Photovoltaik, wie funktioniert das?

Das Aufkommen erneuerbarer Energien ging Hand in Hand mit der Nutzung der Sonne, aber wie funktioniert Photovoltaik und wie gelangt sie zu Ihnen nach Hause?

Die Sonne, diese glühende Kugel, die unseren Himmel einnimmt und um die sich praktisch alle menschlichen Kulturen, die je existiert haben, gedreht haben, drehen und drehen werden (buchstäblich und wörtlich). Eine kulturelle und religiöse Verehrung, die, weit davon entfernt, von einer zunehmend weniger mystischen Menschheit verbannt zu werden, sich in wissenschaftliche Ausbeutung durch Energie verwandelt. Und Tatsache ist, dass dieser 4,603 Milliarden Jahre alte Stern – im Vergleich zum Alter anderer Sterne kaum erwachsen – lebenswichtig für das Leben auf der Erde ist (wir glauben nicht, dass es an dieser Stelle notwendig ist, zu erklären, warum), aber auch für die Erzeugung sauberer, nachhaltiger und unerschöpflicher Energie: Photovoltaik. So haben wir uns in nur wenigen Jahrzehnten von einem Leben mit dem Rücken zur Sonne – aus energetischer Sicht – zu einem Photovoltaik-Fieber entwickelt, in dem wir begonnen haben, das Potenzial unseres Sonnenkönigs zur Stromerzeugung zu nutzen. Aber haben Sie sich jemals gefragt, wie Photovoltaik-Solarenergie funktioniert? Nun, heute werden wir Sie aufklären. Cremen Sie sich ein, wir fangen an.

Das vielleicht Erste und Wichtigste ist zu klären, was Photovoltaik-Solarenergie ist. Diese Art von Energie wird durch die Umwandlung von Sonnenstrahlung in Elektrizität gewonnen, und zwar dank des sogenannten photoelektrischen Effekts. Dieser besteht im Wesentlichen aus der Emission von Elektronen (die später zu Elektrizität werden) als Folge der elektromagnetischen Strahlung, die auf ein Material trifft, in diesem Fall auf die Photovoltaikzellen auf der Oberfläche von Photovoltaikmodulen, unabhängig von ihrer Größe und Technologie. Diese wiederum bestehen aus einer Reihe von Schichten aus elektrisch leitfähigem Material, sei es Silizium oder andere Materialien, die mit einer glasartigen Schicht überzogen sind, die die Sonnenstrahlung durchlässt und den Energieverlust minimiert, obwohl der maximale Wirkungsgrad in den modernsten Anlagen derzeit bei 20 % liegt. Auf diese Weise werden die verbleibenden Sonnenstrahlen im Photovoltaikmodul „gefangen“, indem ein elektrisches Feld erzeugt wird, das durch einen Stromkreis fließt, der wiederum durch die elektrische Anlage verläuft.

Dank der „Magie“ der Wissenschaft haben wir nun unsere geliebten Sonnenstrahlen, deren Intensität – innerhalb der Kapazitätsgrenzen unserer Anlage – die von uns erzeugbare Leistung bestimmt, in unserem Stromkreis gefangen. Nun ist es an der Zeit, diese in echte elektrische Energie umzuwandeln, die wir nutzen können.

Da die „gefangenen“ Photonen Elektronen freisetzen, erzeugen sie immer mehr Strom im Stromkreis des Photovoltaikmoduls. Dieser kann nicht alle erzeugten Elektronen nutzen und leitet sie zurück zum sogenannten Minuspol, damit sie später im Prozess wieder eintreten können. Dieser zyklische Prozess ermöglicht die Erzeugung von sogenanntem Gleichstrom, der in Batterien gespeichert und später in Wechselstrom (den wir zu Hause verbrauchen) umgewandelt wird. Dies geschieht dank der Arbeit des zweiten großen Protagonisten unserer Erklärung: Spannungswandler.

Wie funktioniert Photovoltaik?

Diese Wechselrichter sind von entscheidender Bedeutung, denn ohne sie könnten wir die Vorteile der Photovoltaik-Solarenergie nicht nutzen. Durch die Arbeit dieser Geräte wird der Strom dank der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom so stark umgewandelt, wie er in jeder Steckdose in einem Haushalt zu finden ist. Der Grund für die Notwendigkeit, den Strom umzukehren, liegt darin, dass Gleichstrom, wie der Name schon sagt, einen regelmäßigen Fluss bietet, der in eine Richtung fließt, während Wechselstrom mit einer Leistung und Richtung funktioniert, die sich ständig in unterschiedlichen Abständen ändert, sodass Leistungsspitzen und -täler entstehen. Auf diese Weise ändern die Wechselrichter ständig die Richtung des Gleichstroms in Wechselstrom. So können wir es für unseren Hausgebrauch nutzen, da es viel einfacher ist, die spezifische Spannung unserer Geräte an Wechselstrom anzupassen.

Solarenergie und ihr globaler Beitrag

Nun, an dieser Stelle müssen wir, um mit der Erklärung fortzufahren, bei der Frage anhalten, welche Arten von Photovoltaikanlagen es gibt. Grundsätzlich können wir sie in zwei große Gruppen unterteilen:

• Photovoltaikanlagen, die an das Stromnetz angeschlossen sind
• Photovoltaikanlagen, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind

Schauen wir uns die Unterschiede in der Funktionsweise an und welche anderen Elemente in Aktion treten, um ihre Nutzung zu gewährleisten.

Photovoltaik-Solaranlagen, die an das Stromnetz angeschlossen sind

Diese Arten von Anlagen, ob Eigenverbrauchsanlagen (die wir in unseren Privathäusern installieren, um uns mit „kostenloser“ Energie zu versorgen) oder zentrale Anlagen (eine große Anlage, die Photovoltaik-Solarenergie erzeugt und an verschiedene Verbraucher verteilt), sind mit dem großen Stromnetz verbunden; So kann es sich von seinen Überschüssen (beim Eigenverbrauch) und seiner Produktion (bei Kraftwerken) ernähren.

Photovoltaik-Solaranlagen ohne Netzanschluss

Diese zweite Klassifizierung ist die am wenigsten verbreitete, aber in Bereichen wie der Landwirtschaft sowie an abgelegenen oder schwer zugänglichen Orten weit verbreitet. Im Grunde handelt es sich dabei um Anlagen, die in sogenannten „Energieinseln“ betrieben werden, um den Energiebedarf autonomer Anlagen zu decken. Diese Art von Photovoltaikanlagen, die aufgrund ihrer fehlenden Anbindung an das Hauptstromnetz viel einfacher zu bedienen sind, da sie keine zusätzlichen Schaltanlagen benötigen, können als Generatoren elektrischer Energie für die Beleuchtung, für Bewässerungssysteme von Plantagen oder zur Unterstützung anderer Erzeugungssysteme wie Dieselgeneratoren dienen.

Dazu und zurück zu dem Punkt, an dem die Energie bereits durch das Solarmodul geflossen und sicher in unserer Batterie gespeichert ist, benötigen diese Anlagen ein weiteres zusätzliches Element, das sie in Bezug auf den Betrieb unterscheidet: die Regler. Dieses Element fungiert im Wesentlichen als Schutzsystem für die Batterie vor elektrischen Überlastungen oder einer möglichen ineffizienten oder verantwortungslosen Nutzung der gespeicherten Energie. Auf diese Weise geben die gut geschützten Batterien die Energie in das autonome Stromnetz (Verkabelung und Haushalts-/Landwirtschafts-/Industrieanlage) ab, das sie wiederum nutzt. So einfach ist das.

Photovoltaikenergie: nachhaltig und günstig

Bis vor Kurzem war die Debatte über Photovoltaikenergie, wie auch über andere erneuerbare Energiequellen, weitreichend. Die Wolken, die den sonnigen „Photovoltaikhimmel“ zu verdecken drohten, waren nichts anderes als Zweifel an ihrer Lebensfähigkeit als Energiequelle. Wie jede Technologie musste auch die Photovoltaik in ihrer Anfangsphase mit Mehrkosten rechnen, die sie nach mehreren Jahren, in denen sie ihre Vielseitigkeit unter Beweis gestellt hat, dank technologischer Reife und nachhaltig sinkender Installationspreise überwinden konnte.

So wurde vor gerade einmal zwei Jahren ein Meilenstein in der Geschichte der Photovoltaik-Solarenergie erreicht, als die  Internationale Energieagentur (IEA) ihren jährlichen Energiebericht 2020 (World Energy Outlook) veröffentlichte. Darin kam sie zu dem Schluss, dass Solarenergie nicht nur wettbewerbsfähig und effizient, sondern auch „der billigste Strom aller Zeiten“ sei; das ist schon etwas. Der Schlüssel hierzu sind die Kapitalkosten für Solarenergieprojekte, die eine Produktion von Solarenergie zu einem Preis von weniger als 20 US-Dollar pro Megawattstunde ermöglichen. Aus diesem Grund ist dies einer der Gründe, warum Finanzierungsinstitute die Bereitstellung von Kapital zur Förderung neuer Solarprojekte angesichts der hohen Rentabilität positiv sehen.

Heute hat die Kapazität zur Erzeugung von Photovoltaik-Energie die psychologische Grenze von 1.000 GW erreicht, dank des Beitrags eines hervorragenden Jahres 2021, in dem 168 GW Kapazität zum globalen Stromnetz hinzugefügt wurden. Dies wird durch den Bericht Global Market Outlook for Solar Power von SolarPower Europe bestätigt, der auch hervorhebt, dass die Photovoltaikindustrie bereits im neunten Jahr in Folge ihren jährlichen Installationsrekord gebrochen hat. Ein Trend, der sich voraussichtlich im Jahr 2022 wiederholen wird, wenn Prognosen darauf hindeuten, dass die Solarenergieinstallationen erstmals die 200-GW-Marke überschreiten werden.