Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung der Photovoltaik

–ausgehend von den Erträgen der

Photovoltaikanlage aus

„Sonne in der Schule“ Eine Präsentation

der Klasse 9Ndes Lessinggymnasiums Braunschweig-Wenden

Inhaltsangabe

Der Weg zu der Photovoltaikanlage

Am 22.04.1996 hatten Schüler der Umwelt-AG des Lessinggymnasiums Braunschweig/Wenden an die Stadtwerke Braunschweig geschrieben und angefragt, ob auf dem Dach der Schule nicht eine Photovoltaikanlage installiert werden könne. Die Stadtwerke Braunschweig reagierten im Februar 1997 und berichteten in der Kundenzeitschrift „bs direkt“ über „SONNEonline“ und riefen zu einem Wettbewerb auf. In diesem Wettbewerb ging es darum, zu den 15 Schulen zu zählen, die eine Photovoltaikanlage von den Stadtwerken Braunschweig bekommen sollten. Unsere Schule schickte eine offizielle Bewerbung am 29.10.1997 ab. Am 09.12.1997 wurde ein Antrag auf die Einrichtung einer Photovoltaikanlage und auf einen Zuschuss für diese abgeschickt. Im Januar 1998 kam ein Bescheid, dass die Photovoltaikanlage bestellt worden sei. Die Anlage, aus 10 polykristallinen Silizium Solarmodulen bestehend, mit einer Spitzenleistung von 1,1 kW und einer Fläche von 9 m², wurde am 13.03.1998 geliefert und am 05.05.1998 von Schülern der damaligen Klasse 10N aufgebaut und installiert. Dabei halfen Mitarbeiter der Stadtwerke Braunschweig. Seitdem werden die Messdaten monatlich von Schülern einer naturwissenschaftlichen Klasse abgelesen. Parallel zur Photovoltaikanlage wurden Experimentierkoffer mit Materialien zur Untersuchung und Erklärung von Photovoltaik geliefert. Da das Lessinggymnasium von den ausgesuchten Schulen diejenige war, die als erste beliefert wurde, gab es ein großes Presseaufgebot.

Die Halbleiter sind nur für bestimmte Spektralbereiche geeignet. Ein bestimmter Anteil der Photonen verfügt nicht über ausreichend Energie um Ladungsträger zu „aktivieren“. Außerdem wird

ein gewisser Anteil der „Photonenüberschussenergie“ nicht in elektrische, sondern in Wärmeenergie umgewandelt. Dazu kommen noch Verluste durch Abschattung der

Zellenoberfläche, elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter, Materialverunreinigungen und Kristalldefekte.

•Die klassische Silizium-Solarzelle besteht aus einer ca. 0,001 mm dicken n-Schicht, welche in das ca. 0,6mm dicke p-leitende Si-Substrat eingebracht wurde. •Den Übergang zwischen n-Schicht und p-Substrat nennt man p/n-Übergang oder einfach Grenzschicht. •Bei der monokristallinen Siliziumsolarzelle wird die n-Schicht durch oberflächennahes Einbringen (dotieren) von ca. 1019 Phosphor-Atomen/cm³ in das p-leitende Si-Substrat erzeugt. •Die n-Schicht ist so dünn, damit das Sonnenlicht besonders in der Raumladungszone am p/n-Übergang absorbiert wird. •Das p-leitende Si-Substrat muss dick genug sein, um die tiefer eindringenden Sonnenstrahlen absorbieren zu können und um der Solarzelle mechanische Stabilität zu geben.

Aufbau

Wirkungsgrad:

Quelle: www.boxer99.de

η = Elektrische Nutzenergie / Sonneneinstrahlungsenergie

Zukunfts – Materialien ?• Amorphes Silizium: Im Gegensatz zum kristallinen Silizium reichen bei

diesem Material sehr dünne Schichten ( weniger als ein Hundertstel der Dicke einer kristallinen Zelle). Durch diese Materialeinsparung ist diese Art ungefähr 10 % billiger bei aber gleicher Leistung.

• Kupfer-Indium-Dieselenid: Bei Zellen aus diesem Material handelt es sich ebenfalls um Dünnschichtzellen wie beim amorphen Silizium. Allerdings ist bei diesem Stoff die Herstellung und das Material selber nochmals um 10% billiger. Auch ist der Wirkungsgrad im Gegensatz zu Silizium deutlich höher: Bei Silizium ca. 15- 21% , bei Kupfer-Indium-Dieselenid ca. 23- 30%.Leider wurde der Stoff bis jetzt nur im Labor und nicht unter natürlichen Bedingungen getestet. Außerdem ist Kupfer-Indium-Dieselenid giftig, was die spätere Entsorgung schwierig macht.

• Der Ertrag mit den Solarzellen kann noch mehr gesteigert werden, um ca. 6%, in dem die Solarzellen mit Elektromotoren ausgestattet werden, die den für den Monat richtigen Neigungswinkel einstellt.

Datentabelle fürunsere Annahmen

von unserer Schulanlage

Datum Sonnenintensität Ertrag in kWh

24.01.2003 86,7 20,8

18.02.2003 109,6 40,3

12.03.2003 153,1 1,1*

23.04.2003 218,2 1,6*

16.05.2003 210,4 90,2

05.06.2003 270,1 373,3

27.07.2003 215,9 46,2

19.08.2003 260,9 53,7

26.09.2003 212,1 79,6

29.10.2003 121,4 16,9

18.11.2003 67,6 21,4

13.12.2003 61,4 253,3

27.01.2004 210 2,8

23.02.2004 69,3 7,6

15.03.2004 123,8 13,4

22.04.2004 162,8 20,3

25.05.2004 163,7 101,9

23.06.2004 176,4 127,1

19.07.2004 178 135

27.08.2004 235,7 85,3

Herbstferien keine Daten vorhanden

01.10.2004 110,9 82,8

12.11.2004 59,7 9,6

06.12.2004 47,7 11,3

* ReparaturarbeitenDiagramm

Fläche: A = 9 m²Leistung: Pmax = 1,1 kW

Beispielrechnungen für unsere Schule

Durchschnittliche Sonneneinstrahlung pro Monat: 158,4 kWh/m²Unsere Solaranlage hat eine Fläche von 9 m²Durchschnittlicher Energieertrag pro Monat : 79 kWh

Dann ist der praktischen Wirkungsgrad in Prozent: ŋ = (Ertrag der Solaranlage / Durchnittliche Sonneneinstrahlung) * Fläche * 100 ŋ = (79 kWh / 1425,77 kWh/m2) * 100ŋ = 5 %

Fazit: Da diese Werte über das ganze Jahr betrachtet wurden, weicht dieser praktische Wirkungsgrad erheblich vom theoretischen Wert ab.

Vom 13.06.02 wurden bis zum 06.12.04 2,530 MWh umgesetzt.Momentaner Zählerstand: 408240 (10.03.2005)

Dach der Schule: ca. 513m² A = 513m² + 212m² + 1125m² + 245m² Dach der Bücherei : ca. 212m² = 2095m² Dach der Turnhalle : ca. 1125m² Wir könnten also theoretisch einen PlatzFassade der Schule : ca. 245m² von ca. 2095m² nutzen.

Beispielrechnung zur Energieausnutzung an unserer Schule:

Durchschnittlicher Ertrag pro Monat (86,9kWh) / 2095m²: ca. 9,65 kWh / m²

Durchschnittlicher Ertrag pro Monat und pro m² * theoretischer Platz: ca. 9,65 kWh / m² * 2095 m² = ca. 20857 kWh = 20,8 MWh Das wären in zwei Jahren ca. 500 MWh, also ca. 200x so viel wie zum aktuellen Zeitpunkt.

Aktueller Stand:

Zukunftsvision mit Kupfer-Indium-Dieselenid bei voller Flächenausnutzung:

CO2 EinsparungEnergieverbrauch der Schule in 2 Jahren: 36000 kWh

36000 kWh x 0.25 kg/kWh

9000 kg CO²

Solaranlage: Energieerzeugung: 2015kWh

2015 kWh x 0.25 kg/kWh (Mittelwert aller

genutzten Brennstoffe in Braunschweig

= 503.75 kg CO² Einsparung.

In dem Diagramm kann man die CO2-Werte pro kWh in Braunschweig sehen.Der zusätzliche oder „anthropogene" (vom Menschen ausgehende) Treibhauseffekt wird mindestens zur Hälfte durch die Freisetzung von Kohlendioxid (CO2) verursacht. Die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre ist seit dem Beginn der Industrialisierung im 18. Jahrhundert um 26 % angestiegen (Gassmann, 1994). Darum ist es wichtig das es die CO2 Emissionen stark reduziert werden, um den Treibhaus Effekt zu verlangsam, wenn möglich sogar zu stoppen. Überdies sind die fossilen Brennstoffe bald zum größten Teil aufgebraucht, so dass man sich schon jetzt nach Alternativen umsehen muss.

Grenzen• Die Solaranlage ist leider sehr wetterabhängig, das heißt, bei Bewölkung und

Schneefall wird weniger bis fast gar keine Energie produziert. • Sie verbraucht mehr Energie bei Herstellung, als sie in 4 Jahren einbringt, aber

das ist im Vergleich zum Beginn des Projekts „Photovoltaik in der Schule“ schon ein sehr geringer Energieverbrauch.

• Hohe Anschaffungskosten: Diese sind ohne die Hilfe vom Staat, als Otto-Normalverbraucher oder Schule, noch viel zu hoch und daher meistens nicht zu finanzieren. In der Zukunft wird sich das aber noch ändern, wenn die Entwicklung der Solarenergie-Technik so voran schreitet wie zuvor.

• Die Grenzen der Photovoltaik sind sehr vielseitig. Zum einen wären da die hohen Kosten einer Solaranlage. Ein Quadratmeter monokristalline Solarzelle kostet zurzeit 560€. In dem Preis ist die Montage aber noch nicht mit einberechnet, sondern bezieht sich nur auf die Beschaffung. Ein weiteres Problem ist die Lebensdauer. Eine Solarzelle hält ungefähr 25-30 Jahre. Ein weiterer Punkt der zu bedenken wäre, sind die hohen Energiekosten bei der Herstellung.

• Da unser Computerinterface, mit dem wir die Daten aufzeichneten, sehr labil war und es leider sehr oft ausgefallen ist, wurde es einmal auf Garantie ausgetauscht. Doch jetzt würde ein erneuter Austausch Geld kosten und so waren wir, mangels finanzieller Mittel, gezwungen die Verbindung ganz aufzugeben.

Resumée

•Unsere Schule ist für die Aufstellung von Solarzellen sehr gut geeignet. Die Vorteile unseres Standorts liegen in der hohen Sonneneinstrahlung Braunschweigs und den großen Dach- und Seitenflächen unserer Schule (wie z.B. das große Schul-, Bücherei- oder Turnhallendach). Hierdurch könnte man die Schule in Zukunft vom öffentlichen Stromnetz unabhängiger machen.•Allgemein ist die Solarenergie eine Energiequelle der Zukunft mit großen Wachstumschancen. Allerdings kann die Solarenergie nicht völlig für den Energiebedarf genutzt werden. Bei Bedarfspitzen kann eine Solarzelle nicht mehr Energie liefern, auch sprechen der hohe Platzverbrauch und die Wetterabhängigkeit gegen die Solarzelle.

•Fazit: Die Solarenergie ist eine sinnvolle Ergänzung zu fossilen Energiequellen, aber um unabhängig von solchen Energiequellen zu werden, müssen weitere Entwicklungen geschehen.