Geschichte, Entwicklung und Potenziale der Photovoltaik

Entdeckung und grundlegende Forschung

1839 stieß Alexandre Edmond Becquerel bei Experimenten auf den photoelektrischen Effekt. Bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen, bei denen er eine Platin-Anode und -Kathode verwendete, maß er den zwischen diesen Elektroden fließenden Strom. Dabei stellte er fest, dass der Strom bei Licht geringfügig größer war als im Dunkeln.

Zwischen 1839 und 1907 beobachteten mehrere Wissenschaftler den Photoeffekt bei verschiedenen Materialen und Experimenten. 1907 lieferte Albert Einstein eine theoretische Erklärung des lichtelektrischen Effekts.

Ein weiterer wichtiger Schritt für die Grundlagen der Halbleitertechnik und der Photovoltaik war das 1916 von Jan Czochralski entdeckte und nach ihm benannte Kristallziehverfahren. Es wurde erst in den 1940er Jahren weiterentwickelt und kam in den 1950er Jahren mit dem steigenden Bedarf nach Halbleiterbauteilen in größerem Maßstab zur praktischen Anwendung. Russel S. Ohl und Walter Schottky schufen währenddessen wichtige Voraussetzungen für die heutigen Solarzellen, in dem sie das p-n-Modell zum ersten Mal beschrieben und theoretische Modelle dazu entwickelten haben.

1953 wurden von Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson kristalline Silizium-Solarzellen, jeweils ca. 2 cm2 groß, mit Wirkungsgraden von über 4 Prozent produziert. Eine Zelle erreichte sogar 6 Prozent Wirkungsgrad – am 25. April 1954 wurden die Ergebnisse der Öffentlichkeit präsentiert. Die New York Times brachte das Ereignis am nächsten Tag auf der Titelseite. Die Solarzellen hatten einen definierten p-n-Übergang und gute Kontaktierungsmöglichkeiten, wodurch erstmals wichtige Voraussetzungen für die industrielle Produktion gegeben waren. 2002 wurde eine 1955 von den Bell Laboratories hergestellte, eingekapselte und damals mit 6 Prozent Wirkungsgrad vermessene Zelle erneut vermessen und wies noch 5,1 Prozent Wirkungsgrad auf.

Entwicklung der Anwendungen

Am 17. März 1958 wurde die Photovoltaik zum ersten Mal für die Stromversorgung eines Systems angewendet. Nachdem die USA bereits erfolgreich einen Satelliten in eine Erdumlaufbahn gebracht hatten, flog der zweite Satellit der USA namens Vanguard I mit einer chemischen Batterie und Photovoltaikzellen zum Betrieb eines Senders an Bord ins All. Er wog nur ca. 1,6 Kilogramm und hatte einen Durchmesser von weniger als 16 Zentimetern. Der Erfolg dieses kleinen Satelliten und die daran beteiligten Wissenschaftler legten den Grundstein für die erste erfolgsversprechende Verwendung der bis dahin noch nahezu unbekannten und vor allem sehr teuren Solarzellen. Für viele Jahre wurden in der Folge Solarzellen vorwiegend für Raumfahrtzwecke weiterentwickelt, da sie sich als ideale Stromversorgung für Satelliten in der Erdumlaufbahn bewiesen.

Bild1 | Photovoltaik Österreich
Quelle 1

1976 entschied sich die australische Regierung, das gesamte Telekommunikationsnetz im Outback mit photovoltaisch gestützten Batteriestationen zu betreiben. Einrichtung und Betrieb waren erfolgreich und ließen das Vertrauen in die Photovoltaik deutlich ansteigen.

Etwa ab 1980 waren Photovoltaikmodule mit wiederaufladbaren Batterien eine Standardanwendung zum Betrieb von Signalanlagen auf kleinen unbemannten Ölbohrinseln im Golf von Mexiko. Sie ersetzten als kostengünstigere und wartungsärmere Variante die vorher verwendeten großen Batterien, die im Abstand weniger Monate personalaufwändig und kostenintensiv getauscht werden mussten.

Der Schweizer Ingenieur Markus Real war bereits in den 1980iger Jahren der Überzeugung, dass es ökonomisch sinnvoller sei, jedes Haus mit einer eigenen PV-Anlage zu bestücken, also eine dezentrale Energiewandlung zu bevorzugen. Er trat mit 333 auf einzelnen Gebäuden installierten 3-kW-Dachanlagen in Zürich den Beweis an. Dies war der Anfang einer Bewegung, in deren Zuge auch das 1.000-Dächer-Programm der Bundesrepublik Deutschland aufgelegt wurde. Ab 1991 wurden mit dem Stromeinspeisungsgesetz die Energieversorger in Deutschland dazu verpflichtet, den Strom der kleinen regenerativen Kraftwerke abzunehmen. Dem 1.000-Dächer-Programm folgte das 100.000-Dächer-Programm und im Jahr 2000 auch der Nachfolger des Stromeinspeisungsgesetzes, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Österreich war im Vergleich zu den Industriestaaten der EU ein Spätzünder was die Photovoltaiknutzung betrifft. Erst seit dem Jahr 2008 kam es zu einem sichtbaren Zubau. Darauf hin wurde der jährliche Zubau bis 2013 jedoch jedes Jahr verdoppelt. Der PV-Ausbau im Jahr 2013 betrug 263 MWp. Mit 2014 ist die installierte jährliche Leistung in Österreich auf ca. 160 MW abgeflacht. In diesem Bereich blieb sie dann auch bis 2018.
Seit 2019 steigt die jährlich installierte PV-Leistung wieder merklich an. So waren Ende 2021 2.783 MW oder 2,78 GW an Photovoltaik-Leistung in Österreich installiert. Die Entwicklung der vergangenen Jahre sowie aktuelle Grafiken finden Sie hier

Bild2 | Photovoltaik Österreich
Die erste netzgekoppelte Anlage in Europa, 1979
Quelle 2

Potenziale der Photovoltaik

Jedes Jahr trifft 10.000-mal mehr Energie, in Form von Strahlungsenergie, auf unserer Erde auf, als die Menschheit in einem Jahr benötigt (Primärenergiebedarf). Das Potenzial der Nutzung der Sonnenenergie ist somit enorm und den Anwendungsmöglichkeiten sind beinahe keine Grenzen gesetzt.

Es ist jedoch wichtig von welchem Potenzial in Bezug zur PV gesprochen wird. Man unterscheidet folgende PV-Potenziale:

  • Theoretisches PV-Potenzial: Dieses Potenzial berücksichtigt das physikalische Angebot an Sonnenenergie ohne Einschränkungen. Es wird jedoch der maximale physikalische Wirkungsgrad von PV-Systemen berücksichtigt.
  • Technisches PV-Potenzial: Beim technischen Potenzial werden nicht nutzbare Flächen abgezogen und die Modulwirkungsgrade für die Berechnung verwendet. Dieses Potenzial kann sich somit durch Gesetzesänderungen, technologische Weiterentwicklungen, mit dem Erschließen neuer Flächen, etc. ändern.
  • Wirtschaftliches PV-Potenzial: Vom technischen Potenzial werden alle nicht wirtschaftlichen Potenziale abgezogen um das wirtschaftliche PV-Potenzial zu erhalten. Dieses Potenzial ändert sich mit schwankenden PV-Systempreisen, mit den Systempreisen konkurrierender Systeme oder neuen Anforderungen an die Technologie.
  • Realisierbares PV-Potenzial: Beim realisierbaren Potenzial wird das wirtschaftliche Potenzial auf dessen Machbarkeit bis zu einem bestimmten Zeitpunkt analysiert. Wieviel des wirtschaftlichen Potenzials kann in einer bestimmten Zeit und unter der Berücksichtigung der gesellschaftlichen Akzeptanz umgesetzt werden? Dieses Potenzial ist daher u.a. von der gesellschaftlichen Nachfrage geprägt.
 

PV-Potenzial in Österreich

Eine Studie aus dem Jahr 2020 zur „Ermittlung des Flächenpotenzials für den Photovoltaik-Ausbau in Österreich“ ermittelt folgende Photovoltaik Potenziale für Österreich, aufgegliedert in unterschiedliche Flächen die zur Verfügung stehen:

Gebäude

_______________________________________________________________________________________________________________________________

Deponien

_______________________________________________________________________________________________________________________________

Verkehrssektor

_______________________________________________________________________________________________________________________________

Militärsektor

________________________________________________________________________________________________________________________________

Freifläche

Theoretisches Potenzial (TWh)

 

18,6

 

k. A.

 

k. A.

 

3

 

> 100

Technisches Potenzial  (TWh)

 

13,4

 

1,2

 

4,5

 

0

 

28-32

Wirtsch. / Ökologisch / Sozial realisierbares Potenzial bis 2030 (TWh)

 

4,0

 

0,3

 

1

 

0

 

?

PV-Potenziale Zusammenfassung    

Quelle 3    

Berechnen Sie Ihr PV-Potenzial

Jede Person, jedes Unternehmen, die ein Gebäude, ein Stück Land oder auch nur einen Balkon besitzt, hat das Potenzial, Strom aus Photovoltaik zu erzeugen.

Ein Quadratmeter PV, am Dach (nach Süden ausgerichtet und 30° Aufständerung), kann etwa Strom im Ausmaß von 200 kWh im Jahr erzeugen. Mit dieser Herleitung kann jeder Dachbesitzer schnell das eigene Potenzial ermitteln. Aber Achtung: Nicht das gesamte Dach kann energetisch genutzt werden, da es Abstände zwischen den Modulen und Sicherheitsabstände zu Dachrändern und anderen herausragenden Dachbauteilen braucht. 

Ein nach Süden ausgerichteter Quadratmeter PV in der Fassade erzeugt in etwa 140 kWh pro Jahr.

Ein Quadratmeter auf der ebenen Fläche (zum Beispiel einer Freifläche, oder einem Flachdach) hat ein Potential von etwa 100-120 kWh Strom pro Quadratmeter und Jahr. Hier ist die Aufständerung und der Reihenabstand bereits mit eingerechnet.

Neben der Erzeugung am Dach, in der Fassade oder auf der Freifläche gibt es eine Vielzahl von anderen Anwendungen wie Strom erzeugt werden kann. Von innovativen Anwendungen wie Schwimmende-PV, oder Überbauungen von versiegelten Flächen bis hin zu Balkonmodulen, Bauwerksintegrierten Modulen oder Geräteintegrierten Modulen, wie zum Beispiel bei Autos oder Powerbanks. Mehr dazu finden Sie hier.

Quellenangaben:

  1. https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dawn_solar_panel.jpg
  2. https://www.energie-experten.ch/de/wissen/detail/die-geschichte-der-photovoltaik.html
  3. Ermittlung des Flächenpotenzials für den Photovoltaik-Ausbau in Österreich, Fechner, 2020