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Energie Macht Schule
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Photovoltaik

hier wird die Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Das griechische „photo“ steht für Licht. „Voltaik“ ist vom Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta abgeleitet.

Eine Solarzelle besteht aus zwei unterschiedlichen Siliziumschichten: Eine negativ-leitende Schicht ist zum Beispiel mit Phosphor versetzt und besitzt ihre Leitfähigkeit überwiegend aufgrund frei beweglicher Elektronen. Die andere, positivleitende Schicht ist beispielsweise mit Bor versetzt und besitzt ihre Leitfähigkeit überwiegend aufgrund frei beweglicher "Löcher". Dies sind Elektronenfehlstellen, die als positiv geladene Ladungsträger anzusehen sind. Aufgrund dieser Struktur besitzen Solarzellen an der Grenze beider Schichten ein elektrisches Feld. Bei Lichteinfall auf die Solarzelle werden die Bindungselektronen freigesetzt. Das heißt, es werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt, die durch das elektrische Feld zwischen n- und p-Schicht voneinander getrennt werden. Die Elektronen sammeln sich in der negativ-leitfähigen, die „Löcher“ in der positiv- leitfähigen Schicht. An den Anschlusskontakten einer Solarzelle entsteht so ein Mangel oder ein Überschuss an Elektronen, wodurch eine elektrische Gleichspannung entsteht. Die Solarzelle stellt damit ein elektrisches Mini-Kraftwerk dar.

 

Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle

Schaubild Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle

 

Theoretisch lassen sich mit Solarzellen beliebige Spannungen und Stromstärken erzielen. Man braucht nur die einzelnen Module ― wie bei Batterien ― entsprechend hintereinander oder parallel zu schalten. Eine Reihenschaltung führt zu einer höheren Spannung eine Parallelschaltung zu einer höheren Stromstärke.

Heute bestehen Solarzellen meist aus Silizium, dem mit rund 26 Prozent zweithäufigsten Element der Erdrinde. Silizium-Zellen werden aus monokristallinem, aber auch multikristallinem und dünnschichtigem Silizium hergestellt.

Obwohl mengenmäßig noch relativ unbedeutend, konnte die Photovoltaik in den vergangenen Jahren ein besonders rasantes Wachstum verzeichnen. Zum einen aufgrund der staatlichen Förderung, zum anderen sind die Anlagen einfach in der Handhabung und können auch von Privatleuten betrieben werden. Die Technik hat massive Fortschritte gemacht, was eine immer kostengünstigere Produktion ermöglicht.

Bis 2020 müssen 18 Prozent des deutschen Bruttoendenergieverbrauchs aus erneuerbaren Energien gedeckt werden. Das schreibt die „Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen“ aus dem Jahr 2009 vor. Auch für die anderen Länder macht die Richtlinie entsprechende Vorgaben. Für Schweden beispielsweise wurde der Zielwert für den Anteil von Energien aus erneuerbaren Quellen am Endenergieverbrauch auf 49 Prozent festgelegt, für Malta sind es dagegen nur zehn Prozent. Europaweit sollen so durchschnittlich 20 Prozent des Bruttoendenergieverbauchs aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden.

Die Förderung erneuerbarer Energien liegt in der Verantwortung der einzelnen EU-Mitgliedstaaten. Entsprechend vielfältig sind die Fördersysteme. In den meisten Mitgliedstaaten, darunter auch Frankreich, Deutschland und Spanien, werden Einspeisevergütungen als Hauptinstrument zur Förderung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen gesetzlich festgeschriebenen Preis, den die Stromnetzbetreiber an die Erzeuger von Ökostrom zahlen müssen.

Andere Länder setzen auf ein Quotensystem: Der Staat setzt eine Strommenge oder einen Stromanteil fest, den die Versorger aus erneuerbaren Quellen bereitstellen müssen. Das Erreichen dieser Quote kann, wie es in Großbritannien der Fall ist, durch die Vergabe von Zertifikaten kontrolliert werden, die auf dem Markt gehandelt werden. Steuerliche Anreize als hauptsächliche Form der Förderung werden nur in Finnland und Malta gesetzt. Neben anderen Fördersystemen existieren europaweit zudem Mischformen der verschiedenen Modelle.

Unterm Strich verursachen alle Fördersysteme für erneuerbare Energien zunächst Mehrkosten im Vergleich zur Stromerzeugung aus konventionellen Energien, den letztlich die Verbraucher bezahlen müssen. Treffen in einem Marktgebiet wie Europa mehrere Fördersysteme aufeinander, kann dies zu weiteren Kostensteigerungen führen. Laut einer Studie des Energiewirtschaftlichen Instituts an der Universität zu Köln aus dem Frühjahr 2010 führt die nationale Ausrichtung der Fördersysteme dazu, dass häufig Technologien an „suboptimalen Standorten“ realisiert werden: Es wird dort investiert, wo die Förderung am höchsten ist und nicht dort, wo die Kosten der Stromerzeugung am geringsten ausfalle.

 

Förderung erneuerbarer Energien in Europa

Schaubild Förderung erneuerbarer Energien in Europa

Polypol

Ist eine Marktform, die sich durch viele Anbieter und viele Nachfrager auszeichnet. Es wird auch als Modell der vollständigen Konkurrenz bezeichnet, bei der es keinerlei Kooperationen oder Zusammenschlüsse der einzelnen Marktteilnehmer gibt, sodass diese auch über keine bedeutsame Marktmacht verfügen. Im Gegensatz zum Monopol und Oligopol werden die Preise auf einem polypolistischen Markt nicht von einem einzelnen oder von einigen wenigen Marktteilnehmern festgelegt.

Power-to-Gas

Begriff, der für ein Konzept steht, bei dem überschüssiger Strom dazu verwendet wird, per Wasserelektrolyse Wasserstoff zu produzieren und bei Bedarf in einem zweiten Schritt unter Verwendung von Kohlenstoffdioxid methanisiert wird. Das entstehende synthetische Methan ist mit herkömmlichem Erdgas kompatibel und kann ohne Einschränkungen in vorhandenen Leitungen transportiert sowie in Speichern gelagert werden. Produzieren beispielsweise Offshore-Windräder mehr Strom als gerade gebraucht wird, könnte dieser Strom über diesen Umweg gespeichert werden. Das Gas könnte dann in konventionellen Gaskraftwerken bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden.

Power-to-heat

NEU!

Unter Power-to-heat, übersetzt: "Elektrische Energie zu Wärme", versteht man die Erzeugung von Wärme mit Strom. Sie ist eine Möglichkeit, Stromüberschüsse aus erneuerbaren Energien für die Wärmebereitstellung zu verwenden. Im Gegensatz zu reinen Elektroheizungen, die den kompletten Heizbedarf mit Strom decken, sind Power-to-Heat-Anlagen Hybridsysteme, die auch über eine herkömmliche, mit chemischem Brennstoff wie Holz oder Erdgas betriebene Heizungsanlage verfügen. Bei Stromüberschüssen kann somit die Wärmegewinnung aus elektrischer Energie erfolgen, ansonsten kommt das konventionelle Heizsystem zum Einsatz.

Preis

Aktualisiert!

der in Geldeinheiten ausgedrückte Tauschwert eines Gutes oder einer Dienstleistung. Preise sind Indikatoren von Knappheit und schaffen eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher Güter und Leistungen.

Der Preismechanismus stellt in einem marktwirtschaftlich organisierten System das entscheidende Element bei der Steuerung von Angebot und Nachfrage dar. Diese Steuerungsfunktion kann der Preismechanismus dann am besten wahrnehmen, wenn sich der Preis frei im Wettbewerb bildet. Ein freier Preis ist der beste Garant für eine höchstmögliche Effizienz der Marktversorgung.

Die Preise für elektrischen Strom unterscheiden sich in Europa von Land zu Land. So zahlt beispielsweise ein Haushaltskunde in Italien aktuell für eine Kilowattstunde Strom den zwei- bis dreifachen Preis, den ein norwegischer Haushalt aufzuwenden hat. Den einzelnen Stufen der Wertschöpfungskette stehen die entsprechenden Bestimmungsgrößen der Energiepreise gegenüber. In jedem dieser Bereiche wirken die Marktmechanismen ― zum Beispiel von Angebot und Nachfrage oder die Höhe Produktionskosten. Hinzu kommen noch Steuern und andere staatliche Abgaben mit denen der Energieverbrauch belastet wird.

Der Strompreis für Haushalte setzt sich aktuell aus folgenden drei Teilen zusammen:

  • 55 Prozent der Stromkosten sind staatlich bedingt,
  • 27 Prozent entfallen auf Netzentgelte,
  • Beschaffungs- und Vertriebskosten machen zusammen 18 Prozent aus.

 

Der Strompreis für Haushalte
(Anteile in Prozent)

Schaubild Entwicklung der Bedtandteile des Strompreises zwischen 2006 und 2017

 

Der Preis, den die Energierechnung des Endkunden ausweist, enthält Bestandteile, deren Höhe unabhängig von den Prozessen im Energiemarkt ist. Steuern und andere staatliche Belastungen sind in Europa der drittgrößte Einflussfaktor auf den Endkundenpreis für elektrischen Strom. Zur Stromsteuer im engeren Sinn kommen in Deutschland hinzu:

Insgesamt machen damit Steuern und andere Abgaben 50 Prozent des Strompreises für Haushaltskunden aus.

Primärenergie

NEU!

ist die direkt in den Energiequellen vorhandene Energie. So zum Beispiel der Brennwert von Kohle. Primärenergieträger sind unter anderem Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Erdgas, Wasser, Wind, Kernbrennstoffe oder Solarstrahlung. Die Primärenergie wird in Kraftwerken und Raffinerien in die sogenannte Endenergie umgewandelt. Dabei kommt es zu Umwandlungsverlusten. Ein Teil der Primärenergie wird auch dem nichtenergetischen "Verbrauch" zugeführt. Beispielhaft dafür steht Rohöl für die Kunststoffindustrie.

Prosumer

NEU!

Der Begriff ist ein sogenanntes Kofferwort. Es setzt sich zusammen aus den Begriffen "producer" und "consumer". Er beschreibt in der Energiewirtschaft die Wandlung des (Industrie-)Kunden vom reinen Verbraucher zum gleichzeitigen Produzenten von Strom und Gas.

Pumpspeicherkraftwerk

Form eines Wasserkraftwerks, das traditionell zur Energiespeicherung genutzt wird. Pumpspeicherkraftwerke sind bis heute die einzige effiziente und großtechnisch verfügbare Form der Speicherung. Dabei wird zu Zeiten mit geringem Stromverbrauch oder Energieüberschuss Wasser in ein höher gelegenes Speicherbecken gepumpt. Dieser Wasservorrat ist geeignet, um sehr kurzfristig über eine Turbine Strom zu erzeugen. Auf diese Weise können kurzfristige Spitzen beim Stromverbrauch ausgeglichen werden. In Zeiten schwacher Stromnachfrage, wird das Wasser aus dem Unterbecken wieder in das Oberbecken zurückgepumpt und steht erneut zur Verfügung.

Das Kernstück von Speicherwasserkraftwerken sind Staubecken oder Staumauern beziehungsweise Talsperren, die ein Gewässer aufstauen und anschließend die so gebündelte Energie des Wassers nutzen. Bei steigendem Strombedarf wird dann mehr Wasser aus dem Speicherbecken entnommen als momentan zufließt.

 

Aufbau und Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks

Schaubild Aufbau und Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks

 

Die Talsperren dienen darüber hinaus zum Teil:

  • der Hochwasserrückhaltung,
  • der Regulierung des Abflusses,
  • zur Sicherung der Schifffahrt und
  • der Speicherung für Trinkwasser- und Bewässerungszwecke.

Für die Errichtung dieser Kraftwerksart eignen sich hoch gelegene Seen mit einem natürlichen Wasserzulauf und Talsperren unter Einsatz der Francis- oder Peltonturbine.