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06.11.2014

06:00 Uhr

S wie Solarstrom

Die unendliche Kraft der Sonne

VonChristina Stahl

Die Sonne scheint immer und ewig. Mit Hilfe von Solarzellen lassen sich Sonnenstrahlen in elektrische Energie umwandeln. Wir erklären, wie das funktioniert und warum Solarkraft zunächst in der Raumfahrt genutzt wurde.

Immer beliebter: Die Solaranlage auf dem eigenen Hausdach. obs

Immer beliebter: Die Solaranlage auf dem eigenen Hausdach.

Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Selbst wenn der Himmel grau und bewölkt ist, kommen Sonnenstrahlen auf der Erde an. Sie lassen sich zur Stromerzeugung nutzen. Nötig dazu ist eine Photovoltaik-Anlage.

Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort für Licht ("Photos") und dem Namen des Erfinders der Batterie, Alessandro Volta, zusammen. Gemeint ist die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. In der Natur bewirkt Sonnenlicht einen einzigartigen Prozess, die das Leben erst möglich macht: Pflanzen erzeugen aus Sonnenlicht Energie, in diesem Fall Sauerstoff. Solarzellen funktionieren ähnlich.

Ihre Entwicklung begann 1839. Da entdeckte der französische Physiker Alexandre Becquerel den photovoltaischen oder photoelektrischen Effekt. Er beobachtete, wie die elektrische Spannung in einer Batterie bei der Bestrahlung mit Licht zunahm. Warum das so war, konnte Becquerel sich noch nicht erklären. 1883 baute der US-Amerikaner Charles Fritts das erste Solarmodul aus Selen-Solarzellen.

Mit der Sonne ins All

Das erste große Einsatzgebiet der Photovoltaik war die Raumfahrt. Aus der Not heraus geboren, denn im All ist jedes Kraftwerk weit weg. Zunächst setzten die Wissenschaftler auf Batterien, doch die versagten unweigerlich nach einer gewissen Zeit. Der erste Fernmelde-Satellit "Sputnik" blieb 1957 nur drei Wochen im All – dann waren die Batterien leer. Die USA waren dennoch schockiert vom erfolgreichen Projekt des Rivalen Sowjetunion. Ein Erfolg musste her. Der deutsche Weltraum-Ingenieur Hans Ziegler empfahl den US-Weltraumforschern, Solarzellen einzusetzen. Diese würden von der Sonne immer wieder aufgeladen. Die Skepsis war enorm, führende Ingenieure beharrten auf der Batterielösung. Doch schließlich startete 1958 der Satellit Vanguard I ins All, ausgerüstet mit Batterien und Solarzellen. Ein Erfolg. Der Satellit sendete sechs Jahre lang Signale an die Erde, betrieben mit Solarstrom. Damit hatte Solarzellen ihr erstes großes Einsatzgebiet gefunden. Für viele Jahre wurden Solarzellen fast ausschließlich für Raumfahrtzwecke weiterentwickelt. Heute beziehen fast alle der weltweit rund 1000 Satelliten im All ihren Strom aus Solarzellen. Die Raumsonde Juno, die 2011 gestartet ist und nach fünf Jahren Reisezeit den Jupiter erreichen soll, fliegt ebenfalls mit "Sonnenkraft".

Bereits 1954, schon vor seinem "Tipp" an die US-Weltraumforscher hatte der Weltraum-Ingenieur Hans Ziegler eine "Vision": "Die Belegung aller Dächer der Städte und Gemeinden würde ausreichen, um den gesamten Bedarf an elektrischer Energie für das Land zu decken." Die terrestrische Nutzung der Solarkraft begann dort, wo das nächste Kraftwerk weit entfernt war: Auf Ölbohrinseln, im australischen Outback, bei der Küstenwache der USA. Hier wurden die ersten Photovoltaikanlagen installiert und meist mit Erfolg betrieben. Der Erfolg dieser Projekteließ das Vertrauen in die Solar-Technologie wachsen. Der Störfall im Atomkraftwerk Harrisburg und die Ölkrise 1979 stießen zudem ein Umdenken in Richtung regenerativer Energien an.

Von Halbleitern und Wafern

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Technik, aus Sonne Strom zu gewinnen, weiterentwickelt. Solarenergie ist ein Hoffnungsträger der Energiewende. Immer mehr private Haushalte, kommunale Einrichtungen und Unternehmen entscheiden sich für eine Solaranlage. Der gewonnen Strom kann selbst genutzt oder ins Netz eingespeist, also verkauft werden. Riesige Solarparks können mehrere Tausend Haushalte mit Strom versorgen. Mini-Solaranlagen betreiben Parkuhren in Innenstädten. Doch wie funktioniert eine solche Solaranlage, die Photovoltaik, auf dem Dach genau?

Solarzellen sind elektrische Bauteile aus Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die bei Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden. Das gängigste Halbleiter-Material zur Produktion von Solarzellen ist Silizium. Bei der Produktion eines "Wafers", der hauchdünnen Scheiben in einer Solarzelle, wird das Silizium "dotiert". Das bedeutet, zwei zusätzliche Elemente, meist Bor und Phosphor, werden hinzugefügt. Dadurch entstehen zwei Schichten: eine mit positivem, eine mit negativem Ladungsträgerüberschuss. An der Grenze entsteht ein sogenannter p-n-Übergang.

Wenn die Elektronen wandern gehen

Im Inneren der Sonne schmelzen bei mehreren Millionen Grad Celsius Atomkerne. Die Energie, die dabei entsteht, kommt auf der Erde als Sonnenstrahlen an. Das Sonnenlicht besteht aus kleinen Teilchen, den Photonen. Wenn sie auf die hauchdünnen Scheiben aus Silizium treffen, lösen sich Elektronen aus der Oberfläche heraus. Am p-n-Übergang entsteht ein Elektronenaustausch. Damit Strom fließen kann, brauchen die Elektronen noch einen Ausgang, also etwa einen Draht.

Deshalb ist die Oberfläche des Wafers mit feinem Draht überzogen, dem Grid. Mehrere Solarzellen werden miteinander verlötet, auf eine Glasplatte geklebt und mit einem Rahmen verklebt: Fertig ist das Solarmodul. Nötig ist dann noch ein Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Das Gute daran: Solarzellen können nicht verschleißen. Denn die Elektronen, die von den Photonen aus dem Sonnenlicht von ihrem Platz "geschubst" werden, kehren wieder an ihren Platz zurück nachdem sie durch den Draht gewandert sind.

Was ist aus Ihrer Sicht das größte Argument für die Energiewende?

Die Photovoltaik der Zukunft soll in der Lage sein, einen noch größeren Teil der Sonneneinstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Ob und wie schnell die Technik sich weiterentwickelt, ist offen. Klar ist: Jährlich trifft eine Menge an Sonnenenergie auf der Erde ein, die 15.000 mal größer ist als der weltweite Energieverbrauch. An mangelndem Angebot wird die Solartechnik also nicht scheitern.

Kommentare (6)

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Herr Riesener Jr.

06.11.2014, 07:22 Uhr

Artikel: "Die Photovoltaik der Zukunft soll in der Lage sein, einen noch größeren Teil der Sonneneinstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Ob und wie schnell die Technik sich weiterentwickelt, ist offen. Klar ist: Jährlich trifft eine Menge an Sonnenenergie auf der Erde ein, die 15.000 mal größer ist als der weltweite Energieverbrauch. An mangelndem Angebot wird die Solartechnik also nicht scheitern."

Immer dieselben Phrasen. Richtig ist:

1) Wenn es dunkel ist, scheint die Sonne weder in Kiel noch in München. Photovoltaik braucht daher Speicher. Nach aktuellem Stand der Wissenschaft und Technik ist das unbezahlbar (Man bräuchte mehrere Billionen EUR).

2) Auch die zukünftige Technik kann die Gesetze der Physik nicht außer Kraft setzen. Mehr als 1000Watt pro Quadratmeter kommen auf der Erde einfach nicht an. Solarenergie wird daher auch in Tausend Jahren riesige Flächen benötigen.

3) Die Kraft der Sonne kommt aus der Kernfusion. Die werden zukünftige Generationen auch auf der Erde als Enegiequelle nutzen. Heute ist noch unklar, wann die Technik soweit sein wird. In der Zwischenzeit sollten wir aus Klima- und Umweltschutz-Gründen die "Schwester" der Kernfusion nutzen: die Kernspaltung.

Herr Mikk K.

06.11.2014, 09:35 Uhr

1.) http://www.agora-energiewende.de/fileadmin/downloads/publikationen/Studien/Speicher_in_der_Energiewende/Agora_Speicherstudie_Web.pdf Das höchste was ich finde sind ca. 2,5 Milliarden/Jahr bis die Installation abgeschlossen ist. Das ist immernoch viel Geld, aber bis man damit auf einer, geschweige den "mehreren" Billionen Euro ist, würde man so 40 Jahre oder mehr benötigen.

2.)1000 w/m² ist zwar soweit richtig, aber der Jahreswert in Mitteleuropa ist ca. 1000 kWh/m². Wenn man bedenkt, dass ein zwei Personen Haushalt im Jahr ca. 3000-3500 kWh / Jahr benötigt, wären das 3,5m². Die Grenze hierbei ist eher der Wirkungsgrad der Module. Mit Photovoltaik alleine wird man natürlich nicht alle mit Energie versorgen können.
Aber das Potential komplett zu ignorieren kann auch nicht so sinnvoll sein mMn.

3.) Aus Klimaschutzgründen...ja, vielleicht, aber aus Umweltschutzgründen? Uranminen sind aus Umweltschutzsicht jetzt nicht gerade einwandfrei; zu dem haben wir immer noch ein Entsorgungsproblem, da dass Zeug nunmal mehrere tausend Jahre strahlt. Das ist auch eine lange Zeit wenn man es ganz tief vergräbt...und sicher nicht gerade ein Vorzeigeargument im Umweltschutz.

Außerdem will ich mich zumindest nicht zurücklehnen und warten bis evtl. mal Kernfusion kontrolliert (!) möglich ist...momentan sind wir davon noch sehr weit entfernt und sich einfach mit "das wird schon" auf noch nicht entwickelte Technologien verlassen...naja


mMn ist die Kernenergie eine Brückentechnologie hin zu regenerativen Energien. Zudem kann (und größtenteils konnte)in Europa kein Kernkraftwerk mehr gebaut werden, welches sich ohne Subventionen lohnen würde. Aktuelles Beispiel siehe England. Subvention im Bau und eine Abnahmegarantie, bei denen selbst Erzeuger erneuerbarer Energien in Deutschland mit ihren EEG Einnahmen sehnsüchtig über den Ärmelkanal schauen.

Herr Holger Narrog

06.11.2014, 10:45 Uhr

2 Technische Anmerkungen....

"Solarzellen können nicht verschleißen". In der Realität ist die Leistung der umweltschädlichen Solarzellen bereits ab Werk gem. TüV Studie durchschnittlich 5% unter Nennleistung, diese lässt dann in den ersten 6 Monaten um weitere 5% nach und verliert anschliessend ca. 0,5%/Jahr. Hinzu kommt, dass die Solarzellen durch Staub und Sand zerkratzen was zu weiteren Leistungeinbussen führt. Wie haltbar die Verklebungen etc. sind, Tests finden unter verschärften Bedingungen statt, wird sich weisen. Die sinnvolle Lebensdauer kann damit zwischen 15 und ca. 25 Jahren liegen.

Die Aussage "Klar ist: Jährlich trifft eine Menge an Sonnenenergie auf der Erde ein, die 15.000 mal größer ist als der weltweite Energieverbrauch" ist reine Propaganda und wenig hilfreich. Die Gesamtsolareinstrahlung ist in der Tat gewaltig, nur ist die Energiedichte unzureichend und die wetter- und zeitabhängige Verteilung ungeignet um für eine industrielle Stromerzeugung genutzt zu werden.

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