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Dienstag, 2020-04-07

Photovoltaik

Betriebsweisen
Photovoltaik ist eine Möglichkeit aus Sonnenlicht direkt Strom zu erzeugen. Die üblicherweise aus einem Halbleitermaterial gefertigte Solarzelle hebt bei dem durch Lichteinstrahlung bestehenden Photonenbeschuss Elektronen von einem niedrigen Energielevel auf ein höheres, was zu Spannung führt. Als Halbleitermaterial wird meist Silizium verwendet. Dieser Rohstoff ist in sehr großen Mengen vorhanden. Sand zum Beispiel besteht auch aus Silizium. Für die Produktion von Solarzellen muss dieses Silizium allerdings sehr hohe Reinheit aufweisen. Dann muss man es einschmelzen um Kristalle zu ziehen. Dieses Einschmelzen erfordert natürlich Energie, jedoch erreichen Photovoltaikanlagen ihre energetische Amortisation (Energierücklaufzeit) bereits in drei bis sieben Jahren. Das ist jene Zeitspanne, die eine Photovoltaikanlage benötigt, um soviel Energie zu erzeugen, wie für ihre Herstellung benötigt wurde. Photovoltaik hat den Vorteil, dass es völlig emissionsfrei arbeitet. Weder Abgase noch Lärm werden beim Betrieb verursacht, und als Energiequelle wird die Sonne genutzt. Diese strahlt mit einer Leistung von ungefähr 1000 Watt pro Quadratmeter herab. Photovoltaik zeichnet sich ebenso wie die Solarthermie dadurch aus, dass keine Logistik für die Zuführung eines Kraftstoffes erforderlich ist. Es würde in Österreich ausreichen 2% der Fläche mit Photovoltaikmodulen zu bedecken um damit gleich viel Strom zu erzeugen wie das ganze Land im Jahr benötigt. Als Problem bliebe die Tatsache, das die Stromerzeugung unregelmäßig und nur in bestimmen Zeiten geschieht, der Bedarf hingegen ständig besteht. Da wir in Österreich über Pumpspeicherkraftwerke verfügen, können diese überschüssigen Energien bei entsprechendem Stromnetz Management auch durchaus effizient gespeichert werden. Gerade weil Photovoltaik zur Mittagszeit – der Stromverbrauchsspitze – die höchste Ausbeute hat, könnte sie auch im Spitzenlast-Management eine vorteilhafte Rolle einnehmen, z. B.: höchste Erträge zu Zeiten hohen Kühlbedarfes liefern.

Betriebsweisen
Bei Inselsystemen versorgt die Photovoltaikanlage einen autarken Bereich der vom öffentlichen Stromnetz unabhängig ist. Nachdem die Sonne nicht immer scheint, benötigt man die Möglichkeit Strom zwischenzuspeichern. Dafür sind im Inselbetrieb spezielle Solarbatterien vorgesehen. Komplexere Systeme erzeugen mittels Elektrolyse Wasserstoff, der als Energiespeicher fungiert. Dieser kann dann bei Bedarf durch eine Brennstoffzelle wieder Strom erzeugen.

Meist werden Photovoltaikanlagen mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Dazu benötigt man Wechselrichter die den Gleichstrom der Module in Wechselstrom umwandeln, den man dann in das Stromnetz einspeisen kann. Das hat den Vorteil, dass man keinen eigenen Stromspeicher benötigt, das Netz wirkt puffernd, und wenn der eigene Bedarf die Erzeugung übersteigt bezieht man einfach Strom aus dem Netz. Wenn der eigene Bedarf geringer ist als die Erzeugung kann man den Überschuss in das Netz einspeisen und bekommt diesen vergütet. Rentabel ist dies nur wenn man für den eingespeisten Strom mehr als den Marktpreis von Strom erhält. Da die Investitionskosten von Photovoltaik derzeit noch hoch sind, braucht es Einspeisetarife, die staatlich gefördert werden damit sich die Investition amortisieren kann.

Zellentypen
Die monokristalline Solarzelle ist eine dünne Siliziumschicht die von einem einzigen Kristall abgeschnitten wurde. Beim Herstellungsverfahren werden über einen Meter lange Kristalle gezogen, die dann zerschnitten werden. Auf diese dünne Scheibe werden noch Kontakte aus Metall aufgedampft und das Ganze wird in Module eingebettet. Die monokristalline Zelle hat einen sehr guten Wirkungsgrad von ca. 17 %, ist jedoch aber auch am aufwändigsten in der Herstellung.

Bei der polykristallinen Solarzelle werden Kristallblöcke gezüchtet, die aus mehreren Kristallen bestehen. Von diesen werden dann dünne Scheiben abgeschnitten, die später eine Zelle bilden. Durch die Grenzschichten zwischen den einzelnen Kristallen ergeben sich Widerstände, die den Wirkungsgrad etwas geringer ausfallen lassen als bei der Monokristallinen. Polykristalline Zellen haben Wirkungsgrade im Bereich von ca. 15%, sind dafür etwas einfacher herzustellen als die Monokristallinen.

Bei Dünnschichtzellen (auch amorphe Zellen genannt) wird eine nicht kristalline Siliziumschicht auf eine Trägerplatte aufgedampft. Dies hat enorm geringe Werkstoffdichten und damit geringen Materialverbrauch zur Folge. Nachteil dieser Zellen ist der relativ geringe Wirkungsgrat von ca. 6 %. Weiters haben diese Zellen die Eigenschaft, dass sich der Wirkungsgrad nach einem halben Jahr Betrieb leicht senkt, um dann auf dem etwas tieferen Niveau zu bleiben. Die Dünnschichttechnologien mit den hochwertigen Basismaterialien CIS (Kupfer-Indium-Diselenid) und CdTe (Cadmium-Tellurid) mit einem Zellwirkungsgrad von etwa 10 % sind bei Kleinmodulen bereits weit verbreitet.

Module mit Hochleistungszellen sind relativ neu auf dem Markt und teuerer als Standardmodule. Diese Hochleistungszellen sind meist optimierte monokristalline Zellen, die durch neue aufwändigere Technologien z. B. bei Kontaktierung, Oberflächenbehandlung oder spezielle Halbleiterschichtung den höchsten Wirkungsgrad mit Zellwirkungsgrad von 19,5 % erreichen.

Geforscht wird im Bereich Photovoltaik auf verschiedensten Ebenen. Von alternativen Materialien über Mehrschichtzellen bis hin zu biologischen Zellen wird vieles getestet.

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