Photovoltaik

Der Begriff Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für „Licht“ und der Einheit für elektrische Spannung, „Volt“. Seit der deutschen Rechtschreibreform ist auch die Schreibweise „Fotovoltaik“ möglich. Photovoltaik ist ein Teilbereich der Solartechnik und bezeichnet die direkte Umwandlung von Lichtenergie mittels Solarzellen in elektrische Energie. Dieser Umwandlungsprozess beruht auf dem Photoeffekt, der bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Bequerel entdeckt wurde. Als Photoeffekt bezeichnet man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper mittels Lichteinstrahlung.

Inselanlagen und Stromspeicherung
Stromerzeugung durch Solarzellen ist vom Sonnenlicht abhängig und somit nicht konstant. Um ein aufwendiges Zwischenspeichern des Stroms zu vermeiden, bietet es sich an, Strom aus Photovoltaikanlagen direkt in das Stromnetz einzuspeisen. Häufig wird diese Technik aber auch für mobile Anwendungen ohne Anbindung an ein Stromnetz genutzt, sogenannte „Inselanlagen“. Das können kleine Anlagen wie in Parkscheinautomaten, Taschenrechnern oder elektrischen Weidezäunen sein, aber auch größere wie an Satelliten oder Solarfahrzeugen. Solche Inselanlagen sind mit Akkus ausgestattet, die den erzeugten Strom speichern und bei Bedarf wieder abgeben. So ist die Stromversorgung auch nachts oder bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung gesichert.

Südliche Länder mit Vorteilen
Aufgrund der hohen Sonneneinstrahlung ist die Stromerzeugung durch Photovoltaikanlagen vor allem in südlichen Gebieten und Ländern in der Nähe des Äquators lohnend. In Entwicklungsländern ohne ausreichend ausgebaute Stromnetze und in entlegenen Gebirgsregionen ist Photovoltaik zudem eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative zur Stromerzeugung mit Dieselgeneratoren.

Solarzellen MontageSolarzellen zur Stromerzeugung
Moderne Solarzellen für Photovoltaikanlagen bestehen aus Halbleitermaterialien, in der Regel aus Silizium. Halbleiter sind Materialien, die unter dem Einfluss von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, bei niedrigen Temperaturen dagegen isolierend wirken. Silizium bietet darüber hinaus den Vorteil, dass es in der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden ist und umweltverträglich verarbeitet werden kann.

Netzparität
Im Zuge des Klimaschutzes und drohender Resourcenknappheit wird die Stromerzeugung durch Photovoltaikanlagen in immer mehr Ländern auch seitens der Politik gefördert. Regelungen wie gesetzliche Preisgarantien sollen das Betreiben solcher Anlagen auch wirtschaftlich interessant machen. In Ländern wie Spanien, Portugal, Italien und Deutschland, auf Hawaii und in Nordkalifornien wurde beim Haushaltsstrom bereits eine Netzparität erreicht. Das heißt, für den Endverbraucher verursacht selbst erzeugter Strom aus einer Photovoltaikanlange die gleichen Kosten, wie der Bezug von Strom über einen Anbieter aus dem Stromnetz. Grund dafür sind die gestiegenen Preise der Stromanbieter einerseits und die stark gefallenen Preise für Photovoltaikanlagen andererseits.

Geothermie

Als Geothermie oder geothermische Energie wird die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erdkruste bezeichnet. Zu ca. 30% entstammt diese Erdwärme der Gravitationswärme aus der Erdentstehung vor rund 4,5 Milliarden Jahren. Etwa 70% der Erdwärme entstehen durch den radioaktiven Zerfall von Uran-, Kalium- und Thoriumisotopen in der Erdkruste.

Geothermie praktisch unerschöpflich
Grundsätzlich steht Erdwärme überall und jederzeit zur Verfügung und ist praktisch unerschöpflich. Allerdings steigt die Temperatur mit zunehmender Tiefe, und dieser Temperaturanstieg ist kein konstanter, einheitlicher Wert, sondern von Region zu Region stark unterschiedlich. Dass auch geologisch benachteiligte Länder mit nur geringer Erdwärme in Oberflächennähe aus dieser regenerativen Energie bei optimaler Nutzung viel Energie ableiten können, hat unter anderem Schweden gezeigt.

Einatz für Fernwärme und zur Stromerzeugung
Geothermische Energie kann, wie in Schweden, direkt zum Betrieb von Fern- und Nahwärmenetzen genutzt werden. Die Nutzung der Geothermie zur Stromerzeugung dagegen ist vor allem für Regionen interessant, in denen die Erdwärme bereits in geringen Tiefen hohe Temperaturen erreicht. Meist sind das Vulkangebiete oder sogenannte „Hot-Spot-Gebiete“, unter denen der Erdmantel besonders heiß ist.

Island – weltweit führend
Weltweit führend auf dem Gebiet der Geothermie ist Island mit seinen zahlreichen Vulkansystemen. In Island wird der Bedarf an Heizung und Warmwasser fast ausschließlich durch Geothermie gedeckt. Zusätzlich wird rund ein Viertel des Strombedarfs von geothermalen Kraftwerken erzeugt. Vorreiter auf dem afrikanischen Kontinent ist Kenia mit dem 1981 in Betrieb genommenen geothermischen Kraftwerk Olkaria. Inzwischen deckt Olkaria rund 15% des landesweiten Strombedarfs. Der Erfolg von Olkaria initiierte Geothermie-Projekte in Ländern wie Eritrea, Tansania und Äthiopien, die wie Kenia am ostafrikanischen Grabenbruch liegen. Aber auch Länder wie China und Tibet setzen zunehmend auf geothermale Energie. Einen bedeutenden Anteil an der Gesamtversorgung hat Geothermie inzwischen auch in El Salvador und auf den Philippinen.

Geothermie in Deutschland
Berechnungen für Deutschland haben ergeben, dass mit Erdwärme knapp ein Drittel der benötigten Wärme bereitgestellt werden könnte. Im Bereich der geothermischen Stromererzeugung laufen Forschungen zur effizienten Energiegewinnung aus tieferen geologischen Schichten. Gefördert werden solche Forschungsprojekte unter anderem vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Die Alternative in Ländern wie Deutschland ist die Stromgewinnung aus vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 100 – 150 °C. Derzeit gibt es in Deutschland vier Kraftwerke, die Strom aus Geothermie erzeugen.

Erneuerbare-Energien-Gesetz

Das „Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien“, kurz „Erneuerbare-Energien-Gesetz“ (EEG) ist ein Bundesgesetz der Bundesrepublik Deutschland, das in erster Fassung aus dem Jahr 2000 stammt. Die derzeit gültige Fassung trat 2012 in Kraft. Zweck des EEG ist es, im Interesse von Klima- und Umweltschutz eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu schaffen. Dabei sollen fossile Resourcen geschont und Technologien zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien gefördert werden. Gleichzeitig sollen die volkswirtschaftlichen Kosten auch durch die Einbeziehung externer Effekte verringert werden.

Anteil erneuerbarer Energien steigern
Erstes Ziel des EEG ist es, den Anteil der Stromversorgung aus erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2020 auf mindestens 35% zu erhöhen. Bis zum Jahr 2050 ist eine weitere, schrittweise Erhöhung auf mindestens 80% der Stromversorgung aus erneuerbaren Energien geplant.
Um diese Ziele zu erreichen, regelt das EEG die bevorzugte Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen in das deutsche Stromnetz, und Vergütungen und Prämien für die Erzeuger.

Energiearten
Als erneuerbare Energien bezeichnet das Gesetz Wasserkraft (einschließlich Gezeiten-, Wellen-, Salzgradienten- und Strömungsenergie), Windenergie, Geothermie (= Erdwärme), solare Strahlungsenergie sowie Energie aus Biomasse einschließlich Biogas, Biomethan, Deponiegas, Klärgas und Energie aus dem biologisch abbaubaren Anteil von Abfällen aus Haushalten und Industrie.

Erneuerbare Energien haben Vorrang
Netzbetreiber werden durch das Gesetz verpflichtet, Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien und Grubengas unverzüglich und vorrangig an ihr Stromnetz anzuschließen. Falls notwendig – und wirtschaftlich zumutbar – müssen die Netzbetreiber ihre Stromnetze auch ausbauen, um den bevorrechtigten Strom aufnehmen zu können. Seit dem 01. Januar 2012 können die Hersteller von regenerativem Strom monatlich entscheiden, ob sie den Strom über das EEG vergüten lassen oder ihn selbst vermarkten wollen.

Lange Garantiezeiten
Die Vergütungssätze, die die Netzbetreiber an die Stromerzeuger zahlen müssen, sind durch das EEG für eine Laufzeit von 20 Jahren festgesetzt. Entsprechend der unterschiedlich hohen Kosten der verschiedenen Technologien für die Stromerzeugung, variieren auch die Vergütungssätze. Bei allen Technologien jedoch sinkt der Vergütungssatz jährlich um einen bestimmten Prozentsatz, sodass die Betreiber der Anlagen genötigt sind, nach und nach immer effizienter und kostengünstiger zu produzieren.

Kosten über Umlage refinanziert
Die Mehrkosten für den regenerativen Strom werden über die EEG-Umlage an die Endverbraucher weitergegeben. Sogenannten „stromintensiven Unternehmen“ räumt das Gesetz die Möglichkeit einer reduzierten EEG-Umlage ein.

Umweltschutz weltweit
Weltweit gibt es über sechzig Länder, die ähnliche Prinzipien zu Einspeisetarifen und Vorrangregelungen für Strom aus erneuerbaren Energien eingeführt haben. Dennoch gibt es Kritiker, die eine Modernisierung der konventionellen Kraftwerke und den ‚Mechanismus für umweltverträgliche Entwicklung’ für die effizientere Methode des Klimaschutzes halten.

Biogas

Biogasanlagen gehören in den Bereich der Energiegewinnung aus regenerativen Energien. Bioenergie besitzt ausgezeichnete Speichereigenschaften und Biogas kann sowohl zur Erzeugung von Strom als auch von Wärme genutzt werden. Biogas entsteht durch die Vergärung von Biomasse. In der Landwirtschaft werden dazu Tiergülle, Mist, Klärschlamm, Schlachtabfälle oder Energiepflanzen wie Mais genutzt.

Biogas aus vielfältigen Grundsubstanzen
Ebensogut können aber auch Speisereste und Haushaltsabfälle aus der Biotonne dafür verwendet werden. Diese Biomasse wird in sogenannte Fermenter gepumpt und dort vergoren. Je länger die Biomasse im Vermenter bleibt, und je höher dabei die Temperatur ist, um so mehr Biogas entsteht. Ständiges Umrühren der Masse im Fermenter verhindert die Bildung von Schichten und erleichtert das Entweichen des Biogases. Nach seiner Entstehung wird das Biogas entschwefelt und kann dann zur Erzeugung von Strom oder Wärme genutzt werden. Die Reste der Gärmasse können anschließend als Dünger verwendet werden.
Im Grundsatz stellen Biogasanlagen damit ein ökologisch sinnvolles Kreislaufsystem dar.

BiogasMenge an Biogas pro Biomasse
Allerdings hängt der Ertrag an Biogas, und damit die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage, von der verwendeten Biomasse ab. So ergibt eine Tonne Rindergülle ca. 25 m³ Biogas, womit etwa 20 l Heizöl ersetzt werden können. Werden statt der Rindergülle Bioabfälle verwendet, ist der Ertrag bereits viermal so hoch. Bei der Vergärung von Maissilage können jedoch pro Tonne rund 200 m³ Biogas gewonnen werden. Deshalb wird für die Produktion von Biogas zum Teil Mais in Monokulturen angebaut, bei deren Stickstoffdüngung viel CO2 in die Atmosphäre gelangt.

Biogas universell nutzbar
Somit stellen Biogasanlagen zwar einen wichtigen Beitrag zur Energiegewinnung aus regenerativen Rohstoffen dar, aber nicht in jedem Fall auch zum Umweltschutz.
Biogas wird überwiegend als brennbares Gas zum Betreiben von Gasmotoren verwendet. Durch diese Verbrennung entsteht Wärme, die unter anderem zum Beheizen von Wohnhäusern genutzt werden kann. In Blockheizkraftwerken wird Biogas mit Luft gemischt entzündet und durch den so entstehenden Ausdehnungsdruck ein Kolben bewegt, der wiederum eine Kurbelwelle in eine Drehbewegung versetzt. Diese Drehbewegung treibt dann einen Generator an, der die Energie in elektrischen Strom umwandelt.

Kosten-Nutzen einer Biogasanlage
0 – 40% der erzeugten Strommenge werden bei Biogasanlagen für die Vergärung der Biomasse benötigt. Die restlichen 60 – 80% können ins Netz eingespeist werden. Wegen der hohen Kosten ist der Betrieb einer Biogasanlage letztlich nur dann sinnvoll, wenn die benötigte Biomasse, wie zum Beispiel in der Landwirtschaft, ohnehin vorhanden ist. Gefährlich sind zudem die hochgiftigen Gase, die bei der Vergärung entstehen. Ist die Abdichtung einer solchen Anlage defekt, kann außerdem Methan austreten, das zum Treibhauseffekt beiträgt.

Windenergie

Windenergie wird von den Menschen schon seit Jahrtausenden genutzt. Dabei wurde die Windenergie zunächst direkt in mechanische Energie umgesetzt, um Wasser zu pumpen, Korn zu mahlen oder Blech zu bearbeiten. Ende des 19. Jahrhunderts begannen erste Versuche, Windenergie auch zur Stromerzeugung zu nutzen. Dabei wird die mechanische Energie über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Windenergie ist eine regenerative Energie, die den Vorteil bietet, weltweit und unter allen klimatischen Bedingungen zur Verfügung zu stehen.

Funktionsweise der Windenergieanlagen
Der Nachteil besteht in der Unbeständigkeit des Windes, sodass für eine kontinuierliche Stromversorgung Speicher benötigt werden. Elementarer Bestandteil von Windkraftanlagen sind die Rotorblätter mit einem Durchmesser von rund 100 Metern. Diese Rotorblätter werden durch den Wind in Bewegung versetzt, und die so entstandene Bewegungsenergie von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Die meisten Windkraftanlagen arbeiten zusätzlich mit einem Übersetzungsgetriebe, das die niedrige Drehzahl der Rotorblätter auf das für den Generator notwendige Maß erhöht.

Windklassen bestimmen Bauart
Je nach windstarkem oder windschwachem Gebiet, können Windkraftanlagen für verschiedene Windklassen zugelassen werden. Dabei werden bei Schwachwindanlagen, bei gleicher Nennleistung, größere Rotorblätter genutzt als bei Starkwindanlagen. Wird der Wind zu stark, müssen Windkraftanlagen wegen der Gefahr der Überlastung abgeschaltet werden. Die durch Wind erzeugte Strommenge kann daher nur sehr vage kalkuliert werden.

WindenergieOnshore und Offshore
Bei Windkraftanlagen wird zwischen „Onshore“ und „Offshore“ unterschieden. Onshore-Anlagen stehen an Land, wobei in der Regel nicht einzelne Anlagen sondern ganze Windparks auf unbesiedelten Landflächen errichtet werden. Als Offshore werden Windenergieanlagen bezeichnet, die im Meer mit einem Abstand von mindestens drei Seemeilen zur Küste errichtet werden. Sie sollen zukünftig einen großen Teil zur Stromversorgung beitragen.Verglichen mit anderen erneuerbaren Energien, ist die Stromerzeugung aus Windenergie kostengünstig. Allerdings erfordert die schwankende Menge des erzeugten Stroms

Möglichkeiten zur effizienteren Speicherung von Strom
Weit gravierender sind andere Nachteile der Windenergie. Während einige Vogel- und Fledermausarten den Windkraftanlagen offenbar ausweichen, werden die Rotorblätter für andere Arten zur tödlichen Falle. Noch schwerwiegender ist der Infraschall, der von den Anlagen erzeugt wird. Infraschallwellen haben eine sehr niedrige Frequenz und erzeugen Lärm, den der Mensch nicht hören kann, der vom menschlichen Ohr aber dennoch wahrgenommen wird. Die möglichen Folgen sind Schlafstörungen, Gleichgewichtsstörungen und Tinnitus. Auch im Hinblick auf Offshore-Anlagen werden negative Konsequenzen befürchtet. So schließen Biologen unter anderem nicht aus, dass die Infraschallwellen die Orientierung von Walen beeinflussen werden, was ein Massensterben verirrter Tiere zur Folge haben könnnte.