Solare Kraftwerke

Gefördert durch das Energie-Einspeisegesetz erlebt die Solarbranche in Deutschland zur Zeit einen Boom mit Wachstumsraten über 20 Prozent. In Deutschland sind mittlerweile rund 100 000 photovoltaische Einzelanlagen mit jeweils Stromleistungen von einigen Kilowatt auf Hausdächern oder Gebäudefassaden installiert. Daneben liefern mehrere Großanlagen der Megawattklasse elektrischen Strom – zum Beispiel die Anlage auf dem Dach der Messe München-Riem oder der 5 Megawatt-Solarpark „Leipziger Land“ (siehe Energie-Perspektiven 1/2004). Nach Ansicht von Experten birgt die Photovoltaik aber noch ein gewaltiges Entwicklungspotential. In den sonnenreichen Regionen der Erde halten sie sogar Solar-Kraftwerke mit Leistungen im Gigawatt-Bereich für technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll.

Simulation eines Konzentrator- Solarkraftwerks (Grafik: Fraunhofer ISE)

Kernstück einer photovoltaischen Solarzelle ist ein Halbleiterkristall, in dem durch Licht freie Ladungsträger erzeugt werden. Bei terrestrischen Anwendungen wird hierfür das relativ preiswerte Silizium gewählt. Mehrere Solarzellen werden dann in einem Modul zusammengeschaltet. Photovoltaische Großanlagen sind aus mehreren 1000 solcher Module aufgebaut, die jeweils Leistungen von einigen 100 Watt erzeugen. Gegenüber Einzelanlagen weisen sie wirtschaftliche Vorteile auf: die Anlagenkomponenten lassen sich günstiger einkaufen, die Montagekosten reduzieren sich, etc.. Bislang werden die Kosten einer PV-Großanlage mit einer bestrahlten Fläche von mehreren 10 000 Quadratmetern wesentlich durch die lichtempfindlichen Halbleiterschichten bestimmt. Abhilfe versprechen sich die Wissenschaftler von Konzentratorsystemen, in denen das Sonnenlicht mit Spiegeln oder flachen Fresnel-Linsen gebündelt und auf eine sehr kleinflächige Solarzelle gelenkt wird. Mit diesem Trick wird einerseits viel Material eingespart, andererseits arbeiten Solarzellen auch effektiver bei höheren Lichtintensitäten. Allerdings muss dafür gesorgt werden, dass die durch die Fokussierung entstehende Wärme abgeführt wird. Da ein Konzentratormodul nur direktes Sonnenlicht in Strom umwandeln kann, muss es mit so genannten „Trackern“ dem Gang der Sonne nachgeführt werden.

Prinzip eines Konzentrator- Systems: Flache Linsen bündeln die Sonnenstrahlung auf die Solarzelle (Grafik: Fraunhofer ISE)

Konzentratorsysteme dieser Art sind bereits kommerziell erhältlich. Die amerikanische Firma Amonix zum Beispiel hat in Arizona einen Konzentratorpark mit einer maximalen Gesamtleistung von 300 Kilowatt errichtet. Hier konzentrieren flache Fresnel-Linsen die einfallende Strahlung auf das 250-fache und fokussieren sie auf kleine Solarzellen aus Silizium. Eine Anlage der australischen Firma Solar Systems bündelt das Licht mit Spiegeln und verdichtet es sogar auf das 480-fache. Wegen dieses hohen Konzentrationsfaktors müssen die Module sehr präzise zweiachsig nachgeführt werden.

Der Wirkungsgrad solcher Konzentratormodule liegt mit rund 19 Prozent deutlich höher als der konventioneller Flachmodule. Deshalb lohnt sich ihr Einsatz selbst bei uns: Messungen ergaben, dass sie zum Beispiel in Stuttgart übers Jahr gemittelt fast genauso viel Energie über die direkte Sonnenstrahlung einsammeln wie konventionelle Module, die auch die indirekte Strahlung nutzen. Aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades erhält man aber entsprechend höhere Energieausbeuten.

Nur 0,03 Quadratzentimeter groß ist diese Konzentratorzelle, der kleine braune Punkt in der Mitte des Fotos (Foto: Fraunhofer ISE)

Eine weitere Steigerung erwarten Wissenschaftler davon, die bislang üblichen Silizium-Solarzellen durch Zellen aus III-V-Verbindungshalbleitern zu ersetzen. Diese sind an das Spektrum des Sonnenlichtes besser angepasst und haben demzufolge auch höhere Wirkungsgrade (siehe Energie-Perspektiven 1/2004). Kürzlich hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE mit einer neuen Konzentrator-Solarzelle aus III-V-Halbleitern den europäischen Wirkungsgradrekord von über 35 Prozent gemeldet. Auf die nur 0,031 Quadratzentimeter große Zelle aus Galliumindiumphosphid, Galliumarsenid und Germanium wird das Sonnenlicht in Konzentratormodulen auf das 500-fache konzentriert. Laut ISE sind so photovoltaische Systemwirkungsgrade von deutlich über 25 Prozent möglich. Erste Teststücke werden zur Zeit am ISE aufgebaut.

Konzentrator-System – Flatcon-Module des Fraunhofer ISE in Freiburg: Flache Linsen bündeln die Sonnenstrahlung auf die Solarzelle. (Foto: Fraunhofer ISE)

Konzentratorsysteme bieten sich für die Verwendung dieser relativ teuren Stoffe geradezu an, da hier die Kosten für die Elektronik verglichen mit dem etwa für das „Tracking“ notwendigen mechanischen Aufwand nicht mehr die entscheidende Rolle spielen. An Orten mit Einstrahlungsverhält- nissen wie in München, Freiburg oder Paris können Konzentratormodule nicht mit den fest aufgestellten Flachmodulen der Silizium-Photovoltaik konkurrieren. Für Standorte in Südeuropa jedoch sind die solaren Stromgestehungskosten für die Konzentrator-Technologie günstiger als für die herkömmliche Alternative.

Neue Materialien in Verbindung mit der Konzentratortechnik weisen auch den Weg zu „Very Large Scale Photovoltaic Systems“, solaren Kraftwerken in Wüstengebieten mit Leistungen von 100 Megawatt bis 1 Gigawatt, die modular aus 500 Kilowatt-Einheiten aufgebaut sind. Gemäß Studien der Internationalen Energie-Agentur könnten sie den erzeugten Strom zum Beispiel über eine nordafrikanische Sammelleitung in ein globales Verbundnetz speisen. Außerdem sollen sie auch regional Industrie und Landwirtschaft mit Energie versorgen und auf diese Weise bisher unbewohnbare Regionen erschließen.

Olivia Meyer