Solarthermie versus Fotovoltaik

Was ist eigentlich der Unterschied zwischen Solarthermie und Fotovoltaik?

Solar-Thermie- und Fotovoltaik-Panel

Fotovoltaik

Als Fotovoltaik wird die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom mittels einer Solarzelle (Rechts im Bild) bezeichnet. 

Der Strom kann direkt an Ort und Stelle verbraucht, in Akkumulatoren gespeichert oder zur Verteilung in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Funktionsweise einer Solarzelle

Eine Solarzelle besteht aus 2 dünnen Halbleiter-Schichten, die ein Kristallgitter bilden. Als Grundsubstanz dient in der Regel Silizium. Die beiden Schichten sind derart mit Fremdatomen versetzt („dotiert“), dass sich in der einen ein Elektronenüberschuss, in der anderen ein Elektronenmangel ausbildet. Hierdurch entsteht ein elektrisches Feld.

Trifft nun Licht auf die Solarzelle, so werden einzelne Elektronen durch die Licht-Teilchen („Lichtquanten“) aus ihren festen Bahnen im Kristall geschlagen und werden dadurch frei beweglich. Diese „freien“ Elektronen werden nun durch das elektrische Feld zu einer Seite der Solarzelle getrieben. Verbindet man die beiden Seiten der Solarzelle mit einem elektrischen Verbraucher – zum Beispiel einer Glühbirne - so fließt ein elektrischer Strom: Solarstrom.

Letzten Endes wird durch die Wechselwirkung zwischen Lichtquanten und Elektronen die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie umgewandelt.

Wirkungsgrade von Solarzellen und Fotovoltaikanlagen

Der Wirkungsgrad ist der Anteil der Leistung des auf die Solarzelle treffenden Lichts, welcher in elektrische Leistung umgesetzt wird.

Handelsübliche Solarpanels aus polykristallinem Silizium erreichen Wirkungsgrade zwischen 15 und 20 %. An Mehrschicht-Solarzellen aus verschiedenen, übereinander liegenden Materialien mit Lichtfokussierung durch optische Linsen wurden im Labor bereits Wirkungsgrade von über 40 % gemessen. Sie sind jedoch um ein Vielfaches teurer als einfache Silizium-Zellen.

Der Wirkungsgrad einer kalten Silizium-Solarzelle ist größer als der einer warmen. Er sinkt außerdem mit der Nutzungsdauer - in den ersten 20 Jahren um ca. 10%.

In der Praxis liegt der Gesamtwirkungsgrad einer Fotovoltaikanlage noch um ein paar Prozent unter dem der Solarzellen selbst. Die Ursache sind Leitungsverluste und die Transformation des Niedervolt-Gleichstroms der Solarzellen auf die 220-Volt-Wechselspannung des Stromnetzes. (Hierzu werden so genannte Wechselrichter eingesetzt, deren Wirkungsgrad über 95 % - aber eben nicht bei 100 % - liegt.)

Solarthermie

Durch Solarthermie wird Licht in Wärme umgewandelt.

Die Wärme kann dann direkt genutzt werden - zum Beispiel zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung. Sie kann indirekt ebenfalls zur Stromerzeugung verwendet werden - in so genannten Solarthermischen Kraftwerken. Hier wird mit der Wärme Wasser verdampft und mit dem Wasserdampf eine Turbine angetrieben, die über einen Generator elektrische Energie erzeugt.

Funktionsweise eines Solarthermie-Kollektors

Um Licht in Wärme umzuwandeln, muss man im Prinzip nicht viel tun. Denn Licht, welches von einem Material absorbiert, also nicht wieder reflektiert wird, geht über verschiedene Anregungsprozesse immer fast vollständig in Wärme über: Auch unsere Haut wird im Sonnenlicht warm. Solarthermie-Kollektoren (links im Bild) erwärmen eine Trägerflüssigkeit mit Hilfe des Sonnenlichts und nutzen diese Wärme.

Die Wärmeausbeute des Sonnenlichts lässt sich hierbei steigern, indem Materialien und Bauformen verwendet werden, die möglichst viel Sonnenlicht absorbieren und möglichst wenig Licht und Wärme wieder abstrahlen. Häufig werden auch Spiegel oder verspiegelte Halbröhren verwendet, um das Sonnenlicht auf ein mit der Trägerflüssigkeit gefülltes Rohr – den „Brennpunkt“ oder die „Brennlinie“ - zu fokussieren. Um die Wärmeverluste an die Umgebung gering zu halten, wird die Trägerflüssigkeit thermisch möglichst stark von der Umgebung isoliert - z.B. mit Luftpolstern oder Vakuum-Röhren.

Wirkungsgrade von Solarthermie-Anlagen

Solarthermische Anlagen für die Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung erreichen Wirkungsgrade zwischen 40 und 85 % - je nach eingesetzter Kollektor-Technik, Außentemperatur und Nutztemperatur.

Der Wirkungsgrad eines Solarthermie-Kollektors ist am größten, wenn der Unterschied zwischen der Gesamttemperatur der Anlage und der Nutztemperatur des Brauchwassers am kleinsten ist. Denn dann geht am wenigsten Energie durch Wärmeverluste an die Umgebung verloren. Bei einer Solarthermie-Anlage ist es also umgekehrt wie bei Solarzellen: Ihr Wirkungsgrad steigt bei steigender Außentemperatur.

Der in der Praxis realisierte Wirkungsgrad über ein ganzes Jahr hängt zusätzlich von der Wärmeentnahme, der Größe und der Wärmeisolierung des Nutzwasserspeichers ab. Wird beispielsweise über den Sonnenkollektor Wärme erzeugt, obwohl der Nutzwasserspeicher bereits vollständig erwärmt ist, muss die im Kollektor anfallende Wärme ungenutzt abgeleitet werden und der Wirkungsgrad der gesamten Anlage liegt bei 0.