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23.2.2021
Die Energie des Lichts

15 Millionen Grad heiß, 150 Millionen Kilometer entfernt: Unsere Sonne. Ihr Licht braucht über acht Minuten, bis es die Erde erreicht. Ohne sie wäre kein Leben auf der Erde denkbar. Sie spendet Licht und Wärme und ist gleichzeitig dafür verantwortlich, dass Pflanzen wachsen, Sauerstoff produzieren und die Nahrungsgrundlage für Mensch und Tier bilden.

Lange Zeit machten wir uns keine Gedanken darüber, wie viel Energie die Sonne eigentlich jeden Tag freisetzt – und die uns kostenlos zur Verfügung steht. Dabei beginnt die Geschichte der Photovoltaik bereits im Jahre 1839. Der Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckte zu diesem Zeitpunkt bereits den photoelektrischen Effekt. Oder anders gesagt: das Prinzip der Sonnenenergie. Bis zur tatsächlichen Nutzung in der Energieversorgung sollten jedoch noch mehr als 100 Jahre vergehen. Mittlerweile – mit der Notwendigkeit zur Energiewende – ist Sonnenlicht ein wesentlicher Baustein der regenerativen Energieerzeugung geworden.

Eine Photovoltaikanlage besteht jeweils aus einer größeren Zahl von Modulen. Jedes davon setzt sich wiederum aus zahlreichen Solarzellen zusammen. Diese Zellen haben die Fähigkeit, das einfallende Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln. Licht besteht physikalisch aus sogenannten Photonen. Diese haben zwar keine Masse, aber Energie. Trifft ein solches Photon auf die in einer Solarzelle verbaute Halbleiterschicht, dann werden darin Elektronen freigesetzt und damit ein Stromfluss möglich. Den meist aus Silizium bestehenden Halbleiterschichten werden andere Elemente, häufig Phosphor oder Bor, hinzugefügt (Dotierung). So lässt sich der Elektronenfluss verstärken und zu einer relevanten Stromspannung an den Plus- und Minus-Polen der Zelle ausbauen. Schließt man den Stromkreis, so kommt es durch den außen angeschlossenen Leiter zu einem Elektronenfluss in eine Richtung und somit zu einem Ladungsausgleich. Solange eine Lichteinstrahlung besteht, kann also konstant elektrischer Gleichstrom fließen. Der Wechselrichter, einer der wichtigsten Teile einer Photovoltaikanlage, wandelt diesen um zu Wechselstrom. Dieser kann von allen Haushalten genutzt werden.

Eine aktuelle Studie des Fraunhofer Institutes zeigt, dass mehr als neun Prozent des Stromverbrauches in Deutschland durch Solarenergie abgesichert ist. Inzwischen sind rund zwei Millionen Photovoltaikmodule mit einer Nennleistung von insgesamt 53 Gigawatt in Deutschland installiert (Stand Dezember 2020). Um diese Leistung zu generieren, braucht es etwa 38 Atomkraftwerke mit einer durchschnittlichen Nennleistung von circa 1.400 Megawatt. An besonders sonnigen Tagen kann Solarstrom sogar zeitweise bis zu zwei Drittel des gesamten deutschen Strombedarfs decken. Und das Beste: Mit jeder Kilowattstunde, die durch Solarenergie produziert wird, wird der CO2-Fußabdruck der Energieversorgung kleiner. Das Fraunhofer Institut zeigt in seiner Studie, dass dies sogar über den gesamten Lebenszyklus einer Photovoltaikanlage gilt. Die CO2-Äquivalent-Emissionen der Anlagen liegen deutlich unter denen der fossilen Energieträger Kohle, Öl oder Gas. Das liegt zum Beispiel auch daran, dass mit der Verbreitung neuer innovativer Technologien die Treibhausgasemissionen bei der PV-Produktion in der jüngsten Vergangenheit deutlich gesunken sind.

Durch Forschung und Innovationen soll zudem auch die Abhängigkeit von Seltenen Erden wie Silizium, Silber, Yttrium und Neodym reduziert werden. Gerade bei der Herstellung modernster Photovoltaikmodule werden Seltene Erden genutzt, um beispielsweise deren Lichtausbeute durch Neodym, zu steigern. Durch die Verteilung der Seltenen Erden auf nur wenige Länder ist klar, dass Effizienz- und Recyclingstrategien alleine laut Umweltbundesamt (UBA) nicht ausreichen, um die Ressourcen zu schützen. Stattdessen muss durch weitere intensive Forschung dafür gesorgt werden, dass teilweise alternative Rohstoffe für die Produktion gefunden werden, damit Photovoltaikanlagen noch mehr als heute zum Klimaschutz beitragen können.  

Im Jahre 2010 erlebte der Markt für Photovoltaikanlagen noch einen regelrechten Boom, brach aber zwei Jahre später ein. Schuld daran war die gesetzliche Grundlage. Diese schränkte beispielsweise die Förderungen der Anlagen derart ein, dass ihr Ausbau zunehmend unattraktiv wurde. So besagte der sogenannte „52-Gigawatt-Deckel“, dass es keinen Vergütungsanspruch mehr gibt, sobald das Gesamtausbauziel des Bundes von 52.000 Megawatt erreicht ist. Dieses Ziel wurde im letzten Jahr erreicht – in der Konsequenz drohte jegliche Förderung wegzufallen. Dies hatte zur Folge, dass der Zubau für Solaranlagen stagnierte. Im August 2020 wurde der „52-Gigawatt-Deckel“ dann jedoch abgeschafft.

Der Ausbau von Photovoltaikanlagen ist damit wieder wirtschaftlich lukrativ und kann so sein ökologisches Potenzial entfalten. Zudem hat die Stadt Hamburg beispielsweise erst jüngst ein Gesetz verabschiedet, dass die Installation von Photovoltaikanlagen auf Neubauten ab 2023 vorschreibt. Ein wichtiger Impuls für den weiteren Zubau. Dieser wird auch durch die sich weiterentwickelnde Technik begünstigt: Neue Solarpanels weisen eine immer höhere Effizienz auf.

Auch in unseren intelligenten Quartieren werden Photovoltaikanlagen zur Energieerzeugung eingesetzt. Dort versorgen sie die Quartiere und ihre Bewohner mit regenerativer Energie.

Der Solarstrom ist als „grüne“ Energiequelle aus der Stromversorgung in Deutschland nicht mehr wegzudenken. CO2-frei, unbegrenzt und kostenlos: So treibt die Kraft der Sonne schon bald auch die Energie- und Wärmewende in unseren Quartieren an. 

Quellen:

https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/aktuelle-fakten-zur-photovoltaik-in-deutschland.pdf

https://de.statista.com/statistik/daten/studie/181592/umfrage/kernkraftwerke-in-deutschland-top-10-nach-leistung/

https://www.umweltbundesamt.de/themen/weniger-kritische-rohstoffe-fuer-umwelttechnologien

https://www.ndr.de/nachrichten/hamburg/Hamburg-macht-Solarzellen-zur-Pflicht-und-erntet-Kritik,solar286.html#:~:text=Schon%202023%20m%C3%BCssen%20auf%20allen,kurz%20vor%20Jahresende%20pr%C3%A4zisiert%20hat.