Wirkungsgrad bei Photovoltaikanlagen: Das steckt dahinter

Eine Photovoltaikanlage soll viel Strom liefern. Achte unter anderem auf den Wirkungsgrad der Module und des Wechselrichters. Dann klappt es auch mit dem Solarertrag. In diesem Artikel erfährst du alles zum optimalen Wirkungsgrad.

Inhalt des Blogartikels

• 3 Wirkungsgrade bei Photovoltaik
• Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad von Photovoltaik?
• Gibt es auch in Zukunft ausreichend Rohstoffe zur Photovoltaik-Produktion?

3 Wirkungsgrade bei Photovoltaik

Die Anschaffung und Installation einer Photovoltaikanlage ist ein Großprojekt, in das du viel Zeit und Geld investierst. Es ist also selbstverständlich, dass du vom größtmöglichen Ertrag an Strom aus der Photovoltaik profitieren möchtest. Aber weißt du schon, was der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage ist, durch was er beeinflusst wird und wie du ihn berechnest?

Was sagt der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage aus?

Bei dem sogenannten Wirkungsgrad handelt es sich wortwörtlich um den Grad der Wirkung einer Solarzelle, eines Solarmoduls oder einer ganzen Photovoltaikanlage. Konkret gesagt: Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der zur Verfügung stehenden Energie tatsächlich in nutzbaren Solarstrom umgewandelt wird. Hier spielen die Art des Solarmoduls, die Verkabelung und der Wechselrichter sowie die Einstrahlungsstärke, Verschmutzungen oder Verschattungen der Anlage eine entscheidende Rolle.

Eine wichtige Messgröße für den gesamten Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage ist die sogenannte Performance Ratio (PR). Diese gibt an, welchen Energieertrag eine Photovoltaikanlage im Vergleich zum maximal möglichen Ertrag erreicht. Die Performance Ratio ist also ein Maß für die Effizienz einer Photovoltaikanlage.

Um die Performance Ratio, also den Wirkungsgrad zu ermitteln, teilst du den am Zähler abgelesenen Ertrag (Nutzertrag) durch den maximal möglichen Ertrag (Sollertrag) der Photovoltaikanlage. Der Sollertrag ist das Produkt aus Globalstrahlung, Modulfläche und Modulwirkungsgrad.

Im Durchschnitt kommen ältere Photovoltaikanlagen auf einen maximal möglichen Ertrag von 65 bis 75 Prozent, heutige Anlagen erreichen 80 bis 90 Prozent inklusive sämtlicher Verluste. Zur Ermittlung des Wirkungsgrades werden über einen bestimmten Zeitraum gemittelte Werte herangezogen. Aber auch die Verluste einer Photovoltaikanlage werden berücksichtigt, dies sind beispielsweise:

• Temperaturverluste der Module für die Photovoltaik
• Verluste der Module bei schlechten Lichtverhältnissen
• Wechselrichterverluste
• Ertragsminderung durch Verschattung und Verschmutzung der Anlage
• Ertragsminderung durch schlecht aufeinander abgestimmte Komponenten der Anlage

Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad von Photovoltaik?

Eine Photovoltaikanlage besteht aus vielen verschiedenen Komponenten. Ihre Leistung ist von diesen sowie weiteren Faktoren abhängig. Der gesamte Wirkungsgrad wird von den Verlusten aller Bauteile der Solaranlage beeinflusst. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist immer besser als der der gesamten Photovoltaikanlage. Auch die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom sowie die Längen und Querschnitte der Verbindungsleitungen führen zu Verlusten. In Summe sind das 4 und mehr Prozent. Rechnest du das auf 20 bis 30 Jahre Betriebszeit einer PV-Anlage um, sind das reichlich Kilowattstunden elektrische Energie, die verloren gehen.

Aus diesem Grund solltest du bei der Auswahl aller Komponenten für deine Solaranlage ein besonderes Augenmerk auf deren Qualität legen und nicht an der falschen Stelle sparen.

Wirkungsgrad von Solarzellen-Modulen für Phovoltaik

Der sogenannte Modulwirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der Sonneneinstrahlung ein Modul tatsächlich in elektrische Energie beziehungsweise Strom umwandelt. Dieser Wert ist abhängig von der Art der eingesetzten Solarzelle. Neben der Solarzelle spielt auch die Größe des Moduls eine wichtige Rolle

Der Modulwirkungsgrad hat allerdings keine Auswirkung auf den Ertrag einer Photovoltaikanlage. Für den Ertrag ist wichtig, wie viel Kilowatt Peak auf dem Dach verbaut sind. Auch bei der Entscheidung für oder gegen den Typ einer Solarzelle für deine Photovoltaikanlage ist der Wirkungsgrad nicht das alleinige Kriterium. Vielmehr solltest du alle Randbedingungen einbeziehen und dann die Solarzellen verwenden, die in deinem individuellen Fall die insgesamt effektivste Lösung versprechen.

Den höchsten Wirkungsgrad erreichen Solarzellen, wenn sie optimal nach Süden ausgerichtet sind und der Neigungswinkel der Module der Solarstrahlung sowie den Gegebenheiten vor Ort entsprechend gewählt wird.

Die klassischen Solarmodule sind:

• Monokristalline Module (in der Regel aus Silizium) kommen auf einen Wirkungsgrad von bis zu 22 Prozent. Demgegenüber steht jedoch der hohe Kosten- und Energieaufwand bei der Produktion der großen Kristalle aus Silizium, die man für die Herstellung von monokristallinen Modulen benötigt.
• Polykristalline Solarmodule (ebenfalls meistens aus Silizium) kommen hingegen „nur“ auf einen Wirkungsgrad von bis zu 20 Prozent, sind in der Herstellung aber günstiger.
• Dünnschichtmodule (auch CIGS-Module genannt) verzichten auf Silizium und liegen deutlich unter der Effizienz kristalliner Module. Der Wirkungsgrad dieser Solarzellen bewegt sich heute meist zwischen 10 bis 13 Prozent. Vereinzelt werden auch Dünnschichtmodule mit einem Wirkungsgrad um die 17 Prozent angeboten. Die Herstellung ist wesentlich einfacher und somit auch kostengünstiger. Allerdings brauchst du etwa 1,5- bis 2-mal so viele Dünnschichtmodule, um die gleiche Leistung wie mit monokristallinen Modulen zu erreichen.

Wechselrichter

Der Wirkungsgrad des Wechselrichters hat einen sehr hohen Anteil am Wirkungsgrad der kompletten Photovoltaikanlage. Er nimmt somit Einfluss auf die Erträge und die Wirtschaftlichkeit. Der Wechselrichter wandelt den von der Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Dieser Prozess ist stets mit kleinen Energieverlusten verbunden.

Trotz allem haben Wechselrichter einen sehr hohen Wirkungsgrad von 98 Prozent (ohne Trafo) beziehungsweise 96 Prozent (mit Trafo). Doch dieser Spitzenwirkungsgrad hat wenig Aussagekraft, weil er nur unter Idealbedingungen im Labor zu erzielen ist.

Wesentlich praxistauglicher ist der europäische Wirkungsgrad. Er setzt den durchschnittlichen Wirkungsgrad unter typischen mitteleuropäischen Wetterbedingungen ein und berücksichtigt die Häufigkeiten geringer oder stärkerer Solareinstrahlung. So wird beispielsweise vorausgesetzt, dass der Wechselrichter rund die Hälfte der Zeit 50 Prozent der maximalen Leistung bringt und nur ein Fünftel der Zeit 100 Prozent.

Die meisten Wechselrichter verfügen inzwischen über ein MPP-Tracking (Maximum Power Point). Dieses sorgt permanent dafür, dass die Leistung der zu Strings verbundenen Photovoltaikmodule stets bestmöglich auf den jeweiligen Strahlungs- und Temperaturzustand abgestimmt ist. MPP-Tracking hilft, die Leistung der Photovoltaikanlage zu optimieren. Selbst für Solaranlagen, die teilweise verschattet sind, gibt es inzwischen spezielle Wechselrichter, die unter Berücksichtigung dieser Situation dafür sorgen, den optimalen Ertrag zu erreichen.

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters wird generell durch das Verhältnis des auf der Gleichstromseite eingehenden Stroms zu dem entstehenden Wechselstrom auf der anderen Seite bestimmt. Die im Wechselrichter eingehende Leistung schwankt, da sie unter anderem von der Sonneneinstrahlung und Temperatur abhängig ist. Zudem sollte der Wechselrichter nah am Einspeisepunkt installiert sein, um zu große Transportverluste zu vermeiden.

Verkabelung

Bei der Verkabelung ist besonders wichtig, darauf zu achten, dass die vom Hersteller der Photovoltaikanlage angegebenen Leitungsquerschnitte nicht unterschritten werden. Je höher der elektrische Widerstand im Leitermaterial, desto mehr Energie geht in Form von Wärme verloren. Insgesamt haben also Kabelquerschnitt, gewähltes Leitmaterial und Kabellänge Einfluss auf mögliche Ertragsverluste. Bei korrekter Verkabelung ist aber nur von einem sehr geringen Verlust an solarer Energie auszugehen – bei 10 Meter Kabel von 0,24 Prozent der Anlagenleistung.

Einstrahlung

Eine zu starke Einstrahlung hat negative Effekte auf den Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage. An sehr sonnigen Tagen kann sich deren Leistung reduzieren. Das liegt daran, dass die Solarzellen nicht mehr ideal arbeiten, wenn sie zu stark aufgeheizt sind.

Der sogenannte Temperaturkoeffizient gibt an, um wie viel Prozent sich die Leistung pro Grad Celsius verringert und ist von der Art des Solarmoduls abhängig. Im Durchschnitt liegt er bei etwa 0,5 Prozent pro Grad Celsius bei kristallinen Modulen und bei Dünnschichtmodulen sogar darunter. Wird bei der Installation der Anlage genug Abstand zwischen Solarmodulen und Dachfläche gelassen, entsteht eine ausreichende Hinterlüftung und eine zu starke Aufheizung der Solarzellen wird vermieden.

Für den optimalen Photovoltaik-Wirkungsgrad musst du Kosten und Nutzen abwägen. Je qualitativer Solarmodule, Wechselrichter und Verkabelung sind, desto geringer sind Ertragsverluste und desto höher ist der Wirkungsgrad der Anlage. Ein hoher Wirkungsgrad erfordert also – neben der fachmännischen Installation – höhere Investitionen in deine Photovoltaikanlage.

Der nominelle Wirkungsgrad waferbasierter PV-Module neuer Produktionen verzeichnete in den letzten Jahren einen Anstieg von jährlich circa 0,3 Prozent auf Mittelwerte von etwa 20 Prozent. Durch Forschung und Entwicklung werden weitere Potenziale zur Steigerung der Wirkungsgrade erschlossen.

Gibt es auch in Zukunft ausreichend Rohstoffe zur Photovoltaik-Produktion?

Für waferbasierte PV-Module werden keine Rohstoffe mit beschränkter Verfügbarkeit verwendet. Bei Dünnschichtmodulen hängt die Verfügbarkeit von der Technologie ab. Wie es um die breite Verfügbarkeit von Tellur und Indium für CdTe- beziehungsweise CIS-Module (CdTe: Cadmiumtellurid, CIS: Kupferindiumselenid) bestellt ist, lässt sich aufgrund widersprüchlicher Aussagen nicht exakt beantworten. Für siliziumbasierte Photovoltaik-Dünnschichtmodule sind keine Rohstoffengpässe erkennbar.