Was ist „Photovoltaik“?
Der Begriff „Photovoltaik“ ist zurückzuführen auf den Begriff „Phos“ (griechisch: Licht) und die Maßeinheit „Volt“ (elektrische Spannung). Folglich steht „Photovoltaik“ für die Umwandlung von Sonne mittels Solarmodulen in elektrische Energie.
Die Geschichte der Photovoltaik
Bereits 1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel den „Photovoltaischen Effekt“ und damit die Grundlage der Photovoltaik. Zur praktischen Anwendung kam es jedoch erst Generationen später. Nach der Entwicklung der Solarzelle wurde die Photovoltaik die wichtigste Energiequelle der Weltraum- und Satellitentechnik.
Der Erfolg in der Raumfahrt legte den Grundstein für die zunehmende Forschung und Nutzung der Photovoltaik zur zivilen Stromerzeugung. In Deutschland nahm die Verbreitung der Photovoltaik seit dem Inkrafttreten des „Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG)“ am 01.04.2000 stark zu. Dem EEG zufolge sind die Energieversorgungs-Unternehmen verpflichtet, PV-Strom abzunehmen und mit festgelegten Einspeisevergütungen 20 Jahre lang zuzüglich der restlichen Monate des Jahres der Inbetriebnahme zu bezahlen. Der Europäische Gerichtshof hat das deutsche EEG im Frühjahr 2001 bestätigt. Viele europäische Länder folgten dem deutschen Beispiel.
Schon in den 90er-Jahren gab es Förderprogramme und bis Mitte 2003 wurde das EEG unterstützt durch das „100.000-Dächer-Programm“ mit günstigen Finanzierungen der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Innerhalb von etwas mehr als 3 Jahren wurden etwa 65.000 PV-Anlagen in Deutschland mit einer Leistung von 350 Megawatt installiert. Ab Ende 2003 galten neue, weit höhere Einspeisevergütungen, die zu einer explosionsartigen Entwicklung des PV-Marktes führten.
Das Funktionsprinzip und der „Photovoltaische Effekt“
Eine Solarzelle besteht aus verschiedenen Halbleiterbauelementen, welche das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Es existieren drei Silizium-Schichten: Die beiden äußeren sind positiv und negativ geladen und die innere Schicht ist neutral. In dieser inneren Schicht („Grenzschicht“) findet die Umwandlung der Sonnenstrahlen in elektrische Energie statt.
Wenn Licht auf die Grenzschicht der beiden Halbleiter trifft, befreit die Energie des Lichts die negativen Ladungsträger (Elektronen) im Material. Aufgrund gezielter Verunreinigungen der beiden äußeren Silizium-Schichten mit Fremdatomen (Bor und Phosphor) bewegen sich die Elektronen zu einer bestimmten Seite der Solarzelle. Die positiv geladenen Ladungsträger (Protonen) hingegen bewegen sich auf die andere Seite der Zelle. Zwischen diesen beiden Plus- und Minuspolen entsteht elektrische Spannung, sodass bei Anschluss eines Verbrauchers Strom fließen kann. Dieser Vorgang wird als „Photovoltaischer Effekt“ bezeichnet.
Die Herstellung und Arten von Photovoltaik-Modulen
Ausgangsmaterial der Photovoltaik-Zellen ist hochreines Silizium, das in dieser Form in der Natur nicht vorkommt und nur in Verbindung mit anderen Elementen existiert. Das Reinigen des Siliziums ist daher der teuerste Vorgang in der Produktion von PV-Zellen. Nach der Reinigung werden die hochreinen Siliziumstäbe in flache Scheiben gesägt und anschließend geglättet.
Danach folgt das „Dotieren“. Bei diesem Prozess verunreinigen Fremdatome die Siliziumscheiben. Nach diesem Vorgang haben die Siliziumscheiben Halbleitereigenschaften. Daraufhin wird eine „Antireflektions-Schicht“ aufgetragen, damit die UV-Strahlen möglichst lange in der Siliziumschicht verharren. Abschließend werden Silberfäden im Siebdruckverfahren aufgebracht.
Schließlich werden die Solarzellen zu Solarmodulen zusammengeschaltet, in eine Folie eingebettet, zum Schutz vor Wind und Wetter mit einer Glasplatte abgedeckt und mit einem steifen Aluminiumrahmen versehen. Auch die Herstellung von Modulen ohne Rahmen ist möglich (Glas-Glas-Module). Je nach Herstellungsverfahren werden folgende Arten von PV-Zellen unterschieden:
Monokristalline Zellen:
Monokristalline Zellen werden aus einer gereinigten Siliziumschmelze in einem Atom („mono“) gezogen und besitzen einen hohen Wirkungsgrad (bis zu 23%). Charakteristisch ist ihre einheitliche, fast schwarze Färbung. Wegen der aufwendigen Fertigung sind monokristalline Zellen etwas teurer.
Polykristalline Zellen:
Polykristalline Zellen werden in Blöcken gegossen und dann in Scheiben von 0,25 bis 0,4 mm zersägt. Charakteristisch ist die deutlich erkennbare Musterung, welche durch die Zusammensetzung unterschiedlicher Kristalle zustande kommt. Polykristalline Zellen haben einen geringeren Wirkungsgrad als monokristalline Zellen (etwa 20%) und auch der Preis ist etwas niedriger.
Dünnschicht:
Dünnschicht-Module bestehen aus bedampften Glasscheiben („dünne Schicht“). Trotz des geringen Wirkungsgrads (ca. 13 %) sind sie sehr effizient, da sie auch schwaches, diffuses Licht nutzen und Verschattungen vertragen, weil sie einen guten Temperaturkoeffizienten haben. Dünnschicht-Module können als Wirksubstanz z. B. amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid oder Cadmium-Tellurid enthalten.
Die Sonneneinstrahlung, Ausrichtung der Module und der Anschluss an das Stromnetz
Die Sonne liefert uns täglich 15.000-mal mehr Energie, als in 24 Stunden auf der Erde verbraucht wird. In Deutschland beträgt die Leistung der Sonnenstrahlen, welche die Erdoberfläche innerhalb eines Jahres erreichen, durchschnittlich 1.000 kWh pro m2. Das entspricht dem Energiegehalt von jährlich 100 Litern Öl. Photovoltaik funktioniert bei Licht und nicht nur bei Sonnenstrahlung.
Eine PV-Anlage mit 1kW kann je nach Standort in Deutschland etwa 900-1.400 kWh Strom im Jahr produzieren (auf einer Dachfläche von ca. 8 m2). Die maximal-mögliche regionale Einstrahlung lässt sich mit Unterstützung des „Deutschen Wetterdienstes“ durch jahrelange Erhebungen belegen.
Am wirtschaftlichsten ist die Ausrichtung der Module zum Süden bei einem Anstellwinkel von ca. 20°. Es ist aber auch eine Modulstellung in Richtung Westen oder Osten bei einem flacheren Anstellwinkel akzeptabel. Reine West- oder Ostausrichtungen haben je nach Dachneigung bis zu 10-15% weniger Stromertrag zur Folge. Lediglich eine nördliche Ausrichtung bringt keine attraktiven Erträge. Eine Beschattung durch Bäume, Häuser etc. reduziert den Energieertrag.
Alle Module können auf Satteldächern, Flachdächern, einer freien Fläche oder an Fassaden montiert werden. Dazu gibt es unterschiedliche Gestelle und Befestigungen.
Der in den Modulen hergestellte Gleichstrom wird durch Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, selbst verbraucht und / oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist.
Die von der PV-Anlage produzierte Strommenge wird von einem separaten Stromzähler erfasst und mit dem gesetzlich festgelegten Preis pro kWh vom Netzbetreiber bezahlt. Dieser Zähler wird in der Regel als digitaler Zwei-Richtungs-Zähler anstelle des vorhandenen Zählers in den Zählerschrank eingesetzt. Der Anteil des selbst genutzten Stroms kann durch die Nutzung von Speichern erhöht werden.
Die unterschiedlichen PV-Anlagen-Konzepte
Direktversorgung:
Die Solarzellen sind direkt in Elektrogeräte eingebaut und sorgen für deren Stromversorgung. Anwendbar ist die Direktversorgung bei kleineren Verbrauchern (z. B. Taschenrechnern, Parkscheinautomaten) oder in der Mess- und Fernmeldetechnik (z. B. Bojen)
Inselbetrieb:
Ein oder mehrere Geräte werden über die PV-Anlage mit Energie versorgt. Mit der Energie, die dafür aktuell nicht benötigt wird, werden Akkumulatoren aufgeladen. Diese in den Akkus gespeicherte Energie kann dann verwendet werden, wenn die PV-Module nicht aktiv sind (zum Beispiel nachts). Der Inselbetrieb ist sinnvoll anwendbar in Gebieten ohne Elektroverteilernetz, da er vom Stromnetz unabhängig funktioniert.
Netz-Einspeisebetrieb:
Durch eine solche Anlage wird Energie ins öffentliche Netz eingespeist oder unmittelbar selbst verbraucht. Abends und nachts wird der elektrische Strom des öffentlichen Netzes genutzt. Betreiber einer PV-Anlage dieses Typs bekommen für die ins Netz eingespeiste Energie eine Einspeisevergütung vom Energieversorgungsunternehmen, die vom Gesetzgeber garantiert ist. Aufgrund steigender Strompreise ist der Eigenverbrauch des produzierten Stroms besonders lukrativ. Der Netz-Einspeisebetrieb wird angewendet bei Wohngebäuden jeder Art.
Die aktuelle Marktlage in Deutschland
Einer Erhebung des Frauenhofer-Instituts aus dem März 2023 zufolge sind in Deutschland aktuell Photovoltaikanlagen mit einer Nennleistung von 66,5 Gigawatt installiert. Die im Jahr 2022 produzierte Strommenge von 58 Terrawatt-Stunden deckte damit insgesamt 11% des Brutto-Stromverbrauchs in Deutschland ab. An sonnigen Tagen betrug dieser Anteil zweitweise 66%. Insgesamt sind aktuell über 2,5 Mio. Photovoltaikanlagen in Deutschland in Betrieb. Weltweit beträgt die installierte Photovoltaik-Leistung über 1.000 Gigawatt (Ende 2022).
Der Bericht des Frauenhofer-Instituts zur aktuellen Situation der Photovoltaik in Deutschland ist unter folgendem Link abrufbar: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/aktuelle-fakten-zur-photovoltaik-in-deutschland.pdf
Die Planung und Dimensionierung einer PV-Anlage
Vor der Aufstellung einer Photovoltaik-Anlage sollten zumindest einige der folgenden Voraussetzungen überprüft werden:
- Der Standort der Anlage (abhängig von dem Breitengrad),
- die Himmelsrichtung,
- die möglichen Verschattungen,
- die Sonneneinstrahlung und der Einstrahlungswinkel,
- die durchschnittliche Umgebungstemperatur,
- die Art des Dachs (Flach- oder Satteldach),
- die zur Verfügung stehende Aufstellfläche,
- der Flächenbedarf der Module auf einem Satteldach (ca. 7-8 m2 pro 1kW),
- das mögliche Finanzierungsmodell (Fremd- oder Eigenkapital) und die erwartete Rendite,
- die Wirtschaftlichkeitsberechnung,
- der Modul-Typ,
- die Produktqualitäten,
- die In-Dach- oder Auf-Dach-Montage,
- der Strombedarf und der Strompreis,
- die Installation eines Batteriespeichers,
- der Standort des Wechselrichters,
- die verschiedenen Kabellängen,
- die Allgefahren-Solarversicherung und die Verlängerung von Wechselrichter-Garantien und
- die Montagefirma.
Auf jeden Fall müssen die Berechnungen von einem Fachmann erstellt werden.