Photovoltaik
- Solarmodule auf einem Dach mit 28° Neigungswinkel
Grundlagen Einführung
Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie (photovoltaischer Effekt). Der Begriff „Photovoltaik“ wurde gebildet aus „Photo“ - griechisches Wort für Licht - und „Voltaik“. Alessandro Volta war ein Pioneer der Elektrotechnik. „Volt“ ist die Maßeinheit für die elektrische Spannung. Im Jahre 1839 wurde der photoelektrische Effekt von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becqerel erstmals nachgewiesen. Jedoch konnnte erst Albert Einstein diesen Effekt 1905 richtig erklären und erhielt dafür 1921 den Nobelpreis. Im Jahre 1954 wurden die ersten Siliziumzellen mit Wirkungsgraden von 4% hergestellt.
Die Sonne als unerschöpfliche Energiequelle
Die Erde bewegt sich während eines Jahres auf einer elliptischen Bahn um die Sonne und rotiert an einem Tag um die eigene Achse. Die Rotationsachse ist um 23,5° gegen die Erdbahnachse geneigt. Da dieser Winkel konstant bleibt, ändert sich der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen um ± 23,5° während eines Jahres auf der Erdbahn um die Sonne (Bild 2). Außerdem überlagert sich noch die Veränderung des Höhenwinkels während eines Tageslaufs.
Die als Strahlung auf die Erde auftreffende Sonnenenergie beträgt jährlich 1,5 · 1018 kWh. Dies entspricht dem 9.000-fachen des gesamten Primärenergieverbrauchs der Menschheit im Jahre 2006 (1,0 · 1014 kWh/Jahr). Diese Strahlungsenergie kann grundsätzlich aufgefangen und in elektrische Energie umgewandelt werden, ohne dass Schadstoffe (z. B. Kohlendioxid – CO2) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligen infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein.
- PV-Module erhalten in Deutschland die optimale Sonneneinstrahlung, wenn sie nach Süden, Süd-Ost oder Süd-West ausgerichtet und mit einem Neigungswinkel von 35° angestellt sind.
Solarzellen und Solarmodule
Solarzellen, die zu größeren Solarmodulen verbunden sind, produzieren die elektrische Energie. Durch Ausnutzung des photovoltaischen Effekts wandeln sie die Strahlungsenergie der Sonne direkt in elektrischen Gleichstrom um. Solarzellen sind Scheiben aus vorwiegend monokristallinem oder polykristallinem Silizium. Eine Zelle ist wie eine großflächige Photodiode aufgebaut. Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen in den Silizium-Halbleiterkristall wird ein sogenannter p-n-Übergang geschaffen. Die oberen Schichten der Zelle sind n-dotiert, d. h. es werden Fremdatome implantiert, die 5 äußere Elektronen haben (z. B Phosphor). Da Silizium 4 äußere Elektronen hat, steht 1 Phosphor-Elektron dem Siliziumkristallgitter frei beweglich zur Verfügung. Die untere Schicht ist p-dotiert, z. B. mit Bor, das 3 äußere Elektronen hat. Bor erzeugt 1 frei bewegliches „Elektronenloch“ (1 Elektron fehlt) im Siliziumkristallgitter. Im Übergang der Schichten (p-n-Übergang) gleichen sich die frei beweglichen Ladungen aus, sodass die unbeweglichen Atomrümpfe eine positive Ladung in der oberen n-dotierten Schicht haben bzw. eine negative Ladung in der unteren p-dotierten Schicht. So erzeugen sie ein elektrisches Feld im p-n-Übergang.
Einfallendes Sonnenlicht erzeugt im Siliziumkristall der Solarzelle frei bewegliche Elektronen und Elektronenlöcher, die das elektrische Feld im sogenannten p-n-Übergangs trennt (siehe auch: Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?). Die Elektronen wandern zur Vorderseite der Zelle (Kathode), wo sich die unbeweglichen positiven Atomrümpfe befinden, die Elektronenlöcher zur Rückseite (Anode), wo die unbeweglichen negativen Atomrümpfe angeordnet sind. Fingerförmige Kontakte auf der Vorderseite und eine geschlossene Metallfläche auf der Rückseite sorgen für den elektrischen Kontakt nach außen. Wenn ein Verbraucher angeschlossen ist, fließt ein elektrischer Strom (Solarstrom). Solarmodule bestehen aus Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind. Eine Zelle hat eine Spannung von 0,5 Volt und einen elektrischen Strom von 3 bis 8 Ampere, sodass sich in einem Solarmodul aus 36 Zellen die Spannung zu 18 Volt addiert.
Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage)
Eine netzgekoppelte PV-Anlage besteht aus Solarmodulen, die zu einem Solargenerator zusammengeschaltet sind, einem Wechselrichter, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, und einem Einspeise-Stromzähler. Hinzu kommt die Verkabelung vom Generator zum Wechselrichter und von dort zum Einspeisezähler. Die Module werden mit Hilfe eines speziellen Befestigungssystems z. B. auf einem Dach oder einer Fassade montiert. Solarmodule, die zu einem Strang verschaltet werden, sollten sich in ihrer Leistung nicht zu stark unterscheiden, um einen möglichst hohen Ertrag zu haben. Deshalb erfolgt ein Vorsortieren der Module (Matching).
Vor der Einspeisung in das öffentliche Stromnetz wandelt der Wechselrichter den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Er ermittelt ständig den Punkt der maximalen Leistung (MPP – Maximum Power Point), indem die zur Verfügung stehende Solareinstrahung viele Male in der Sekunde gemessen wird um den optimalen Arbeitspunkt einzustellen. Im normalen Arbeitsbereich haben gute Wechselrichter einen Wirkungsgrad von 95 bis 98,5%. Wechselrichter arbeiten automatisch und sind wartungsfrei. Störungen werden angezeigt. Die Garantiezeit beträgt im Allgemeinen 5 Jahre.
Eine PV-Anlage sollte so ausgelegt sein, dass – über die gesamte Tages- und Jahres-Einspeiseperiode betrachtet – eine hohe Energieernte erzielt wird. Jeder Wechselrichter hat eine Wirkungsgrad-Kennlinie, die mit der Eingangsleistung bis zu einem Maximalwert ansteigt und dann wieder abfällt. Da ein großer Teil der Energieernte bei mittleren und kleineren Strahlungsleistungen anfällt, kann man den Gesamtertrag optimieren, wenn die Nennleistung des Wechselrichters etwa 5 bis 10% unter der Nennleistung des Generators liegt.
- Aufbau einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage mit Eigenverbrauch und Entnahme aus dem Netz
Koppelung an das Stromnetz
Das schwankende Angebot der Photovoltaik wirkt aus Sicht des Stromnetzes nicht anders als schwankender Verbrauch; die im Niederspannungsbereich eingespeiste Photovoltaikleistung stellt sich dabei wie eine Verbrauchsminderung dar. Diese ist, wie die durch den Stromverbraucher verursachte Schwankung der Last, vorhersehbar. Aufgrund dieser Planbarkeit kann Photovoltaikenergie wie die Windenergie in den Kraftwerksfahrplan des Tageslastgangs einbezogen und ohne zusätzlichen Aufwand wie Verbrauchsschwankungen im Mittellastbereich gesteuert werden.
Bei einem Ausbau in großem Maßstab muss die Photovoltaik mit anderen, gut regelbaren Kraftwerken oder Speichertechnologien kombiniert werden. Bei einer dezentralen Stromversorgung aus vielen großflächig verteilten Photovoltaikanlagen werden Leitungsverluste aufgrund der geringen Entfernungen zwischen Stromquelle und Endverbraucher verringert. Der erzeugte Strom verlässt den Niederspannungsbereich praktisch nicht, sondern wird dort sofort lokal verbraucht.
Eignung des Daches
- Die oben stehende Graphik zeigt, dass ein weiter Bereich des Azimut- und Dachneigungswinkels existiert, in dem der Energieertrag nicht stark vom Maximum abweicht.
Für die Errichtung von PV-Anlagen sind grundsätzlich alle Dächer geeignet, die nach Süden zeigen und unverschattet sind. Die Ausrichtung der Solarmodule zur Sonne (Azimutwinkel) und der Neigungswinkel der Module bestimmen den Energieeintrag. Optimal sind die Südrichtung und der Neigungswinkel 35°. Der Energieeintrag wird aber nur um etwa 7% vermindert, wenn die Module nach Süd-Ost bis Süd-West gerichtet sind und einen Neigungswinkel von 15 bis 50° haben (Bild).
Zu der Ausrichtung der Anlagen finden Sie auch Empfehlungen im Download-Bereich.
Die Neigung sollte mindestens 15o betragen, damit die Kollektoren durch den Regen automatisch gereinigt werden. Die Kabellänge vom Generator zum Wechselrichter sollte möglichst kurz sein, um Verluste zu minimieren. Da der Wechselrichter Verlustwärme abgibt, stellt man ihn an einem kühlen / luftigen Ort auf. Für eine Generatorleistung von 1 kWp benötigt man eine Dachfläche von 8 bis 10 m² mit handelsüblichen Modulen.
Energieertrag und CO2-Bilanz
- In unserer Region liefert die Sonne pro 8 m² ca. 1000 kWh Energie jährlich. Das Diagramm zeigt, wie viele kWh täglich pro 8 m² in den verschiedenen Monaten an wolkenlosen Tagen und im Durchschnitt zu erwarten sind.
Die heute üblichen monokristallinen Dach-Module auf Siliziumbasis zeigen in der Praxis einen Wirkungsgrad bis zu 18%, die etwas preisgünstigeren polykristallinen Dach-Module liegen bei etwa 14%.
Einen guten Überblick über andere Arten von Solarzellen finden Sie bei Wikipedia.
Der Wirkungsgrad kann wie folgt ermittelt werden.
Beispiel: Modulleistung 230 Wp; Modulfläche 1,7 m². Standard-Testbedingung: 1000 W/m².
230 Wp / 1,7 m² / (1000 W/m²) * 100% = 13,5%.
Die in Deutschland aufgestellten PV-Anlagen erzeugen – abhängig von der geographischen Region und der Aufstellungsart - eine spezifische elektrische Energie von 800 bis 1050 kWh/a pro 1 kWp der installierten Nennleistung. Wenn eine Anlage den spezifischen Wert 950 kWh/a/kWp-Anlage leistet, wären für 1000 kWh/a die Nennleistung von 1,053 kWp erforderlich und die benötigte Modulfläche würde etwa 8 m² / kWp betragen.
Eine Solaranlage erwirtschaftet innerhalb von 2 bis 3 Jahren die Energie, die für die Herstellung und Montage der Solarmodule und aller sonstigen benötigten Materialen (Wechselrichter, Halterungen,...) verbraucht wird. Nach dieser Anlaufzeit ist die CO2-Bilanz Null, d. h. es wird kein CO2 erzeugt. Bei einer 1-kWp-Anlage beträgt die jährliche CO2-Einsparung ca. 600 kg.
Potential der Photovoltaik
Das erreichbare Potential ist sehr hoch. Sogar in Deutschland sind die Bedingungen sehr günstig, obwohl es Regionen in der Welt mit noch besseren Voraussetzungen gibt. In Deutschland genügten theoretisch etwa zwei Prozent der Gesamtfläche des Landes, um mit heute verfügbarer Technik in der Jahressumme die gleiche elektrische Solarenergie zu ernten, die in Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt wird. Die Zahl von zwei Prozent ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kWp pro 10 qm Fläche, einem jährlichen Energieertrag von 750 kWh pro kWp, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Größenordnung für die Jahre 2004 und 2005) und der Gesamtfläche Deutschlands von ca. 350.000 qkm.
Es wäre unnötig und wenig sinnvoll, ganze zwei Prozent der Gebietsfläche Deutschlands zur Erzeugung von Solarstrom nutzen zu wollen, um dadurch den Strombedarf vollständig decken zu können; denn es gibt noch andere regenerative Energiequellen zur Stromerzeugung, nämlich Wind- und Wasserkraft, Biogas und Geothermie. Es würde genügen, die vorhandenen und geeigneten Dach- und Fassadenflächen sowie weitere siedlungsbezogene Flächen wie Böschungen, Überdachungen, Lärmschutzwände u.ä. zu nutzen. Diese machen nach Angaben der Professoren Altner, Dürr, Michelsen und Dr. Nitsch in der Studie „Zukünftige Energiepolitik“ (ISBN 3-87081-145-5) etwa 0,5 Prozent der Gebietsfläche Deutschlands aus. Für Solarthermie stehen nach dieser Studie weitere Flächen zur Verfügung. Rund 25 Prozent des deutschen Strombedarfs könnten also auf diesem Weg erzeugt werden. Sollte diese Menge nicht ausreichen, könnten aus stillgelegten landwirtschaftlichen Flächen einige wenige geeignete Teile zusätzlich herangezogen werden.
Fördermaßnahmen und Wirtschaftlichkeit
Ein kWp schlüsselfertig installierte Leistung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage kostet derzeit (Inbetriebnahme 2009) bei großen Freiflächenanlagen ca. 3000 €/kWp Netto, bei 4 kWp Dachanlagen je nach Montageaufwand zwischen 3700 €/kWp bis 5000 €/kWp Netto. Für die bei Photovoltaikanlagen entstehenden Kosten (Module, Wechselrichter, Installation, Wartung, Versicherung) sind generell nur die Nettopreise (ohne Mehrwertsteuer) zu bezahlen, da der Betreiber einer solchen Anlage beim Finanzamt als Unternehmer gilt. Auch die im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) genannten Einspeisevergütungen sind Nettovergütungen.
Das EEG soll den Ausbau von von PV-Anlagen fördern. Die Mindestvergütung beträgt für Solarstromanlagen, die z. B. im Jahr 2010 auf einem Gebäude oder einer Lärmschutzwand - bis einschließlich 30 kWp - installiert wurden, 39,14 Cent/kWh. Der Vergütungssatz sinkt um jeweils 9-11 % pro Jahr, gemessen an den Werten des jeweiligen Vorjahres, bleibt dann aber für die Anlage über volle 20 Betriebsjahre konstant (Tabelle). Für Solaranlagen werden zudem günstige Kredite angeboten, wodurch kein Eigenkapital für die Anlage eingesetzt werden muss.
| PV-Anlage bis 30 kWp auf Gebäuden und Lärmschutzwänden | PV-Anlage von 30-100 kWp auf Gebäuden und Lärmschutzwänden |
|---|---|---|
2009 | 43,01 bei Eigenverbrauch 25,01 | 40,91 |
2010* | 39,14 bei Eigenverbrauch 22,76 | 37,23 |
* Die genauen Werte werden je nach Marktwachstum im September des Vorjahres festgelegt.
Das entsprechende Dokument der Bundesnetzagentur finden Sie hier.
Zur Zeit plant aber die aktuelle Bundesregierung die Vergütungssätze außerplanmäßig (zum 1.4. oder 1.6.) um weitere 16% zu reduzieren! Bitte beachten Sie das bei Ihrer Kalkulation!
Ab 2009 kann der Strom (bei Anlagen bis 30 kWp) selbst genutzt oder räumlich benachbart verkauft werden (Eigenverbrauch). Die zusätzliche Ersparnis beträgt ca. 2 ct/kWh, z.B. Bezugskosten 20 ct + Vergütung 25,01 ct = 45,01 ct gegenüber 43,01 ct bei Netzeinspeisung. Die Eigenverbrauchmöglichkeit lohnt sich also bei Strombezugskosten von ca. 18 ct/kWh.
Die Vergütungskosten nach dem EEG werden auf die Stromverbraucher umgelegt, was etwa 1,1 Cent pro kWh ausmacht. (Leider gibt es für energieintensive Unternehmen Ausnahmeregelungen). Bei einem heutigen Strompreis von 23 Cent / kWh sind das nur 5% der Stromkosten. Wiederholt erfolgte Preissteigerungen für Strom in der Größenordnung von 10% im Jahr lassen sich also nicht mit der Förderung erneuerbarer Energien begründen, wie das die großen Stromkonzerne immer behaupten.
Jeder, der ein geeignetes Dach zur Verfügung hat, kann mit einer PV-Anlage selbst umweltfreundlichen Sonnenstrom erzeugen. Hier ist ein Beispiel einer typischen PV-Anlage für einen Haushalt, der im Jahr 3.000 kWh Strom verbraucht:
Nach heutigem Preisstand müssen im Laufe von 20 Jahren 16.000 € Stromkosten aufgebracht werden (Bild, blaue Balken).
Wenn dagegen 15.000 € in eine 3 kWp-PV-Anlage investiert werden, dann erwirtschaftet diese ab dem 11. Jahr Gewinn (grüne Balken).
Bei Eigenkapitalfinanzierung einer PV-Anlage beträgt die rechnerische Verzinsung in 20 Jahren etwas über 5%. Hierbei wurde angenommen, dass die Investitions- und Betriebskosten im üblichen Bereich liegen und dass der kalkulatorische Zinssatz für angelegte Einnahmen 4% beträgt. Die durchschnittliche Rendite der Anlage kommt bei 20 Jahren Abschreibungszeit auf etwas mehr als 4%. Im Vergleich zu anderen Investitionen erscheint dieser Wert niedrig, jedoch ist zu berücksichtigen, dass mit einer PV-Anlage ein sehr geringes Investitionsrisiko verbunden ist. Aufgrund der Vergütung durch das EEG rechnen sich neue Solarstromanlagen an allen guten Standorten.
Bei sorgfältiger Ausführung und Verwendung hochwertiger Komponenten ist je nach dem Preis der Anlage, der Höhe der Einspeisevergütung, den Einstrahlungswerten und weiteren Faktoren eine jährliche Rendite (nach der internen Zinsfuss Methode) von > 5% zu erwarten.
- Kumulierte Stromkosten über 20 Jahre und kumulierte Erträge einer PV-Anlage, abzüglich der Kosten für die Anlage. In diesem Beispiel wurden keine Finanzierungskosten, keine kalkulatorischen Zinsen für angelegte Einnahmen, keine Abschreibungsvorteile und keine sonstigen steuerlichen Aspekte berücksichtigt.
