Solarstrom: Silizium-Alternativen auf dem Vormarsch
von Rolf Hug
15.03.2005
Vor dem Hintergrund des gegenwärtigen, vorübergehenden Engpasses bei der Produktion von Solarsilizium können alternative Technologien langfristig von dem Rohstoffmangel und damit
verbundenen Preissteigerungen profitieren. Zum Beispiel Dünnschichtsolarzellen, photovoltaische Konzentratorzellen oder solarthermische Kraftwerke.
Mit dem aktuellen Photovoltaik-Boom wächst das Interesse an der Stromerzeugung in solarthermischen Kraftwerken, und die aus der Raumfahrttechnik stammenden Konzentratorzellen
drängen in den Markt. Wachsende Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Siliziumzellen können zunehmend die höheren Investitionen für konzentrierende Solarstromsysteme oder die
niedrigeren Wirkungsgrade von Dünnschichtzellen kompensieren.
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Links: Solar-Wafer und Rohstoff Sand. Rechts: Monolithische GaInP/GaInAs-Solarzelle; Wirkungsgrad 32,0 % (Bildmitte). Quellen: SolarWorldAG, Fraunhofer ISE.
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In solarthermischen Kraftwerken an sonnenreichen Standorten kann nach Auffassung von Forschungseinrichtungen wie der DLR oder von Unternehmen wie der SCHOTT AG Solarstrom
preiswerter erzeugt werden als Strom aus den in Deutschland weit verbreiteten photovoltaischen Zellen. Dies dürfte sich laut Unternehmensvereinigung Solarwirtschaft (UVS) in
steigenden Marktanteilen niederschlagen. Unter dem Strich würden damit die Hersteller- und Typenvielfalt im Bereich der Photovoltaik zunehmen, so die UVS. Jüngstes Beispiel dafür
ist die neu gegründete Concentrix Solar GmbH in Freiburg, ein Unternehmen, das aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hervorgegangen ist.
Concentrix bringt die Sonne auf den Punkt
Konzentrator-Photovoltaik-Systeme bündeln das Sonnenlicht und fokussieren es mit Hilfe von Linsen auf winzige Solarzellen. Dieser Ansatz erlaubt auch die Verwendung teurer, aber
hoch effizienter Materialien, da die benötigte Fläche durch die Bündelung des Sonnenlichts wesentlich kleiner sein kann als bei herkömmlichen Solarzellen. Die Concentrix Solar
GmbH verfolgt das Ziel, Konzentrator-Photovoltaikmodule und -systeme zu produzieren und zu vermarkten. Das Unternehmen kann dabei auf die am Fraunhofer ISE entwickelten
FLATCON®-Module zurückgreifen. Diese verbinden hoch effiziente Solarzellen aus der Raumfahrt mit kostengünstiger Modul- und Linsentechnologie.
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"Konzentrator-Photovoltaiksysteme haben das Potenzial, die Stromgestehungskosten für große Kraftwerkseinheiten an sonnenreichen Standorten erheblich zu senken", sagt
Concentrix-Geschäftsführer Hansjörg Lerchenmüller. "Wir werden nun eine Pilotfertigung für Konzentrator-PV-Module aufbauen und anschließend größere Demonstrations-Projekte
realisieren", kündigt der Solarstromexperte an. Ansätze, mit konzentrierter Solarstrahlung zu arbeiten, werden in der Photovoltaik - Forschung seit vielen Jahren verfolgt.
FLATCON®-Modul: Zahlreiche 16 Quadratzentimeter große Fresnel-Linsen bündeln das Sonnenlicht. Quelle: Fraunhofer ISE
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Vor einem entscheidenden Durchbruch steht die Konzentrator-Technologie nach Einschätzung des Fraunhofer ISE jetzt nicht zuletzt deshalb, weil große Fortschritte hinsichtlich des
Wirkungsgrads von Solarzellen mit Halbleitern auf der Basis von Materialien aus der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems erzielt wurden (III-V Halbleiter). Dr. Andreas
Bett, Projektleiter am Fraunhofer ISE und einer der Ideengeber für die FLATCON®-Technologie, sieht ein hohes Potenzial in der Entwicklung der Modulwirkungsgrade: "Prototypen liegen
bereits heute bei 23%. Mit unserer jüngst entwickelten 35%-Zelle halten wir sogar Modulwirkungsgrade von bis zu 28% für möglich."
Keine Hochstapler: Winzige Stapel-Solarzellen
erzielen Wirkungsgrad-Rekord
Mehr als 90% der am Markt verfügbaren Solarzellen werden zurzeit aus dem gefragten Halbleitermaterial Silizium hergestellt. Mit einer Rekordmeldung machte kürzlich eine andere
Material-Option von sich reden: Das ISE hat mit einer neu entwickelten Konzentrator-Solarzelle aus so genannten III-V Halbleitern einen europäischen Wirkungsgradrekord von über
35% erzielt. Der Winzling ist nur 0,031 Quadratzentimeter klein und besteht aus Galliumindiumphosphid, Galliumarsenid und Germanium. Wirkungsgrade von über 30% sind nur durch ein
Übereinanderstapeln von Solarzellen aus verschiedenen Halbleitermaterialien zu erzielen.
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Solarzellen-Empfängermodule für das FLATCONTM Konzentratormodul. Zellen mit einem Durchmesser von 2 mm und geeignet für eine 500fache Sonnenbestrahlung werden auf Kupferbleche
verlötet. Diese werden präzise auf einer Glasplatte verklebt, um im Bennpunkt einer Fresnellinse zu sein. Quelle: ISE
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Die Rekord-Zelle ist eine so genannte monolithische Tripel-Solarzelle, die in einem einzigen Prozess hergestellt wird. "Durch den Einsatz von drei verschiedenen Materialien
steigern wir die Effizienz, da wir auf diese Weise unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums optimal in elektrische Energie umwandeln", erläutert Bett. Dieser Solarzellen-Typ sei
besonders wegen des hohen Wirkungsgrades von entscheidender Bedeutung, speziell für den Weltraum. RWE Space Solar Power in Heilbronn fertigt nach einem am Fraunhofer ISE
entwickelten Prozess bereits Tripelzellen mit größeren Flächen, die beispielsweise auf Satelliten eingesetzt werden
500-fache Konzentration und zweiachsige Nachführung
Für den Einsatz zur Stromerzeugung auf der Erde, wird die Hochleistungszelle als Konzentrator-Solarzelle eingesetzt. Dabei wird das Sonnenlicht mittels so genannter Fresnel-Linsen
auf sehr kleine Flächen gebündelt. Das FLATCON®-Modul besteht im Wesentlichen aus einer Glas-Box, an deren Oberseite 4 mal 4 Quadratzentimeter große Fresnel-Linsen das Sonnenlicht
500-fach konzentrieren und auf die an der Unterseite angebrachten Solarzellen lenken. Die Module werden der Sonne zweiachsig nachgeführt, damit der Brennpunkt der Linse jederzeit
den aktiven Bereich der Solarzelle trifft. Ein FLATCON®-System besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Modulen, die auf einer Nachführeinheit installiert sind, dem so genannten
Tracker.
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Winzige Solarzellen in riesigen Kraftwerken: Eine Fresnel-Linse konzentriert das Sonnenlicht auf eine Konzentrator-Solarzelle (links); Simulation eines Konzentrator-PV-Kraftwerks.
Quelle: Fraunhofer ISE
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Mit ihrem Plan, diese Technologie zu einem industriellen Massenprodukt weiterzuentwickeln, zielt die Concentrix Solar GmbH vor allem auf größere Kraftwerkseinheiten mit Leistungen
von 100 Kilowatt (kW) bis hin zu mehreren Megawatt (MW) - in sonnenreichen Regionen. Denn die Stromgestehungskosten für FLATCON®-Kraftwerke hängen stark vom Standort
beziehungsweise der verfügbaren Solarstrahlung ab. Deshalb kann das FLATCON®-System hierzulande nicht mit den herkömmlichen Solarmodulen auf Siliziumbasis konkurrieren. An
Standorten in Südeuropa sind die solaren Stromgestehungskosten der Konzentrator-Technologie nach Berechnungen des ISE jedoch günstiger als jene der konventionellen Photovoltaik.
Eine Kostenanalyse habe ergeben, dass an guten Standorten in Spanien mit einem Kostenvorteil von über 15% gerechnet werden könne, so die Concentrix Solar GmbH. Für Regionen mit
noch höherem Anteil direkter Sonneneinstrahlung steige der errechnete Kostenvorteil sogar auf über 20%, beispielsweise in den Wüstenregionen Nordafrikas oder der USA. Erste
FLATCON®-Demonstrationsanlagen werden zur Zeit im Rahmen eines vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Forschungsprojekts am
Fraunhofer ISE aufgebaut und getestet. In Kürze will die Concentrix Solar GmbH Module auf dem Markt anbieten.
Solarstrom aus thermischen Kraftwerken schon in 15 bis 20 Jahren so billig wie Strom aus herkömmlichen Kraftwerken
Strom aus solarthermischen Großkraftwerken im so genannten Sonnengürtel der Erde ist nach Berechnungen des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) preisgünstiger als die
Elektrizität, die in Deutschland mit den weit verbreiteten photovoltaischen Zellen erzeugt wird.
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Schon heute erzeugen die solarthermischen Kraftwerke Kaliforniens den günstigsten Solarstrom weltweit. Das Bild zeigt Parabolrinnenkollektoren, die Hochtemperaturwärme von 390
Grad Celsius erzeugen. Damit wird ein konventionelles Dampfkraftwerk betrieben, das rund 200.000 Haushalte mit Strom versorgt. Bild: Sonnenkraftwerke in der kalifornischen
Mojawe-Wüste. Quelle: DLR
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Dennoch kann auch dieser kostengünstige Solarstrom heute noch nicht mit den Erzeugungskosten konventioneller Kraftwerke konkurrieren. Dass dies nicht so bleiben muss, zeigt die
durch die Europäische Union geförderte Studie, ECOSTAR (European Concentrating Solar Thermal Roadmapping). Ihr wesentliches Ergebnis ist, dass die Kosten für den Strom aus
solarthermischen Kraftwerken in sonnenreichen Gegenden in den nächsten 15 bis 20 Jahren auf etwa 5 bis 7 Cent pro Kilowattstunde gesenkt werden können. Heute liegen diese Kosten
für Mittellaststrom zwischen 15 bis 20 Cent pro Kilowattstunde. Erreicht werden sollen die Kostensenkungen durch den Bau von solarthermischen Kraftwerken im großen Stil, durch
Massenfertigungseffekte von Bauteilen - und vor allem durch technische Innovationen. Die DLR geht davon aus, dass ein Potenzial zur Kostensenkung von rund 50 Prozent erschlossen
werden kann. Forschungseinrichtungen und Industrie fordern, dass die Forschung auf dem Gebiet der solarthermischen Kraftwerke eine hohe Priorität in dem siebten Europäischen
Forschungsrahmenprogramm der EU erhält. Vertreter der EU Kommission hätten bei der Präsentation der Studie anerkannt, dass das ECOSTAR-Konsortium wesentliche Vorarbeiten für die
Schaffung einer europäischen Technologieplattform für solarthermische Kraftwerke erarbeitet habe.
Solarthermische Kraftwerke aus Deutschland als Chance auf dem Weltmarkt
Auf Sonnenstrom aus dem Süden setzt auch die SCHOTT AG: Allein im Mittelmeerraum ließe sich ein Vielfaches des europäischen Strombedarfs solarthermisch decken, betont der Konzern.
Die Markteinführung solarthermischer Kraftwerke sei deshalb eine europäische Aufgabe. Einen energischen Befürworter hat diese Kraftwerkstechnologie bereits gefunden:
Bundesumweltminister Jürgen Trittin. Und auch die spanische Regierung unterstützt den Bau solcher Kraftwerke durch entsprechende Einspeisegesetze. Noch in diesem Jahr soll dort
mit dem Bau des ersten Parabolrinnen-Kraftwerks in Europa begonnen werden.
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Mit den Parabolspiegelfeldern solarthermischer Kraftwerke wird Hitze erzeugt, die dann in einem konventionellen Kraftwerksblock in Strom umgewandelt wird. Statt Kohle, Öl oder Gas
treibt jedoch saubere Sonnenenergie die Turbinen an. Durch die Speicherung der Sonnenwärme kann rund um die Uhr Strom produziert werden.
SCHOTT Receiver für solarthermische Kraftwerke. Quelle: SCHOTT AG
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Solarthermische Kraftwerke können ihre Leistung sicher, planbar und netzstabil bereitstellen, betont die SCHOTT AG. Parabolrinnen-Kraftwerke eignen sich für den großtechnischen
Einsatz im Bereich von 50 bis 200 MW elektrischer Leistung. Ohne aufwändige Änderungen der Netzstruktur können sie konventionelle, fossile Kraftwerke ersetzen. "Solarthermische
Kraftwerke verbinden in idealer Weise die Ziele von Klimaschutz und Wirtschaftlichkeit. Sie sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einer CO2-freien Stromerzeugung", sagt
Dr. Udo Ungeheuer, Vorsitzender des Vorstandes der SCHOTT AG. Mit der Parabolrinnentechnologie verfügt Europa nach übereinstimmender Einschätzung von Experten über das Potenzial
für einen außergewöhnlichen Erfolg auf dem Weltmarkt.
Ansprechpartner und weiterführende Informationen im Internet:
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