Solarenergie

Solarenergie ist die Erfassung und Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung der Sonne in elektrischen Strom. Im Gegensatz zur brennstoffgestützten Stromerzeugung entsteht kein Verbrennungsabgas und es sind keine beweglichen Teile nötig, wenn die Anlage erst mal installiert ist. Zwei Haupttechnologien dominieren: Photovoltaik-Zellen (PV), die direkt Strom erzeugen, wenn Photonen auf Halbleitermaterial treffen, und Konzentrierte Solarenergie-Systeme (KSE), die mit Spiegeln Wärme konzentrieren und diese thermodynamisch umwandeln.

Photovoltaikanlagen funktionieren über den photovoltaischen Effekt: Wenn Licht auf einen Silizium- oder anderen Halbleiterübergang trifft, werden Elektronen herausgelöst und erzeugen eine Spannung über die Schicht. Moderne kristalline Siliziumzellen erreichen unter Standardtestbedingungen (1000 W/m² Bestrahlungsstärke, 25 Grad Celsius) einen Wirkungsgrad von 15 bis 22 Prozent. Dünnschichttechnologien wie Cadmiumtellurid arbeiten mit 10 bis 18 Prozent Wirkungsgrad, kosten aber weniger pro Watt und funktionieren besser bei diffusem Licht. Module werden in Reihe für die Spannung und parallel für den Strom verschaltet, Wechselrichter wandeln die DC-Ausgabe in AC für die Netz- oder Verbraucheranbindung um.

Konzentrierte Solarenergie und Systemintegration

Konzentrierte Solarenergie nutzt Parabolrinnen, Heliostaten oder Fresnel-Linsen, um Sonnenlicht auf einen Receiver zu konzentrieren und das Fluid (Öl, geschmolzenes Salz oder Wasser) auf 300 bis 700 Grad Celsius zu erhitzen. Diese Wärme treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an oder wird thermisch gespeichert, um Strom nach Sonnenuntergang zu erzeugen. KSE-Anlagen skalieren auf über 50 Megawatt und funktionieren dort, wo die direkte Normalbestrahlungsstärke über 2000 kWh/m² pro Jahr beträgt, typischerweise in ariden Breitengraden.

Die reale Solarleistung variiert mit Jahreszeit, Bewölkung, Modultemperatur und Verschmutzung. Photovoltaiksysteme erzeugen maximale Leistung gegen Mittag und nachts null Leistung, daher braucht es Batteriespeicherung, Netzanbindung oder Hybridsysteme für kontinuierliche Stromversorgung. Die Temperaturabwertung ist erheblich: Der Wirkungsgrad von Siliziumzellen sinkt ungefähr 0,4 bis 0,5 Prozent pro Grad Celsius über 25 Grad, weshalb die maximale sommerliche Bestrahlungsstärke teilweise durch Wärmeverluste aufgehoben wird. Staub, Pollen und Salzablagerungen können je nach Klima und Reinigungshäufigkeit die Leistung um 5 bis 25 Prozent senken.

Die Installation hängt von verfügbarem Platz und Sonneneinstrahlung ab. Dachsysteme eignen sich für Wohn- und Geschäftsgebäude in Regionen mit 3 bis 6 Spitzensonnenstunden täglich. Bodengestützte Module brauchen südausrichtung (Nordhalbkugel), minimale Verschattung und Tragwerk für Wind- und Schneelasten. Anlagen im Versorgungsmaßstab benötigen 5 bis 10 Hektar pro Megawatt bei Photovoltaik-Installationen, Nachführsysteme, die der Sonnenbahn folgen, steigern die Leistung um 20 bis 35 Prozent, verursachen aber erhebliche mechanische Kosten.