Photovoltaik

Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs war Physiker und Schüler des berühmten Heinrich Hertz, der die Entdeckung seines Lehrmeisters, den Photoeffekt, weiter untersuchte und dabei die theoretischen Grundlagen zu dem schuf, was heute die wichtigste Komponente zur Erzeugung regenerativer Energien darstellt. Die Erzeugung von elektrischer Energie durch eine Photovoltaikanlage.

Hallwachs war zum Anfang des 20. Jahrhunderts noch weit davon entfernt, aus seinen Forschungen eine moderne Solarstromanlage zu entwickeln, deren Kernelement die auf Silicium basierenden Solarzellen sind. Silicium ist ein chemisches Element, das sogar Bestandteil des menschlichen Organismus ist, jedoch in Bezug auf Photovoltaik-Anlagen als Halbleiter eine herausragende Rolle spielt. Es ist für die Solarstromerzeugung nicht das absolut beste Material, aber es ist in riesigen Mengen verfügbar und relativ leicht herzustellen, zudem besitzt es eine hohe Lebensdauer.
Der Photoeffekt basiert auf der Erkenntnis, das sich aus Metallen und Halbleitern mittels Bestrahlung mit Lichtwellen Elektronen lösen. Diese Elektronen können durch einen entsprechenden Aufbau rund um die Solarzelle in leitfähige elektrische Energie gewandelt werden. Die einzelnen Solarzellen werden zu Solarpaneelen zusammengeschaltet, die wiederum miteinander zu großflächigen Solaranlagen verbunden werden. Der Grund, warum die gesamte Anlage im Prinzip aus nur etwa 10 x 10 cm großen Solarzellen besteht, liegt in der Fertigungstechnik von hochreinem Halbleitersilicium, die nur eine bestimmte Größe zulässt.
Die mittels Sonneneinstrahlung erzeugte elektrische Energie in einer Photovoltaik Anlage wird in der Regel zuerst als Gleichstrom an einen Wechselrichter geleitet, um daran anschließend als Wechselstrom zur Verfügung zu stehen.

Eine Solaranlage besteht zunächst aus einzelnen Solarmodulen, die jede für sich eine bestimmte Leistung besitzen, abhängig davon, wie viele Solarzellen in dem Modul zusammengeschaltet sind. Ausgehend davon, das eine Solarzelle einen Mittelwert von 0,5 Volt erzeugt, kann die Leistungsfähigkeit des gesamten Moduls hochgerechnet werden, beispielsweise entspricht ein Solarmodul mit 24 Solarzellen einer Leistung von 12 V. In der Solaranlage werden üblicherweise mehrere solcher Solarmodule in Reihe zusammengeschaltet, dass bedeutet, dass die Volt-zahl gleich bleibt, hier im Beispiel 12 V., die elektrische Stromstärke jedoch mit jedem zusätzlichen Modul steigt.
Die aus den Solarmodulen erzeugte Energie wird je nach Aufbau an einen Wechselrichter oder an entsprechende Speichereinheiten weiter geleitet. Üblicherweise sind moderne Photovoltaikanlagen so aufgebaut, das über eine entsprechende Schaltung die erzeugte Energie bedarfsgerecht geführt wird. Besteht also im Haushaltsnetz sofortiger Bedarf durch Verbraucher, etwa die Waschmaschine, „zieht“ der Wechselrichter direkt 12 V. Gleichstrom aus den Solarmodulen und wandelt diesen in 230 V. Wechselstrom um. Ist der Bedarf gering, werden mit dem Solarstrom angeschlossene Akkumulatoren geladen, die wiederum den gespeicherten Strom dann zur Verfügung stellen, wenn der Solarstrom nicht oder in nicht ausreichendem Maß zur Verfügung steht, also nachts oder bei bedecktem Himmel. Ebenso kann überschüssiger Strom in das öffentliche Netz eingespeist werden, was wiederum einen Solarwechselrichter notwendig macht. Das clevere Strom-Management durch entsprechende Steuereinheiten trägt neben der Senkung der Fertigungskosten von Photovoltaikanlagen in großem Umfang zu deren Wirtschaftlichkeit bei.

Bereits seit dem Jahr 1991 besteht das Stromeinspeisungsgesetz, das zu dieser Zeit vorwiegend für kleinere Unternehmen geschaffen wurde, damit diese ihre erzeugte Energie in die Netze der großen Kraftwerksbetreiber gegen Vergütung abgeben konnten. Der Nachfolger davon ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz aus dem Jahr 2000, kurz EEG, das seit seiner Einführung mehrmals novelliert und damit den Rahmenbedingungen angepasst wurde. Für Betreiber von Photovoltaik-Anlagen besitzt die im Juni 2012 beschlossene Novelle zum EEG besondere Bedeutung, da darin bestimmte Ausbauziele sowie eine flexible Anpassung der Degression festgelegt wurden.
Überwiegend werden heute Dachanlagen verbaut, die einen Leistungsbereich von bis zu 10 kWp besitzen. Für diese häufig vorkommenden Photovoltaikanlagen ist ab Oktober 2015 bis Ende Dezember 2015 eine Einspeisevergütung von 12,31 Eurocent pro kWh festgelegt. Über das Jahr 2015 hinaus unterliegt die Einspeisevergütung zunächst einem Schätzwert und wird erst verbindlich festgelegt, wenn Zahlen über den weiteren Ausbau der Photovoltaikanlagen in Deutschland bekannt sind. Mit der Größe der Anlage sinkt die Einspeisevergütung. Ab 10 bis 40 kWp beträgt sie bis Dezember 2015 noch 11,97 Eurocent pro kWh, ab 40 bis 500 kWp im selben Zeitraum bei Dachanlagen auf Wohngebäuden noch 10,71 Eurocent und bei Nichtwohngebäuden und Freiflächen noch 8,53 Eurocent.
Grundsätzlich werden Großanlagen mit einer Leistung von über 10 Megawatt nicht mehr nach dem EEG gefördert.
Anzumerken ist bei den Einspeisevergütungen, das diese bei der Inbetriebnahme der Photovoltaikanlage für 20 Jahre festgelegt werden. Folgende Absenkungen betreffen also nur zu diesem Zeitpunkt neu in Betrieb genommene Anlagen.

Eine wichtige, wenn auch nicht direkt zur Photovoltaikanlage gehörende Komponente ist der Energiespeicher beziehungsweise die Batterien oder Akkumulatoren. Mit deren Hilfe wird Solarstrom zwischengespeichert, der nicht verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist wurde. Ebenso dienen Solarakkus beim Betrieb von Inselanlagen, also vom öffentlichen Netz unabhängigen Elektroinstallationen, für die Zwischenspeicherung der Energie. Batterien sind nicht nur in Bezug auf Solaranlagen ein aktuelles Thema und sorgen im Besonderen durch ihre Kapazität für Gesprächsstoff. In der Vergangenheit und auch heute noch besitzt der Bleiakkumulator ein sehr günstiges Preis-Leistungsverhältnis und findet aus diesem Grund ein großes Anwendungsfeld. Der Nachteil von Blei-Akkus ist die sogenannte Säureschichtung, die mit der Zeit die Ladetiefe und damit die Leistungsfähigkeit der Batterien verringert. Blei-Gel-Akkus lösen zwar dieses Problem, erlauben dafür jedoch keine so hohe Ladezyklen wie der reine Blei-Akku. Eine Alternative zu den speziellen Solarbatterien wären die normalerweise in Gabelstaplern verwendeten Traktionsbatterien, deren Ladezyklen noch über den der Blei-Akkus liegen und ähnlich günstig in der Anschaffung sind.
Lithium-Ionen-Akkus sind inzwischen aufgrund von Massenproduktion ebenfalls in einem Preissegment angekommen, die sie auch für Solaranlagen wirtschaftlich machen. So liegen deren Anschaffungskosten nur noch knapp über dem von Blei-Akkus und es ist zu erwarten, das die Preise weiter fallen. Li-Ion-Akkus können neben der besseren Umweltverträglichkeit zudem bis zu 10.000 Ladezyklen vorweisen.

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