Wie funktioniert eigentlich Photovoltaik?

Unter Photovoltaik (oder Fotovoltaik) versteht man die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Seit 1958 ist sie zur Energieversorgung der meisten Raumflugkörper im Einsatz. Inzwischen wird sie auch auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an Schallschutzwänden, auf Freiflächen, etc.. Das Wort Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort „photos“ für Licht und dem Nachnamen des Physikers Alessandro Volta zusammen. Die Leistungsstärke einer Photovoltaik-Anlage wird in Kilowatt Peak (kWp) gemessen.

Technische Beschreibung

Die als Licht und Wärme auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie beträgt jährlich 1,5 x 10hoch18 kWh; dies entspricht in etwa dem 15.000-fachen des gesamten Primärenergieverbrauchs der Menschheit im Jahre 2006 (1,0 â 10 hoch 14 kWh/Jahr). Der Lichtenergieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 â 10hoch18 kWh. Diese Strahlungsenergie kann prinzipiell aufgefangen und teilweise in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen.  Vorteil der Sonne als Energiequelle ist, dass sie kostenlos, uneingeschränkt und unbegrenzt zur Verfügung steht. Dies macht sich auch der Mensch zunutze und wandelt mithilfe von Solarzellen die Lichtenergie in elektrische Energie um.

Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Photovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Ein bekanntes Beispiel für akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind z.B. Parkscheinautomaten.

Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Photovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die photovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse.

Die Photovoltaik in Deutschland hatte ihre Boom-Phase in den Jahren 2010 – 2012. Vorangetrieben durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz [EEG] gab es Zuwachsraten von jährlich über 7.000 Megawatt [MW]. Im Spitzenjahr 2012 waren 7.604 MW. Infolge politisch motivierter Anpassungen des EEG-Rahmens gab es 2013 einen massiven Markteinbruch von über 80% innerhalb von nur 3 Jahren. 2016 ist der Photovoltaik-Zubau mit 1.520 MW neu installierter Leistung weit unter das Niveau des Jahres 2008 gefallen. Die Bundesregierung visiert im EEG eigentlich einen Ausbaukorridor von 2.400 bis 2.600 Megawatt pro Jahr an, doch Deutschland bleibt seit 2014 weit hinter den selbst gesteckten Zielen zurück.

Heute [2022] liefern fast 2,2 Millionen Solaranlagen rund 10% des in Deutschland produzierten Stroms und der Anteil der Photovoltaik an der Stromerzeugung steigt  weiter.

Quellen: u.a.BMWiBSW-SolarBDEWFraunhofer ISE 2022