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Photovoltaik − Teil 1

August 2012 "RWE lässt die Atomkraft hinter sich", so hieß die Überschrift auf der Wirtschaftsseite des Kölner Stadt-Anzeiger am 19. Juni 2012. "RWE habe generell vor, nicht mehr in neue Kernkraftwerke zu investieren", so der neue niederländische Konzernchef Peter Terium, der die RWE seit Juli 2012 übernommen hat. Für den Konzern gehört ab sofort das deutsche Atomgeschäft zum Auslaufmodell. Auch im Ausland will RWE künftig auf neue Atommeiler verzichten. Man will sich dafür "intensiver mit Photovoltaik befassen". Ein Grund mehr, die Technik der Photovoltaik näher zu beleuchten.




Mit einer Photovoltaikanlage können Eigenheimbesitzer auf dem eigenen Hausdach Strom erzeugen. Die Beweggründe, sich für Photovoltaik zu entscheiden, sind heute in der Regel finanzielle Überlegungen. Über die Einspeisevergütung erhält der Betreiber einer Photovoltaikanlage Geld vom Staat für jede erzeugte Kilowattstunde Strom. Diese Zahlung ist fest für einen Zeitraum von 20 Jahren garantiert und ermöglicht die Refinanzierung der Photovoltaikanlage sowie darüber hinausgehende Einnahmen.

Bei Interesse an einer Photovoltaikanlage sollten Eigenheimbesitzer zunächst prüfen, ob das Hausdach für die Installation von Photovoltaik geeignet ist. Dies betrifft vorrangig die Dachstatik, die Ausrichtung zur Sonne, den Schattenwurf umliegender Gebäude sowie eine eventuelle Belastung durch Asbest.

Zentrale technische Komponenten einer Photovoltaikanlage sind Solarmodule, der Wechselrichter, Solarkabel sowie das Photovoltaik Montagesystem. Photovoltaik kann entweder "Indach" (anstelle der Dachziegel) oder "Aufdach" (auf den Dachziegeln) montiert werden.

Aufdach-Monatge
© Böker
Aufdach-Monatge
Aufdach-Montage
© Böker
Aufdach-Montage

Größe und Preise einer Photovoltaikanlage beziehen sich in der Regel auf die Größe Kilowattpeak (kWp). Fünf Solarmodule bilden in der Regel ein Kilowattpeak und nehmen eine Größe von etwa 8 m² Dachfläche ein (Schrägdachmontage). Die Preise für Photovoltaik liegen 2012 bei rund 2.000 bis 2.500 Euro pro kWp.

Kostenentwicklung der Photovoltaik
© Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien
Kostenentwicklung der Photovoltaik

nach obenBasiswissen: Photovoltaik

Aus Sonneneinstrahlung Strom gewinnen, das ist das Prinzip von Photovoltaik. Wegbereiter der Photovoltaik in Deutschland ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz. In ihm ist unter anderem festgeschrieben, dass der erzeugte Strom einer Anlage fest für 20 Jahre vergütet wird.

Grundsätzlich wird zwischen direkter und indirekter Sonneneinstrahlung unterschieden. Direkte Sonneneinstrahlung trifft unmittelbar auf die Photovoltaikanlage und ist am stärksten. Verdecken Wolken die Sonne oder wird das Licht reflektiert spricht man von indirekter oder diffuser Sonneneinstrahlung. Ihre Kraft ist nicht vergleichbar mit direkter Sonne, trägt beim Betreiben einer Photovoltaikanlage jedoch ihren Teil zum Ertrag bei.

Um die Sonneneinstrahlung zu messen, ist der Winkel zwischen Sonnenstrahl und Solarmodul wichtig, der so genannte Einstrahlwinkel. Dieser ändert sich auch je nach Tages- und Jahreszeit und kann durch die Dachneigung beeinflusst werden.

Die Sonneneinstrahlung beträgt in Deutschland jährlich etwa 1.000 Kilowattstunden pro Quadratmeter (kWh/m²). Im Sommer ist die Einstrahlung dabei um das fünffache höher als im Winter. Die Höhe der Sonneneinstrahlung ist abhängig von der Bewölkung, der Tageslänge und der Höhenlage über dem Meeresspiegel. Außerdem beeinflusst der Sonnenstand, die Intensität der Sonne und damit die Leistung der Photovoltaikanlage.

Die Anzahl der Sonnenstunden in Deutschland beträgt jährlich rund 1.300 bis 1.900 Stunden. Zum Vergleich: ein Jahr hat 8.760 Stunden. Die höchsten Werte erreicht dabei Süddeutschland, darauf folgen Nord- und Mitteldeutschland. Als Sonnenstunden bezeichnet man dabei die jährliche Anzahl der Stunden, in denen die Sonne direkt auf die Erdoberfläche trifft, ohne von Wolken verdeckt zu werden. Die genauen Werte für Ihre Region, auch in Bezug auf die Sonneneinstrahlung, finden Sie auf den Internetseiten des Deutschen Wetterdienstes (www.dwd.de).

nach obenSolarzellen nutzen den Photoeffekt

In der Photovoltaik wird elektrische Energie durch Solarmodule gewonnen. Diese bestehen in den meisten Fällen aus Silizium, einem Halbleitermaterial. Halbleiter werden elektrisch leitfähig, wenn ihnen Licht oder Wärme zugeführt wird. Für eine Solarzelle werden zwei Halbleiterschichten gebildet, die jeweils einen positiven und einen negativen Ladungsträgerüberschuss besitzen. Dies wird "dotieren" genannt.

Am Übergang zwischen beiden Schichten entsteht ein elektrisches Feld, das dann unter Lichteinfall die durch den Photoeffekt freigesetzten Teilchen der Ladung nach trennt. Metallkontakte greifen die dadurch entstehende elektrische Spannung ab. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, schließt sich der äußere Kreis und es fließt Gleichstrom. Für die Nutzung im Haushalt wandelt ein Wechselrichter den Gleichstrom in Wechselstrom um, da die meisten Haushaltsgeräte mit Wechselstrom betrieben werden.

Photovoltaik
© Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien
Photovoltaik

nach obenEnergiebilanz

Unter Energiebilanz versteht man den Vergleich zwischen dem Energieverbrauch und der Energieerzeugung einer Photovoltaikanlage. Der Zeitpunkt, ab dem mehr Energie erzeugt wird, als für die Produktion einst verbraucht wurde, wird als energetische Amortisation von Photovoltaik bezeichnet. Der Wert schwankt momentan zwischen 2,5 und 6 Jahren und verbessert sich ständig, da immer effektivere Herstellungsmethoden entwickelt werden. Angesichts einer Lebensdauer von 25 Jahren, die Hersteller größtenteils garantieren, ist die Energiebilanz der Photovoltaik-Anlagen mittlerweile überaus positiv.

nach obenWirkungsgrad & Umweltbilanz

Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage drückt aus, wie viel Prozent der Sonnenenergie über den Photoeffekt in elektrischen Strom umgewandelt wird. Der höchste Wirkungsgrad von Photovoltaik-Modulen liegt momentan bei 20 Prozent. Durch Fortschritte in der Forschung verbessert sich der Wirkungsgrad und damit auch die Energiebilanz kontinuierlich.

An sehr warmen und sonnigen Sommertagen reduziert sich jedoch die Leistung einer Photovoltaikanlage um etwa 10 Prozent. Ursache ist, dass sich die Solarzellen zu stark aufheizen und nicht mehr optimal arbeiten. Der so genannte "Temperaturkoeffizient" gibt an, um wie viel Prozent sich die Leistung pro Grad Celsius verringert. Dieser Wert hängt stark davon ab, welche Solarmodule verwendet werden und liegt durchschnittlich zwischen -0,45 Prozent pro Grad Celsius bei kristallinen Photovoltaikmodulen und -0,2 Prozent bei Dünnschichtmodulen.

Durch eine einfache Maßnahme lässt sich die Temperatur der Solarzellen jedoch senken und der Wirkungsgrad steigern: Wird bei der Installation ausreichend Abstand zwischen den Photovoltaikmodulen und der Dachfläche gelassen, ist der Ertrag von Photovoltaik optimal.

nach obenPhotovoltaik mindert CO2-Emissionen

Durch den Photoeffekt wird Solarstrahlung aus der Umwelt in Strom umgewandelt, der im Haushalt genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Im Gegensatz zu anderen Möglichkeiten der Stromerzeugung, wie zum Beispiel aus Kohle und Gas, entstehen bei der Photovoltaik keine belastenden CO2-Emissionen.

Der Ausstoß von Treibhausgasen und anderen Luftschadstoffen in die Umwelt wird durch den Einsatz der Photovoltaik gemindert. Durch erneuerbare Energien konnten 2009 insgesamt 108 Millionen Tonnen CO2 eingespart werden – allein in der Photovoltaik waren es über 3 Millionen Tonnen. Erneuerbare Energien mit guter Umweltbilanz stellen in Deutschland 16,1 Prozent der Energie für die Stromerzeugung; 6,6 Prozent davon steuert die Photovoltaik bei.

Die energetische Amortisationszeit liegt demnach aktuell zwischen 3 bis 6 Jahren, abhängig von den verwendeten Solarmodulen. Dünnschichtmodule und polykristalline Module amortisieren sich am schnellsten, während monokristalline Module die längste energetische Amortisationszeit aufweisen. Ein weiterer Aspekt der positiven Umweltbilanz von Photovoltaik-Anlagen ist, dass sich die Module – vor allem die poly- und monokristallinen Systeme – recht einfach recyclen lassen.

Basiswissen Energie

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Eternit Solesia Kapstadt ist als dachflächenintegriertes Photovoltaiksystem auf die Dacheindeckung mit dem Eternit Dachstein Kapstadt abgestimmt. Kaum sichtbar fügen sich die flachen und rahmenlosen Solarmodule in die Struktur der Dachfläche ein.
Dachflächenintegriertes Photovoltaiksystem
Flexibles organisches Solarmodul auf Kunststofffolie, hergestellt am KIT.
Zukunftstechnologie: Sonnenstrom aus Kunststofffolien
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Alternative Energien, Aufdach-Montage, CO2, Dachfläche, Photovoltaik, Solar, Solarkollektoren, Solarmodul, Solarstrom, Solarzelle, Sonneneinstrahlung, Stromvergütung

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