SDK_Logo GPX_Logo

Basiswissen Photovoltaik

Photovoltaikanlagen dienen der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom. Dieser kann entweder in das Stromnetz eingespeist oder selber verbraucht werden.

Aufbau einer Photovoltaikanlage

Das Grundprinzip einer Photovoltaikanlage besteht darin, dass durch das Auftreffen von Sonnenlicht (Photonen) auf Halbleiterzellen Elektronen freigesetzt werden, wodurch über Metallkontakte eine elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Durch diesen sogenannten photovoltaischen Effekt wird also Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgesetzt. Es resultiert ein Gleichstrom (abgekürzt DC vom englischen Begriff „direct current").

Die meisten Halbleiterzellen werden aus Silizium gefertigt, einem der häufigsten Elemente der Erde. Man unterscheidet hierbei zwischen monokristallinem und polykristallinem Silizium. Monokristalline Zellen werden aus einem hochreinen, homogenen Kristallblock gesägt und erreichen Zellwirkungsgrade von ca. 18 %. Polykristalline Zellen hingegen bestehen aus vielen Einzelkristallen und sind durch die daraus resultierende bläulich schimmernde Musterung gut erkennbar. Sie sind weniger aufwändig herzustellen und daher meist etwas günstiger als monokristalline Module. Sie erreichen Zellwirkungsgrade von ca. 16 %.

Innerhalb eines PV-Moduls werden die Siliziumzellen schließlich zu mehreren in Reihe geschalteten Strängen verbunden. Bei kristallinen Modulen werden die Zellen in einer transparenten Gießharz- oder Kunststoffschicht, meist Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA), einlaminiert und durch ein hochtransparentes Deckglas und einen Aluminiumrahmen stabilisiert. Der Modulwirkungsgrad liegt bauformbedingt dann durchschnittlich noch bei etwa 14 bis 15 %, und es sind keine deutlichen Ertragsunterschiede mehr zwischen mono- und polykristallinen Modulen festzustellen.

Den kristallinen Modulen stehen Dünnschichtmodule gegenüber, die durch Aufdampfen von wenigen µm dicken Schichten amorphen Siliziums auf eine Trägerschicht – meist Glas – hergestellt werden. Durch den vereinfachten Herstellungsprozess und den geringeren Materialeinsatz sind Dünnschichtmodule in der Produktion kostengünstiger, erreichen allerdings auch nur relativ geringe Wirkungsgrade von etwa 8 %. Daher haben sich neben dem amorphen Silizium weitere Materialkombinationen etabliert, die höhere Wirkungsgrade von bis zu 12 % erreichen. Die häufigsten Modultechnologien sind hier CIS (Kupfer-Indium-Disulfid) bzw. CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) und CdTe (Cadmium-Tellurid).

Alle Module haben die Eigenschaft gemeinsam, dass die Leistungsabgabe durch Veränderung der Einstrahlungsintensität, des Einstrahlungswinkels und der Zelltemperatur schwankt. Um eine Vergleichbarkeit der verschiedenen Module untereinander zu ermöglichen, beziehen sich die vom Hersteller angegebenen Leistungen immer auf die sogenannten Standardprüfbedingungen (STC = „Standard Test Conditions“). Diese vorgegebenen Betriebsbedingungen sind eine senkrechte Einstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter bei einer Zelltemperatur von 25 °C und einem definierten Spektrum des Sonnenlichts bei einer Luftmasse (AM = „Air Mass“) von 1,5. Auf diese Weise ermittelte Werte werden meist in Watt bzw. Kilowatt mit dem Anhängsel „Peak“ (Wp bzw. kWp) angegeben. Dieser Wert gibt also eine Art Maximalleistung der Photovoltaikmodule wieder. Allerdings können in Einzelfällen auch höhere Leistungen erreicht werden, wenn z.B. bei gleichbleibender Temperatur die Einstrahlungsenergie steigt oder bei gleicher Energie geringere Zelltemperaturen vorherrschen.

Kristalline Module erreichen heutzutage, abhängig von Bauart und Größe, Leistungen von etwa 180 Wp bis 250 Wp. Aufgrund des geringeren Wirkungsgrades erzielen Dünnschichtmodule bei gleicher Größe geringere Leistungen. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass man bei gleicher gegebener Dachflächengröße mit kristallinen Modulen eine Photovoltaikanlage mit höherer Gesamtleistung installieren kann, als mit Dünnschichtmodulen. Im Gegenzug haben viele Dünnschichtmodule einen geringeren Temperaturkoeffizienten (ein Maß dafür, um wie viel Volt pro Grad Celsius Temperaturzunahme die Modulspannung sinkt) als kristalline, wodurch sie bei hohen Zelltemperaturen einen geringeren Leistungsabfall verzeichnen als kristalline. Außerdem verarbeitet jede Modultechnologie andere Bereiche des Lichtspektrums. Daher wird vielen Dünnschichtmodulen eine bessere Ausbeute bei Schwachlicht nachgesagt.

Für den Betreiber einer Photovoltaikanlage stellt sich irgendwann die Frage, wie er seine PV-Module entsorgen soll, wenn die EEG-Förderung ausgelaufen ist. Grundsätzlich gilt, dass PV-Module sehr wahrscheinlich länger als 20 Jahre Strom produzieren können, der vom Besitzer der Anlage auch nach Auslaufen der EEG-Förderung noch zu marktüblichen Tarifen vermarktet werden kann.

Am Ende der Lebensspanne eines Moduls verbleibt noch immer ein Rohstoffwert. Mono- und polykristalline Module bestehen üblicherweise aus einem Aluminiumrahmen, Glasplatten und Silizium. Diese Bestandteile können alle wiederverwertet werden. Bereits zum jetzigen Zeitpunkt ist es marktüblich, dass die Module kostenlos zurückgenommen werden. So ist ein Großteil der namhaften Modulproduzenten Mitglied bei „PV-Cycle“, und garantiert seinen Kunden so die kostenlose Rücknahme und das Recyceln ihrer ausgedienten Module. „PV-Cycle“ übernimmt für seine Mitglieder die Pflichten der EU-weit verbindlichen WEEE-Richtlinie, die die geeignete Entsorgung von ausrangierten Elektro- und Elektronikgeräten sicherstellt und unter die seit 2012 auch die Rücknahme und das Recyceln von PV-Modulen fallen.

Bei Dünnschichtmodulen kann es vorkommen, dass giftige Verbindungen wie Cadmiumtellurid (CdTe) verarbeitet wurden, die gesundheits- und umweltschädlich sind. Der Hersteller dieser Module bietet aber ebenfalls ein kostenloses Rücknahme- und Recyclingprogramm, bei dem der überwiegende Teil des belasteten Halbleitermaterials zurückgewonnen und für neue Module verwendet werden kann. Somit ist die Entsorgung von PV-Modulen insgesamt eher unkritisch zu sehen.

Die auf Hausdächern installierten Photovoltaikmodule allein machen nun aber noch keine Photovoltaikanlage. Um den produzierten Gleichstrom nutzen zu können, muss er in der Regel in Wechselstrom (abgekürzt AC vom englischen Begriff „alternating current“). umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter. Dabei wird zwischen netzgekoppelten Photovoltaikanlagen und Inselanlagen unterschieden. Bei Inselanlagen bereitet der Wechselrichter den produzierten Strom so auf, dass ein kleines unabhängiges Stromnetz betrieben werden kann, z.B. bei Hütten ohne Zugang zum öffentlichen Stromnetz. Bei einer netzgekoppelten Anlage wird der produzierte Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist, was der weitaus häufigere Anwendungsfall ist.

Der Wechselrichter einer netzgekoppelten Anlage muss permanent die Kennwerte des Stromnetzes wie Netzspannung und -frequenz messen und den selbstproduzierten Strom an diese Werte anpassen. Gleichzeitig steuert er aber auch, ähnlich einem Laderegler, den von den Modulen ankommenden Strom und die Spannung, um sie im Punkt der maximalen Energieausbeute (MPP = „Maximum Power Point“) zu betreiben. Der Wechselrichter ist also die zentrale Steuereinheit einer Photovoltaikanlage.

Aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades werden inzwischen überwiegend transformatorlose Wechselrichter eingesetzt. Lediglich bei Dünnschichtmodulen, für die eine Erdung vorgeschrieben ist, werden noch Wechselrichter mit Transformator benötigt, da hier eine galvanische Trennung zwischen DC- und AC-Stromkreis gewährleistet ist. Moderne trafolose Wechselrichter erreichen inzwischen Wirkungsgrade von bis zu 99 %. Allerdings handelt es sich dabei um Laborwerte, die bei der in Deutschland üblichen Strahlungsenergie in der Praxis nicht erreicht werden. Einen besseren Anhaltspunkt bietet hier der europäische Wirkungsgrad, der meist bei 96 bis 98 % liegt.

Bei Aufdachanlagen kommen üblicherweise Strang-Wechselrichter (auf Englisch meist als „String“ bezeichnet) zum Einsatz. Dafür werden mehrere Module zu einem Strang oder eben „String“ in Reihe geschaltet, wodurch recht hohe Arbeitsspannungen erzielt werden. Der Nachteil an diesem Konzept ist, dass die Verschattung eines einzelnen Moduls in einem solchen String die Leistungsausbeute des ganzen Strings beeinträchtigen kann.

Die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage ist heute sehr stark abhängig von dem im Haushalt möglichen Eigenverbrauch. Dies lässt sich durch eine einfache Rechnung begründen: Die ins Netz eingespeiste Kilowattstunde wird bei Anlagen unter 10 kWp Leistung aktuell mit 12,75 Cent vergütet, der aktuelle Strompreis liegt bei 28 Cent im bundesdeutschen Schnitt. Gegenüber der Netzeinspeisung ergibt sich beim Eigenverbrauch also ein Vorteil von 15,25 Cent je Kilowattstunde. Anlagen mit mehr als 10 kWp installierter Leistung, die ab August 2014 in Betrieb genommen werden, müssen sich allerdings mit 30 % pro selbstverbrauchter kWh an der EEG-Umlage beteiligen. Das sind aktuell 1,872 Cent/kWh.

Zur Abrechnung des Eigenverbrauchs wird ein zusätzlicher Zähler installiert, der die gesamte Stromproduktion der Photovoltaikanlage misst. Aus der Differenz des Produktionszählers und des Einspeisezählers ergibt sich der Eigenverbrauchsanteil. Das bedeutet, dass die Nutzung nur funktioniert, wenn man den Solarstrom in dem Moment verbraucht, in dem er produziert wird. Eine reine Gegenrechnung von produziertem zu bezogenem Strom funktioniert also nicht. Daher ist es empfehlenswert, seinen Stromverbrauch auf Zeiten mit starker Sonneneinstrahlung zu konzentrieren – indem man z.B. mittags zusätzliche Verbraucher wie die Waschmaschine einschaltet, um den Eigenverbrauchsanteil zu erhöhen.

Zudem ist es möglich den Eigenverbrauch über die Installation eines Batteriespeichers zu erhöhen.

Nicht zuletzt auf Grund der in den letzten Jahren stark gestiegenen Bedeutung des Eigenverbrauches, spielen Batteriespeichersysteme in der Photovoltaik eine immer größere Rolle. Wenn Sie über den Kauf einer Photovoltaikanlage nachdenken, sollten Sie daher unbedingt darauf achten einen Solarstromspeicher direkt in die Planung einzubeziehen. Zwar sind die Systeme aktuell noch recht teuer (je nach Bauart zwischen 6.000 und ca. 15.000 €), aber auch wenn sich ein Batteriespeichersystem momentan in Ihrem Haushalt noch nicht rechnen sollte, ist es ratsam diese Möglichkeit als künftige Erweiterung einzubeziehen. Denn mit Solarstromspeichern ist im Idealfall ein Eigenverbrauchs­anteil von nahezu 100 % möglich. Sprechen Sie Ihren Solarteur also unbedingt auf die Speicherung des Stroms an!

Technisch gibt es aktuell im Wesentlichen drei Systeme: Lithium-Ionen-Akkus, Blei-Gel-Akkus und Blei-Säure-Akkus.

Blei-Säure-Akkus sind die kostengünstigste Möglichkeit zur Speicherung von Strom. Zudem gibt es hinsichtlich der Lebensdauer dieser Batterien umfassende Erfahrungswerte. Allerdings kann es bei Blei-Säure-Akkumulatoren zu Knallexplosionen kommen. Aus sicherheitstechnischen Gründen werden daher immer öfter Blei-Gel-Akkus eingesetzt. Diese Systeme sind zwar etwas teurer als Blei-Säure-Akkus, dafür aber sehr wartungsfreundlich und immer noch deutlich kostengünstiger als Lithium-Ionen-Akkus.

Lithium-Ionen-Akkus haben deutliche technische Vorteile gegenüber den beiden anderen Systemen und sind daher stark im Vormarsch. Insbesondere die sehr hohe prognostizierte Haltbarkeit und die höhere Entladetiefe können überzeugen. Allerdings droht hier eine Überhitzung bei Überladung, gegen die jedoch über verschiedene Ansätze angegangen wird. Nachteile der Lithium-Ionen Systeme sind darüber hinaus die recht hohen Kosten und die nicht vorhandenen Langzeiterfahrungen.

Um die Nutzung von Speichersystemen in Deutschland insgesamt anzukurbeln, gibt es seit Mai 2013 eine Förderung für die Nutzung von Batteriespeichern. Wenn Sie eine bestehende PV-Anlage mit einem Solarstromspeicher nachrüsten, beträgt die Förderung bis zu 660 € pro installiertem Kilowattpeak. Bei einer Neuinstallation sind bis zu 600 € pro installiertem Kilowattpeak förderfähig. Das Förderprogramm ist ein Produkt der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Die eigentliche Abwicklung erfolgt jedoch über Ihre Hausbank. Um zu erfahren, zu welchen Konditionen eine Förderung für Sie möglich ist, sprechen Sie am besten direkt mit Ihrer Hausbank. Dabei ist es ratsam das Angebot Ihres Solarteurs gleich mitzunehmen. Weitere Informationen erhalten Sie hier .

Basiswissen Solarthermie

Thermische Solaranlagen dienen der Erwärmung von Brauch- und teilweise auch Heizungswasser durch Sonnenenergie. In den meisten Fällen werden thermische Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung genutzt, da der Warmwasserbedarf eines Haushalts über das Jahr gesehen weitestgehend gleichbleibend ist. Der jährliche Warmwasserbedarf kann zu 50 bis 60 % durch eine solche Anlage gedeckt werden. Bei solarer Heizungsunterstützung ergibt sich schon eher eine Diskrepanz zwischen Wärmebedarf und Energieangebot infolge des jahreszeitlich gegenläufigen Bedarfs an Heizwärme zur Intensität der Sonneneinstrahlung.

Aufbau einer Solarthermieanlage

Das Kernstück einer thermischen Solaranlage ist der Kollektor, der auf dem Hausdach montiert wird, um die kurzwellige Sonnenstrahlung aufzunehmen und in Wärme umzuwandeln. Der am weitesten verbreitete Kollektortyp ist der sogenannte Flachkollektor. Hier sind in einem wärmegedämmten Gehäuse unter Solarsicherheitsglas meist schwarze Absorberstreifen auf dünnen Kupferrohren aufgebracht. Durch die Rohre strömt meist ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch als Wärmeträgermedium, das sowohl dem Frostschutz dient, als auch die Siedetemperatur erhöht. Diese Flüssigkeit nimmt die Wärme der Absorberstreifen auf und transportiert sie über Rohrleitungen weiter in einen Warmwasserspeicher.

Die häufigste Alternative zu Flachkollektoren sind Vakuum-Röhrenkollektoren. Bei diesem System befinden sich die direkt mit Wärmeflüssigkeit durchströmten Absorber in einer evakuierten Glasröhre. Ein Kollektor besteht aus mehreren dieser Röhren, die über ein Sammelrohr miteinander verbunden sind. Der Vorteil von Vakuum-Röhrenkollektoren besteht in einem höheren Wirkungsgrad und höheren Maximaltemperaturen. Sie sind in der Anschaffung aber auch kostspieliger.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Kollektoren ist ihre Ausrichtung. Um die Heizleistung in den Wintermonaten zu optimieren, werden sie in unseren Breitengraden meist mit einem steilen Neigungswinkel von etwa 45° nach Süden ausgerichtet, um die im Winter flacher stehende Sonne besser nutzen zu können.

Um die produzierte Wärme nun nutzbar zu machen und für Tage geringerer Sonneneinstrahlung zwischenspeichern zu können, wird ein Wasserspeicher benötigt. Hierbei handelt es sich um einen Wassertank, der neben der Heizungsanlage aufgestellt wird und den Brauchwasserkreislauf des Hauses speist. Über einen Wärmetauscher im unteren Bereich des Speichers wird die Wärme des Kollektors aufgenommen. Ein Solarregler misst permanent die Temperaturen in Kollektor und Wasserspeicher und startet die Umwelzpumpen des Kollektorkreislaufs, sobald im Kollektor eine größere Temperatur herrscht als im Wasserspeicher. Sollte die Sonneneinstrahlung nicht ausreichen, um den Warmwasserbedarf zu decken, kann über einen zweiten Wärmetauscher im oberen Teil des Speichers auch eine Erhitzung des Brauchwassers durch die vorhandene Heizungsanlage erfolgen.

Bei einer ausreichend großen Kollektorfläche auf dem Hausdach ist es möglich, überschüssige Wärmeenergie weiterhin zur Erwärmung des Heizkreislaufs zu nutzen. Hierzu ist ein weiterer Wasserspeicher nötig, um das Trinkwasser nicht mit dem Heizungswasser zu vermischen. Meist kommen Kombispeicher zum Einsatz, die für Trinkwasser und Heizungswasser eigene Kammern besitzen.