Photovoltaikanlagen – Natürlicher Strom für Mensch und Umwelt

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Photovoltaik ist die Technik der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie und zählt, aufgrund der umweltfreundlichen Produktion von Strom, zu den erneuerbaren Energieformen. Nahezu zwei Millionen Solaranlagen liefern 2021 rund 10 Prozent des in Deutschland produzierten Stroms. Der Anteil der Photovoltaik steigt kontinuierlich an.
Das Wort Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort „photos“ für Licht sowie dem Nachnamen des Physikers Alessandro Volta zusammen. Die Messung der Leistung erfolgt in Kilowatt Peak (kWp).

Häufig gestellte Fragen zur Photovoltaik

Aufbau einer Photovoltaikanlage

Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage (PV-Anlage) hat eine relativ einfache Aufbau- und Funktionsweise. Das Sonnenlicht auf den Solarzellen generiert Gleichstrom, welcher mittels Wechselrichter zu Wechselstrom umgewandelt und im Stromnetz eingespeist wird. Die Solarzellen sind in der Regel aus Silizium (Quarzsand) und das Herzstück der PV-Anlage respektive des PV-Moduls. Die Solarzellen befinden sich im PV-Modul (Solarpanel) und erzeugen den Solarstrom. Stahl- oder Aluminiumunterkonstruktionen geben den Modulen auf dem Dach den sicheren Halt. Spezielle Kabel führen den Gleichstrom zu einem Wechselrichter, welcher diesen in Wechselstrom umwandelt. Damit kann der Strom direkt zur Eigennutzung verbraucht, in einem Speicher „zwischengelagert“ oder ins öffentliche Netz eingespeist werden. Zur Netzeinspeisung wird ein Einspeisezähler zur Messung der Vergütung benötigt.

Unterschied Photovoltaik und Solarthermie

Nicht ganz korrekt ist die Verallgemeinerung von Solaranlagen, denn es gibt außer der PV noch die Solarthermie. Hierbei wird die Einstrahlung der Sonne mittels Sonnenkollektoren aufgenommen und zur Warmwasseraufbereitung sowie zur Unterstützung der Heizung in Wärme umgewandelt. Zur Nutzung der Sonnenenergie ist dies die einfachste Art. Diese Variante ist aus technischer Sicht mit einem deutlich geringeren Aufwand umzusetzen als die PV, welche die Lichtstrahlen über die Solarzellen in elektrische Energie umwandelt.

Beide Varianten werden vorzugsweise auf Dächern von Gebäuden mit unterschiedlicher Größe installiert.

Solarthermische Kraftwerke, welche die solare Wärmestrahlung über Wärmekraftmaschinen in elektrische Energie umwandeln, sind eine Sonderform. In Deutschland jedoch ist das Angebot an Sonne zur Nutzung nicht ausreichend.

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Die Solarzelle

Die Freisetzung von Elektronen erfolgt durch das Licht auf die Siliziumscheibe. Die Zelle auf der Vorder- und Rückseite wird gezielt mit diversen Fremdatomen, beispielsweise Bor und Phosphor, „verunreinigt“, um die Elektronen zu nutzen. In der Folge bewegen sich sämtliche Elektronen auf eine Seite und die positiven Ladungsträger damit auf die Gegenseite. Analog der Batterie entstehen die zwei Pole Plus und Minus. Der Anschluss eines Verbrauchers erzeugt den Strom. Das Vorgehen funktioniert auch bei diffusem Licht, am meisten Strom wird bei Sonnenschein erzeugt.

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Das Photovoltaikmodul

In der Regel befinden sich im PV-Modul 60 zerbrechliche und hauchdünne, miteinander verlötete Solarzellen mit der Größe 15 x 15 Zentimeter. Ein mit der Frontscheibe des Moduls luftdicht verbundene Schicht aus Kunstharz schützt vor Feuchtigkeit und Korrosion.

Das Sicherheitsglas im Aluminiumrahmen ist antireflektierend, sehr widerstandsfähig und schützt ausreichend vor Wettereinflüssen.

Die Standardabmessungen betragen 1.650 x 992 Millimeter, für Module mit 72 Solarzellen 1.960 x 992 Millimeter.

Der PV-Generator besteht aus mehreren zusammen geschalteten PV-Modulen.

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Der Batteriespeicher

Der Batterie- respektive Solarstromspeicher bietet unabhängigen und günstigen Solarstrom, steigende Strompreise sind daher kein Thema mehr.

Der Preis für Haushaltsstrom hat in den letzten zehn Jahren eine Steigerung um 40 Prozent erfahren. Anfang Jahr 2020 lag der Strompreis für Haushalte im Durchschnitt bei 31,37 Cent pro kWh. Bei einer PV-Anlage liegen die Kosten für Strom pro kWh zwischen 10 und 13 Cent wesentlich günstiger.

Die Einspeisevergütung betrug im Jahr 2005 bis zu 54,53 Cent pro kWh. Für PV-Anlagen bis 10 kWp gab es im Juli 2020 für 20 Jahre eine Vergütung von lediglich noch 9,03 Cent pro kWh. Aus diesem Grund ist die Einspeisung von Strom um noch lohnenswert, sodass dem Eigenverbrauch immer größere Bedeutung zugestanden wird. Dieser kann mit einem Solarstromspeicher auf mehr als 60 Prozent erhöht werden und bis zu 80 Prozent mit dem richtigen Energiemanagement. In deutschen Haushalten beträgt der Eigenanteilverbrauch im Durchschnitt 30 Prozent.

Die Photovoltaik-Komplettanlage

PV--Komplettanlagen eignen sich für alle gängigen Dachtypen. Diese enthalten alle Komponenten und Montagematerialien, welche für den Betrieb notwendig sind. Grundsätzlich sollte eine PV-Komplettanlage die folgenden Komponenten aufweisen:

  • Unterkonstruktion inklusive Dachhaken (Montagegestell)
  • Photovoltaikmodule
  • Wechselrichter
  • Zähler
  • Solarkabel
  • Montagematerial

Ein entsprechendes Angebot enthält zusätzlich den passenden Solarstromspeicher.

Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Photovoltaikanlage

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Lichteinfall

Der wirtschaftliche Betrieb einer PV-Anlage setzt eine positive Statikprüfung sowie eine adäquate Flächengröße die entsprechenden Dachziegel sowie die Gebäudeausrichtung voraus. Die PV-Anlage sollte möglichst nach Süden ausgerichtet sein. Der effektivste Lichteinfall liegt im 90-Grad-Winkel, ist jedoch durch die Wanderung der Sonne nicht kontinuierlich zu erreiche. Deshalb werden die größten Erträge mit einem südlichen Winkel von ungefähr 30 Grad Richtung Süden erreicht. Einstrahlungs- oder auch Reflektionsverluste sind dann am geringsten.Grundsätzlich werden die besten Ergebnisse mit einem Winkel zwischen 10 und 50 Grad erzielt. Um ungefähr 10 Prozent verringert sich der Ertrag bei einer Dachneigung mit mehr als 60 oder weniger 25 Grad. Unter Berücksichtigung des Winkels sind bei Dächern mit Ost- und Westrichtung ebenfalls gute Erträge zu erzielen. Ebenfalls solltest du beachten, dass durch Bäume, Antennen, andere Gebäude keine Verschattung entsteht, da so nicht die volle Leistung deiner Photovoltaikanlage genutzt werden kann. 

Dachform

Grundsätzlich ist jede Dachform für eine PV-Anlage geeignet. Übliche Montagearten sind Aufdach-, Flachdach- und Indachmontage. Bei dieser Montage werden die Dachziegel durch Solarmodule ersetzt.

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Förderung / Finanzierung

Für die Förderung werden von der KfW diverse Programme und Kredite angeboten:

  • Wohneigentumsprogramm
  • Energieeffizient bauen
  • Kredit effizient sanieren
  • Ergänzungskredit effizient sanieren
  • Erneuerbare Energien

Vom Staat gibt es keine direkten finanziellen Zuschüsse, jedoch fördert der Bund indirekt durch die Vergütung der Einspeisung von kleinen PV-Anlagen. Dies ist jedoch kaum rentabel, da die Stromerzeugungskosten mit den aktuellen Einspeisevergütung in etwa deckungsgleich sind.

Jedoch bietet die KfW zur Förderung von Solaranlagen und Batteriespeichern das Programm 270 „Erneuerbare Energien-Standard“ an. Dabei können ab einem effektiven Jahreszins von 1,03 Prozent Anlagen mit einem günstigen Zins mit einer Laufzeit von 5, 10 oder 20 Jahren finanziert werden.

Ebenfalls bieten viele Bundesländer Förderprogramme an. Eine weitere Unterstützung ist der Online-Ratgeber Fördermittel Check von co2online, um die passenden Förderprogramme des Bundes in den Kommunen des Landes zu finden.

Baugenehmigung

In der Regel sind Aufdachanlagen unter Einhaltung der Baunormen, des Baurechts sowie den Vorgaben der Gemeinden und wenn es sich nicht um ein denkmalgeschütztes Gebäude handelt, genehmigungsfrei. Bei Mehrfamilienhäusern, öffentlichen Gebäuden, Großanlagen und großen Hallen kann es zu einer Genehmigungspflicht kommen.

Je nach Bundesland sind die Bestimmungen unterschiedlich. Die Nachfrage bei der Gemeinde oder dem zuständigen Bauamt bringt dir Sicherheit.

Anmeldungen

Den Netzanschluss muss vor der Montage beim Stromanbieter beantragt werden. Hinzu kommt der Abschluss der Netzverträglichkeitsprüfung sowie die Anmeldung der Anlage bei der Bundesnetzagentur (BNetzA). Das Protokoll über die Inbetriebnahme wird, zusammen mit der Bescheinigung für die Anmeldung der BNetzA, an den Netzbetreiber übermittelt. Der Netzbetreiber zahlt eine allfällige Einspeisevergütung, sobald er im Besitz der notwendigen Unterlagen ist.

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Kosten für eine Photovoltaikanlage

Die Preise für PV-Anlagen sind in den letzten 10 Jahren um mehr als 50 Prozent gesunken. Es wird davon ausgegangen, dass die Modulpreise weiter sinken. Mit ungefähr einem Prozent der Investitionskosten sind die Betriebskosten sehr tief und gilt auch für die Finanzierung, weil das Zinsniveau derzeit sehr gering ist.

Je nach Leistungsgröße kosten PV-Anlagen derzeit zwischen 5.000 und 19.000 Euro.Bei den Solarmodulen beträgt der Anteil zirka 50 Prozent und beim Wechselrichter ungefähr 15 bis 20 Prozent. Derzeit kostet ein 5-Kilowatt-Wechselrichter rund 1.000 Euro.

Auf Dachhaken, Klemmen, Kabel und die Unterkonstruktion fallen ungefähr 10 bis 15 Prozent der Gesamtkosten. Der Anteil für Gerüst, Montage und Installation liegt bei 15 bis 20 Prozent.

Mit dem Einbau eines Solarspeichers erhöht sich die Kostenkalkulation um 5.000 bis 10.000 Euro.

Weitere Kosten kommen für den Netzanschluss hinzu sowie der Austausch des Bezugszählers mit einem Zweirichtungszähler bei einer Anlage bis 10 Kilowatt. Ein zusätzlicher Ertragszähler muss bei einer Anlage eingebaut werden, welche über mehr als 10 Kilowatt verfügt.

Ist der Zählerschrank belegt, muss dieser fachgerecht erweitert werden.

Weshalb sich eine Photovoltaikanlage lohnt

Während die Anlagen in der Vergangenheit ausschließlich als Geldanlage installiert wurden, steht heute die Versorgung von Eigenstrom zusammen mit dem Umweltschutz im Vordergrund. Solarstrom kostet halb so viel wie der Strom der Energieversorger.

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Vorteile der PV-Anlage:

Mit deiner eigenen Photovoltaikanlage bist du unabhängig von Energieversorgern und den schwankenden, immer teureren Strompreisen. Je weniger Strombezug du aus dem öffentlichen Netz nutzt, desto geringer wird deine Stromrechnung.

Des weiteren beziehst du sauberen Strom und leistest so deinen Beitrag zur Energiewende.

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Wirtschaftlichkeit

Für eine grobe Einschätzung bedarf es dem Wissen über die Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten sowie allfällige Finanzierungskosten, den Zinssatz und die Inflationsrate, die Eigenverbrauchs- sowie Einspeisemenge und die Energiepreissteigerungsrate. Der Trend bezüglich der Strompreise stellt einen Unsicherheitsfaktor dar. Grundsätzlich erweist sich die Investition als wirtschaftlich, wenn die Anlage über 20 Jahre mehr Einnahmen generiert als Kosten verursacht hat.

Fazit und Zukunft

Der Solarstrom wird durch den Ausstieg aus der fossil-nuklearen Stromversorgung eine zentrale Rolle einnehmen. PV-Anlagen bieten bereits heute eine attraktive Lösung mit selbst erzeugter und zuverlässiger Energie. Wichtig anzumerken ist aber auch, dass du durch den erzeugten Strom zwar keine Rendite mehr einfahren kannst, aber deinen Stromverbrauch durch die erzeugte saubere Energie abdecken kannst. Bereits heutzutage wird kontinuierlich an neuen Materialien und Weiterentwicklung von Photovoltaikanlagen geforscht: Von organischen Solarzellen bis hin zu Zellen, die Photosynthese imitieren - wir können gespannt sein, was uns noch erwarten wird!

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Giuliano Fuchs
Dein Energiewende Guide

Erst mal ein bisschen was zu mir: Ich bin 37 Jahre alt, komme aus Hessen und lebe im Frankfurter Umland genauer gesagt im wunderschönen Taunus. Als einer der Experten Guides auf net4energy schreibe und veröffentliche ich Blogbeiträge rund um ein Thema, dass mir persönlich besonders am Herzen liegt - das Erzeugen von erneuerbaren Energien. Ich bin davon überzeugt das, die Nutzung von nachhaltigen Energiequellen, wie z.b. Photovoltaik und Solarthermie ein integraler Bestandteil der nationalen und vor allem persönlichen Energiewende ist. Um immer up to date zu bleiben und andere auch über net4energy hinaus zu unterstützen, bin ich aktiv in unterschiedlichen User Gruppen und Foren die sich z.b. mit neuen Technologien wie Stromspeichern und Solaranlagen im Allgemeinen beschäftigen.

Schau dir gerne alle meine Beiträge zum Energie erzeugen in unserem Magazin an.