Effizienz und Lebensdauer

Effizienz

Die wichtigste technische Kenngröße eines Stromerzeugers ist die Leistung, die er produziert. Diese hängt davon ab, wie viel Energie ihm zur Verfügung steht. Bei einer Solarzelle hängt die produzierte elektrische Leistung direkt von der Stärke der Sonneneinstrahlung ab – je mehr Licht auf sie fällt desto mehr elektrische Energie wird erzeugt. Bei einem Windrad hängt die Leistung von der Windstärke ab, bei einem Kohlekraftwerk von der verfeuerten Menge an Kohle etc.
Wenn eine organische Solarzelle bei guter Sonnenbestrahlung (Mittagssonne) eine Leistung von etwa 110 Watt pro Quadratmeter Solarzellenfläche hat, dann würde man bei einer solchen Zelle mit 1 m² Fläche von einer Solarzelle mit 110 Wp (Watt peak) sprechen. Eine Verdopplung der Fläche führt zu einer Verdopplung der Leistung, also hätte eine baugleiche Zelle mit 2 m² Fläche eine nominelle Leistung von 220 Wp.
Um die Effizienz einer Solarzelle zu berechnen, muss man nun die erzeugte Leistung ins Verhältnis zur eingebrachten Leistung setzen. Die oben erwähnte Mittagssonne hat in Sachsen eine Leistung von etwa 1000 Watt pro Quadratmeter. Wenn eine 1 m²-Solarzelle in der Mittagssonne 110 Watt als elektrische Leistung abgibt, so bedeutet das, dass sie einen Wirkungsgrad – oder auch eine Effizienz – von 11 % hat:

110 Watt abgegebene elektrische Leistung

= 0,11 = 11 %

1000 Watt aufgenommene Lichtleistung

Das wären knapp zwei Drittel von dem, was marktübliche Silizium-Solarmodule derzeit (2012) erreichen. Welche Wirkungsgrade organische Solarzellen tatsächlich erreichen, kann im abgebildeten Diagramm abgelesen werden.

Geschichte der Effizienz von organischen Solarzellen (rote und grüne Kurve) im Vergleich zu anorganischen Konkurrenz-Technologien (blau und violett), die ebenfalls die Herstellung von günstigen, flexiblen und teiltransparenten Solarzellen erlauben oder versprechen. Alle Punkte stellen Weltrekorde einzelner Zellen dar. In der Massenproduktion werden diese Effizienzen meist nicht erreicht. Die grüne Kurve zeigt daher separat die Weltrekorde von Zellen mit einer Fläche von mehr als 1cm². Diese Fläche erlaubt bereits eine erste Abschätzung, wie groß die Differenz zwischen der einzelnen Weltrekordzelle und einem entsprechend massenproduzierten Solarmodul ausfällt. Übliche Schätzungen gehen hier von etwa 2%1 aus. (Stand: Mai 2012. Eine regelmäßig aktualisierte Version ist unter www.orgworld.de verfügbar.)

Ein Jahr hat in Sachsen im Durchschnitt etwa 1000 Sonnenstunden. Bei der Berechnung wird eine Stunde Sonnenlicht mit halber Intensität, zum Beispiel bei schrägem Lichteinfall oder Bewölkung, als halbe Stunde gewertet. Die 1-m²-Solarzelle aus unserem Rechenbeispiel mit 11% Wirkungsgrad, die bei voller Sonneneinstrahlung 110 W erzeugt, würde in Sachsen aufgestellt in einem Jahr also 110'000 Wattstunden oder kurz 110 Kilowattstunden elektrische Energie erzeugen. Eine Kilowattstunde (kWh) ist die Einheit, die auf einer Haushalts-Stromrechnung abgerechnet wird.

Lebensdauer

Neben der Effizienz, die die Solarzelle direkt nach der Herstellung hat, spielt auch ihre Lebensdauer eine bedeutende Rolle: Mit der Zeit nimmt der Wirkungsgrad einer Solarzelle ab, am Anfang etwas schneller, dann immer langsamer. Als Lebensdauer wird üblicherweise die Zeit angegeben, nach der die Solarzelle nur noch 80 % ihrer ursprünglichen Effizienz aufweist. Solarzellen altern typischerweise im Betrieb weitaus schneller als „im Dunkeln“, die Lebensdauer wird daher in „Sonnenstunden“ angegeben. Für den Betrieb einer Dachanlage sind Lebensdauern in der Größenordnung von zehntausenden Sonnenstunden erforderlich, da ein Jahr etwa tausend Sonnenstunden hat (Sachsen). Für kleine und mobile Anwendungen, zum Beispiel aufrollbare Solarzellen fürs Camping, sind auch kürzere Lebensdauern ausreichend, wenn der Verkaufspreis niedrig genug ist, um ein häufigeres Austauschen der Solarzelle bezahlbar zu halten.
Aktuelle Werte über bereits erreichte Lebensdauern von organischen Solarzellen finden sich zum Beispiel auf der Webseite des Herstellers Heliatek.

Energierücklaufzeit

Eine Solarzelle, die für die Energieversorgung eingesetzt wird, sollte sich nicht nur finanziell lohnen, sondern in erster Linie energetisch. Hierfür ist zu betrachten, wie viel Energie für ihre Herstellung verbraucht wurde, und wie viel Energie sie pro Jahr produziert. Durch den Vergleich der Zahlen kann die Energierücklaufzeit berechnet werden: Wie lange dauert es, bis die Solarzelle ihre eigene Herstellung energetisch kompensiert hat? Diese Zeit nennt sich Energierücklaufzeit.
Eine Solarzelle mit einer Effizienz von 11%, also einer Nennleistung von 110 kWp, für deren Herstellung 55 Kilowattstunden verbraucht wurden, hat dementsprechend in Sachsen, wo sie jährlich 110 Kilowattstunden Strom produziert, eine Energierücklaufzeit von einem halben Jahr. Erst nach der Energierücklaufzeit beginnt die Solarzelle in der Summe Strom zu produzieren.
Die Energierücklaufzeit variiert je nach Aufstellungsort. Eine Solarzelle, die in der Sahara optimal ausgerichtet ist, produziert deutlich mehr Energie pro Jahr als eine Solarzelle, die in Mitteleuropa auf einer West-Dachschräge montiert ist. Bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen liegt die Energierücklaufzeit je nach Technologie in Mitteleuropa bei 2-5 Jahren, eine optimale Ausrichtung angenommen.

Wissensdurst: Effizienz hängt von vielem ab


1: Prozentpunkte


Quellen: Wirkungsgrade von organischen Solarzellen: Leos Record Chart www.orgworld.de

Bildnachweis: Solarpark: Prof. Dr. Knut Löschke, 25.6.11 at www.eike-klima-energie.eu


2012 by OES, Johannes Widmer