Ratgeber Photovoltaikanlage
Nachhaltiger Strom aus Sonnenlicht
Eine Photovoltaikanlage nutzt den photoelektrischen Effekt zur Stromerzeugung aus. Regenerative Energie aus Sonnenlicht ist umweltfreundlich und kommt dem Klima zugute. Die Sonne scheint immer, doch das die Erde erreichende Sonnenlicht ist eine unbeständige Größe. Daher schwankt auch das Ausmaß der Stromerzeugung durch die häusliche Photovoltaikanlage je nach Region, Wetter, Tageszeit und Jahreszeit. Um den selbst erzeugten Strom unabhängig von aktuellen natürlichen Konditionen nutzen zu können, lässt sich eine Photovoltaikanlage mit Solarspeichern ergänzen. Der Einsatz einer Solarbatterie ist bei Inselanlagen, die nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, eine Voraussetzung für einen sinnvollen Betrieb. Die meisten Photovoltaikanlagen in Deutschland sind jedoch mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Da die Preise für Solarspeicher noch relativ hoch sind und zudem ein erhöhter Installationsaufwand anfällt, können Solar-Akkumulatoren bei einer durchschnittlichen Photovoltaikanlage die Rentabilität gefährden. Für viele Anwender ist jedoch der Gewinn an Energieautonomie ein Motiv, sich für einen Solarspeicher zu entscheiden.
Photovoltaik-Inselanlagen und vernetzte Solaranlagen
Bei Photovoltaikanlagen für Wohngebäude wird die von Paneelen erzeugte Energie zur Deckung des Eigenbedarfs verwendet. Der Strom aus der Photovoltaikanlage erhellt das Haus, betreibt Waschmaschine und Kaffeemaschine, Elektrowerkzeuge und andere Stromverbraucher.
Dies führt bei einer vernetzten Photovoltaikanlage zu drei Anwendungsmodellen:
- Die von der Photovoltaikanlage erzeugte Leistung ist höher als die verbrauchte Leistung. In diesem Fall wird der gesamte Bedarf durch die Photovoltaik-Produktion gedeckt. Der Überschuss wird in das Netz eingespeist.
- Die von der Photovoltaikanlage erzeugte Leistung ist geringer als die verbrauchte Leistung. Da sich nicht der gesamte Strombedarf mit dem Strom aus der Photovoltaikanlage decken lässt, wird der fehlende Strom aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen.
- Die von der Photovoltaikanlage erzeugte Leistung ist gleich der verbrauchten Leistung. Dieser Fall ist eher unwahrscheinlich, und wenn er eintritt, dann nur in Ausnahmefällen. Der Bedarf wird durch selbst erzeugte regenerative Energie abgedeckt, ohne dass Überschüsse produziert werden und ohne dass Energie aus dem Netz bezogen werden muss.
Unterschiede zur Solarthermie
Nicht selten werden Photovoltaikanlagen und Solarthermie-Anlagen verwechselt, obwohl es sich um unterschiedliche Formen der Energiegewinnung handelt. Mit einer Solarthermie-Anlage lässt sich nur Wärme erzeugen, somit kann sie zur Warmwassergewinnung im Haus beitragen und in der kühlen Jahreszeit das Haus erwärmen. Hierzu kommen mit Solarflüssigkeit gefüllte Röhren zum Einsatz, die von der Sonne erwärmt werden.
Monokristalline und polykristalline Solarmodule – das sind die Unterschiede
Für Betreiber einer Photovoltaikanlage zählen in erster Linie Beständigkeit und hoher Wirkungsgrad. Diese Punkte erfüllen widerstandsfähige monokristalline und polykristalline Solarmodule am besten. So unterscheiden sich die beiden Solarmodul-Typen:
1. Monokristalline Solarmodule lassen sich an ihrer schwarzen Tönung leicht erkennen und besitzen den höchsten Wirkungsgrad. Ihre Lebensdauer beträgt 25 bis 30 Jahre.
2. Der Wirkungsgrad von polykristallinen Solarzellen ist etwas geringer, und auch die maximale Einsatzzeit ist etwas kürzer. Dafür sind die in Blautönen schimmernden polykristallinen Solarmodule einfacher herzustellen und günstiger. Ein weiterer Vorteil ist ihre hohe Wärmebeständigkeit – auch in prallem Sonnenlicht fällt die Leistung kaum ab, daher sind sie beliebt in südlichen Regionen.
Neben kristallinen Solarmodulen gibt es Dünnschicht-Solarzellen. Sie punkten mit einem geringen Materialverbrauch, erzeugen jedoch weniger Strom als monokristalline und polykristalline Solarmodule. Der Hauptvorteil von Dünnschicht-Solarzellen ist das geringe Gewicht und schlanke Format. Daher kommen Dünnschicht-Module oft für mobile Zwecke zur Anwendung.
Wie funktioniert Photovoltaik?
Aufbau einer Photovoltaikanlage
Photovoltaik macht aus Sonnenlicht Strom, doch neuen Interessenten sind die Zusammenhänge und Abläufe in einer Photovoltaikanlage oft unbekannt. Photovoltaikanlagen verwenden Solarzellen, die zu Photovoltaik-Modulen zusammengesetzt sind. Ein auf dem Hausdach montiertes Solarpaneel besteht aus mehreren dieser Solarmodule und bildet den Solargenerator. Auch Freiflächen lassen sich zur regenerativen Gewinnung von Elektrizität nutzen und mit Solarmodulen bestücken.
Neben Solarmodulen braucht eine Photovoltaikanlage weitere Bauteile wie Wechselrichter, Solarstromzähler und Zweiwegezähler. Zu diesen Hauptkomponenten kommen je nach Anlagentyp und Anlagengröße noch Schaltschränke, Solarspeicher, Solarkabel, Tragkonstruktionen und Steuereinheiten hinzu. Sobald Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, fließt Gleichstrom. Nach der Umwandlung durch den Wechselrichter lässt sich die elektrische Energie zum Betreiben elektrischer Geräte im Haus verwenden oder in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Um den regenerativ erzeugten Strom auch unabhängig vom aktuellen Wetter nutzen zu können, kann ein Solarspeicher die Photovoltaik-Anlage optional ergänzen.
So macht eine Solarzelle aus Sonnenlicht elektrischen Strom
Eine Solarzelle besteht aus zwei Lagen des Halbleitermaterials Silizium. Während die untere Schicht mit Spuren von Phosphor versetzt ist – der Fachmann spricht hier von positiver Dotierung – enthält die obere Schicht Phosphor-Atome, die für eine negative Dotierung sorgen. Die untere Siliziumlage hat eine Höhe von 0,3 Millimeter. Die obere Siliziumlage ist dagegen nur 0,002 Millimeter dünn. Der Grund: Das Sonnenlicht muss ungehindert die obere Schicht durchdringen und die untere, positiv dotierte Schicht erreichen – nur so lässt sich der Stromkreislauf in Gang setzen. In der unteren, positiv dotierten Siliziumschicht treffen Sonnenstrahlen auf freie Elektronen und heben sie auf ein höheres Energieniveau. Dieser photoelektrische Effekt lässt die Elektronen in die obere Schicht wandern. Durch die Halbleitereigenschaften von Silizium ist den Elektronen der Rückweg durch die Raumladezone versperrt, daher lassen sie sich abgreifen und in einen Stromkreis überführen. Solange genug Licht die Solarzellen erreicht, produziert die Photovoltaikanlage Gleichstrom.
Die Kosten von Photovoltaiksystemen
Kauf und Installation einer Photovoltaikanlage sind eine einmalige und nicht geringfügige Investition, deren Amortisationszeit sich jedoch gut kalkulieren lässt. Eine durchschnittlich dimensionierte Photovoltaikanlage für ein Eigenheim hat sich nach etwa 10 Jahren über die Einspeisevergütung und durch Einsparungen im Stromeinkauf abgezahlt. Der Besitzer einer Photovoltaikanlage kann für den selbst produzierten Strom einen Preis von etwa 8 Cent pro kWh veranschlagen. Im Vergleich dazu ist der Bezug aus dem öffentlichen Stromnetz gut dreimal so teuer.
Trotz der hohen Anschaffungskosten kann sich die Installation der Anlage lohnen. Die Wartungskosten einer Photovoltaik-Anlage halten sich in Grenzen. Am teuersten fällt noch die Erneuerung des Wechselrichters ins Gewicht, denn dessen Laufzeit ist mit etwa 15 Jahren kürzer bemessen als die Lebenszeit der Solarmodule, die je nach Auslegung 20 bis 25 Jahre halten. Auch ein Solarspeicher hat nur eine begrenzte Lebenszeit, die von der technischen Auslegung der eingesetzten Batterien abhängig ist.
Die anfänglich hohen Kosten für Kauf und Installation einer Solarstromanlage sind im Laufe der Jahre gesunken. Mit der Inanspruchnahme von Förderungen und günstigen Krediten können Betreiber die Ursprungskosten begrenzen. Die vorübergehend hohe finanzielle Belastung durch den Kauf lässt sich durch einen zweckgebundenen Kredit senken. Zur Tilgung eines zinsgünstigen Darlehens, das zum Kauf einer Photovoltaikanlage genutzt wurde, können Einnahmen aus der Einspeisevergütung herangezogen werden, um die finanzielle Belastung zu neutralisieren oder abzumildern.
So arbeiten die Teile einer Solaranlage zusammen
Mit dem zunehmenden Bewusstsein für nachhaltige Energie installieren immer mehr Eigenheimbesitzer Solarstromanlagen. Ein weiterer Anreiz besteht darin, den selbst erzeugten regenerativen Strom zu einem höheren Preis zu verkaufen. Demgegenüber stehen die Kosten für die Installation einer Photovoltaikanlage. Umso wichtiger ist es, Planung, Förderung und Kalkulation nicht zu vernachlässigen. Die Installation einer Photovoltaikanlage umfasst mehr als die Solarmodule auf dem Dach – auch wenn der Solargenerator wichtiger Teil der Anlage ist. Die Solarmodule sind jedoch nur ein Teil einer Photovoltaikanlage. Um den von einer Solarstromanlage erzeugten Strom im Haus zu nutzen oder gegen Vergütung in das Netz einzuspeisen, sind weitere Geräte und Teile nötig.
Solarmodule
Solarmodule sind das Herzstück einer Photovoltaikanlage. Sie bestehen aus in Reihe geschalteten Solarzellen, die in einer plattenförmigen Struktur miteinander verbunden sind und für die Umwandlung der Sonnenstrahlen in Strom sorgen. Die erzeugte Strommenge steigt mit der Anzahl der installierten Module.
Abzweigdose
Sie führt die von den Solarmodulen kommenden Stromleiter zusammen und ist an die Spannungsaufbereitung angeschlossen.
Gleichstromseitige Schaltanlage
Zentrale Schaltanlage für den Stromkreis, durch den der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom fließt.
Verteiler
Zur Verteilung des vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelten Stroms an jeden Ort und Raum im Haus. Gleichzeitig verteilt das Gerät den vom Energieversorger bedarfsweise angelieferten Strom und übergibt den von der Photovoltaikanlage erzeugten Strom an das öffentliche Stromnetz.
Zweiwegemessgerät
Wer eine Photovoltaikanlage installiert, kann nicht nur Strom vom Energieversorger kaufen, sondern auch den von der Solarstromanlage erzeugten Strom (oder im Fall eines typischen Haushalts den überschüssigen Strom, der nicht vollständig im Haushalt verbraucht wird) verkaufen. Der Stromzähler misst den aus dem Netz bezogenen Strom ebenso wie die eingespeiste Strommenge.
Schutzeinrichtung
Zu den Schutzeinrichtungen einer Photovoltaikanlage zählen Strangsicherungen, Sperrdioden, Gleichstrom-Lasttrennschalter und Überspannungsableiter. Bei Anomalien wie Stromausfall, Anstieg oder Abfall der Stromfrequenz, Über- oder Unterspannung wenden die Schutzeinrichtungen Schäden von Personen, Gebäude und Geräten ab.
Spannungswandler/Wechselrichter
In Wohnhaushalten verwenden wir Wechselstrom zur Versorgung der meisten Konsumgeräte. Solarmodule können jedoch systembedingt nur Gleichstrom erzeugen. Das bedeutet, dass der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden muss, bevor er von den Geräten im Haus genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Diese Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom wird vom Wechselrichter durchgeführt.
Darüber hinaus gibt es Wechselrichter, die über eine Funktion mit der Bezeichnung MPPT (Maximum Power Point Tracking Control) verfügen. Diese Funktion stellt die Solarmodule so ein, dass sie eine stabile Leistung erzeugen. Ein Wechselrichter integriert oft viele der zuvor erwähnten Vorrichtungen wie Schalter für die Gleichstromunterbrechung und einen Zähler für die erzeugte Leistung.
Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad der Photovoltaikanlagen
Der Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Anlage beträgt nicht 100 %. Die Solarzellen, die von den Sonnenstrahlen getroffen werden, wandeln also nicht die gesamte Lichtenergie in Strom um. Die besten monokristallinen Solarzellen haben einen Umwandlungswirkungsgrad von etwa 20–22 %. Das bedeutet, dass nur ein Fünftel der Sonnenenergie, die auf das Paneel trifft, tatsächlich in Strom umgewandelt wird.
Daneben bestimmen viele andere Faktoren den tatsächlichen Ertrag einer Anlage. Dabei handelt es sich sowohl um "Verluste" aufgrund von Umwelteinflüssen als auch um Ineffizienzen aufgrund verschiedener elektrischer Verluste (Kabel, Geräte, Transport, etc.).
Folgende Faktoren haben Einfluss auf die Leistung einer Photovoltaikanlage:
Temperatur
Der Wirkungsgrad von Photovoltaik-Modulen variiert in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur: Je höher die Betriebstemperatur, desto geringer ist der Wirkungsgrad der Module und desto weniger effizient arbeiten sie. Die Überhitzung wirkt sich negativ auf die Leistung des gesamten Systems aus. Die Kühlung der Solarmodule ist daher ein wichtiges Thema. Bei einer aufgeständerten Solaranlage lässt sich eine ausreichende Kühlung leicht bewerkstelligen. Dagegen lassen sich elegante Indach-Anlagen an einem bestehenden Wohngebäude nur mit hohem Aufwand realisieren und verteuern das System, da das Hausdach für die Kühlung der Solarmodule präpariert und erweitert werden muss.
Verschmutzung
Auf der Oberfläche der Paneele sammeln sich im Lauf der Zeit Verschmutzungen an: Erde, Sand, Staub, Vogelkot und Blätter. Der Schmutz beeinträchtigt die Umsetzung von Sonnenlicht und setzt die Leistung der Photovoltaikanlage herab. Der konkrete Leistungsverlust hängt stark von den Umgebungsbedingungen und der Selbstreinigung durch Regen ab. Regelmäßige Reinigung der Solarmodule kann den Ertrag verbessern. Wie oft gereinigt werden sollte, hängt von Region, Umgebung und Dachschräge ab. Auf flach aufgestellten Solarmodulen läuft Regenwasser schlechter ab, was den Selbstreinigungseffekt vermindert.
Verschattungen
Bäume und Gebäude in der Umgebung können die Photovoltaik-Anlage abhängig von Jahreszeit und Uhrzeit verschatten und die Strom-Erträge reduzieren. Schon ein Schornstein auf dem Dach kann sich störend auswirken. Diese Ineffizienzen lassen sich vorab gut kalkulieren und sind bei der Planung der Photovoltaikanlage zu berücksichtigen. Abschattungen durch Wolken und andere Umgebungseinflüsse sind variable Einflüsse und führen zu diffusem Licht. Die in gemäßigten Breitengraden vorwiegend eingesetzten monokristallinen Solarmodule erzielen jedoch auch bei diffusem Licht und bewölktem Himmel noch gute Erträge.
Verkabelung und Anschlüsse
Die Verwendung von Kabeln und Steckern verursacht ebenfalls geringe Ertragsverluste. In diesem Fall handelt es sich um elektrische Verluste, die nur einen geringen Einfluss auf den Gesamtertrag der Anlage haben.
Ungleiche Bauteile
Nicht alle Module der gleichen Marke und der gleichen Leistungsstufe sind immer perfekt gleichmäßig hergestellt. Zwischen ähnlichen Modulen, die den gleichen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, gibt es minimale Abweichungen im Wirkungsgrad. Dies sind kleine werkseitige Abweichungen, die dem Solargenerator in der Summe leicht unterschiedliche elektrische Eigenschaften verleihen können.
Wirkungsgrad des Wechselrichters
Der Prozess der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom durch den Wechselrichter hat normalerweise einen Wirkungsgrad von ca. 96–97 %. Wechselrichter haben generell einen sehr guten Wirkungsgrad, sofern die Eingangsleistung knapp unter der angegebenen Nennleistung liegt.
Alterung
Photovoltaikzellen unterliegen einem Alterungsprozess und produzieren im Laufe der Jahre immer weniger Leistung. Die Einbußen im Wirkungsgrad lassen sich auf 0,5 % pro Jahr schätzen. Am Ende ihrer Lebensdauer – also nach etwa 20 bis 25 Jahren – besitzt eine Photovoltaikanlage einen um 10 bis 12 Prozent geringeren Ertrag als zu Beginn. Die sogenannte Degradation von Materialien und Komponenten ist von vornherein im Amortisationsplan der Anlage zu berücksichtigen.
Planung und Kalkulation einer Photovoltaikanlage
Die Stromrechnung gibt wichtige Hinweise für die Bestimmung des Eigenbedarfs: Wie hoch ist der eigene Stromverbrauch und in welchen Zeitfenstern tritt er auf? Die Stromrechnung zeigt auch die Kosten durch den Bezug beim Energieanbieter und das Einsparungspotential auf. Mit diesen Informationen sind Eigenheimbesitzer in der Lage, Berechnungen anzustellen.
Wie viel lässt sich mit der Photovoltaikanlage einsparen?
Mit diesen Informationen ist es möglich, die optimale Größe für die Photovoltaikanlage abzuschätzen. Nach der im Jahr 2021 in Kraft getretenen EEG-Novelle ist der Eigenverbrauch aus Photovoltaikanlagen bis zu einer Leistung von 30 kWp von der EEG-Umlage befreit. Dieser Wert wird auch von größeren Eigenheimen kaum erreicht, sodass viele Eigenheimbesitzer eine größtmögliche Anlage planen können. Bei großer Anlagenleistung fallen die einmaligen Installationskosten weniger ins Gewicht. Die Einspeisevergütung für eine neu in Betrieb genommene Photovoltaikanlage liegt Mitte des Jahres 2021 und abhängig von der konkreten Anlagengröße bei etwa 7,5 Cent/kWh. Mit einem Photovoltaik-Rechner lässt sich die Rentabilität der Anlage besonders bequem berechnen.
Die Auswirkungen der Abschattung auf die Produktion von Photovoltaikanlagen
Da jede Photovoltaikanlage Strom auf der Grundlage des einfallenden Sonnenlichts erzeugt, ist die Untersuchung der Abschattung ein grundlegendes Thema, um jede Photovoltaikanlage richtig zu kalibrieren.
Die Auswirkungen einer Abschattung durch einen Baum, die vielleicht nur ein Panel betrifft, können schlimmer sein, als Sie sich vorstellen können, da sie sich auf die Leistung aller anderen Module auswirkt. Außerdem ist, anders als die Intuition vermuten lässt, der Ertragsverlust der Anlage nicht proportional zu der von den Schatten bedeckten Fläche. Eine experimentelle Studie der Stanford University (eine von vielen) hat gezeigt, wie die Abschattung nur einer der 36 Zellen eines Photovoltaikmoduls die Ausgangsleistung des Moduls um bis zu 75 % der ursprünglichen Leistung reduzieren kann.
Förderung einer Solaranlage
Die Kosten für Solarstrom sind auf wenige Cent pro kWh gesunken. Damit stehen viele öffentliche Subventionen zur Verfügung, um den Preis für die Installation von Sonnenkollektoren zu senken. Diese Zuschüsse können in Form von Subventionen, Steuergutschriften oder Einspeisevergütungen gewährt werden.
Die Europäische Union ist ein wichtiger Akteur bei der Finanzierung von Photovoltaik-Anlagen und stellt schon seit einiger Zeit Fördermittel für Photovoltaik-Projekte zur Verfügung. Ziel der EU und der angeschlossenen Förderinstitute ist es, in nachhaltige Energieinitiativen zu investieren, die wirtschaftlich rentabel, sozial verträglich und umweltfreundlich sind. Die öffentliche Förderung von Solarstrom aus Photovoltaik erfolgt jedoch nicht nur auf EU- und Bundesebene, sondern auch auf Landes- und kommunaler Ebene. Die Finanzierung erfolgt durch Zuschüsse oder Steuergutschriften. Ein Einspeisetarif ist eine Vereinbarung zwischen einem Erzeuger erneuerbarer Energien und einem Energieversorgungsunternehmen: Der Energieversorger kauft die aus einem bestimmten Projekt erzeugte erneuerbare Energie für die nächste Vertragslaufzeit, in der Regel 20 Jahre, ab.
Die EEG-Novelle 2021 hat wichtige Änderungen für Solarstromanlagen bewirkt. Ein wesentlicher Vorteil der Installation einer Photovoltaikanlage ist die kleine Stromrechnung. Das Ausmaß dieses Vorteils hängt von der Menge an Solarenergie ab, die unter den verfügbaren Bedingungen erzeugt werden kann, sowie von der Art und Weise, wie die Energieversorger den Strom berechnen. Die Solarstromerzeugung findet hauptsächlich am Nachmittag statt und ist im Sommer höher.
Stromversorgungsunternehmen berechnen Privatkunden oft eine Pauschale für Strom, unabhängig von der Zeit des Verbrauchs. Das bedeutet, dass die Solarstromanlagen der Hausbesitzer nicht die teuren Kosten der Spitzenstromerzeugung ausgleichen, sondern lediglich den Strompreis, der viel näher an den durchschnittlichen Kosten der Stromerzeugung liegt. Eine Photovoltaik-Solaranlage kann in Gebieten, in denen zeitvariable Tarife verwendet werden, vorteilhaft sein, da der erzeugte Solarstrom den teuersten Strom ausgleichen würde.
Die Rentabilität von Solarenergie ergibt sich aus der Berechnung der Stromgestehungskosten, die dann mit den Stromkosten des örtlichen Versorgungsunternehmens verglichen werden. Die Nutzungsdauer eines Photovoltaik-Solarmoduls wird im Allgemeinen mit 25 bis 30 Jahren angenommen. Die Betriebskosten beinhalten die Wartungskosten, die abgezinst werden müssen, um den Kapitalwert zu ermitteln. Die Stromgestehungskosten können dann mit den Kosten für Strom von einem Versorgungsunternehmen verglichen werden. Denken Sie daran, dass der relevante Preis derjenige ist, der zu Zeiten der oder nahe der Spitzenleistung der Photovoltaik-Solarproduktion auftritt.
Vor- und Nachteile von Solarmodulen für Ihr Haus
Wie die meisten Dinge hat auch die Solarenergie ihre Vor- und Nachteile. Gleichzeitig können einige wirtschaftliche Kosten durch den sozialen Nutzen für die Umwelt und die Senkung Ihres CO2-Fußabdrucks aufgewogen werden, was die reine monetäre Bewertung übersteigt.
Die Quintessenz
Die Entscheidung für die Installation einer Photovoltaik-Solaranlage mag wie eine entmutigende Aufgabe erscheinen, aber es ist wichtig zu bedenken, dass ein solches System eine langfristige Investition ist. An vielen Standorten ist die Solarenergie aus finanzieller Sicht eine gute Wahl.
Selbst, wenn sich herausstellt, dass die Kosten für Solarstrom nur geringfügig teurer sind als der von einem Energieversorger gekaufte Strom, möchten Hausbesitzer vielleicht Solarstrom installieren, um zukünftige potenzielle Schwankungen bei den Energiekosten zu vermeiden. Oder sie möchten einfach über ihre persönlichen finanziellen Beweggründe hinausschauen und Solarstrom für ein "grünes" Leben nutzen.
