Strom aus der Sonne – Fakten zur Photovol­taikanlage

Der Themenblock zeigt, welche Komponenten zur solaren Stromerzeugung gehören, wie ein Stromspeicher zur Optimierung von Eigenverbrauch und Autarkie beiträgt und wie die Photovoltaikanlage sich von der Solarthermie unterscheidet.

PV-Anlage und Hauskraftwerk bilden eine Einheit

Wie eine Photovoltaikanlage aufgebaut ist

Eine Photovoltaikanlage besteht aus Solarmodulen, die aus Solarzellen aufgebaut sind. In den Solarzellen werden Sonnenstrahlen eingefangen und in elektrische Energie umgewandelt – das ist photoelektrische Effekt. Der so erzeugte Solarstrom wird über einen Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt und kann in das Stromnetz eingespeist werden. Der Betreiber einer PV-Anlage erhält nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) pro Kilowattstunde Strom eine feste Einspeisevergütung, die inzwischen aber nur noch etwa 10 Cent pro Kilowattstunde beträgt. Vorrangig sollte aber der mit der PV-Anlage erzeugte Strom im Haushalt selbst verbraucht werden. Die Speicherung über einen Batteriespeicher erhöht das Potenzial der Eigennutzung erheblich. Mit einem Hauskraftwerk, das den Solarwechselrichter enthält, und einer PV-Anlage lassen sich sehr gute Eigenverbrauchsquoten und eine hohe Unabhängigkeit vom Energieversorger und vin steigenden Strompreisen erreichen.

Sonnenstrahlen effektiv nutzen

Von der Einspeisung zur vollen Sektorenkopplung

Die Installation einer Photovoltaikanlage ist grundsätzlich auf allen Dächern möglich. Es müssen nur genügend Sonnenstrahlen auf die Solarmodule treffen. In Deutschland ist die Sonneneinstrahlung in allen Regionen hoch genug, um eine Photovoltaikanlage wirtschaftlich zu betreiben. Wichtige Faktoren bei der Auslegung und Installation sind die Größe, Verschattung und Neigung der Dachflächen sowie die Ausrichtung des Daches. Eine Photovoltaikanlage kann deutlich mehr Strom produzieren als im Haushalt verbraucht wird. Im Gegensatz zu einer Solarthermie-Anlage kann überschüssiger Strom gegen eine feste Vergütung ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Bei einer Ausrichtung nach Süden erzielt eine PV-Anlage die höchste Leistung, bei einer Ost-West-Ausrichtung steht schon früh am Morgen und noch spät am Abend Solarstrom zur Verfügung.

Neben der Einspeisung steht die Eigennutzung des Solarstroms im Vordergrund. Inzwischen geht es im Haushalt immer mehr um die Sektorenkopplung: Die Energie aus der Photovoltaikanlage wird nicht nur als Haushaltsstrom genutzt, sondern auch für die Wärmeversorgung, etwa durch Wärmepumpen und andere elektrische Heizgeräte. Mit der Elektromobilität kommt ein dritter wichtiger Sektor hinzu, denn durch das Laden des Elektroautos mit eigenem Strom über die Wallbox fährt man besonders preisgünstig und umweltfreundlich.

Aufbau und Arten von Photovoltaikmodulen

Kristallines Silizium und Dünnschicht

Die Solarzelle wandelt Sonnenlicht in Strom um, sie tut dies im Verbund mit vielen Zellen im Solarmodul. Solarmodule sind also nicht zu verwechseln mit Sonnenkollektoren, die über eine Trägerflüssigkeit Wärme aus der Solarstrahlung erzeugen. Die Basis einer kristallinen Solarzelle ist der Wafer, der aus Silizium besteht. Dieses chemische Element findet sich in großen Mengen an der Erdoberfläche und ist z.B. als Sand oder Mineral zu finden. Zu unterscheiden sind Solarzellen aus monokristallinem und polykristallinem Silizium.

Monokristalline Solarzellen sind dunkelblau bis schwarz und haben eine homogene Struktur. Polykristalline Zellen unterscheiden sich davon optisch durch ihre glitzernde Oberfläche und nicht homogene Struktur – denn die Wafer werden aus einem aus vielen Kristallen zusammengesetzten Material gefertigt. Grundsätzlich haben die monokristallinen Zellen einen etwas höheren Wirkungsgrad, die Module sind daher leistungsfähiger, aber auch teurer. Alle kristallinen Solarmodule haben eine zu erwartende Lebensdauer von etwa 30 Jahren.

Im Gegensatz zu den waferbasierten Zellen wird bei Dünnschichtmodulen der Halbleiter auf ein Trägermaterial aufgetragen. Diese Schicht ist extrem dünn. Optisch zeichnen sich Dünnschichtmodule durch eine dunkle Färbung und ein ganzflächig homogenes Erscheinungsbild aus. Die Module haben grundsätzlich einen geringeren Wirkungsgrad als kristalline Module.

Solarstrom selbst verbrauchen

Wie eine hohe Autarkie gelingt

Die Photovoltaik-Anlage stellt reichlich Energie bereit – wirklich effektiv nutzen lässt sie sich jedoch am besten mit einem Solarstrom-Speichersystem. Jede direkt und über den Speicher genutzte Kilowattstunde muss nicht konventionell erzeugt werden und senkt die Bezugskosten für Energie aus dem Netz.

Anlagenbetreiber mit einer älteren Anlage, die eine hohe Vergütung erhalten, müssen sich erst zum Ende der Vergütung nach 20 Jahren Gedanken zur Speicherung machen. Bei jüngeren Bestandsanlagen kann ein Speicher nachgerüstet werden, um den Eigenverbrauch zu erhöhen. Bei Neuanlagen sollte das Speichersystem gleich mit bedacht werden. Ein Hauskraftwerk von E3/DC enthält gleich den Solarwechselrichter und das Energiemanagement, um den Solarstrom intelligent und effizient in allen Sektoren zu nutzen und ein Höchstmaß an Unabhängigkeit zu erreichen.

Die Wirksamkeit des Speichersystems für Solarstrom hängt eng mit der installierten Leistung der Photovoltaikanlage zusammen. Sie muss so groß sein, dass der Speicher auch in den Wintermonaten regelmäßig vollgeladen werden kann und mit seiner nutzbaren Kapazität so viel wie möglich zur Autarkie beisteuert.

Refinanzierung durch Kostensenkung und Vergütung

Grundlagen zur Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage

Die Photovoltaik verbindet Klimaschutz mit Zukunftssicherung durch eine gute Investition. Die Kosten für die Module auf dem Dach sind in der Vergangenheit drastisch gesunken. Daher können und sollten trotz gesunkener Einspeisevergütung die PV-Anlagen wieder möglichst groß ausgelegt werden: Hohe Leistung ist die Voraussetzung dafür, dass die Sektorenkopplung von Haushalt, Wärme und Mobilität über PV und Stromspeicher gelingt. Bei begrenzter Fläche lohnt sich die Wahl besonders leistungsfähiger Solarmodule. Bei der Auslegung ist natürlich auch die langjährig gemittelte Solarstrahlung am Standort zu berücksichtigen, die schon innerhalb Deutschlands sehr unterschiedlich ist.

Die Finanzierungskosten sind bei einer Photovoltaikanlage aufgrund des niedrigen Zinsniveaus und der hohen Investitionssicherheit sehr niedrig, die Betriebs- und Wartungskosten fallen im Vergleich zur Ölheizungen oder einem PKW mit Verbrennungsmotor nicht ins Gewicht. Durch verschiedene Förderprogramme von Bundesländern und Kommunen werden weiter Anreize für die Photovoltaik gesetzt. Die Förderung bezieht sich zwar meist auf die Installation von Solarstrom-Speichersystemen, doch wird sie in der Regel nur in Verbindung mit einer neuen Photovoltaik-Anlage gewährt.

Zwei Arten der solaren Energiegewinnung

Photovoltaik versus Solarthermie

So wie die Sonne Licht und Wärme in unser Leben bringt, lässt sich ihre Strahlung auch energetisch auf zweierlei Weise nutzen: Über die Photovoltaik zur Stromerzeugung und über die Solarthermie zur direkten Gewinnung von Wärme. Beide können parallel eingesetzt werden, wenn das Dach genug Fläche für eine ausreichend große PV-Anlage und für Sonnenkollektoren bietet.

Erzeugt eine solarthermische Anlage mehr Wärme als benötigt, kann der Überschuss nicht in ein öffentliches Netz eingespeist werden, deshalb richtet sich die Fläche der Solarkollektoren nach der Größe und Art des Wärmespeichers. Dessen Größe hängt von der Nutzung ab: Bei reiner Warmwasseraufbereitung ist der Bedarf deutlich kleiner als bei einer solarthermischen Unterstützung der Heizungsanlage.

Eine PV-Anlage kann dagegen voll auf hohe Eigenversorgung ausgelegt werden, weil Überschüsse im Sommerhalbjahr sich über die Einspeisevergütung verwerten lassen und den Anteil der Erneuerbaren im Strommix erhöhen. Außerdem ist der Solarstrom indirekt auch eine gute Wärmequelle, denn Wärmepumpen sind ein effizienter Weg in die Sektorenkopplung. Auch im Warmwasserbereich ist die elektrische Wärmeerzeugung eine Möglichkeit, den Eigenverbrauch zu erhöhen.

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