Wolfgang Schröder - Photovoltaik & Batteriespeicher

PHOTOVOLTAIK & BATTERIESPEICHER

Wolfgang Schröder

PHOTOVOLTAIK ZUR ENERGIEVERSORGUNG PHOTOVOLTAIK ZUR ENERGIEVERSORGUNG

Globale klimatische Veränderungen GLOBALE KLIMATISCHE VERÄNDERUNGEN Aus den Erfahrungen der Wetterextreme der letzten Jahre hat sich bei vielen das Bewusstsein entwickelt, dass es zu erheblichen unabsehbaren Auswirkungen kommen wird, sollte sich unser Verhalten nicht ändern. Bereits heute führen die deutlich spürbaren Veränderungen im Weltklima zu ausgedehnten Naturkatastrophen in Form von Dürreperioden, Starkregenfällen mit Überschwemmungen, vermehrten Sturmereignissen und Waldbränden. Die Gletscher- und Eisschmelzen an den Erdpolen haben sich extrem beschleunigt. Dies hat Folgen für das Süßwasserangebot sowie den klimatischen Wetterverlauf, der vom Temperaturunterschied der Pole zu den Tropen abhängt. Anlässlich des G20-Gipfels im Juli 2017 in Hamburg haben Klimaexpertinnen und -experten wichtige Forschungsergebnisse zum Klimawandel zusammengefasst: Wind- und Sonnenenergie als gewichtige Faktoren der erneuerbaren Energien Die Luft an der Erdoberfläche hat sich deutlich erwärmt. Die Erwärmung der Ozeane gestaltet sich ebenso deutlich. Der Meeresspiegel steigt. Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre wird zusehends größer. Die Ozeane versauern. Grönland verliert massive Eismengen. Gletscher und Schnee befinden sich in einem Prozess des Schwindens. Das Meereis rund um den Nordpol nimmt kontinuierlich ab.

Dringender Handlungsbedarf Dringender Handlungsbedarf Die aufgeführten Fakten sind wissenschaftlich bekannt, führen in der politischen Auseinandersetzung aber zumeist zu Kontroversen, insbesondere wenn es darum geht, die Notwendigkeiten des Klimaschutzes mit den wirtschaftlichen Interessen in Einklang zu bringen. Andererseits sind die auf der Erde noch vorhandenen fossilen Energiestoffe endlich. Bereits seit längerer Zeit führen geopolitische Einflüsse zur Sicherung der letzten Rohstoffreserven auf dieser Erde zu Krisen, Kriegen und Abhängigkeiten, die auch in Europa zu spüren sind. Mit der Abnahme der fossilen Energieträger steigt umgekehrt proportional der weltweite Energiebedarf, vor allem in den bevölkerungsreichsten Teilen dieser Erde in Asien und Afrika. Aus diesen Gründen ist seit Längerem ein Umdenken in der Energieversorgung wahrnehmbar. Einen elementaren Faktor hierbei bilden erneuerbare Energiequellen. Neben Wasserkraft, Biomasse und Windenergie ist die Photovoltaik in den letzten zwei Jahrzehnten zu einem wichtigen Bindeglied bei der Energieversorgung mit CO 2 -armer beziehungsweise CO 2 -freier Emission geworden. Das mögliche Potenzial in Deutschland für die Installation von Photovoltaik beträgt bei den vorhandenen Dach- und Fassaden- sowie brachliegenden Bodenflächen mehr als 1 000 Gigawatt (GW). Damit ließen sich pro Jahr mehr als 1 000 Terawattstunden (TWh) elektrischer Energie produzieren – und damit weit mehr als der derzeitige deutsche Strombedarf. Wollte man den gesamten derzeitigen Primärenergiebedarf Deutschlands mit Photovoltaik decken, würde dafür eine Fläche von etwa 5 Prozent der Fläche Deutschlands benötigt. Problematisch hierbei ist jedoch, dass die PV-Energie in Deutschland nicht konstant zur Verfügung steht. Jahreszeitliche und im Tagesverlauf stark schwankende Erzeugungen, welche von der Sonneneinstrahlung abhängen, machen eine alleinige direkte Nutzung des aktuell erzeugten PV-Stromes nicht möglich. Selbst der Einbezug einer erforderlichen Speicherkapazität wäre hierbei unrealistisch, sodass ein Energiesystem, das ausschließlich auf Solarstrom basierte, nicht zielführend ist. Für eine vollständig regenerative Energieversorgung ist in Deutschland daher ein Mix verschiedener erneuerbarer Energien erforderlich, wobei die größten Potenziale bei der Windenergie liegen, gefolgt von der Photovoltaik. Die Photovoltaik bietet aber gerade für Einzelnutzer die Möglichkeit einer dezentralisierten und in manchen Fällen auch weitgehend autarken Energieversorgung. Daher ist diese Energieerzeugungsform ein spannendes Umfeld mit weiterem Entwicklungspotenzial und einer Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten.

Die Geschichte der Photovoltaik DIE GESCHICHTE DER PHOTOVOLTAIK Schwebt einem die Kraft der Sonne vor, dann denkt man insbesondere an deren Wärmestrahlung. Somit ist diese eng mit der solaren Energiegewinnung verbunden, welche in Form von Solarkollektoren beispielsweise zur Erzeugung von Warmwasser benutzt werden. Die Erzeugung von Strom aus warmen Lichtstrahlen indes liegt in der Vorstellung etwas fern. Bei der Stromerzeugung kommt es weniger auf die Wärme an, sondern allein auf das Licht. Grundlage der Photovoltaik (PV) bilden bestimmte Materialien, welche in einer speziellen funktionellen Zusammensetzung in der Lage sind, einfallendes Licht direkt in Strom umzuwandeln. Diese Umwandlung nennt man den Photovoltaischen Effekt. Der Begriff leitet sich aus dem griechischen Wort für Licht (im Genitiv: photos) sowie aus der Einheit für die elektrische Spannung, dem Volt (nach Alessandro Volta) ab. Den hierbei entstehenden Effekt der Lichtumwandlung in elektrische Energie hat der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel im Jahre 1839 entdeckt. Im Zuge der weiteren Erforschung – insbesondere durch Albert Einstein mit seiner 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichneten und bereits 1905 erschienenen Lichtquantentheorie – war es 1954 gelungen, die ersten Siliziumsolarzellen zu produzieren – wenn auch noch mit einem geringen Wirkungsgrad von rund 6 Prozent. Möglich wurde dies unter anderem durch die Verfügbarkeit hochreinen Siliziums. Hieraus ergaben sich 1955 die ersten technischen Anwendungen für die Stromversorgung von Telefonverstärkern. Eine weitere Nutzung der Photovoltaik folgte für Belichtungsmesser in der Fotografie. Satellit im All mit großen Solarflügeln Seit Ende der 1950er-Jahre werden Photovoltaikzellen in der Satellitentechnik verwendet. Gerade die Raumfahrt erbrachte durch die durch sie gestiegene Nachfrage insbesondere in den 1960-er und 1970-er-Jahren erhebliche Fortschritte in der Entwicklung und Anwendung von Solarzellen.

Umdenken Umdenken Industrielle und weitreichendere Anwendungen der Photovoltaik wurden aufgrund der hohen Kosten zur damaligen Zeit als völlige Illusion betrachtet. Dennoch erkannte man den Vorteil seitens der Wissenschaft, weshalb entsprechende Entwicklungen daher nie eingestellt wurden. Das Ergebnis weiterer, zumindest noch stromnetzunabhängiger Anwendungen, fand sich in den 1970-er-Jahren mit kleinen Zellen bei Taschenrechnern und Uhren, welche damals aber fast noch Luxusartikel waren. Ein Umdenken in der Energieerzeugung setzte spätestens durch die Nuklearunfälle von Harrisburg und Tschernobyl ein. Seit Ende der 1980er-Jahre wurde die Photovoltaik in den USA, Japan und Deutschland intensiv erforscht und in diese Technik insbesondere zur Effizienzverbesserung investiert. Die ersten industriellen Fertigungen von Solarzellen und -modulen begannen in Deutschland mit kleinen Serien für die Energieversorgung von Satelliten. Die private Anwendung selbst blieb eher Enthusiasten vorbehalten. Später kamen in vielen Staaten finanzielle Förderungen hinzu, um den Markt anzukurbeln und die Technik mittels einer erhöhten Nachfrage zu verbilligen, so auch in Deutschland. In der konventionellen Anwendung für andere Nutzer oder Verbraucher ergaben sich in Deutschland aber vorerst nur geförderte Demonstrationsprojekte sowie Inselanlagen. Die Marktförderung begann 1990 mit dem „1 000-Dächer-Programm“, bei dem eine begrenzte Anzahl netzeinspeisender PV-Anlagen finanziell gefördert wurde.