Photovoltaikanlagen
Kurzdarstellung
Die physikalische Grundlage von Photovoltaikanlagen liegt im von Albert Einstein entdeckten Photoeffekt. Demnach werden Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht, wenn Sie mit Licht (Photonen) dazu angeregt werden. Die Quantentheorie besagt weiter, dass in der Lichtwelle eine Mindestenergie enthalten sein muss. Ist die Wellenlänge größer der Ionisierungsenergie (bei jedem Stoff unterschiedlich) werden die Elektronen aus der Anziehung des Atomkerns geschleudert, wodurch ein Potenzial entsteht, dass als elektrischer Strom verwendet werden kann.
Silizium verfügt über vier Elektronen in der äußeren Schale. In einer Kristallgitterstruktur entstehen Elektronenpaarbildungen, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erlangen (2 Elektronen werden jeweils von 2 Atomen genutzt). Dieses vollbesetzte Band eines Atoms heißt Valenzband. Durch Licht (auch Wärme) besteht nun die Möglichkeit ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband zu heben. Damit sich die freiwerdenden Löcher nicht durch andere Elektronen wieder schließen werden Atome mit fünf Valenzelektronen (bspw. Phosphor) in die Siliziumgitter mit eingebaut, sodass ein freies Elektron vorliegt. In einer weiteren Schicht werden Atome mit drei Valenzelektronen in die Siliziumschicht mit eingebaut (bspw. Bor). Dadurch entsteht ein Loch, innerhalb des Valenzbandes. Die beiden Schichten aus einmal Silizium-Phosphor und Silizium-Bor besitzen zum einen ein Überschuss an Elektronen und einen Mangel an Elektronen in ihrem Leitungsband. Werden beide Schichten über einen Leiter verbunden, bewirkt das Potenzial zwischen Elektronen und Löchern zu einem Stromfluss.
Beispielhafte Investitionsrechnung
Mittlerweile liegen die Investitionskosten bei weit unter 0,5 €/W-Peak. 50 % der Installationskosten entstehen mittlerweile durch Planung, Konstruktion, Montage und Netzanschluss. Daher sind Großanlagen wesentlich rentabler als Kleinanlagen. Eine Anlage mit nur 1 kW und einer Investition von 1500 € erlangt bei einer Laufzeit von 20 Jahren Stromgestehungskosten von 0,095 €/kWh. Mit einer Kapitalverzinsung von 6 % und einer Laufzeit von 20 Jahren ergeben sich Kosten in Höhe von 0,15 €/kWh.
Eine Freiflächenanlage mit 100 MW mit spez. Investitionskosten von 500 €/kW und 2,4 % der Investitionskosten als Betriebskosten kommt auf Stromgestehungskosten von 0,032 €/kWh. Mit einer Kapitalverzinsung von 6 % und einer Laufzeit von 25 Jahren ergeben sich Kosten in Höhe von 0,051 €/kWh.
Definition des Technologiefeldes
Photovoltaik (PV) ist die Technologie zur Erzeugung elektrischer Energie aus Licht mittels des (inneren) Photoeffektes in Halbleiter-Strukturen. Die derzeit führende PV-Technologie stellt die kristalline Silicium-Technologie (c-Si) dar. Eine weiterentwickelte Version sind Stapelzellen auf Si-Basis. Für die deutsche Photovoltaik-Industrie spielt zudem die Dünnschichttechnologie eine wichtige Rolle. Weitere PV-Technologien bilden die sogenannten III-V Mehrfachsolarzellen (Verbindungen aus der III. und V.-Hauptgruppe des Periodensystems) und die Organischen sowie Perowskite-Solarzellen.
Aktueller Stand der Technologie
Die PV-Technologie stellt heute eine der wichtigsten Erneuerbaren Energietechnologien dar. Ende 2017 waren in Deutschland PV-Anlagen mit einer maximalen Leistung von etwa 43 GW installiert, die rund 7 % des Nettostromverbrauchs erzeugten. Deutschland nimmt sowohl in der Technologieentwicklung als auch der installierten Leistung einen internationalen Spitzenplatz ein. Die Stromgestehungskosten für PV-Strom sind vergleichbar mit Onshore-Windstrom und deutlich niedriger als Offshore- Windstrom. Im Vergleich zu konventionellen fossilen und nuklearen Bestandskraftwerken liegen sie aktuell noch höher, für Neubauten gilt dies jedoch nicht mehr unbedingt. Das Kostensenkungspotenzial bei PV-Strom ist auch weiterhin groß. Durch internationales Marktwachstum (Skaleneffekte) und technische Innovationen scheint eine Halbierung der Systemkosten bis 2050 erreichbar.
Solarzellen und Module
Über 90 % aller installierten Module bestehen aus mono- oder multi-kristallinem Silicium (c-Si) (TRL 7-9). Kristalline Si-Solarzellen haben heute Laborwirkungsgrade von 22,3 (multi-c-Si) bis 26,7 (mono-c-Si) Prozent erreicht, woran die deutsche Forschung einen maßgeblichen Anteil hat. Verbessert werden konnte auch der Si- Materialeinsatz (heute nur noch 6 g/Wp) durch höhere Wirkungsgrade und dünnere Wafer. Die Energierücklaufzeit ist auf aktuell 1,3 Jahre gesunken. Si-Modulwirkungsgrade konnten inzwischen auf 16- 22 % erhöht werden, die erwartete Lebensdauer von 20 auf 30 Jahre ausgedehnt werden. Stapelsolarzellen (TRL 4) sind aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien mit Halbleiter-Übergängen zusammengesetzt. Es gibt verschiedene Halbleitermaterialien, die als Oberzelle(n) auf c-Si-Solarzellen aufgebracht werden können (amorphes Silicium, Perowskite, Chalkopyrite). In jüngerer Zeit wurden erfolgreiche Experimente mit III-V-Halbleitern auf c-Si durchgeführt. Beispielsweise wurde mit einer Dreifachsolarzelle auf c-Si ein Wirkungsgrad von etwa 33,3 % erreicht. Dünnschichtmodule (Cadmiumtellurid – CdTe und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid – CIGS) (TRL 3-9) benötigen in der Herstellung weniger Material und Energie. Derzeit sind etwa 8 % aller installierten Anlagen mit diesem Absorbermaterial ausgestattet. Mit 21 % bzw. 22,6 % Laborwirkungsgrad haben CdTe und CIGS große technische und wirtschaftliche Potenziale und sind daher interessant als potenzielle Konkurrenz von multi-c-Si. Bei CIGS ist Deutschland technisch sehr gut aufgestellt, bei CdTe ist die Frage einer Umweltgefährdung durch das Cadmium noch nicht endgültig entschieden. Weitere aktuelle Forschungsthemen betreffen Verbesserungen der Chalkopyrit-Technologie und Entwicklungen im Bereich Bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV). Zusätzlich zu den etablierten Dünnschichttechnologien werden auch einige andere Ansätze verfolgt, etwa Solarzellen aus dünnen Siliciumschichten auf Glas und die Verwendung von hocheffizienten GaAs-Solarzellen (GalliumArsenid). Drei- und Mehrfachsolarzellen aus III-V-Halbleitern (TRL 4-9) haben schon seit längerem die höchsten Wirkungsgrade erreicht, im Labor 46 % und im Modul ca. 39 %. Diese Technologie hat sich im Weltraum als Standard durchgesetzt. Auf der Erde können sie in sogenannten Konzentratormodulen in Gegenden mit viel direkter Solareinstrahlung eingesetzt werden. Für einen wirtschaftlichen Betrieb müssen jedoch die Kosten noch weiter gesenkt werden. Organische Solarzellen (TRL 4-7) aus organischen Halbleitergemischen können mit Drucktechniken auf dünne Substrate als Einfach- oder Mehrfach- Solarzellen aufgebracht werden. Ihre Wirkungsgrade liegen derzeit bei etwa 12 %.
Über 90 % aller installierten Module bestehen aus mono- oder multi-kristallinem Silicium (c-Si) (TRL 7-9). Kristalline Si-Solarzellen haben heute Laborwirkungsgrade von 22,3 (multi-c-Si) bis 26,7 (mono-c-Si) Prozent erreicht, woran die deutsche Forschung einen maßgeblichen Anteil hat. Verbessert werden konnte auch der Si- Materialeinsatz (heute nur noch 6 g/Wp) durch höhere Wirkungsgrade und dünnere Wafer. Die Energierücklaufzeit ist auf aktuell 1,3 Jahre gesunken. Si-Modulwirkungsgrade konnten inzwischen auf 16- 22 % erhöht werden, die erwartete Lebensdauer von 20 auf 30 Jahre ausgedehnt werden. Stapelsolarzellen (TRL 4) sind aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien mit Halbleiter-Übergängen zusammengesetzt. Es gibt verschiedene Halbleitermaterialien, die als Oberzelle(n) auf c-Si-Solarzellen aufgebracht werden können (amorphes Silicium, Perowskite, Chalkopyrite). In jüngerer Zeit wurden erfolgreiche Experimente mit III-V-Halbleitern auf c-Si durchgeführt. Beispielsweise wurde mit einer Dreifachsolarzelle auf c-Si ein Wirkungsgrad von etwa 33,3 % erreicht. Dünnschichtmodule (Cadmiumtellurid – CdTe und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid – CIGS) (TRL 3-9) benötigen in der Herstellung weniger Material und Energie. Derzeit sind etwa 8 % aller installierten Anlagen mit diesem Absorbermaterial ausgestattet. Mit 21 % bzw. 22,6 % Laborwirkungsgrad haben CdTe und CIGS große technische und wirtschaftliche Potenziale und sind daher interessant als potenzielle Konkurrenz von multi-c-Si. Bei CIGS ist Deutschland technisch sehr gut aufgestellt, bei CdTe ist die Frage einer Umweltgefährdung durch das Cadmium noch nicht endgültig entschieden. Weitere aktuelle Forschungsthemen betreffen Verbesserungen der Chalkopyrit-Technologie und Entwicklungen im Bereich Bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV). Zusätzlich zu den etablierten Dünnschichttechnologien werden auch einige andere Ansätze verfolgt, etwa Solarzellen aus dünnen Siliciumschichten auf Glas und die Verwendung von hocheffizienten GaAs-Solarzellen (GalliumArsenid). Drei- und Mehrfachsolarzellen aus III-V-Halbleitern (TRL 4-9) haben schon seit längerem die höchsten Wirkungsgrade erreicht, im Labor 46 % und im Modul ca. 39 %. Diese Technologie hat sich im Weltraum als Standard durchgesetzt. Auf der Erde können sie in sogenannten Konzentratormodulen in Gegenden mit viel direkter Solareinstrahlung eingesetzt werden. Für einen wirtschaftlichen Betrieb müssen jedoch die Kosten noch weiter gesenkt werden. Organische Solarzellen (TRL 4-7) aus organischen Halbleitergemischen können mit Drucktechniken auf dünne Substrate als Einfach- oder Mehrfach- Solarzellen aufgebracht werden. Ihre Wirkungsgrade liegen derzeit bei etwa 12 %.
PV-Fertigungs- und Anlagentechnik sowie Produktionsmittel (TRL 7-9)
2014 war Deutschland mit einem Marktanteil von ca. 50 % führend im PV-Anlagenbau, seither ist höchstens von einem geringen Rückgang auszugehen. Innovationen auf Zell- und Modulebene müssen durch den Anlagenbau in die Produktion gebracht werden. Somit deckt sich der Stand der Technik in dieser Kategorie zum großen Teil mit den oben genannten Aspekten. Schwerpunkte des deutschen Anlagenbaus liegen sowohl in der c-Si als auch der CIGS-Technologie. Gemeinsam von Industrie und Forschungsinstituten wird an effizienteren Produktionstechnologien gearbeitet.
2014 war Deutschland mit einem Marktanteil von ca. 50 % führend im PV-Anlagenbau, seither ist höchstens von einem geringen Rückgang auszugehen. Innovationen auf Zell- und Modulebene müssen durch den Anlagenbau in die Produktion gebracht werden. Somit deckt sich der Stand der Technik in dieser Kategorie zum großen Teil mit den oben genannten Aspekten. Schwerpunkte des deutschen Anlagenbaus liegen sowohl in der c-Si als auch der CIGS-Technologie. Gemeinsam von Industrie und Forschungsinstituten wird an effizienteren Produktionstechnologien gearbeitet.
Systemtechnik (TRL 7-9)
PV-Wechselrichter erreichen derzeit Wirkungsgrade von ca. 98 %, bei Kosten von etwa 10 Ct./Wp. Neben der Netzeinspeisung von PV-Energie können sie auch zur Steuerung lokaler Energiespeichersysteme genutzt werden und zukünftig verstärkt zur Spannungsstabilisierung im Stromnetz und zur Erhöhung der Übertragungskapazität beitragen. Photovoltaische Kraftwerke sind in Deutschland mittlerweile leistungsfähige und zuverlässige Stromlieferanten. Angesichts ihrer langen Betriebszeiten (mind. 20 Jahre) ist hier v.a. noch an Qualitätssicherung und Monitoring zu arbeiten. Da die PV-Kraftwerke zunehmend in den Netzbetrieb und die Sicherstellung der Netzstabilität eingebunden werden, wird der Netzanbindung eine zunehmende Bedeutung beigemessen. So müssen PV- und Batteriewechselrichter zunehmend auch netzbildend agieren, um konventionelle Kraftwerke zu unterstützen und diese auch langfristig zu ersetzen.
PV-Wechselrichter erreichen derzeit Wirkungsgrade von ca. 98 %, bei Kosten von etwa 10 Ct./Wp. Neben der Netzeinspeisung von PV-Energie können sie auch zur Steuerung lokaler Energiespeichersysteme genutzt werden und zukünftig verstärkt zur Spannungsstabilisierung im Stromnetz und zur Erhöhung der Übertragungskapazität beitragen. Photovoltaische Kraftwerke sind in Deutschland mittlerweile leistungsfähige und zuverlässige Stromlieferanten. Angesichts ihrer langen Betriebszeiten (mind. 20 Jahre) ist hier v.a. noch an Qualitätssicherung und Monitoring zu arbeiten. Da die PV-Kraftwerke zunehmend in den Netzbetrieb und die Sicherstellung der Netzstabilität eingebunden werden, wird der Netzanbindung eine zunehmende Bedeutung beigemessen. So müssen PV- und Batteriewechselrichter zunehmend auch netzbildend agieren, um konventionelle Kraftwerke zu unterstützen und diese auch langfristig zu ersetzen.
Angrenzende Technologien (TRL 4-8)
Im Zusammenhang mit der Entwicklung energieeffizienter und mit erneuerbaren Energien versorgter Gebäude wird auch die Forschung an Bauwerkintegrierter Photovoltaik vorangetrieben. Dabei stehen insbesondere mögliche Kombinationen der energieerzeugenden Solarmodule und den Funktionselementen der Gebäudehülle im Fokus, welche sicher und effizient sind und zudem geeignete bzw. ansprechende Designkonzepte ermöglichen.
Im Zusammenhang mit der Entwicklung energieeffizienter und mit erneuerbaren Energien versorgter Gebäude wird auch die Forschung an Bauwerkintegrierter Photovoltaik vorangetrieben. Dabei stehen insbesondere mögliche Kombinationen der energieerzeugenden Solarmodule und den Funktionselementen der Gebäudehülle im Fokus, welche sicher und effizient sind und zudem geeignete bzw. ansprechende Designkonzepte ermöglichen.
Recycling von Modulen und Wertstoffen (TRL 7)
Bei dem noch jungen Technologiefeld mit langen Lebensdauern haben Entsorgung und Recycling alter Anlagen bisher noch keine große Rolle gespielt. Das wird sich aber mit wachsender Verbreitung von PV-Anlagen und auch im Zusammenhang mit Repowering, also dem Ersatz älterer PV Anlagen durch neuere Module, ändern. Verfahren für das Recycling von Modulen und den enthaltenen Wertstoffen existieren bereits und es wird davon ausgegangen, dass kommerzielle Anlagen zum Recycling bereits ab dem Jahr 2020 existieren. Generell ist in Bezug auf Nachhaltigkeitsfragen jedoch in der gesamten Prozesskette noch F&E-Arbeit zu leisten.
Bei dem noch jungen Technologiefeld mit langen Lebensdauern haben Entsorgung und Recycling alter Anlagen bisher noch keine große Rolle gespielt. Das wird sich aber mit wachsender Verbreitung von PV-Anlagen und auch im Zusammenhang mit Repowering, also dem Ersatz älterer PV Anlagen durch neuere Module, ändern. Verfahren für das Recycling von Modulen und den enthaltenen Wertstoffen existieren bereits und es wird davon ausgegangen, dass kommerzielle Anlagen zum Recycling bereits ab dem Jahr 2020 existieren. Generell ist in Bezug auf Nachhaltigkeitsfragen jedoch in der gesamten Prozesskette noch F&E-Arbeit zu leisten.
Weitere Links und Software
Quellen
Viebahn, P.; Zelt, O.; Fischedick, M.; Hildebrand, J.; Heib, S.; Becker, D.; Horst, J.; Wietschel, M.; Hirzel, S. (2018): Technologien für die Energiewende. Politikbericht an das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Wuppertal, Karlsruhe, Saarbrücken.
Grundlage dieser Zusammenfassung: Philipps, S. P.; Bett, A. W.; Rau, B.; Schlatmann, R. (2017): Technologiebericht 1.3 Photovoltaik.
