Photovoltaik

Begriff

Photovoltaik (griech.: Photo = Licht und Volt = Einheit für elektrische Spannung = PV) heißt die Technik, mit der Sonnenlicht direkt in Strom umgewandelt wird. Vollkommen geräuschlos und ohne Abgase arbeiten die Anlagen, die Strom direkt vom Hausdach liefern. Diese Technik ist zum Inbegriff einer umweltfreundlichen Energieversorgung geworden.

Photovoltaikanlage

Die Solarzellen im Solargenerator erzeugen auf direktem Weg elektrische Energie aus dem auftreffenden Licht. Es handelt sich dabei um Gleichstrom. Dieser wird in netzüblichen Wechselstrom (230 V Wechselspannung) umgewandelt, damit die Energie im Haus direkt verwendet oder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Diese Aufgabe übernimmt das Netzeinspeisegerät (NEG), auch Wechselrichter genannt. Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit, den Gleichstrom direkt zu nutzen. Allerdings gibt es auf dem Markt, außer im Campingbereich, kaum Verbrauchsgeräte mit einem Gleichstromanschluss.

Photovoltaikanlage auf einem Einfamilienhaus (Quelle: SunTechnics)

Photovoltaikanlage an der Fassade eines Industriegebäudes (Quelle: SMA Regelsysteme)

Geschichte

Bereits im Jahr 1839 wurde der photoelektrische Effekt entdeckt, der damals jedoch noch nicht erklärt werden konnte. Unter anderen leistete Albert Einstein 66 Jahre später einen Beitrag zur Deutung dieser Entdeckung. Mit der Entwicklung der ersten Siliziumzelle 1954 in den USA (Wirkungsgrad 6 %) wurde ein technischer Durchbruch erzielt. Die Kommerzialisierung begann mit den unverzichtbaren Anwendungen zur Energieversorgung von Satelliten (erstmalig 1958). Erst durch die Ölkrisen in den 70er-Jahren wurden das allgemeine und das Forschungsinteresse an dieser „heimischen“ Energiequelle geweckt. Später, im Zuge des Ölpreisverfalls, wurden wichtige Jahre für die technische Entwicklung verschenkt. Angeregt durch die Klimadiskussion in den 90er-Jahren waren aber weltweit Staaten und vor allem Unternehmen bereit, viel Kapital in die Solarzellenentwicklung und deren Produktion zu stecken. Wirkungsgrade von 18 % für in Serie gefertigte Anlagen und Laborwirkungsgrade von mehr als 30 % stellen internationale Maßstäbe dar.

Photovoltaik heute

Mit der Verabschiedung des Gesetzes für den Vorrang Erneuerbarer Energien (kurz: Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG) wurden in Deutschland die Weichen für den Einstieg ins Solarzeitalter gestellt. Zentrales Element des Gesetzes sind feste Vergütungssätze für Strom aus erneuerbaren Energien, der in das Stromnetz eingespeist wird. Nach dem EEG erhält der Anlagenbetreiber eine Vergütung, die über einen Zeitraum von 20 Jahren festgelegt ist. Bereits kurz nach seiner Einführung hat das EEG zu einem Boom bei der regenerativen Stromerzeugung und hier insbesondere bei der Photovoltaik geführt.

Solarenergie wird langfristig zur wichtigsten Energiequelle der Menschheit werden. Dies geht aus einem aktuellen Gutachten des wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung zur Globalen Umweltveränderung (WBGU) hervor. Danach werden in 50 Jahren rund 30 %, bis zum Ende des Jahrhunderts sogar zwei Drittel des Energieverbrauchs mithilfe von Solarstrom und Solarwärme gedeckt werden.

Wachstumsdynamik erneuerbarer Energien bis 2010 (Quelle: Dr. Joachim Nitsch, DLR)

Auch in Deutschland ist der Einsatz von Solartechnik bereits heute sinnvoll. Solarstromanlagen (Photovoltaik) erzeugen nach Angaben der Unternehmensvereinigung Solarwirtschaft e.V. (UVS) innerhalb ihrer Lebensdauer von rund 30 Jahren das Zehnfache der Energie, die für Herstellung, Betrieb und Entsorgung der Anlagen benötigt werden. Die energetische Amortisationszeit bei Solarstromanlagen liegt durchschnittlich bei lediglich drei Jahren. Solaranlagen zur Wärmeproduktion amortisieren sich sogar innerhalb von nur ein bis zwei Jahren und produzieren demnach mehr als das 20fache ihrer Eigenenergie. Diese Angaben werden von diversen wissenschaftlichen Gutachten bestätigt. Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, können sich hingegen nicht energetisch amortisieren, da für ihren Betrieb ständig weitere Brennstoffe verbraucht werden.

Insgesamt sind in Deutschland bereits 700.000 Solaranlagen in Betrieb. 2004 werden nach UVS-Prognosen weit über 100.000 neue Anlagen zumeist auf privaten oder gewerblichen Dächern errichtet werden.

Veränderung des weltweiten Energiemixes bis 2010 (Quelle: www.solarwirtschaft.de)

Solarzelle

Eine Solarzelle besteht im Prinzip aus zwei kristallinen Siliziumschichten. Diese Schichten werden positiv bzw. negativ dotiert, d.h., mit einer genau festgelegten Anzahl an Fremdatomen gezielt „verunreinigt“. Diese Verunreinigung führt dazu, dass sich freie Elektronen bilden können, die bei Lichteinfall Strom liefern. Eine Antireflexschicht und die metallischen Kontaktfinger zur Stromleitung machen schließlich aus dem Zellenrohling die fertige Solarzelle. Die zurzeit gebräuchlichsten Zelltypen sind die mono- (bis 18 % Wirkungsgrad) und multikristallinen (13–14 Wirkungsgrad) Zellen. Darüber hinaus gewinnen die Dünnschichttechnologien zunehmend an Bedeutung. Fällt Licht auf eine Solarzelle, fließt elektrischer Gleichstrom. Dieser Effekt verursacht kein Geräusch, keinen Geruch und verbraucht keine Primärenergie, sondern liefert umweltfreundlichen Strom.

Aufbau einer Solarzelle (Quelle: Solarpraxis)

Photovoltaikmodule

Werden mehrere Solarzellen zusammengeschaltet, spricht man von einem Modul. Die marktüblichen Module haben gemeinsam, dass die Frontseite aus Spezialglas (bruchsicher und sehr lichtdurchlässig) besteht. Bei den Modulvarianten kommen diejenigen mit einem Aluminiumrahmen bzw. die sog. Laminate (z.B. Glas-Glas-Laminate, bei denen die Solarzellen zwischen zwei Glasplatten liegen) zur Anwendung. Werden 36 oder 72 Zellen in einem Modul verschaltet, ergeben sich Ausgangsspannungen, die als Basis für ein 12- bzw. 24-V-System gut geeignet sind. Der Begriff Solargenerator umschreibt die Gesamtheit der verschalteten Module.

Aufbau Photovoltaikanlage

Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage enthält die Elemente Generator (ein oder mehrere miteinander verschaltete Photovoltaikmodule aus Solarzellen), Stromleitungen, Wechselrichter und Netzeinspeisegerät sowie einen Zähler. Der von den Modulen erzeugte Gleichstrom wird im Wechselrichter in haushaltsüblichen Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Netz eingespeist. Die eingespeiste Strommenge wird über einen Einspeisezähler gemessen, es gibt aber auch andere Anlagenvarianten.

Bei Inselanlagen wird der erzeugte Gleichstrom entweder direkt oder nach vorheriger Umwandlung in Wechselstrom in Akkus gespeichert und von entsprechenden Verbrauchsgeräten entnommen.

Peakleistung kWp

Die Größe einer Photovoltaikanlage wird nach der Leistung des Solargenerators in kWpeak (kWp) (Peakleistung = Spitzenleistung) angegeben. Dieser Wert beschreibt die optimale Leistung der Solarmodule unter genormten Testbedingungen (1.000 W/m2 Einstrahlung, 25 °C Modultemperatur, 1,5 Air Mass).

Bei bewölktem Himmel, Erwärmung des Moduls oder einem höheren Air-Mass-Faktor ist die Leistung des Solargenerators entsprechend geringer (Anlage arbeitet unter Teillast).

In unseren Breitengraden können mit einer 1-kWp-Photovoltaikanlage (entspricht 9–10 m² Fläche) etwa 700 bis 900 kWh Strom pro Jahr erzeugt werden. Der durchschnittliche jährliche Stromverbrauch eines Vierpersonenhaushalts in Deutschland liegt bei etwa 4.000 kWh.

Kollektorertrag

Die Kollektorerträge auf dem Markt befindlicher Modelle liegen meist zwischen 350 und 525 kWh/m² pro Jahr. Entscheidend für einen günstigen Ertrag der Gesamtanlage sind neben den Kollektorerträgen eine niedrige Rücklauftemperatur und eine hohe Einstrahlung. Der Kollektorertrag liefert wie der Wirkungsgrad nach DIN 4757-4 eine unmittelbare Aussage über die Güte des Kollektors.

Netzgekoppelte und Inselanlagen

In netzgekoppelten Anlagen wird der Solarstrom nicht gespeichert, sondern sofort verbraucht – entweder im eigenen Haushalt, beim Nachbarn oder bei einem anderen Verbraucher im Stromnetz. Bei Inselanlagen wird der Strom in Akkumulatoren gespeichert.

Montagesysteme

Für die zahlreichen Möglichkeiten, Solaranlagen an Gebäuden oder auf Freiflächen zu installieren, gibt es viele Befestigungskonstruktionen. Für die Wahl des Befestigungssystems spielt die Art der Kollektoren oder Module (z.B. gerahmt oder ungerahmt) eine wesentliche Rolle.

Für die Aufdachmontage auf Schrägdächern, bei denen die Solaranlage über dem Dach aufgeständert wird, gibt es eine Vielzahl an Befestigungssystemen, die zum Teil speziell auf die Solarkollektoren und -module abgestimmt angeboten werden. Dabei handelt es sich z.B. um Schienensysteme aus Aluminium oder Edelstahl.

Für die Indachmontage auf Schrägdächern gibt es verschiedene Profilsysteme oder spezielle Dachziegel, in die sich kleine Solarmodule einklemmen lassen. Bei der Indachmontage ist eine der wichtigsten Aufgaben des Systems, dass das Dach nicht undicht wird.

Bei der Flachdachmontage werden die Module und Kollektoren ähnlich wie bei Schrägdächern mit einer Metallkonstruktion, Betonsockeln oder befüllbaren Wannen aus Kunststoff- oder Faserzement schräg über der Dachhaut befestigt. Dabei muss die Statik des Flachdaches beachtet werden. Schienensysteme werden entweder im Dach verankert, um der Windkraft entgegenzuwirken, oder durch Betonplatten (bei Metallgestellen) oder Kies (bei Wannen) beschwert, ohne die Dachhaut zu durchdringen. Das Dach muss ausreichend belastbar sein.

Für die Indachmontage bei Flachdächern werden spezielle Dachbahnen angeboten, bei denen flexible Photovoltaikmodule mit dem Dachmaterial ausgerollt werden können.

Solaranlagen an Gebäudefassaden werden bei der Fassadenmontage nach ihrer Funktion unterschieden. Sie können nachträglich vor die Fassade gesetzt werden und dienen dann der Energieproduktion, der Fassadengestaltung und dem Witterungsschutz. Dafür stehen Schienen- und Klammermontagesysteme bereit. Werden die Solarmodule oder -kollektoren direkt in die Fassade integriert, übernehmen sie zusätzlich die Funktion der Gebäudehülle.

Netzanbindung

Die einfachste und wirtschaftlichste Art, den Strom einer PV-Anlage zu nutzen, bietet das netzgekoppelte System. Hierbei wird der Solarstrom vollständig in das Netz des örtlichen Netzbetreibers eingespeist. Vor der Einspeisung in das öffentliche Netz muss der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom mithilfe eines sog. Wechselrichters auf 230 V Wechselspannung transformiert werden. Ein zusätzlicher Einspeisezähler misst die Stromproduktion der Anlage. Sowohl für den Anlagenbetreiber als auch für den Netzbetreiber ist der Zählerbetrieb für die Abrechnung der Einspeisevergütung von Bedeutung. Der Einsatz sog. Inselanlagen ist aufgrund fehlender Förderung/Einspeisevergütung in Deutschland nur wenig attraktiv. Diese Anlagen kommen nur dort zum Einsatz, wo kein allgemeines Stromversorgungsnetz vorhanden ist. Im täglichen Leben begegnen uns solche Anlagen bei Parkscheinautomaten, Verkehrsüberwachungssystemen und bei der Beleuchtung von Bushaltestellen, da somit auf eine aufwendige Verlegung eines Erdkabels verzichtet werden kann.

Funktionsprinzip einer Photovoltaikanlage (Quelle: www.thema-energie.de)

Wechselrichter

Der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom wird vom Wechselrichter (auch Netzeinspeisegerät oder NEG genannt) in Wechselstrom umgeformt. Der Wechselrichter ist das Bindeglied zwischen den Solarmodulen, die Gleichstrom produzieren, und dem Stromnetz. Außerdem speichert dieses Gerät Betriebsdaten und überwacht den Netzanschluss der Photovoltaikanlage.

Wechselrichter gibt es in verschiedenen Größen, jeweils angepasst an die Leistung einer Photovoltaikanlage. Sie werden weiterhin nach der Art des Einbaus unterschieden. Modulwechselrichter werden direkt am Photovoltaikmodul befestigt und wandeln dort direkt den Gleichstrom in Wechselstrom um. So kann dem einzelnen Modul die maximale Leistung entnommen werden. Werden mehrere Photovoltaikmodule zusammengeschaltet (parallel oder in Reihe), bestimmt das schwächste Modul die Gesamtleistung der Anlage. Der Einsatz von Modulwechselrichtern ist vorteilhaft, wenn einzelne Module im Tagesverlauf verschattet werden oder Gleichstromleitungen eingespart werden sollen.

Werden mehrere Photovoltaikmodule zu einem Strang zusammengefasst und über einen Wechselrichter geführt, dann heißen diese Strangwechselrichter.

Wird der Gleichstrom mehrerer Stränge über einen Wechselrichter geführt, dann heißen diese zentrale Wechselrichter. Ein Nachteil dieser Bauweise sind aber die langen Gleichstromleitungen vom Modul zum Wechselrichter. Gleichstromleitungen sind wegen ihres großen Querschnitts starr und daher schwer zu verlegen und im Verhältnis zu Wechselstromleitungen teurer.

Gestaltung

Für PV-Anlagen existieren prinzipiell dieselben Installationsvarianten wie für thermische Solaranlagen. Zusätzliche Möglichkeiten bieten Glas-Glas-Laminate auf verglasten Dach- und Fassadenpartien, die sich architektonisch gut einbinden lassen, sowie in die Dacheindeckung integrierte Zellen (z.B. Solarzellen in Dachpfannen). Der Anordnung und farblichen Gestaltung von PV-Modulen sind fast keine Grenzen gesetzt. Auch in Bezug auf Ausrichtung, Neigungswinkel und Verschattung gelten bei PV-Anlagen ähnliche Rahmenbedingungen wie bei solarthermischen Anlagen. PV-Module reagieren allerdings wesentlich sensibler auf Verschattung.

Größe und Auslegung

Im Gegensatz zu Inselanlagen oder solarthermischen Anlagen gibt es bei netzgekoppelten PV-Anlagen keinen besonderen Dimensionierungsanspruch, denn der erzeugte Strom dient nicht nur dem Eigenbedarf, sondern kann auch verkauft, sprich eingespeist werden.

Eine Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 1 kWp hat je nach Wirkungsgrad der Anlage einen Flächenbedarf von 6–15 m² (im Mittel 10 m²). Die Einheit kWp verweist auf die Spitzenleistung einer Anlage, gemessen unter Standardbedingungen, die der Sonneneinstrahlung zur Mittagszeit an einem klaren Sommertag entspricht. Im privaten Bereich werden bevorzugt Anlagen zwischen 2 und 5 kWp eingesetzt. Grundsätzlich sollte eine netzgekoppelte PV-Anlage aufgrund der Förderbedingungen und aus Kostengründen eine Leistung von mind. 1–2 kWp Leistung haben.

Der jährliche Stromertrag für multikristalline Solaranlagen z.B. in NRW beträgt etwa 750–830 kWh/kWp und Jahr. Zum Vergleich: Der Durchschnittshaushalt in Deutschland hat einen jährlichen Strombedarf von 3.500 kWh. Eine 4-kWp-Anlage führt demnach rein rechnerisch zur Bedarfsdeckung.

Solarstrahlungsangebot

Die Menge der eingestrahlten Sonnenenergie auf die Kollektor- oder Modulfläche hängt sehr stark vom Neigungswinkel und der Orientierung der Empfangsfläche ab. Wenn die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Fläche treffen, ist die Strahlungsintensität am höchsten. Daher sollten Solarkollektoren nach Süden orientiert und so geneigt sein, dass die Sonnenstrahlen möglichst häufig senkrecht auf die Kollektorfläche treffen. Bei einer Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m² (klarer sonniger Tag) über den Zeitraum von einer Stunde ergibt sich dann die eingestrahlte Sonnenenergie von 1.000 Wattstunden (Wh).

Die Menge der eingestrahlten Sonnenenergie (Globalstrahlung) auf eine horizontale Fläche beträgt je Quadratmeter und Tag in Deutschland im Mittel etwa 2.800 Wh. Im Juli können Werte von rund 5.000 Wh/m² je Tag erreicht werden, im Dezember oft nur 500 Wh/m² pro Tag.

Über das Jahr treffen auf einen Quadratmeter etwa 1.000 kWh Solarenergie. Regional variiert die Menge der eingestrahlten Sonnenenergie. So liegen die Werte beispielsweise südlich von Freiburg im Jahresmittel bei 1.150–1.200 kWh/m² und in Hamburg bei 900–950 kWh/m². Einige Regionen um den Äquator erreichen Werte von 2.300 kWh/m²a.

Jährliche mittlere Solareinstrahlung in Deutschland (Quelle: BMWI)

Jährliche mittlere Solareinstrahlung in Deutschland

Wetterdaten für andere Standorte sind beim Deutschen Wetterdienst unter www.dwd.de einzusehen.

Kosten

Derzeit (Stand 2004) werden Preise zwischen 6.650 und 9.200 € pro kWp Leistung (entspricht ca. 10 m² Fläche) inklusive Installation und Mehrwertsteuer genannt. Ab einer Anlagengröße von 5 kWp sinken die Preise auf 6.100–7.670 € pro kWp.

Stromvergütung

Eine netzgekoppelte Anlage speist ihren Strom in das öffentliche Stromnetz ein. Dieser wird vom Netzbetreiber vergütet. So kann der Eigentümer einer Solarstromanlage den größten Teil seiner Investition zurückerhalten. Bei einer Betreibergrundvergütung von 45,7 Cent je Kilowattstunde (bei Inbetriebnahme der Anlage bis 31.12.2004) nach dem EEG stehen diesen Ausgaben nach 20 Jahren Einnahmen von rd. 6.840 €/kWp gegenüber.

Förderung

Der Einsatz von Photovoltaikanlagen wird durch zahlreiche Bundes- und Landesprogramme in Form von Zuschüssen und zinsverbilligten Darlehen gefördert.

Anwendungsbeispiel

1. Anlagendaten

- Anlage: Aufdach
- Anlagengröße: 5 kWp
- spez. Jahresertrag für Münster (NRW): 815 kWh/kWp
- Minderertrag: 0 %
- Inbetriebnahme: 2004
- Kosten der Anlage: 30.000 € netto
- Rücklage: 300 € pro Jahr
- Zählergebühr: 30 € pro Jahr
- Einspeisevergütung: 0,574 € pro kWh
- öffentliche Zuschüsse: 3.000 €
- Zinssatz/Kreditprogramm KfW: 4,2 %
- Laufzeit/Darlehen: 10 Jahre
- tilgungsfreie Anlaufjahre: 2 Jahre
- Zinssatz nach Ablauf der Zinsbindung: 5 %

2. Amortisationsberechnung

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