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31.7.2007

M 04.28 Fotovoltaik

Informationen zu Fotovoltaikanlagen und Solarzellen: Fotovoltaik ist eine Technik, die die direkte und die diffuse Sonneneinstrahlung zur Erzeugung von Strom nutzt und in Deutschland überall einsetzbar ist.

Die Sonne ist die bedeutendste Quelle für erneuerbare Energie. Sie strahlt [...] eine Energiemenge auf die Erde ab, die um mehr als vier Zehnerpotenzen über dem anthropogenen Energieverbrauch liegt. Wenn es gelänge, nur 0,1% dieser Sonnenenergie in nutzbare Energie zu überführen, würde die nachhaltige Energiewirtschaft unmittelbar Realität werden. In unseren Breiten beträgt die Leistung der Globalstrahlung im Sommer bis zu 1,2 kW pro qm, die gelieferte Energiemenge beträgt um die 5 kWh pro qm und Tag. Selbst hier in den gemäßigten Breiten liegt die Einstrahlung somit ca. 80-fach über dem Bedarf an Primärenergie.

Eine der Möglichkeiten zur Nutzung der Sonnenenergie ist die Fotovoltaik. Fotovoltaik ist eine Technik, die die direkte und die diffuse Sonneneinstrahlung zur Erzeugung von Strom nutzt. Sie ist überall einsetzbar in Deutschland. Die Anlagengröße kann sehr variieren von wenigen Watt (stationäre Anlagen außerhalb des Stromnetzes z.B. zum Betrieb von Parkscheinautomaten) über 2 bis 50 Kilowatt (Anlagen auf Hausdächern und an Fassaden) bis zu einigen Megawatt (auf großen exponierten Freiflächen). Die Kosten für die Produktion einer Kilowattstunde Strom lagen in 2003 zwischen 50 und 80 Cent.

Das Kernstück einer Fotovoltaikanlage sind die Solarzellen, die sowohl direktes als auch diffuses Sonnenlicht aufgrund des Fotoeffektes in Strom umwandeln. Mit Hilfe verschiedener elektrischer Schaltungen wird die Anlage geregelt. Der Gleichstrom wird mit Hilfe von Wechselrichtern in Wechselstrom überführt und kann in Netz eingespeist werden. Ein Zähler ermittelt die produzierte Strommenge.

Die Umwandlung des Lichts erfolgt aufgrund des fotovoltaischen Effekts in dem Halbleitermaterial der Solarzelle. Solarzellen werden zumeist auf Siliziumbasis hergestellt und enthalten unterschiedlich leitende Schichten aufgrund der Dotierung mit drei- und fünfdwertigen Elementen. Die Photonen des Lichts erzeugen in der Solarzelle eine Ladungstrennung zwischen den Schichten aufgrund unterschiedlicher Dotierungen [...]. Mit Hilfe einer angelegten Spannung werden die Ladungen getrennt. Der so gewonnene Strom kann entweder als Gleichstrom z.B. für die Aufladung von Batterien oder - unter Zuhilfenahme eines Wechselrichters - in Wechselstrom überführt und in das Stromnetz gespeist werden. Durch eine kontinuierliche Optimierung ist es gelungen, den Wirkungsgrad für Solarzellen auf ca. 20 % (polykristallines Silizium) zu steigern. Höhere Wirkungsgrade bis zu 30 % werden mit speziellen Zelltypen im Laborversuch heute schon erreicht.

Die Nutzung der Fotovoltaik als erneuerbare Energiequelle steckt derzeit noch in den Anfängen, entwickelt sich aber sehr hoffnungsvoll. Wurden in 1990 nur ca. 1 GWh Endenergie gewonnen, so lag sie Ende 2003 schon bei 323 GWh (ohne Inselanlagen). Ihr Anteil an den erneuerbaren Energien betrug Ende 2003 ca. 0,3%.

Aus: Scharp, Michael (Hrsg.): Umweltbildung Erneuerbare Energien für Kinder und Jugendliche. IZT WerkstattBericht Nr. 73. Berlin: Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung.
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