Was heute (nicht) zu haben ist
Wer derzeit eine Solaranlage erwerben will, braucht vor allem eines: Geduld. Denn seit 2004 in Deutschland die neue Einspeisevergütung für Solarstrom in Kraft trat, ist die Nachfrage immens gestiegen (bild der wissenschaft 3/2005, „ Deutschland schlägt Japan”). Installateure und Großhändler rennen den Komponenten hinterher, und die Kunden müssen oft monatelang auf die Errichtung ihrer Solarstromanlage warten. Großprojekte werden verschoben, Aufträge abgewehrt.
Selbst auf den einschlägigen Solarmessen gab es im letzten Jahr etliche Stände mit Datenblättern und Keksen – aber ohne Photovoltaik-Zubehör. „Wir wollen unsere Kunden ja nicht verärgern”, kommentierte Zouhaier Kefi, Vertriebsmanager bei Total Energie Deutschland in Brühl bei Köln. Weil man ohnehin keine Solarmodule und Wechselrichter liefern konnte, wurden sie auf Europas größter Fachmesse für Solartechnik, der Intersolar in Freiburg, gar nicht erst ausgestellt. Andere Hersteller waren zwar nicht so konsequent, doch unter Lieferschwierigkeiten leidet seit Monaten die gesamte Branche. So mussten die Installateure auf Komponentensuche häufig mit leeren Händen wieder nach Hause fahren.
Die Hersteller von Solarzellen und Solarmodulen haben ihre Fertigungskapazitäten seither drastisch erhöht – nach Angaben des Bundesverbands Solarindustrie betrug die Steigerung in Deutschland allein im ersten Halbjahr 22 Prozent für Solarzellen und 25 Prozent für Solarmodule. Ob die Firmen dabei ihre Produktionsziele erreichen, ist trotzdem fraglich. Denn es fehlt am Rohmaterial, dem Silizium, aus dem nahezu alle Solarzellen bestehen. Nach Sauerstoff ist dieses Element zwar das am weitesten verbreitete auf der Erde. Man findet es jedoch nicht in elementarer Form, sondern nur in Verbindung mit Sauerstoff als Siliziumdioxid, zum Beispiel in Kieselsteinen oder in Quarzsand.
Bisher verwendete die Solarindustrie vor allem Siliziumabfälle aus der Halbleiterfertigung zur Herstellung kristalliner Solarzellen. Dabei wird zunächst die Siliziumverbindung mit Kohlenstoff zu metallischem Silizium reduziert und anschließend chemisch gereinigt. Aus den dabei anfallenden, für die Chip-Produktion nicht brauchbaren Abfällen lässt sich Solarsilizium gewinnen. Das Angebot an Restmaterial aus der Chip-Herstellung reicht jedoch nicht mehr aus für den hohen Bedarf der Solarbranche.
Daher muss die Photovoltaik-Industrie andere Quellen erschließen – zum Beispiel durch die Errichtung von Anlagen, in denen das Halbmetall als Rohstoff speziell für die Fertigung von Solarzellen gewonnen wird. Doch das erfordert große Investitionen. Trotz des Siliziummangels gibt es daher bislang kaum europäische Unternehmen, die eine eigene Siliziumproduktion aufbauen. Branchenvertreter rechnen frühestens 2006 mit einer Entspannung der Situation. „Wir denken, dass der Markt auch 2005 und 2006 weiter wachsen wird – dass aber der Mangel an Solarsilizium dieses Wachstum noch bis mindestens Mitte 2006 bremsen wird”, meint Andreas Hänel, Vorstandsvorsitzender des Großhändlers Phönix SonnenStrom im bayerischen Sulzemoos.
Auch Q-Cells, Europas größter Hersteller kristalliner Solarzellen mit Sitz im sächsischen Thalheim, denkt nicht an die Errichtung einer eigenen Siliziumproduktion. Denn das sei nicht nur „unglaublich kapitalintensiv”, erklärt Marketingmanager Daniel Cintolesi, sondern erfordere auch viel Know-how. Zudem würde der Aufbau mindestens zwei bis drei Jahre dauern. Stattdessen investiert Q-Cells in eine Fabrik für Dünnschicht-Solarzellen.
Verglichen mit der Herstellung von kristallinem Material benötigt man bei dieser Variante deutlich weniger Silizium, denn es wird nur in einer hauchdünnen Schicht auf einem Träger (meistens Glas) abgeschieden. Auch die Herstellungstemperaturen sind niedriger, sodass zusätzlich Energie gespart wird. Dünnschicht-Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von 7 bis 9 Prozent gegenüber bis zu 17,4 Prozent bei kommerziell erhältlichen monokristallinen Zellen. Wegen dieser geringen Wirkungsgrade konnte sich die Dünnschicht-Technik bisher zwar nicht durchsetzen. Von dem derzeitigen Photovoltaik-Boom und dem damit verbundenen Mangel an Silizium erwarten nun die Hersteller von Dünnschicht-Zellen eine steigende Nachfrage – und haben ihre Produktion entsprechend ausgeweitet. Die Firma Würth Solar stellt derzeit in einer Solarfabrik in Marbach am Neckar mit einer Produktionskapazität von 1,3 Megawatt rund 20 000 Dünnschicht-Module pro Jahr her.
Die Produktionskapazitäten für Solarzellen in Deutschland betrugen im ersten Halbjahr 2004 insgesamt 226 Megawatt, berichtet der Bundesverband Solarindustrie. Für das Gesamtjahr rechnet die Lobby-Organisation mit einer in Deutschland neu installierten Leistung von über 300 Megawatt – was einem Marktwachstum von mehr als 200 Prozent entsprechen würde, denn 2003 wurden zwischen Flensburg und Garmisch „nur” 133 Megawatt installiert. Zurzeit besetzt Deutschland beim internationalen Vergleich der installierten Gesamtleistung den zweiten Platz. Sie betrug Ende 2004 nach Angaben der Unternehmensvereinigung Solarwirtschaft 710 Megawatt. Nur in Japan stehen noch mehr Photovoltaik-Anlagen – dort sind Solarzellen mit insgesamt 1140 Megawatt installiert. Den dritten Platz belegen die USA mit 365 Megawatt.
Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) in Paris hatten Solaranlagen, die ihren erzeugten Strom ins öffentliche Stromnetz einspeisen – so genannte netzgekoppelte Anlagen –, 2003 weltweit einen Anteil von 78 Prozent. In Deutschland waren es sogar fast 98 Prozent. Der Anteil der netzfernen Systeme, der so genannten Inselsysteme, die ausschließlich zur lokalen Energieversorgung etwa bestimmter Gebäude oder Maschinen dienen, verliert dagegen zunehmend an Bedeutung: Seit 1992 fiel er weltweit von 71 auf 22 Prozent. Doch der von einer Solaranlage erzeugte Gleichstrom kann nicht einfach so ins Netz gespeist werden: Wechselrichter wandeln ihn deshalb in Wechselstrom um und passen Spannung und Frequenz an das öffentliche Netz an. Bisher fristeten die Wechselrichter ihr Dasein meist kaum beachtet im Keller oder auf dem Dachboden.
Doch immer mehr Entwickler achten nicht nur auf Farbe, Design und Zusatzfunktionen dieses wichtigen Zubehörs. Selbst Geräte im kleineren Leistungsbereich bis etwa 10 Kilowatt fürs Einfamilienhaus werden inzwischen mit einer Anzeigetafel ausgestattet. Bei Solarstromanlagen im großen Leistungsbereich über 10 Kilowatt sind Wartungsverträge mit einer Laufzeit von 20 Jahren schon seit längerem üblich. Schließlich gilt es, Ertragseinbußen durch defekte Wechselrichter oder teilweise im Schatten liegende Solarmodule zu vermeiden. Wer es genau wissen will, kauft am besten einen Wechselrichter mit Datenlogger oder Computerschnittstelle. Dann kann er die Anlagendaten nicht nur ablesen, sondern auch auswerten und speichern. Eine Fernüberwachung per Internet ist ebenfalls möglich. Zudem kann man sich Fehlermeldungen per SMS, Fax oder E-Mail schicken lassen.
Bei den Wechselrichtern gab es 2004 zwar ebenfalls Lieferengpässe – schließlich besteht dieses Hightech-Produkt aus rund 1000 Einzelkomponenten, und auf den großen Nachfrageschub vom vergangenen Jahr waren die Elektronik-Unternehmen nicht vorbereitet. Der Ausbau der Fertigungslinien erfolgte hier aber wesentlich schneller als bei den Solarzellen- und Modul-Herstellern: Laut Bundesverband Solarindustrie verdoppelten die deutschen Wechselrichter-Hersteller im ersten Halbjahr 2004 ihre jährliche Produktionskapazität auf rund 730 Megawatt. Doch auch bei ihnen hängt die produzierte Leistung vom Silizium ab. Daher geht nun die Angst vor vollen Lagern um. Denn ohne den begehrten Halbleiter bekommt man nun mal keinen Sonnenstrom.
Wie es mit dem Solarstrom begann
Den photovoltaischen Effekt entdeckte der französische Physiker Edmond Becquerel zwar schon 1839. Bis zur Herstellung der ersten Solarzelle dauerte es aber noch mehr als 100 Jahre. Erst 1954 wurde sie von den amerikanischen Bell Laboratories der Öffentlichkeit vorgestellt: Die Forscher Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin und Calvin S. Fuller hatten die Zelle aus Siliziumstreifen in der Größe von Rasierklingen entwickelt. Sie konnte sechs Prozent des auftreffenden Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln.
Aufgrund der hohen Herstellungskosten wurden Solarzellen zunächst vor allem in der Raumfahrt eingesetzt. Zu den Pionieren gehört beispielsweise die Firma RWE Space Solar Power in Heilbronn, die nach eigenen Angaben seit 1964 mehr als 300 Satelliten mit Solarzellen ausgestattet hat.
Auch für die Energieversorgung von Flugzeugen waren Solarzellen schon früh interessant: Das unbemannte Solarflugzeug Sunrise I des US-Amerikaners R. J. Boucher konnte sich 1972 immerhin 20 Minuten lang auf einer Höhe von 100 Metern halten, berichtet Rudolf Voit-Nitschmann, Professor am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart. Erst seit der Ölkrise in den Siebzigerjahren wurde immer mehr über den Einsatz von Solarzellen zur Stromgewinnung auf der Erde nachgedacht.
Wie die Sonne künftig angezapft wird
Es liegt auf der Hand: Da es noch einige Zeit dauern wird, bis neue Siliziumfabriken ihren Betrieb aufnehmen, muss man den Rohstoff so sparsam wie möglich einsetzen. So hat der japanische Elektronikkonzern Sharp – Weltmarktführer bei der Herstellung von photovoltaischen Zellen – seit Januar die Dicke seiner Solarzellen von 200 auf 180 Mikrometer reduziert. Während die Anzahl der Fertigungslinien konstant bleibt, kann Sharp dadurch die Produktionskapazität seiner Solarfabriken deutlich steigern.
Eine weitere Möglichkeit, um an Silizium zu sparen, ist, mehr Leistung aus der gleichen Fläche herauszuholen. Zahlreiche Forschungsinstitute weltweit beschäftigen sich zu diesem Zweck mit der Steigerung des Wirkungsgrads – und veröffentlichen regelmäßig neue Rekorde. So stellte das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg im Juni 2004 eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von über 20 Prozent vor – ein Weltrekord für polykristallines Silizium. Diese Art von Silizium besteht – im Gegensatz zu monokristallinem Silizium – aus sehr vielen wenige Millimeter bis Zentimeter kleinen „ zusammengebackenen” Kristallen. Der Vorteil des polykristallinen Siliziums: Es lässt sich einfacher und preisgünstiger herstellen.
Seit einiger Zeit wird zudem an alternativen Materialien geforscht. Solarmodule aus Cadmium-Tellurid und Kupfer-Indium-Diselenid sind bereits als Serienprodukt erhältlich. Organische Solarzellen, in denen Farbstoff-Moleküle die Energie des Sonnenlichts in elektrischen Strom verwandeln, stecken noch im Forschungsstadium. Die bisher verfügbaren Labormuster erreichen Wirkungsgrade von maximal sieben Prozent. Nach Einschätzung der Wissenschaftler am Freiburger ISE oder von Siemens haben sie dennoch gute Chancen für eine künftig breite Anwendung. Solarzellen, die aus Halbleiterverbindungen wie Gallium-Arsenid gefertigt sind, bleiben jedoch wegen ihres hohen Preises wohl dem Einsatz in der Raumfahrt vorbehalten, wo sie wegen ihres vergleichsweise hohen Wirkungsgrads von bis zu 25 Prozent auch bisher schon verwendet werden.
Bei den Wechselrichtern ist das Ende der Fahnenstange fast erreicht, denn zahlreiche Geräte haben bereits heute einen maximalen Wirkungsgrad von bis zu 97 Prozent. Da ein Wechselrichter jedoch – wegen der unterschiedlichen Witterung – nicht ständig mit voller Leistung arbeitet und bei Betrieb „unter Teillast” ein größerer Anteil der Energie verloren geht, bleibt der tatsächliche Wirkungsgrad oft unter dem Höchstwert. Forscher arbeiten daher an der Steigerung des Wirkungsgrads im Teillastbereich. Einige Hersteller von Wechselrichtern haben zu diesem Zweck bereits spezielle Schaltungskniffe entwickelt, um auch bei geringer Sonneneinstrahlung möglichst viel Leistung aus der Anlage herauszuholen.
Immer wichtiger wird für die Nutzung der Solarenergie das Thema Netzintegration. Denn die steigende Zahl an dezentralen Energiequellen fordert das Stromnetz. Die Einspeisung von Strom durch Photovoltaik-Anlagen und Windkraftwerke schwankt je nach Wetterlage. Um das auszugleichen, müssen die Netzbetreiber als Reserve konventionelle Kraftwerke bereithalten, die bei einem Mangel an regenerativ erzeugtem Strom in die Bresche springen können.
Anfang Dezember 2004 fand in Brüssel erstmals eine internationale Konferenz dazu statt. Um Stromnetze aus dezentralen Energieerzeugern stabil halten und kontrollieren zu können, forderte dort Prof. Jürgen Schmid, Leiter des Instituts für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) der Universität Kassel, die Einrichtung eines europäischen „Supernetzes”. Mit ihm, ist Schmid überzeugt, würde sich die schwankende Leistung der Energieerzeuger besser ausgleichen lassen, indem bei Bedarf rasch Strom zwischen allen Regionen Europas umgeleitet werden kann.
Wie wichtig solche Technologien sind, zeigt das Beispiel Irland. „Dort haben die Energieversorger aus Angst vor einer Destabilisierung des Stromnetzes bereits den weiteren Anschluss von Windkraftanlagen verboten”, berichtet Schmid. Damit das nicht auch mit Photovoltaik-Anlagen passiert, sei es höchste Zeit, sich umfassender mit der Integration zu beschäftigen. Denn egal, ob Lieferengpass oder nicht – der Markt für Solarenergie wird in den kommenden Jahren sicher weiter wachsen. ■
Iris Krampitz
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Solarzellen wandeln Licht in elektrische Energie um. Damit die Zelle, die meist aus Silizium besteht, ausreichend Strom erzeugen kann, wird sie dotiert, das heißt gezielt mit Atomen anderer chemischer Elemente verunreinigt. Eine Seite der Siliziumscheibe wird mit Phosphor, die andere mit Bor dotiert. In ihrer äußeren Elektronenschale haben diese Atome ein Elektron mehr (Phosphor) beziehungsweise ein Elektron weniger (Bor) als das Silizium. Die Fremdatome stellen überschüssige Elektronen beziehungsweise „ Elektronenlöcher” (fehlende Elektronen) zur Verfügung, die Ladungen transportieren können. Physiker sprechen daher von n-dotiertem (Überschuss an negativen elektrischen Ladungen durch „ zu viele” Elektronen) oder p-dotiertem (Überschuss an positiven Ladungen durch „zu wenige” Elektronen) Silizium.
An der Grenzschicht zwischen der negativ und der positiv dotierten Siliziumschicht, dem so genannten pn-Übergang, entsteht ein elektrisches Feld. Durch die Energie des Sonnenlichts brechen die Elektronenbindungen auf. Ladungen werden freigesetzt und vom Feld getrennt: Elektronen und „Löcher” wandern zu entgegengesetzten elektrischen Kontakten und bewirken so, dass an der Solarzelle eine Spannung anliegt, die elektrischen Strom fließen lässt.
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Da eine einzelne Solarzelle nur sehr wenig Leistung liefert, schalten die Modulhersteller 36 bis 72 von ihnen hintereinander: Die Frontseitenkontakte einer Zelle werden jeweils mit den Rückseitenkontakten der nächsten Zelle verlötet. Um die Solarzellen vor mechanischen Schäden, Witterung und Feuchtigkeit zu schützen, bettet man die Zellstränge in ein transparentes Verbundmaterial. Auf der Vorderseite wird meist Glas, auf der Rückseite Tedlarfolie – aus dem Kunststoff Polyvinylfluorid – als Werkstoff für die Schutzschicht verwendet. Anfang und Ende eines Strangs werden für den späteren elektrischen Anschluss aus dem Solarmodul herausgeführt. Bei Dünnschicht-Solarzellen geschieht die elektrische Verbindung dagegen bereits während der Herstellung der Zellen.
Solarmodule werden häufig mit Sonnenkollektoren verwechselt. Diese erzeugen jedoch keinen Strom, sondern warmes Wasser. Sie sind das Herz einer solarthermischen Anlage: Im Kollektor wird die Sonnenenergie von beschichteten Metallblechen gesammelt, an eine an den Blechen entlang fließende Flüssigkeit abgegeben und zum Solarspeicher transportiert, der die Wärme hortet.
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monokristalline siliziumzellen liefern zwar die besten Wirkungsgrade (über 20 Prozent). Doch ihre Herstellung ist langwierig und teuer. Weil dazu runde Einkristalle auf einen rechteckigen Querschnitt zugesägt werden müssen, bleibt etwa die Hälfte des Rohlings als Sägemehl zurück. Polykristallines Material besteht dagegen aus vielen Kristallen mit Abmessungen von bis zu einigen Zentimetern. Es wird aus geschmolzenem Silizium gewonnen, das in einem großen Tiegel zu Blöcken mit quadratischem Querschnitt abgekühlt wird. Dieses Verfahren ist schneller. Zudem lassen sich die Solarzellen wegen ihrer quadratischen Form im späteren Solarmodul enger anordnen. Der Wirkungsgrad ist aber im Vergleich zu monokristallinem Material etwas geringer. Auch hier entstehen beim Zuschnitt Verluste.
Diese können beispielsweise durch Bandziehverfahren reduziert werden, bei denen man dünne Folien direkt aus der Siliziumschmelze zieht. Die Siliziumbänder haben bereits die Dicke der späteren Siliziumscheiben (Wafer) und müssen nur noch in Stücke geschnitten werden. Die Firma RWE Schott Solar verwendet zum Beispiel ein Verfahren, bei dem ein achteckiger Zylinder aus einer Siliziumschmelze gezogen wird. Aus den acht Seiten werden die Wafer geschnitten. Bei dieser Methode gehen weniger als zehn Prozent des Materials verloren.
Beim String-Ribbon-Verfahren der US-Firma Evergreen Solar werden dagegen zwei Drähte vertikal durch einen Tiegel mit Siliziumschmelze gezogen. Das flüssige Silizium bildet zwischen ihnen eine Haut und kristallisiert zu einem Siliziumband, das anschließend in rechteckige Scheiben geschnitten wird. Evergreen Solar betont, so den Siliziumbedarf halbieren zu können.
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Ohne Förderung sind netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen in Deutschland derzeit nicht wirtschaftlich. Daher führte die Bundesregierung 1999 das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ein. Fünf Jahre später wurde es novelliert: Mit dem Ende des 100 000-Dächer-Solarstrom-Förderprogramms der Kreditanstalt für Wiederaufbau zum 30. Juni 2003 wurden die Vergütungssätze erhöht, um die Gesamtförderung etwa konstant zu halten und so einen Markteinbruch zu verhindern.
Die Vergütungshöhe richtet sich nach der Anlagengröße und der Art der Installation: Freiflächenanlagen, die zwischen dem 1. Januar und dem 31. Dezember 2005 in Betrieb gehen, erhalten 43,42 Cent pro Kilowattstunde des ins Netz eingespeisten Stroms. Für Solarstromanlagen an oder auf Gebäuden mit einer Leistung von bis zu 30 Kilowatt gibt es 54,53 Cent pro Kilowattstunde, ab einer Leistung von 30 Kilowatt sind es 51,87 Cent, ab 100 Kilowatt 51,30 Cent pro Kilowattstunde. Einen weiteren Zuschlag von 5 Cent pro Kilowattstunde erhalten Systeme, die ins Gebäude integriert sind.
Diese Mindestvergütung wird 20 Jahre lang vom Energieversorger gezahlt. Bis 2005 sank die Vergütung für neue Systeme jährlich um fünf Prozent. Bei Systemen, die ab 2006 neu installiert werden, sinkt sie pro Jahr um 6,5 Prozent. Der Run auf Solaranlagen ist daher stets zum Jahresende besonders groß: Die Hersteller sprechen scherzhaft vom Lebkuchengeschäft. Installationen zwischen Weihnachten und Neujahr sind keine Seltenheit.
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Wechselrichter wandeln den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um und passen Frequenz und Spannung an die Werte des Stromnetzes an. Doch nicht jeder Wechselrichter ist für jede Solaranlage geeignet. Als Faustregel gilt, dass die so genannte Nenneingangsleistung des Wechselrichters nicht mehr als 30 Prozent unter der des Solargenerators liegen sollte. Bei Leistungsklassen ab 20 Kilowatt werden meist Zentralwechselrichter verwendet. Bei ihnen schaltet man mehrere Solarmodule in Reihe, um eine hohe Gleichspannung zu erzielen. Für Leistungen von etwa 700 Watt bis 5 Kilowatt eignen sich so genannte Stringwechselrichter.
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Wundern Sie sich nicht, wenn Ihr Installateur zum ersten Termin mit einem Kompass kommt – denn der Ertrag einer Solarstromanlage hängt stark von ihrer Ausrichtung ab. Die größte Energieausbeute erhält man in mitteleuropäischen Breiten, wenn die Solaranlage bei einer Neigung von 30 Grad nach Süden weist. Dächer mit einer Ausrichtung zwischen Südwest und Südost und einer Dachneigung von 10 bis 50 Grad sind ebenfalls geeignet. Wer seine Solaranlage dagegen lieber in die Fassade integriert, muss mit deutlich geringeren Erträgen rechnen.
Will man den Energiegewinn auf das maximal Mögliche steigern, empfiehlt sich eine zweiachsig nachgeführte Solaranlage. Sie richtet die Solarmodule stets optimal zur Sonne aus. Dadurch lässt sich der Energiegewinn in Mitteleuropa um 30 Prozent erhöhen. Doch das hat auch seinen Preis, denn die bewegliche Aufständerung und der Antrieb müssen zusätzlich bezahlt werden. Die Mehrkosten liegen bei etwa 10 bis 15 Prozent.
Entscheidend für den Ertrag ist auch der Standort der Solaranlage. So kann man in Bayern und Baden-Württemberg, wo der Großteil der Solaranlagen steht, mit einer jährlichen Einstrahlung von 1050 bis 1250 Kilowattstunden pro Quadratmeter rechnen, während im Norden Werte von 900 bis 1000 Kilowattstunden pro Quadratmeter üblich sind. Bei der Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes wurde daher auch über eine Vergütung nach Bundesländern oder Postleitzahlen nachgedacht. Von dieser Idee ist man aber wieder abgekommen.
