Petrus meint es gut mit uns an diesem Nachmittag. So als wüsste er, dass wir eine Solaranlage besuchen wollen. Denn es ist ein sonniger Tag und bereits die Fahrt durch das Moseltal von Koblenz nach Kobern lässt Urlaubsstimmung aufkommen.

Die Anlage, die wir uns anschauen wollen, liegt im Grünen, auf einem Berg, Hunderte von Metern von anderen Häusern entfernt. Kein Wahrzeichencharakter wie das Atomkraftwerk in Mülheim-Kärlich. Sie ist unscheinbar: Man sieht die Solaranlage erst, wenn man das Gelände betritt. Auf einem südlichen Hang stehen schwarzblaue Platten, auf schräggestellten Tafeln aufgelegt,  neben und über Gras und Büschen. Die Ruhe ist beeindruckend.

Wir – drei Mitglieder der Redaktion XPRESS der Berufsbildenden Schule Wirtschaft in Koblenz – möchten verstehen, wie diese Anlage funktioniert. Außer uns ist mit diesem Ziel noch eine 3. Klasse einer Grundschule angereist. Wir finden uns in einem großen, hellen Raum ein, links blinken Lämpchen an einer Schalttafel. Während wir noch überlegen, wie eine Grundschulklasse diese hoch komplizierte Technik verstehen will, beginnt der Vortrag.

Die Stimmung ist gut. Alles beginnt mit Vorstellung, kleinen Fragestellungen, ein paar einführenden Sätzen, die unsere Aufmerksamkeit bündeln – und unbemerkt sind wir mitten in der Problematik: Wie kann man am wirkungsvollsten und umweltschonendsten Strom herstellen? Wir sind beeindruckt von der Fachkundigkeit der Grundschulklasse, die der Vortragende mit Geschick in die Themenentwicklung einbindet.

Der Vorteil der Solaranlage gegenüber anderen Arten der Stromgewinnung wird schnell deutlich: Hier werden keine nichterneuerbaren Energien verbraucht, hier wird kein Abgas, kein Lärm, keine Umweltbelastung erzeugt. Nachteil ist schon eher die Effektivität. Wie kann man die Wirkung von Solaranlagen verbessern?

Wer glaubte, die Sonneneinstrahlung in der Wüste sei so viel größer, wird schnell eines Besseren belehrt: Sonnenstunden gibt es in der Sahara nur doppelt so viele wie bei uns. Damit gibt es nur die Möglichkeit, die einfallende Sonnenenergie besser zu nutzen. Plötzlich sind wir zu Forschern geworden. Wir stellen Fragen, wir wollen diese Methode der Stromgewinnung konkurrenzfähiger machen.

...

Nun besichtigen wir die Anlage. Jetzt schon? Sind wir denn schon eine Stunde hier? Anders als im Physikunterreicht vergeht die Zeit wie im Fluge. Wir wollen verstehen, sind beeindruckt, vor allem davon, wie angestrengt sich schon Grundschüler mit dieser  komplizierten Materie befassen. 

Nun wollen wir nicht mehr lange drum herum reden; die Solar Energie wirft sehr viele Fragen auf, die wir im Folgenden klären wollen.

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Was ist für eine Solaranlage notwendig?

Betrachtet man eine Photovoltaik-Anlage, so fallen die großen schwarzen Flächen unter einer Schutzdecke auf. Diese schwarze Flächen bestehen aus Silizumplatten, die die auftreffende Sonnenenergie in Strom umsetzen. Silizium ist ein sog. Halbleiter, der nur unter bestimmten Bedingungen leitfähig ist. Im folgenden wird die Wirkungsweise von Halbleitern sowie der Herstellungsprozess von Sonnenkollektoren beschrieben.

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Das Kristallgitter des Halbleiters

Um den Leitungsmechanismus in Halbleitern zu verstehen, muss man sich klar werden, dass Silizium 4 Elektronen auf der außenschale hat. Alle Elemente in der Natur streben stets auf eine stabile Konfiguration hin. Und die ist, wenn ein Atom 8 Elektronen auf der außenschale hat. Silizium fehlen also 4 Stück!

Um besonders Stabil zu werden, teilen sich die Atome immer je 1 Elektron, so dass sie 8 Elektronen auf der außenschale aufweisen. So besteht eine Starke Verbindung zu den benachbarten Atomen. So entsteht das sog. Kristallgitter:

Abb. 1 - 6 Siliziumkristallgitter.

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Dotieren von Halbleitern

Eine Möglichkeit, die Leitfähigkeit von Halbleitern zu erhöhen besteht darin, andere Atome die mehr oder weniger Elektronen auf der Außenschale besitzen. Z.B. Bohr (3 Elektronen) oder Phosphor ( 5 Elektronen). So entsteht ein Mangel (Bohr) oder ein Überfluss (Phosphor) von Elektronen. Bei der Verbindung mit Phosphor ist somit ein e zur "freien Verfügung" was mit geringen Energieaufwand bewegt werden kann.

Siliziumkristall mit Phosphor dotiert (n-Dotierung).

Siliziumkristall mit Bohr dotiert (p-Dotierung).

Die Ladungsträger, welche durch die Dotierung in den Halbleiter eingebracht werden, heißen Majoritätsträger.

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Herstellung von Reinst-Silizium

Das wichtigste ist das Herstellen von Wirklich reinem Silizium.

Reinst-Silizium wird in drei Schritten aus Sand (SiO₂) hergestellt:

1.      Reduktion von noch unreinem SiO₂ im Lichtbogen. Hierbei wirken Kohlenstoffelektroden als Reduktionsmittel: SiO₂ + C -> Si + CO₂. Man erhält Silizium mit einem Reinheitsgrad von ca. 99%. Dieses heißt metallurgisches Silizium.

2.      Elementspezifische Chlorierung gemäß Si + 2Cl₂ -> SiCl₄. Die Verunreinigungen bilden mit Chlor Salze. SiCl₄ ist gasförmig und lässt sich daher gut abscheiden.

3.      Reduktion in H₂-Atmosphäre bei 950°C entsprechend SiCl₄ + H₂ -> Si + 4HCl.

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Herstellung von Einkristallen (monokristallinem Silizium)

Im weiteren wird die Züchtung von Einkristallen aus dem gereinigten Silizium beschrieben. Hierzu stehen zwei Verfahren zur Verfügung:

a.       Das Czochalski-(CZ)-Verfahren:
Am Ende eines Stabes wird ein Silizium-Kristallkeim definierter Orientierung aufgebracht und in eine Si-Schmelze eingetaucht. Die Schmelze befindet sich in einem Quarzbehälter, der von einem Graphitmantel umgeben ist. Eine Induktionsheizung hält die Schmelze auf einer Temperatur von 1415°C! Aus der Schmelze kristallisiert Silizium unter Abkühlung am Kristallkeim aus. Ein Einkristallblock entsteht durch langsames (1 Mikrometer/s bis 0,1 Millimeter/s) Emporziehen des Stabes. Dieser dreht sich dabei gleichzeitig um seine eigene Achse (10 - 40 U/min). Der Prozeß wird unter Vakuum oder Inertgas-Atmosphäre durchgeführt. Es ist mit diesem Verfahren möglich, Barren mit bis zu 30 cm Durchmesser und mehreren Metern Länge zu ziehen. Dotierstoffe werden in der Schmelze gelöst. Ihre gleichmäßige Verteilung muss vor dem Kristallziehen abgewartet werden.

Schematische Darstellung des Czochalski-Ziehverfahrens für einkristallines Silizium.

„Aus der Schmelze ziehen“

b.      Das Float-Zone-Verfahren (FZ):
Bei diesem Verfahren werden Si-Einkristalle aus polykristallinem Silizium hergestellt. Polykristallines Silizium erhält man durch einfaches Abkühlen einer Si-Schmelze im Tiegel. Es werden Si-Einkristalle definierter Orientierung sowie die Stirnseite eines polykristallinen Si-Zylinders erhitzt und miteinander verbunden. Eine ringförmige Induktionsheizung wird von dieser Verbindung ausgehend langsam über den Zylinder bewegt, wobei eine ca. 2 cm breite Zone geschmolzenen Siliziums aufwärts durch den Zylinder wandert. Beim Wiedererstarren bildet das Silizium durch Umkristallisation Einkristalle. Ein Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem Czochalski-Verfahren besteht darin, dass Verunreinigungen mit der flüssigen Zone nach oben geschoben werden. Man erzielt also einen zusätzlichen Reinigungseffekt. Es können Zylinder mit einem Durchmesser von ca. 10 cm und einer Länge von 1 m hergestellt werden.

Die gewonnenen Einkristallstäbe werden in dünne Scheiben geschnitten. Hierbei geht rund die Hälfte des Materials verloren!

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Herstellung von polykristallinem Silizium

Das Blockgießen mit gerichteter Erstarrung ist ein Verfahren, welches bereits wirtschaftlich verwertet wird. Es können hinsichtlich der Herstellungskapazität und des Wirkungsgrades vergleichsweise gute Ergebnisse erzielt werden. Diese Methode wurde 1976 von Fischer und Pschunder entwickelt. Ausgangsmaterial ist Reinst-Silizium. Silizium wird dazu im Vakuum bei 1500°C aufgeschmolzen. Anschließend wird die Temperatur bis knapp über den Schmelzpunkt von 1412°C abgesenkt. Das Silizium erstarrt gerichtet durch langsames Herausfahren des Schmelztiegels aus der Heizzone. Es entsteht dabei ein polykristalliner Block, in dem das Silizium faserförmig erstarrt ist. Dieser hat eine Grundfläche von ca. 40 cm *  40 cm und eine Höhe von ca. 30 cm. Der Durchmesser der Fasern beträgt etwa 0,1 cm bis 1 cm, ihre Länge ist gleich der Höhe des Blocks. Dieser Block wird senkrecht zur Faserrichtung in dünne Scheiben geschnitten.

Polykristalliner Siliziumblock

Das Blockgießen wurde bespielhaft dargestellt, es  stehen aber auch andere Verfahren zur Verfügung, mit denen es möglich ist, polykristalline Siliziumscheiben direkt aus der Schmelze herzustellen. Der größte Vorteil gegenüber dem Blockgießen besteht darin, dass es keine Materialverluste durch das Zersägen gibt. Auf diese Verfahren wird hier nicht weiter eingegangen.

wie wird aus den Blöcken eine Zelle???????????

Das Solarmodul

In einem Solarmodul sind einzelne Solarzellen miteinander verlötet und wetterfest eingerahmt. Strom aus Solarmodulen hat in der Regel eine Nennspannung zwischen 16 und 18 Volt. Die Leistung eines Solarmoduls hängt von der Zahl der eingebauten Solarzellen und deren Wirkungsgrad ab.

Man unterscheidet bei kommerziell erhältlichen Modulen 3 Typen von Solarzellen:

» Monokristalline Silizium-Zellen: hoher Wirkungsgrad (bis 17 %), lange Lebensdauer von mind. 20 Jahren.

» Polykristalline Silizium-Zellen: hoher Wirkungsgrad (bis 15 %), etwas kostengünstiger als monokristalline Solarzellen, ebenfalls lange Lebensdauer von mind. 20 Jahren.

» Amorphe Silizium-Zellen: niedriger Wirkungsgrad von 5 - 10 %, kürzere Lebensdauer von 5 - 6 Jahren, schnelle Wirkungsgradminderung.

Ein Modul aus monokristallinen Solarzellen mit den Maßen 1293 x 330 cm hat z.B. eine Leistung von 55 Watt. Diese Leistungsangabe mit dem Symbol Wp versehen (Wp= Watt peak - Spitzenleistung) gibt die maximale Leistung des Solarmoduls bei strahlendem Sonnenschein an. Bei trübem Himmel geht die Leistung zwar zurück, doch wird selbst bei schlechtestem Wetter noch Strom produziert. Die Lebensdauer von Solarmodulen wird heute von allen Herstellern mit mindestens 20 Jahren angegeben (außer bei amorphen Solarzellen). Der durch das Solarmodul produzierte Strom fließt durch eine elektronische Regelung und wird in einer Batterie gespeichert.

Technologien und Aufbau der Photovoltaikanlage in Kobern-Gondorf

Definition: Man spricht von Photovoltaik, wenn die Energie des Sonnenlichts mit Solarzellen in Strom verwandelt wird. Dabei steht das griechische Wort "photo" für Licht, während "Voltaik" vom Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta abgeleitet ist, nach dem auch die  Maßeinheit Volt für die elektrische Spannung benannt wurde.

Funktionsweise

Hier nun eine physikalische Erklärung, wie der Strom überhaupt durch die Solarzellen entsteht: Das Bauprinzip einer Photovoltaik-Anlage gleicht dem einer Diode. Durch Dotierung wird ein Übergang zwischen zwei Teilschichten mit unterschiedlicher Ladung geschaffen. Eine Schicht im Kristallgitter besitzt einen Überschuss an Elektronen, sie ist negativ leitend (n-Typ), die andere Schicht hat einen Mangel an Elektronen, sie ist positiv leitend (p-Typ). Eine Möglichkeit zur Herstellung solcher n- und p-Halbleiter ist die gezielte Verunreinigung von Silizium mit geeigneten Fremdatomen. Hierbei wird in das Elektronengitter des Siliziums ein Atom, das ein Bindungselektron mehr (n-Typ) oder weniger (p-Typ) besitzt, eingebaut. Dies nennt man Dotierung. Die Funktionsweise ist folgende:

Ein Photon (Lichtteilchen) überträgt seine Energie an ein Elektron. Das Elektron gerät in Schwingungen und löst sich vom Atom. Hierdurch fehlt dem Atom an dieser Stelle ein Elektron (ein sog. Loch) Das dadurch positiv geladene Atom zieht wiederum ein anderes Elektron an Durch die Wanderung des Lochs bzw. des Elektrons entsteht eine elektrische Spannung.

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 Faktoren der Leistungsfähigkeit für Solarzellen

 Abhängigkeit von der beleuchteten Fläche

Zunächst einmal ist der Kurzschlussstrom (der Strom der fließt, wenn die Pole der Solarzelle kurzgeschlossen werden) proportional zur Fläche der Zelle. Die Leerlaufspannung (die Spannung, die zwischen den beiden Polen anliegt, wenn die Zelle nicht belastet ist; also das "Gegenteil" eines Kurzschlusses vorliegt) jedoch erreicht in der Regel bereits bei einer Beleuchtung von 20% - 40% der Fläche ihr Maximum.

Abhängigkeit: Belastung – Stromstärke / Spannung

Des weiteren ist die Spannung bei geringer Belastung am größten, während die Stromstärke bei Maximalbelastung (geringstem Widerstand) ihren Höhepunkt erreicht (gemäß dem Ohmschen Gesetz). Allerdings ist die erbrachte Leistung der Zelle nicht bei jeder Belastung konstant, vielmehr tritt ein MPP (Maximum – Power – Point) (meist bei einer Spannung von ca. 0,3V) auf, bei dem sie volle Leistung (Leistung: P = I*R) erbringt.

Abhängigkeit von der Entfernung der Lichtquelle

Ein Experiment über die Entfernung der Lichtquelle zur Zelle brachte das durch den Strahlensatz vorhergesagte Ergebnis. (quadratisches Abstandsgesetz: wird die durch das Licht zurückzulegende Strecke halbiert, quadriert sich die Energie des auftreffenden Lichtes.)

Abhängigkeit vom Einfallswinkel

Bis zu einem großen Winkel von ca. 60° vom Einfallslot bleibt zwar die Leerlaufspannung konstant, nicht jedoch der Kurzschlussstrom. Dieser errechnet sich aus dem Kosinus des Einfallswinkels. (Eigentlich wirkt hier das gleiche Prinzip wie beim teilweise Abdecken der Zelle: die Angriffsfläche des Lichtes bestimmt die Leistung der Solarzelle; die Angriffsfläche "bestimmt" man (veranschaulicht), indem man die Zelle aus der Richtung der Lichtquelle betrachtet.)

Temperaturabhängigkeit

Es steigt zwar bei steigender Temperatur der Kurzschlussstrom minimal an, jedoch sinkt die Leerlaufspannung erheblich. Die Leistung P sinkt also bei steigender Temperatur. Dies ist wohl darauf zurückzuführen, dass der Widerstand von Halbleitern (ein solcher ist die Solarzelle) bei höheren Temperaturen steigt. (Als Idealbedingung gilt ca. 25°C.)

Abhängigkeit von der Farbe des Lichtes

Es wurde nur ein sehr geringer Unterschied festgestellt, doch ist ein Trend erkennbar, nach dem kurzwelligere, energiereichere Strahlung einen höheren Wirkungsgrad erzielt.

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Die Solargeneratoren:

Die 7740 Solarmodule, die in Kobern-Gondorf eingesetzt werden, sind zu insgesamt 8 unterschiedlichen Solarfeldern zusammengeschaltet. Sie unterscheiden sich in den Solarzellentypen, ihren Leistungen und den Betriebsspannungen. Die großen Solarfelder A,B und C aus mono- bzw. polykristallinen Solarmodulen erzeugen je eine Spitzenleistung von ca. 100 Kilowatt. Um die Mismatchingverluste möglichst niedrig zu halten, durften die eingesetzten Module in ihrer Leistung nur um bis zu +/- 5% voneinander abweichen und wurden demnach in 3 Kategorien gleicher Abweichung angeliefert. Durch Reihenschaltung von 20-24 Modulen gleicher Leistungskategorie wird eine Nennspannung von 380 Volt erzeugt. Die positiven Zweige eines Solarmodulstranges sind jeweils durch eine Blockdiode vor Umkehrströmen gesichert. Vier bis fünf parallel geschaltete Stränge bilden eine Untergruppe, und vier bis fünf parallel geschaltete Untergruppen eine Zwischengruppe. Die Gleichstromleitungen zwischen den Zwischengruppen und dem Betriebsgebäude sind auf einen Spannungsabfall von 1% ausgelegt.

Der ökologische Aspekt:

Die RWE befasst sich in diesem Projekt als weltweit erstes Unternehmen intensiv mit den ökologischen Aspekten des Landflächenbedarfs von Solaranlagen. Wegen der Wertschöpfung durch "Stromernte" könnten auf diesen Flächen anstelle intensiver landwirtschaftlicher Nutzung gezielte Maßnahmen für den Naturschutz getroffen werden. Da die Solarzellen nicht durch hochwachsende Bäume oder Sträucher beschattet werden dürfen, wird im Bereich der Solarfelder die Entwicklung artenreicher Wildkrautfluren gefördert. Auf den Randflächen wurden diese durch Saumbiotope, heimische Hecken, Gebüsche und Feldgehölze ergänzt. Entsprechend der Biostrukturen des Moseltals wurden als spezielle Artenhilfsmaßnahmen Steinriegel und Schieferschutthaufen angelegt (siehe Foto), die inzwischen Mauereidechsen und anderen Wärmeliebenden Tieren eine Lebensstätte bieten.

Die Hauptzielsetzungen der RWE waren folgende:

§         Untersuchung des Betriebs von Solarzellen bei direkter Kopplung mit dem Versorgungsnetz

§         Test unterschiedlicher Solarzellentypen aus Europa, USA und Japan

§         Erprobung verschiedener Wechselrichter zur Umformung des erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom

§         Weiterentwicklung von Stützkonstruktionen zur Aufständerung der Solarzellen

§         Optimierung der elektrischen Systemtechnik Realisierung eines automatischen Anlagebetriebs

§         Untersuchen der Betriebszuverlässigkeit und des Wartungsaufwandes

§         Naturnahe Gestaltung der Landflächen der Solaranlage und Untersuchung ihres möglichen Beitrags zum Naturschutz
 

Der Standort der Anlage in Kobern-Gondorf (50° 19'' nördliche Breite, 7° 28'' östliche Länge) an der Untermosel in der Nähe von Koblenz wurde nach sorgfältiger Prüfung folgender Kriterien ausgesucht:

§         möglichst hohe Einstrahlung

§         nebelfreie Lage

§         ebenes bis leicht nach Süden geneigtes Gelände

§         gute Zugänglichkeit über Autobahnen und Landstraßen

§         gute Infrastruktur (Telefon, Wasser, Strom)

§         Anschlussmöglichkeit an das 20-kV-Mittelspannungsnetz des RWE
 

Der ausgewählte Standort oberhalb der Weinberge von Kobern-Gondorf konnte alle Kriterien erfüllen und liegt mit einer Globalstrahlung von 1100 kWh pro Quadratmeter im Jahr vergleichsweise günstig innerhalb des RWE-Versorgungsgebietes. Die Gesamtfläche des Geländes beträgt ca. 56000 m².

Was die elektrische Systemtechnik betrifft, so arbeitet die Anlage ohne Batteriespeicher direkt im Netzgekoppelten Betrieb. Die elektrische Systemtechnik wurde dabei so konzipiert, dass zu den einzelnen Entwicklungsschwerpunkten jeweils die heute verfügbaren und zukunftsorientierten Alternativen parallel betrieben und verglichen werden können: Insgesamt werden zehn unterschiedliche Solarmodultypen aus Japan, den USA, Frankreich und der Bundesrepublik Deutschland untersucht. Die Solarmodule unterscheiden sich in der eingesetzten Solarzellentechnologie sowie im Modulaufbau.

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Umwelt

Dann erklärten uns die freundliche Leute in der Photovoltaikanlage in Kobern-Gobdorf, einen schönen Ort an der Untermosel, dass es sehr viele Möglichkeiten gibt Strom zu produzieren und herzustellen. Nicht nur die Möglichkeiten mit Hilfe der Sonnenkraft (=Photovoltaik) gibt es, nein auch andere Möglichkeiten gibt es:

- Atomkraft,

- Wasserkraft,

- Windkraft.

Jetzt fragt ihr euch sicherlich, warum man ausgerechnet auf die Kraft der Sonne vertrauen soll, richtig? Das haben wir uns auch zunächst gefragt, aber dann erklärte man es uns freundlicherweise. Photovoltaiktechniken sind absolut umweltfreundlich, ein großer Vorteil in der Zeit von Ozonloch, Ölpesten, etc.

Atomkraftwerke, die hässlichen Bauten in den Landschaften (wer kennt und haßt sie nicht, siehe Mühlheim-Kärlich), sind ja für ihre enorme Umweltbelastung bekannt.

Nicht umsonst ist die rot-grüne Bundesregierung um Gerhard Schröder und Jürgen Trittin schon lange dran, diese endlich abzustellen.

Wasserkraft und Windkraft, auch Alternativen zu der Sonnenkraft, sehen zum anderen nicht so gut aus wie die schmucken Solarzellen auf dem Dach! Und diese sind u. U. auch noch gewinnbringend.

Einmal aufs Dach bauen lassen, und schon geht’s ab.

Umweltschutz ist eine der primären Ziele der RWE und der KEVAG. Von RWE-Forschern entwickelte Techniken verschonen die Atmosphere jährlich um ca. 6000000 Tonnen CO₂!

Also ist die Photovoltaiktechnik rundum etwas zufrieden-stellendes für alle. Die Umwelt wir -im Interesse von uns allen- geschonnt, Geld wird verdient und die Atomkraftwerke werden mit jeder Solarzelle mehr ein wenig mehr unnötiger! Eine Solaranlage rechnet sich für einen normalen Haushalt nur insofern, weil die Kevag die Einspeisung überflüssiger Energie subventioniert.

Rentabilität

Also Für einen normalen Haushalt mit ca. 3500 Kilowattstunden pro Jahr braucht man eine Anlage auf dem Dach, die ca. 50.000 DM (25.564,59 Euro) kostet und 3,5 Kilowattstunden produziert. Bei dem normalen Kevag-Verkaufspreis von 0,25 DM (0,13 Euro) pro Kilowattstunde würde diese Anlage unrentabel arbeiten. Dann wäre es klüger, den Strom direkt von der Kevag zu beziehen, und man könnte sich die hohen Anschaffungskosten für die Solaranlage sparen. Denn der Nachteil einer Solaranlage liegt in der mangelnden Kopplung von Stromverbrauch und -produktion. Vor allem bei langer direkter Sonneneinstrahlung wird zu viel Strom produziert, der im Privathaushalt nicht gespeichert werden kann. Dieser "überflüssige" Strom kann aber in das System der Kevag eingespeist werden. Für den Strom, der von der Anlage produziert, aber im Haushalt nicht gebraucht wird, zahlt die Kevag pro Kilowattstunde 0,99 DM (0,51 Euro). Nur durch diese Subvention wird eine private Solaranlage rentabel.

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