Photovoltaik

Seit Jahrzehnten ist der Begriff Photovoltaik im Rahmen einer umweltfreundlichen Stromerzeugung in aller Munde. Denn die Nutzung von Solarenergie – also Sonnenlicht – wurde insbesondere seit den 1990er Jahren in Deutschland im Zuge der Fokussierung auf erneuerbare Energiequellen Jahr für Jahr immer weiter ausgebaut. Dadurch gehören die meistens auf den Hausdächern von Ein- und Mehrfamilienhäusern befestigten großen Photovoltaikanlagen heute zum gewohnten Stadtbild.

Doch was steht eigentlich hinter dem Begriff Photovoltaik und wie funktioniert eine Photovoltaikanlage genau? Wie kann man Photovoltaik in ein Einfamilien- oder Mehrfamilienhaus integrieren? Neben vielen Vorteilen die sich durch die Nutzung von Photovoltaik ergeben bietet sich auch interessante Förderungen von Solaranlagen durch den Staat.

Was ist Photovoltaik

SolarenergieMit dem Begriff Photovoltaik wird die Technologie verstanden, welche beispielsweise bei Solarstromanlagen eingesetzt wird. Mit Hilfe der Photovoltaik wird das natürliche Licht der Sonne in nutzbare Energien umgewandelt. Die Photovoltaik erlebte ihre Geburt in den frühen 50er Jahren, als die Pioniere der Weltraumerforschung nach Möglichkeiten zur Versorgung ihrer Flugkörper und Satelliten mit Energie fahndeten. Erste brauchbare Photovoltaikzellen standen zum Ende der 50er Jahre zur Verfügung. Die Anfrage der Raumfahrt beflügelte die Weiterentwicklung dieser vielversprechenden Technologie. In den Folgejahrzehnten wurde dank intensiver Forschungsarbeiten an einer kontinuierlichen Verbesserung der Effizienz dieser Photovoltaikzellen (Solarzellen) gearbeitet. Damit einher gingen auch permanent zunehmende Fertigungskapazitäten. Der sinkende Fertigungspreis der stromgewinnenden Elemente und Baukomponenten für Photovoltaik-Systeme, brachte die Technologie auch in bezahlbare Bereiche. Notwendige Investitionskosten senkten sich immer drastischer für die erforderlichen Aufwendungen je produzierter Kilowattstunde an elektrischer Energie.

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Damit das Sonnenlicht gewonnen und in Strom umgewandelt werden kann, ist eine Photovoltaikanlage notwendig. Diese wiederum besteht aus Solarmodulen, die sich aus einzelnen Solarzellen zusammensetzen. Eine Solarzelle – auch photovoltaische Zelle genannt – ist ein Bauelement, das Sonnenlicht mit dem sogenannten photoelektrischen Effekt in elektrische Energie umwandelt. Es gibt verschiedene Typen von Solarzellen, die sich durch unterschiedliche Wirkungsgrade auszeichnen. Grundsätzlich bestehen Solarzellen aus Halbleitermaterialien wie Silizium. Durch verschiedene Schichten wird in der Zelle ein elektrisches Feld erzeugt. Wenn nun Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, bewegen sich freie Elektronen im elektrischen Feld: Der Strom fließt! Da pro Solarzelle nur wenig Strom produziert wird, werden viele davon zu Modulen zusammengefasst. Damit der Solarstrom im Haushalt sowie öffentlichen Stromnetz nutzbar ist, muss der Gleichstrom zunächst in Wechselstrom umgewandelt werden.

Vorteile einer Photovoltaikanlage

Die Photovoltaik vereint verschiedene Vorteile. Zunächst nutzt eine Photovoltaikanlage die Sonne als Energiequelle, die unerschöpflich ist. Photovoltaik ist deswegen sehr umweltfreundlich und ressourcenschonend – was zu einer maßgeblichen Reduktion von CO2-Emissionen führt, da sie in einer Solaranlage schlichtweg nicht vorhanden sind bzw. dadurch nicht entstehen. Des Weiteren ist Versorgungssicherheit gewährleistet: Bei sonnenarmen Tagen oder bei einem Defekt der Anlage, kann einfach konventionell Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Gleichzeitig wird aber auch Solarstrom vergütet, der in das öffentliche Netz eingespeist wird. Solarstrom verfügt zudem über einen hohen Wirkungsgrad, weil er mit wenig Umwandlungsverlusten genutzt werden kann. Da eine Photovoltaikanlage ohne bewegliche Teile auskommt, ist die Anlage zudem sehr robust und wartungsarm.

Vorteile von Photovoltaik auf einen Blick

  • Effiziente Ausnutzung von Sonnenenergie
  • Hoher Wirkungsgrad
  • Nutzung einer unerschöpflichen Ressource: Sonne
  • Schont dadurch Ressourcen und Umwelt
  • Kein CO2-Ausstoß
  • Erzeugter Strom direkt nutzbar
  • Vergütung der Einspeisung ins Stromnetz
  • Robust und wartungsarm dank einfacher Technik
  • Wertsteigerung des Hauses
  • Staatliche Förderung und geringe Anschaffungskosten dank etablierter Technik

Kombination von BHKW und Photovoltaik

Die Kombination von Photovoltaik und einem Blockheizkraftwerk bzw. einer Brennstoffzelle kann eine interessante Möglichkeit darstellen.
Üblicherweise wird ein Blockheizkraftwerk (BHKW) nach dem Grundwärmebedarf (der Grundlast) des entsprechenden Gebäudes ausgelegt, um die Energiekosten im Rahmen zu halten. Dies hat zur Folge, dass in der Regel weniger Strom erzeugt wird, als im Haushalt benötigt wird – insbesondere im Sommer, da dort der Wärmebedarf geringer ist und in Folge der Kopplung auch weniger Strom produziert wird. Dies bedeutet, dass man auf Strom aus dem öffentlichen Netz zurückgreifen muss – oder stattdessen eben eine Photovoltaikanlage betreiben kann, um sich weitestgehend selbst mit Strom zu versorgen.

Förderungen von Photovoltaikanlagen

Wer plant eine Photovoltaikanlage zu installieren, sollte sich zuerst über die aktuellen Förderungen von Photovoltaik informieren. Eine Photovoltaikanlage wird staatlich durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gefördert. Betreiber erhalten für die Einspeisung von Strom ins öffentliche Stromnetz eine festgelegte Vergütung, die für 20 Jahre garantiert wird. Auch der Eigenverbrauch wird finanziell unterstützt. Zudem gibt es staatliche Programme, die die Anschaffung einer Anlage fördern. Auch die KfW-Förderbank unterstützt die Anschaffung in Form von Darlehen. Zudem gibt es in einzelnen Bundesländern weitere Fördermittel, die die Anschaffung einer Photovoltaikanlage erleichtern.

Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik

Ob eine Photovoltaikanlage wirtschaftlich ist oder nicht, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Dazu gehören unter anderem die Anschaffungskosten sowie die Betriebskosten wie Beiträge für Versicherung, Instandhaltung und Reinigung. Aber auch die Ausrichtung, die Dachneigung, der Standort und die Höhe des Eigenverbrauchs fließen entscheidend in die Berechnung der Wirtschaftlichkeit mit ein. Denn aus diesen Merkmalen setzt sich der Ertrag zusammen, der dann mit dem Eigenverbrauch und den gesparten Kosten durch vermiedenen Netzbezug sowie der Einspeisevergütung durch überschüssigen Strom in das öffentliche Netz kombiniert werden muss. Dementsprechend sollte vor Anschaffung immer eine Wirtschaftlichkeitsprüfung durchgeführt werden.

Eine Verknappung fossiler Brennstoffe auf dem Weltmarkt

Ein zunehmendes Umweltbewusstsein, staatliche Förderungen und zuverlässigere Komponenten aus industrieller Massenfabrikation, machten die Photovoltaikanlagen letztendlich auch für bestimmte Anwendungsbereiche interessant. Erste Photovoltaikanlagen an Privathäusern erzeugten Energie für den Eigenverbrauch oder die Einspeisung in Netze. Bessere Wirkungsgrade der Solarzellen und ein Wegfall der Umweltbelastung bei der Energiegewinnung (kein CO2 Ausstoß), verhalfen dieser regenerativen Energie zu verstärkter Aufmerksamkeit bei den Verbrauchern und Anwendern von Solarstrom.

Blockheizkraftwerk und Photovoiltaik. Energiegewinnung der ZukunftDie Stromgewinnung ist natürlich vom einfallenden Sonnenlicht abhängig, die üblichen Bedarfsprofile der elektrischen Verbraucher in einem Haushalt zeigen aber in der Regel zeitversetzte Phasen des Bedarfs auf. Als Energiepuffer dienen derzeit vorwiegend herkömmliche Typen von Akkumulatoren. Diese können dann beispielsweise die am Tage bei Lichteinfall generierte Energie zu den Phasen des Bedarfs liefern. Diese Zwischenspeicherung vergrößert den Kapitalaufwand bei der Anschaffung. Photovoltaikanlagen sind daher etwas aufwändiger hinsichtlich der Komponentenkonstellation, wenn eine Einspeisung in bestehende Stromnetze nicht vorgesehen ist.

So genannte Photovoltaik-Inselsysteme werden gerne eingesetzt, wenn ein netzferner Standort mit einem überschaubar großen Energiebedarf versorgt werden soll. Diese Inseltechnik findet zum Beispiel auf Bojen der Schifffahrtsstraßen, bei Autobahnschildern, Parkscheinautomaten oder auch in Jagdhütten und Gartenlauben Anwendung. Die photovoltaisch gewonnene Energie solcher Anwendungen, kann bei richtiger Berechnung und Dimensionierung der Anlage für Photovoltaik und geeigneten Akkumulatoren für eine autarke Stromversorgung ausreichen. Inselsysteme haben üblicherweise eine Nennspannung von 12 oder 24 Volt (Gleichstrom).

Die Ladung der Photovoltaik-Zellen

Die einzelnen Photovoltaik-Zellen werden zu Modulen zusammengefügt, die Ladung der Akkus erfolgt immer über einen zwischengeschalteten Laderegler, um Überladungen zu vermeiden. Bei photovoltaischen Anlagen zur Gewinnung von 220 Volt Wechselstrom (Haushaltsspannung), greift man auf zwischengeschaltete Wechselrichter zurück. Diese sind bei den netzgekoppelten Photovoltaik-Systemen (mit Einspeisung) auch ein zwingender Bestandteil der Anlage.

Das Solarstrahlungspotenzial hat ein Gefälle zum Norden hin und steigt in Richtung Süden an. Die täglichen Sonnenscheindauern schwanken in unseren Breitengraden stark mit den Jahreszeiten. Die höchsten Effizienzwerte erreichen Solaranlagen in Deutschland in den Sommermonaten. Neben der Dauer und Intensität, ist auch der Winkel der eintreffenden Strahlung ein wichtiges Merkmal zur Photovoltaik. Dachflächen mit Neigungswinkeln um 30°, gelten bei uns als nahezu ideal. Auch wenn die Energiegewinnung per Solarstrom bei uns relativ saisonabhängig ist, kann der umweltfreundliche Solarstrom einen meßbaren Beitrag zu einer Verringerung der Umweltbelastung beitragen.