterfertigung hinreichend bekannt ist.
Derzeit werden zur Herstellung von Si-Einkristallen vor allem die Verfahren Zonenziehen und Tiegelziehen verwendet. Beim Tiegelziehen wird ein Siliziumstab hergestellt, indem ein Si-Einkristall langsam aus einer Siliziumschmelze herausgezogen wird. Beim Zonenziehen entstehen ebenfalls Siliziumstäbe. Diese Stäbe werden in Scheiben mit einer Stärke von 0,2 bis 0,4 mm gesägt. Die entstandenen Scheiben müssen noch verschiedene Produktionsschritte durchlaufen, so zum Beispiel:
• Abschleifen und Reinigung
• Dotierung
• Metallkontakte aufbringen
• Oberfläche veredeln (Antireflex-Schicht aufbringen)
Der Herstellungsprozeß für monokristallines Silizium ist sehr energie- und damit auch kostenintensiv.
Polykristalline Solarzellen
Aus diesem Grund wird häufig auch polykristallines Silizium (Poly-Si) verwendet.
Poly-Si entsteht, wenn eine Siliziumschmelze langsam und kontrolliert abgekühlt wird, der entstandene Poly-Si Block wird dann gesägt und weiterbehandelt wie oben beschrieben. Das Einkristallziehen entfällt.
Innerhalb des Kristalls befinden sich dadurch kristalline Bereiche, welche durch Korngrenzen getrennt sind. Die an diesen Korngrenzen auftretenden Verluste verursachen den geringeren Wirkungsgrad gegenüber monokristallinen Zellen. Trotz dieses Umstandes gewinnt die polykristalline Zelle an Bedeutung, da die Herstellung günstiger ist.
Amorphe Silizium-(Si) Solarzellen
Um die erwähnten energieintensiven Herstellungsverfahren und die beim Sägen entstehenden Abfälle zu vermeiden, gibt es die Möglichkeit, Silizium auf ein Trägermaterial aufzudampfen und es dann zu dotieren. Man spricht dann von amorphem Silizium.
Bei dieser Technologie gibt es zwei Nachteile. Zum einen ist der Wirkungsgrad wesentlich niedriger als der kristalliner Zellen und zum anderen sind die Zellen von einer Degradation betroffen, das heißt, daß der Wirkungsgrad in den ersten Betriebsmonaten absinkt.
Diesen Nachteilen gegenüber steht die günstige und einfache Herstellung, die Möglichkeit auch großflächige Zellen herzustellen und der geringere Energieeinsatz.
Neben den Silizium-Zellen existieren auch noch andere Technologien, die in Zukunft wahrscheinlich vermehrt Anwendung finden werden
• Dünnschichtzellen, bei denen dünne, kristalline Siliziumschichten auf einen Träger aufgebracht werden. Dünnschichtzellen werden aus Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2) hergestellt. Vorteile liegen in dem geringen Rohstoffverbrauch und in der einfachen Herstellung. Es werden auch gute Wirkungsgrade erwartet.
• Gallium-Arsenid (GaAs)-Zellen haben hohe Wirkungsgrade und sind relativ temperaturunabhängig. Sie werden vor allem für Spezialanwendungen, wie den Einsatz im Weltall, hergestellt. Gallium kommt sehr selten vor und Arsen ist hochgiftig.
• Tandem-Zellen bestehen aus zwei aufeinanderliegenden Solarzellen z.B. aus Si und GaAs, wodurch das Spektrum des einfallenden Lichtes besser genutzt werden kann und der Wirkungsgrad somit höher ist.
Aufstellung von Solarmodulen
Das Solarmodul soll im Betrieb ein Maximum an elektrischer Energie erzeugen.
Um das zu erreichen, muß möglichst viel Strahlungsleistung den Solarzellen "eingefangen" werden.
Der direkte Strahlungsanteil auf der Moduloberfläche wird maximal, wenn die Sonnenstrahlung im rechten Winkel einfällt. Ist dies nicht der Fall, so verringert sich die Leistung mit dem Cosinus des Fehlwinkels Beta.
Bei fest installierten Modulen ist der Einfallswinkel der Strahlung nicht konstant, sondern von der Bewegung der Erde um die Sonne abhängig.
Der Einfallswinkel wird durch folgend Umstände bestimmt:
• der geographischen Breite des Aufstellungsortes
• der Deklination der Sonne (Jahresgang)
• dem Stundenwinkel (Tagesgang)
Für festinstallierte Module muß der Neigungswinkel der Module entsprechend gewählt werden. Um über das gesamte Jahr in unseren Breiten ein Maximum an Energie umzuwandeln, muß das Modul in südlicher Richtung mit 30 bis 45° angestellt werden. Soll die Solaranlage auf das Winterhalbjahr optimiert werden, sind Neigungswinkel von 60 bis 70° günstiger.
Bei der Aufstellung der Module ist auch darauf zu achten, daß sie nicht von Bäumen, Häusern oder ähnlichem abgeschattet werden. Insbesondere ist der tiefste Sonnenstand in südlicher Richtung im Winter zu beachten.
Werden mehrere Module hintereinander aufgestellt, so ist der Abstand b genügend groß zu wählen, um die gegenseitige Abschattung zu vermeiden.
Eine Alternative stellt die Nachführung der Module nach der Einstrahlung dar. Es gibt mehrere Konzepte zur Nachführung, so kann das Modul einachsig, dem Stundengang der Sonne oder dem Jahresgang nachgeführt werden. Die zweiachsige Nachführung ist in beide Richtungen wirksam.
Die Steuerung der Anlage kann von einem Rechner übernommen werden, welcher den aktuellen Sonnenstand berechnet und die Module optimal ausrichtet. Eine andere Möglichkeit ist die ständige Messung der Einstrahlung und die anschließende Regelung auf ein Maximum oder eine thermodynamische Steuerung.
Die bessere Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch die Nachführung der Module wird aber meist durch einen stark erhöhten Aufwand kompensiert, so daß ein solches Konzept nur unter besonderen Bedingungen Vorteile verspricht.
Anwendungsgebiete für Photovoltaikanlagen
Die mit Hilfe der Photovoltaik aus der Sonnenstrahlung gewonnene Elektroenergie kann auf verschiedene Arten genutzt werden. Man unterscheidet bei dem Einsatz von Solarmodulen den Insel- und den Netzbetrieb.
Inselbetrieb bedeutet, daß das System, bestehend aus Energieverbraucher und Energieerzeuger, ein in sich geschlossenes und lokal begrenztes ist. Die Energieversorgung eines Schiffes oder einer Berghütte erfolgen zum Beispiel über Inselnetze.
Von Netzbetrieb spricht man, wenn ein überregionales Energieversorgungsnetz existiert und man die erzeugte Energie in dieses einspeist bzw. die Verbraucher Ihre Energie aus diesem Netz beziehen.
Beide Betriebsarten stellen verschiedene Anforderungen an den Energieerzeuger.
Beim Inselbetrieb ist das Problem der Versorgungssicherheit zu lösen, da eine solare Energieversorgung nur bei Sonneneinstrahlung funktioniert, muß die gewonnene Energie gespeichert werden.
Da ein Solargenerator Gleichstrom produziert, können entweder nur entsprechende Verbraucher verwendet werden oder man hat nach der Speichereinrichtung (Akkumulator) noch einen Wechselrichter vorzusehen, welcher den Betrieb von herkömmlichen Verbrauchern ermöglicht.
Im Netzbetrieb ist zu beachten, daß der generierte Gleichstrom wechselgerichtet werden muß, dafür kann aber auf die Energiespeicherung verzichtet werden. Das Netz stellt nötige Energie bereit und nimmt überschüssige Energie auf.
Förderung
Darüber hinaus fördert die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) im Auftrag der Bundesregierung den Bau von Photovoltaikanlagen durch zinsgünstige Darlehen im Rahmen des Programms zur CO2-Minderung.
