Photovoltaik: Solarstrom nutzen

Haus mit Solardach

Der größte Teil des Stroms stammt in Deutschland nach wie vor aus zentralen Großkraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen wie Kohle, Öl oder Erdgas betrieben werden, zum Teil ihre Kraft aber auch aus natürlichen Ressourcen wie Stauseen schöpfen. Immer mehr an Bedeutung gewinnen jedoch dezentrale Anlagen, die nahe am Nutzer Strom produzieren. In privater Hand geht es dabei meist um Photovoltaik-Anlagen, die mit Hilfe von Solarzellen Strom aus Sonnenlicht gewinnen und ihn ins Hausnetz speisen, wo er direkt verbraucht oder weiter ins öffentliche Netz geleitet wird. Lesen Sie hier, wie das funktioniert und wie Sie selbst Solarstrom nutzen können.

Aufbau einer Photovoltaik-Anlage

Der auffälligste Teil einer Solarstrom-Anlage sind die zu Paneelen zusammengefassten Solarzellen. Sie werden meist auf Schrägdächern angebracht, aber auch auf Flachdächern mit einem Gestell montiert, das sie zur Sonne ausrichtet.

Da Solarzellen Gleichspannung erzeugen, speisen sie die Energie zunächst in einen Wechselrichter ein, der sie in die haushaltsübliche Wechselspannung wandelt. Zur Betriebs- und Steuerelektronik zählen zudem Vorrichtungen zur Spannungsstabilisierung sowie in vielen Fällen eine Vorrichtung, die die Abschaltung der Anlage auch von leicht erreichbaren Stellen im Haus ermöglicht.

Schließlich fließt der Strom zur Hausverteilung, von wo aus er ins Hausnetz gelangt. Je nach Auslegung der Anlage wird außerdem ein Einspeisezähler eingebaut, der den ins öffentliche Netz fließenden Anteil des Solarstroms zählt, damit er vergütet werden kann.

Modulmontage auf dem Schrägdach
In den meisten Fällen werden Photovoltaik-Module auf Dachschrägen montiert, die günstig zur Sonne ausgerichtet sind.
Modulmontage auf dem Flachdach
Die Montage auf Flachdächern ist aber ebenso möglich. Dazu werden die Module mit speziellen Halterungen montiert.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen bestehen in der Regel größtenteils aus Silizium. Ein Teil des Siliziums wird gezielt verunreinigt, man nennt dies „dotiert“. Durch die Dotierung entstehen entweder Elektronenlücken oder überschüssige Elektronen. Scheint die Sonne auf die Solarzelle, beginnen am Übergang zwischen den unterschiedlich dotierten Materialien Elektronen zu wandern und man kann dem System Strom entnehmen.

Roh-Silizium
Rohes Silizium – nach Sauerstoff ist es das zweithäufigste Element auf der Erde. Silizium für Solarzellen wird auch aus Recycling-Material gewonnen.
Silizium-Wafer
Das Silizium kristallisiert während der Produktion zu langen Strängen, von denen Scheiben (sogenannte Wafer) geschnitten werden. Links polykristallines, rechts monokristallines Silizium.

Schaltet man eine Reihe von Solarzellen zu einem Photovoltaik-Modul zusammen, erhöht man damit die Gesamtspannung auf einen sinnvoll nutzbaren Wert.

Solarzellen
Die Wafer werden mit einem meist blauen Schutzlack überzogen und verdrahtet. So entstehen einzelne Solarzellen.
Solarmodule
Mehrere Solarzellen bilden zusammengefasst ein Modul, das mit einem Rahmen eingefasst und mit Anschlüssen versehen ist.

Welche Solarzellen gibt es?

Auf Hausdächern werden meist sogenannte Dickschichtzellen verwendet. Davon gibt es zwei Typen: Polykristalline Zellen sind aus einer Reihe von Siliziumkristallen zusammengesetzt. Sie sind relativ preiswert und erreichen bei guter Versorgung mit Sonnenlicht eine vorzeigbare Energie-Ausbeute.

In etwas ungünstigeren Lagen kann man monokristalline Zellen verwenden, die aus großen einzelnen Kristallen bestehen. Sie erreichen einen höheren Wirkungsgrad, sind aber auch teurer.

Steht mehr Platz für die Solarmodule zur Verfügung, etwa eine passend ausgerichtete Fassade, dann kann man auch Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium verwenden. Hier liegt das Silizium in weitgehend ungeordneter Struktur vor. Da diese Dünnschichtzellen zwar günstig sind, aber auch einen recht niedrigen Wirkungsgrad aufweisen, kann man sie tatsächlich nur auf großen Flächen sinnvoll verwenden.

Solarmodule mit polykristallinen Zellen
Die meistverwendeten Module für die Montage auf Schrägdächer besitzen polykristalline Zellen.
Fassade mit Solarmodulen
Stehen große Flächen zur Verfügung, hier etwa eine komplette Fassade, kann man auch Dünnschichtzellen aus amorphem Slizium verwenden.

Leistung von Photovoltaikanlagen

Integrierte Solarmodule
Größe, Ausrichtung, Aufstellwinkel, Einbausituation und Sonnenscheindauer bestimmen den tatsächlichen Ertrag mit. Werden wie hier Solarmodule direkt ins Dach integriert, muss man für Belüftung sorgen, damit die Module nicht durch zu starke Erhitzung Leistung einbüßen.

Bei der Planung einer Anlage verwendet man für die erwartbare Leistung die Einheit kWp. Das bedeutet „Kilowatt Peak“ und steht für die bei voller Sonneneinstrahlung maximal erreichbare Leistung, den Spitzenwert. Viele Hersteller bezeichnen diesen Wert als „Nennwert“, da er die verschiedenen Anlagen vergleichbar macht.

Beeinflusst wird die tatsächlich erreichte Leistung in der Praxis von einigen weiteren Faktoren. Dazu zählt zum einen die Ausrichtung der Zellen – im Idealfall zeigen sie in einem Winkel von etwa 30 Grad aufgerichtet nach Süden bis Südsüdwest und werden im Tagesverlauf weder von nachbargebäuden noch von Bäumen beschattet.

Ein weiterer Faktor ist die tatsächliche Sonneneinstrahlung, die sich für den jeweiligen Standort anhand der mittleren Zahl der Sonnenstunden pro Jahr abschätzen lässt.

Und schließlich zählt auch die Einbausituation zu den Faktoren: Fest in die Dachhaut eingebaute Module werden zum Beispiel stärker erhitzt als mit Abstand zum Dach montierte Exemplare, und mit steigender Eigentemperatur lässt der Wirkungsgrad der Zellen nach.

Arten von Photovoltaikanlagen

Insel-Anlagen

Carport mit Solaranlage
Photovoltaik-Anlagen ohne Verbindung zum Netz können ganz unterschiedlichen Zwecken dienen. Denkbar ist auch die Verwendung als Solartankstelle fürs Elektroauto.

Bei der einfachsten Form einer Solaranlage wird ein einzelnes Paneel montiert, das örtliche Verbraucher mit Strom versorgt. Das kann beispielsweise auf einer Garage oder einem Carport der Fall sein, aber auch bei Nebengebäuden im Garten. Von diesem Modul wird beispielsweise die Beleuchtung oder im Garten ein Wasserspiel gespeist, für die Nacht oder sonnenarme Perioden wird der Strom in einem Akku zwischengespeichert.

Neue Perspektiven eröffnen auch Elektroautos. Sie lassen sich an einer ausreichend dimensionierten Inselanlage auftanken. Zugleich bieten sie durch ihre großen Akku-Sätze die Möglichkeit, Strom zu speichern.

Netzgekoppelte Anlagen

Hier handelt es sich um die häufigste, zu Beginn geschilderte Form der Solaranlage, bei der die Photovoltaikmodule über einen Wechselrichter mit dem Hausnetz und gegebenenfalls dem öffentlichen Netz verbunden wird.

Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik

Zu Beginn der Solarstrom-Ära war klar, wie private Betreiber einer Photovoltaik-Anlage auf ihre Kosten kamen: Der erzeugte Strom wurde ausschließlich ins öffentliche Netz gespeist und musste von den Versorgern zu einem gesetzlich für 20 Jahre garantierten Preis abgenommen werden. Mit dieser garantierten Einspeisevergütung konnte die Anlage abbezahlt werden. Zeitweise wurde sogar der Eigenverbrauch aus Fördermitteln vergütet.

Inzwischen ist die Vergütung deutlich geschmolzen und die Eigenverbrauchsvergütung gibt es schon lange nicht mehr; zugleich aber sind Solarmodule merklich preiswerter geworden und der von den Versorgern bezogene Strom deutlich teurer. In der Folge ist selbst erzeugter Strom billiger geworden als der vom Versorger und die Einspeisung lohnt sich nicht mehr in dem Maß wie früher. Deshalb erreicht man heute den wirtschaftlichen Betrieb der Anlage regelmäßig dadurch, dass man den selbst erzeugten Strom zu einem möglichst hohen Anteil auch selbst verbraucht und nur die Restmenge ins Netz speist.

Um die Zeiten des höchsten Ertrags der Photovoltaik mit dem höchsten Verbrauch zu synchronisieren, gibt es verschiedene Strategien. So ist es zum Beispiel möglich, stromhungrige Verbraucher wie Waschmaschinen oder Geschirrspüler dann zu starten, wenn die Sonne intensiv scheint. Das lässt sich beispielsweise mit einer Steuerelektronik erreichen, die per Sensor die Sonnenstrahlung erfasst und dann die entsprechenden Geräte schaltet.

Eine gute Möglichkeit besteht auch darin, beispielsweise den Betriebsstrom einer Wärmepumpenheizung mit Photovoltaik zu decken. Wenn die Heizung über einen großen Pufferspeicher verfügt, kann man ihn in sonnenreichen Zeiten aufheizen und hat dann einen Warmwasservorrat zum Heizen oder Duschen zur Verfügung.

Strom speichern

Solar-Stromspeicher
Akkus mit Lithium-Ionen-Technik können sehr kompakt gebaut werden und nehmen deutlich weniger Platz weg als Bleiakkus.

Auch wenn die Hausautomation, also das, was man heute als „Smart Home“ bezeichnet, viele Möglichkeiten bietet, den Verbrauch in ertragreiche Zeiten zu verlagern, führt in vielen Fällen doch kein Weg daran vorbei, zumindest einen Teil des mit Photovoltaik erzeugten Stroms zu speichern.

Das ist mit unterschiedlichen Lösungen möglich. Wer viel Platz hat, kann traditionelle Blei-Akkus als Speicher verwenden, die technisch mit Autobatterien verwandt sind. Ihre Energiedichte ist nicht berauschend, aber sie sind vergleichsweise günstig zu haben. Teurer, aber weniger raumgreifend sind Speicherlösungen mit Lithium-Ionen-Zellen.

Photovoltaik-Anlage langfristig absichern

Nach wie vor sind Solarstrom-Anlagen teuer. Sie rentieren sich deshalb nur dann, wenn sie über mehrere Jahrzehnte Strom liefern. Während dieser Zeit muss die Anlage also möglichst störungsfrei laufen.

Um das sicherzustellen, sind zum einen Haltbarkeits- und Funktionsgarantien des Herstellers und des Errichters der Anlage wichtig. Man kann zwar nie voraussehen, ob ein Hersteller auch in zwanzig Jahren noch besteht, dennoch ist eine langjährige Garantie besser als keine.

Sinnvoll ist außerdem eine Versicherung der Photovoltaik-Anlage, die beispielsweise bei Naturereignissen wie Blitzeinschlägen zahlt. Achten Sie darauf, dass die Versicherung nicht nur die beschädigte Technik ersetzt, sondern auch für den ausgefallenen Ertrag währen der Reparatur einsteht.

Übrigens: Auch wenn die Anlage sich wirtschaftlich erst nach langer Zeit rentiert, für die Umwelt ist sie sehr bald ein Gewinn: In der Regel hat sie schon nach wenigen Jahren so viel Energie produziert, wie für ihre Herstellung und den Einbau aufgewendet wurden. Danach spart sie ständig weiter fossile Brennstoffe und vermeidet CO2.

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Manuela , d. 25-08-15 15:15:

Sehr schöner Übersichtsartikel über die Solartechnik. Ich würde mir zu gerne eine Photovoltaik Anlage auf dem Dach bauen, doch ist meine Dachausrichtung alles andere als ideal. Vielleicht eines Tages, wenn die Effizienz der Photovoltaik-Module noch besser wird, und die Kosten weiter sinken. Ich denke, dies ist sicherlich die Energiequelle der Zukunft.

OTAenergy , d. 15-03-15 09:23:

Inzwischen gibt es auch Netzgekoppelte Systeme mit Batteriespeicher. Der überflüssige Strom wird hier in Batterien gespeichert und bei Bedarf wieder in die Hausstromanlage abgegeben. Der große Vorteil ist, dass der Eigenstromnutzen somit ansteigt. Leider sind Batteriespeicher noch immer sehr teuer, wodurch sich solch eine Photovoltaikanlage derzeit schwer armortisiert.

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