Von Albert Einstein über die Raumfahrt zu Lösungen des Weltenergieproblems
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Die Geschichte der Photovoltaik:
Von Albert Einstein über die Raumfahrt zu
Lösungen des Weltenergieproblems
Vortrag Energiewerkstatt #12 am 18.09.2018 in der Begegnungsstätte
Schwanewede
Werner Bergholz, ehem. Prof. of Electrical Engineering, Jacobs University
International Standards Consulting ISC GmbH, werner.bergholz@isc-team.eu
www.isc-team.eu
Überblick
1. Warum Photovoltaik ?
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
3. Technische Entwicklung ab 1954
4. Industrialisierung 1: Raumfahrt 1958
5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
6. Wie geht es bis 2050 weiter
2
W. Bergholz
1. Warum Photovoltaik ?
Erzeugung von
elektrischer Energie:
□ „Umweg“: Brennstoff
Dampf Turbine
Dynamo Strom
□ Das erste Kraftwerk
überhaupt: 1887 in
New York
http://www.powermag.com/history-of-power-the-evolution-of-the-electric-generation-industry/
W. Bergholz 3
1. Warum Photovoltaik ?
Erzeugung von elektrischer Energie mit Dampfturbinen:
□ nur in Großkraftwerken rentabel
http://www.powermag.com/history-of-power-the-evolution-of-the-electric- https://www.siemens.com/press/en/presspicture/?
generation-industry/ press=/en/presspicture/2017/power-
W. Bergholz gas/im2017030512pgen.htm 4
1. Warum Photovoltaik ?
Erzeugung von elektrischer Energie …
□ ohne mehrfache Umwandlungen der Energie
□ ohne Brennstoffverbrauch
□ ohne bewegte Teile teuer, wartungsintensiv
□ ohne Lärm, ohne Abgase
□ Rentabel auch bei kleiner Anlagengröße
Das alles kann Photovoltaik
Licht Strom
W. Bergholz 5
Überblick
1. Warum Photovoltaik ?
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
3. Technische Entwicklung ab 1954
4. Industrialisierung 1: Raumfahrt 1958
5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
6. Wie geht es bis 2050 weiter
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W. Bergholz
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
Entdeckung 1839 durch Becquerel:
□ Sonnenlicht auf eine saure Lösung von Silberchlorid: Elektrizität!
https://www.solarpowerworldonline.com/2018/01/long-history-solar-pv/
W. Bergholz 7
http://ebookstr.e-bookshelf.de/products/reading-epub/product-
id/5028427/title/Photovoltaics.html
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
1876: Im Festkörper Selen durch Adams und Day :
□ Leistung für praktische Anwendung viel zu klein
http://ebookstr.e-bookshelf.de/products/reading-
epub/product-id/5028427/title/Photovoltaics.html
W. Bergholz 8
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
1884 Erste praktisch verwendbare Selen – Solarzellen von Charles
Fritts in New York:
□ Nur 1% Wirkungsgrad
□ Teures Material
Nicht konkurrenzfähig!
https://cleantechnica.com/
2014/12/31/photovoltaic-
dreaming-first-attempts-
commercializing-pv/
W. Bergholz 9
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
1904/1905 Die Erklärung des
„Lichtelektrischen Effekts“
durch Einstein:
□ Licht bei dem Effekt nicht wie
eine elektromagnetische WELLE
□ Sondern wie ein
ENERGIEPAKET = PHOTON
□ Das Paket muss groß genug
sein, um ein Elektron aus dem
Metall herauszulösen
https://de.wikipedia.org/wi
ki/Photoelektrischer_Effek
t#/media/File:Fotoelektris
cher_Effekt.svg
W. Bergholz 102. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
1921 Nobelpreis für Einstein
□ Aber NICHT wegen der
Relativitätstheorie
□ Sondern für die Erklärung des
Photoelektischen Effekts…
□ …und seiner Verdienste in der Physik
https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt#/media/File:
DBP_1979_1019_Albert_Einstein_Lichtelektrischer_Effekt.jpg W. Bergholz https://www.solarpowerworldonline.com/201 11
8/01/long-history-solar-pv/2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
Warum war diese wissenschaftliche Erkenntnis so wichtig?
□ Der Wirkmechanismus wurde so besser verstanden
□ Folge: es wurde GEZIELT nach geeigneteren Materialien gesucht
□ 1940er Jahre: Halbleiter als die vielversprechendsten Kandidaten
W. Bergholz 12Überblick
1. Warum Photovoltaik ?
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
3. Technische Entwicklung ab 1954
4. Industrialisierung 1: Raumfahrt ab 1958
5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
6. Wie geht es bis 2050 weiter
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W. Bergholz3. Technische Entwicklung ab 1954
Erfindung und Entwicklung bei Bel:
□ D. Chapin, C. Fuller and G. Pearson erreichten 6% Wirkungsgrad mit der ersten
Si Solarzelle and Modulen daraus
https://beatriceco.com/bti/porticus/bell/belllabs_photovoltaics.html
W. Bergholz 143. Technische Entwicklung ab 1954
Erfindung und Entwicklung bei Bel:
□ Erste Erprobung, u.a. auf Telegraphenmasten, aus Furcht vor Vandalismus oder
Tiereinwirkung
https://beatriceco.com/bti/porticus/bell/belllabs_photovoltaics.html
W. Bergholz 153. Technische Entwicklung ab 1954
Vermarktung :
□ Trotz Werbung entstand kein
nennenswerter Markt
□ Warum?
□ > Faktor 100 zu teuer
Also ein hoffnungsloser Fall ?
W. Bergholz 16
http://ebookstr.e-bookshelf.de/products/reading-epub/product-
id/5028427/title/Photovoltaics.htmlÜberblick
1. Warum Photovoltaik ?
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
3. Technische Entwicklung ab 1954
4. Industrialisierung 1: Raumfahrt ab 1958
5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
6. Wie geht es bis 2050 weiter
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W. Bergholz4. Industrialisierung 1: Raumfahrt ab 1958
Der erste entscheidende
Markt:
Raumfahrtanwendungen
□ Im All benötigt man eine leichte,
kleine, robuste Energiequelle,
am besten ohne bewegliche
Teile, die das Sonnenlicht nutzt
□ = “STECKBRIEF” für PV !
□ Kosten: kein Problem
□ 17 März1958, der erste Satellit
Vanguard 1 mit ca. 1W Leistung https://www.engadget.com/2018/03/16/vanguard-i-six-decades-
orbit-oldest-man-made-object/
□ funktionierte 8 Jahre lang
W. Bergholz 184. Industrialisierung 1: Raumfahrt ab 1958
Weitere Stationen
□ 1958 / 1959: alle US
und russischen
Satelliten haben
Solarzellen an Bord
□ Erster PV Satellit:
Telstar mit 14W
Leistung
https://www.yourlifechoices.com.au/the_meeting_pl
ace/post/todays-chat-no-set-topic?page=171/
W. Bergholz 194. Industrialisierung 1: Raumfahrt ab 1958
ISS Raumstation
□ 80 – 120 kW Leistung
□ 120V Gleichstromsystem
W. Bergholz 20
https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_system_of_th4. Industrialisierung 1: Raumfahrt ab 1958
Erste andere Anwendungen:
□ Das erste kommerzielle PV Modul für “Nischenanwendungen”, bei denen die
Kosten auch zweitrangig waren, von Sharp
Quelle: Sharp
W. Bergholz 214. Industrialisierung 1: Raumfahrt ab 1958
Noch kein Durchbruch:
□ Für weitere Nischenanwendungen entstanden immer mehr Produkte.
□ Die Firma Wacker in Burghausen entwickelte eine Prozess für billigeres
Multikristallines Silizium
Aber PV war immer noch ca. um einen Faktor 10 zu teuer
□ Der entscheidende Durchbruch gelang am 1.4.2000
□ Es war kein technischer Durchbruch, sondern….
W. Bergholz 22Überblick
1. Warum Photovoltaik ?
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
3. Technische Entwicklung ab 1954
4. Industrialisierung 1: Raumfahrt ab 1958
5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
6. Wie geht es bis 2050 weiter
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W. Bergholz5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
Steckbrief des EEG:
□ 1.4. 2000 Das Erneuerbare-Energien-
Gesetz (EEG) tritt in Kraft
□ „Gesetz für den Ausbau erneuerbarer
Energien“
□ „Vater“ des EEG: Hans-Joseph Fell
□ IDEE: den Durchbruch zu PV
konkurrenzfähig schaffen
W. Bergholz 24
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/Hans-
Josef_Fell_%282010%29.JPG/5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
Auswirkung des EEG::
□ “Explosion” der PV Installationen
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37075
793
https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_solar_cells
W. Bergholz 25
/5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
Auswirkung des EEG::
□ 2003 HEMAU bei Regensburg – die bis dahin weltgrößte PV Anlage mit 4 MW in Betrieb
□ Als Teil des exponentiellen Wachstums der Photovoltaik
https://mapio.net/a/78516127/?lang=hu
W. Bergholz 26
https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_solar_cells5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
Auswirkung des EEG:
□ Der erwartete
Preisrückgang
□ 2002 – 2008 Engpass bei
der Siliziumherstellung
□ Danach um so schneller
Preisrückgang
Ab ca. 2012:
Konkurrenzfähige Kosten
für Kleinverbraucher
W. Bergholz 27
https://www.vox.com/2016/4/18/11415
510/solar-power-costs-innovationÜberblick
1. Warum Photovoltaik ?
2. Entdeckung 1839 Albert Einstein 1905
3. Technische Entwicklung ab 1954
4. Industrialisierung 1: Raumfahrt ab 1958
5. Industrialisierung 2: EEG Massenproduktion ab 2000
6. Wie geht es bis 2050 weiter
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W. Bergholz6. Wie geht es bis 2050 weiter
Weitere Kostenreduktion:
□ Die aktuellsten Zahlen von
der International Roadmap
for Photovoltaics
2018: PV in Deutschland bei
4 cent/kWh
□ Kosten in Arabien z.Zt. ca.
2 cent / kWh
Günstiger als jede ander
Herstellungsart!
□ OECD: PV wird ab ca. 2040
die wichtigste Quelle für
elektrische Energie weltweit
W. Bergholz 296. Wie geht es bis 2050 weiter
Umstellung auf Gleichstrom:
□ IEC: Normung für Niedervoltgleichstrom 24V bzw. 48V
□ Niedervolt Gleichstrom wird international als Schlüsselthema angesehen
W. Bergholz 306. Wie geht es bis 2050 weiter
Projekt gefördert durch die Wirtschaftsförderung Osterholz:
□ 1,6 kW Pilotprojekt zur direkten Nutzung von 24V Gleichstrom aus PV
Bisher
20 – 30 % Energieverlust insgesamt! gleichStrom
company
Verbraucher
PV
Fehlpassungs-
verluste
Wechsel- Verteiler/ Gleich-
richter Netz richter
> 15 %
Verluste!
Verluste!
Verluste!
>6%
>8%
W. Bergholz 316. Wie geht es bis 2050 weiter
Projekt gefördert durch die Wirtschaftsförderung Osterholz:
□ 24V Gleichstrom PV für ca. 30% bessere Nutzung der PV Energie
Zukünftig
gleichStrom
company
Verbraucher
PV
DC DC
Verteiler/
Wandler
Netz
Verluste
< 4%6. Wie geht es bis 2050 weiter
Gleichspannungs PV besonders wertvoll für Entwicklungsländer:
□ LOKALE Erzeugung und Verbrauch
□ Wenig Startkapital nötig, sukzessive vergrößerbar
□ Forschung zeigt: wirtschaftlicher Aufschwung sobald Elektrizität verfügbar
Photos: Steca und https://www.deginvest.de/Bilder-und-
Grafiken/Projekte_Branchen_Regionen/Mobisol_Techniker-
W. Bergholz 2_2011_Responsive_1080x608.jpg 336. Wie geht es bis 2050 weiter
Energieversorgung in Deutschland 2050, nach einer Berechnung
des ISE Instituts in Freiburg:
□ Ausbau von PV und Wind auf jeweils ca. 200 GW
□ Sommer - Überschuss wird zur Herstellung von Wasserstoff verwendet
□ Winter – Strom- und Wärmeerzeugung in Brennstoffzellen
□ Verkehr: Batterie und Wasserstoffautos
… zu den gleichen Energiekosten wir momentan
W. Bergholz 34Zusammenfassung
1. Von der Entdeckung bis zur weltweiten Stromversorgung
durch PV 200 Jahre
2. „traditionelle“ Technologien (z.B. 230V Wechselstrom)
werden nur langsam durch neue Technologien, z.B. 24V
Gleichstrom ersetzt
3. Die zentrale Stromversorgung wird durch
Dezentralisierung immer mehr an Bedeutung verlieren
W. Bergholz 35Sie können auch lesen
