Emondo-Wiki

Emondo-Wiki

Alles Wissenswerte zum Thema Photovoltaik und Speicher einfach erklärt.

Was ist Photovoltaik und was sind die Grundsätze der Photovoltaik Technik?

Mit der Bezeichnung Photovoltaik oder Fotovoltaik wird ein technisches Verfahren umschrieben, bei dem Licht-Energie in erster Linie aus Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt wird.

Ebenso wie die Solarthermie nutzt eine Photovoltaikanlage die Sonneneinstrahlung. Im Unterschied zu Solarthermieanlagen produziert allerdings die PV-Anlage direkt Strom, während die Solarthermie lediglich Wärme hervorbringt.

Der Einsatz einer Solarthermieanlage ist daher regelmäßig auf die Wärme- Bereitstellung für die Warmwasser-Erzeugung begrenzt, während Photovoltaikanlagen einen größeren Einsatzbereich haben. Unter anderem wird die Technik der Photovoltaik zur Stromerzeugung auf Dachflächen, in Taschenrechnern, auf dem Wasser, bei Parkscheinautomaten und in vielen weiteren Anwendungen eingesetzt. Auch die aktuellen Entwicklungen im Bereich E-Mobility profitiert vielfach von der Photovoltaiktechnik.

Wegen des breiteren Einsatzbereiches ist Photovoltaik vielfach sinnvoller einzusetzen als die Solarthermie. Allerdings können beide Verfahren zur Nutzung von Sonneneinstrahlung auch sehr effizient miteinander kombiniert werden.

Einige Materialien haben die Fähigkeit, Lichteinstrahlung direkt in Strom umzuwandeln. Man spricht von einem photoelektrischen Effekt. Dieses Prinzip machen sich Photovoltaik-Anlagen zunutze. In modernen Anlagen kommt dabei für die Solarzellen überwiegend als Ausgangsmaterial Silizium zum Einsatz, es existieren allerdings auch Solarzellen auf Basis von Cadmium-Tellurid oder Galliumarsenid. Die Forschung bewegt sich hier hin zur Entwicklung organischer Solarzellen. Auch das Material Perowskit hat sich in ersten Versuchen als sehr vielversprechend gezeigt, weil es sehr günstig ist und in dünneren Schichten verbaut werden kann als die klassischen Siliziumzellen.

Die Einspeisevergütung

Ursprünglich war die sogenannte Einspeisevergütung seit dem Jahr 2000 der Hauptanreiz für private Haushalte sowie Landwirte, eine Photovoltaik-Anlage anzuschaffen. Das Erneuerbaren Energien Gesetz (EEG) sieht vor, dass auch ein privater Haushalt seinen durch eine PV-Anlage erzeugten Strom in das öffentliche Stromnetz einspeisen darf. In welcher Höhe der eingespeiste Strom vergütet wird, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Unter anderem sind die Größe der PV-Anlage und die maximale Leistungsfähigkeit für die Höhe der Einspeisevergütung entscheidend. Wichtig ist in diesem Kontext aber auch, dass der Gesetzgeber die Einspeisevergütung als Instrument sieht, die Einrichtung und Anschaffung neuer PV-Anlagen je nach Strombedarf aus erneuerbaren Energien zu steuern. Die Sätze werden daher der gewünschten Steuerungsrichtung der Höhe nach angepasst. Ist die Einspeisevergütung aber für Ihre Anlage zugesichert, ist der Vergütungssatz je Kilowattstunde auf die nächsten 20 Jahre garantiert.

Hinweis: Als Beginn der 20 Jahre wird immer das Folgejahr der Erstinstallation gesehen.

Entwicklung der Einspeisevergütung seit 2000

Grundsätzlich wird dem Betreiber einer PV-Anlage die Abnahme des erzeugten Stroms zu einem festen Vergütungssatz für 20 Jahre garantiert, jedoch ist dieser Vergütungssatz im EEG in den letzten 10 Jahren durch die Zunahme von privaten und gewerblichen PV-Anlagen um fast 70 % abgesenkt worden.
Es Gilt: Der Vergütungssatz am Tag der Inbetriebnahme ist auf 20 Jahre garantiert.

Gleichzeitig haben sich der Wirkungsgrad und auch die Speichermöglichkeiten für den erzeugten Strom erheblich vergrößert. Gleichwohl sind die Anschaffungskosten um ein vielfaches günstiger als noch zur Einführung der Einspeisevergütung.
Bereits heute ist daher die staatliche Förderung schon nicht mehr der Hauptanreiz für die Einrichtung einer privaten Solaranlage.

Vielmehr ergibt sich das Einsparpotenzial dadurch, dass der selbst erzeugte Strom für eigene Zwecke genutzt wird. Die entsprechenden Anlagen lassen sich auch insoweit ausrichten, dass der Hauptanteil des erzeugten Stroms im eigenen Haushalt verbraucht wird und lediglich Überschüsse (Überschusseinspeisung) zusätzlich ins öffentliche Netz eingespeist werden. Auf diese Weise lassen sich auch bei sinkender Einspeisevergütung erhebliche finanzielle Vorteile erwirtschaften.

Die Gestehungskosten liegen aktuell bei ca. 10-12 ct wohingegen der Strom vom Energieversorger mit rund 29ct teuer bezahlt werden muss. Eigenheimbesitzer ohne Fotovoltaikanlage verlieren daher mit jeder verbrauchten Kilowattstunde ca. 19 ct. Bei einem durchschnittlichen Haushalt mit 3 Personen (3.900 kWh / Jahr) entspricht dies etwa 741,- € pro Jahr.

Einspeisevergütung nach Anlagengröße

Aktuell unterscheidet das EEG für die Berechnung der Einspeisevergütung drei unterschiedliche Größen in Bezug auf die PV-Anlage:

1. Den ersten Bereich bilden Einfamilien-und Zweifamilienhäuser mit einer Leistung bis 10 kWp.
2. Es folgen Anlagen auf sogenannten nicht Wohngebäuden mit einer Leistung bis 100 kWp.
3. Schließlich werden Verwaltungen, Hallen, Schulen und Überdachungen betrachtet, die Leistungen zwischen 10-40 kWP und 40-100 kWp erbringen.

Die einfache Photovoltaik-Anlage – wie ist sie aufgebaut?

Solarmodule

Für eine einfache PV-Anlage zur Nutzung des photoelektrischen Effekt werden Solarzellen auf Siliziumbasis genutzt, die man in Solarmodulen verbindet. In Kombination mit z.B. Phosphor und Bor erzeugen diese unter Sonneneinstrahlung direkte Elektrizität. Den so erzeugten Strom kann man in Akkumulatoren speichern, unmittelbar an Verbrauchern nutzen oder in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Für die direkte Nutzung oder Einspeisung in das Netzt, wird der vorher in Gleichspannung erzeugte Strom von einem Wechselrichter umgewandelt. Insoweit besteht ein klassisches Photovoltaik-System aus den Solarmodulen mit den Solarzellen sowie weiteren Teilen wie Wechselrichtern und Stromleitungen.

Unterkonstruktion

Typischerweise wird die PV-Anlage für Privathaushalte und Gewerbe-Gebäude auf dem Dach montiert. Abhängig von der Art des Daches (Flachdach, Schrägdach, mit Ziegeln eingedecktes Dach, Flachdach mit Kieseinbettung, um die wichtigsten Modelle zu nennen), der Art der gewählten Solarmodule (Gewicht, Rahmen) und der möglichen Belastung durch Umwelteinflüsse wie Schnee, Wasser und Wind, kommen verschiedene Montagesysteme zum Einsatz. Grundsätzlich ist heute die Montage einer PV-Anlage auf fast jedem Dachtyp möglich. Da die Unterkonstruktion und ordnungsgemäße Montage entscheidend für die Lebensdauer einer Solaranlage sind, sollte hier nicht gespart werden.

Flachdach

In der Regel erweisen sich Flachdächer als besonders gut geeignet für die Montage einer Photovoltaik-Anlage. Grundsätzlich können auf einem Flachdach die Solarmodule leichter aufgestellt und ideal ausgerichtet werden. Das Flachdach ermöglicht die individuelle Wahl der Neigung. Vielfach werden auf Flachdächern entsprechende Metallgestelle aus Aluminium montiert, die mit Schrauben oder anderen Verbindungsteilen die Solarmodule sichern. Nachteilig an dieser Montageart ist oft, dass man zur Beschwerung hohe Lasten benötigt und dabei besonders auf Verletzungen der Dämmung und Dachhaut zu achten ist.

Schrägdach

Auf Schrägdächern wird regelmäßig mit Schienensystemen von z.B. Alumero gearbeitet, an denen die Solarmodule befestigt werden. Die Schienen selbst werden an den Dachsparren mit sogenannten Dachhaken fest verschraubt. Entscheidend für die Auslegung einer Solarlange ist daher unter anderem die Platzierung der Dachsparren. Hier gilt: Die Außenkante des letzten Moduls sollte nicht weiter als 30 cm neben dem letzten Dachhaken liegen. Andernfalls können Sog- und Druckbelastungen durch Winde das Modul schädigen. Auf einem Schrägdach richtet sich die Ausrichtung der Solarmodule nach der Dachneigung. Auf Grund gestiegener Wirkungsgrade der Module sind aber auch sehr steile oder flache Dächer gut geeignet.

Ausrichtung

Idealerweise wird die Photovoltaik-Anlage nach Süden ausgerichtet. Diese Ausrichtung steht für maximale Erträge bei der Stromerzeugung. Auf Flachdächern greift man heutzutage jedoch meist auf eine Ost-West-Ausrichtung zurück um möglichst viele Solarmodule auf der verfügbaren Fläche unterzubringen (keine Verschattungsabstände durch vorgelagerte Module). Und auch in Verbindung mit einem Speichersystem ist eine Ost-West-Ausrichtung bei Schrägdächern lohnenswert.

Wechselrichter

Der von einer PV-Anlage erzeugte Strom fließt als Gleichstrom. In den öffentlichen Stromnetzen und auch im Haushalt kommt allerdings Wechselstrom zum Einsatz. Deshalb ist der sogenannte Wechselrichter ein unverzichtbarer Teil der PV-Anlage. Die Eingesetzten Systeme arbeiten entweder auf einer Phase bei kleinen oder auf 3 Phasen bei großen Anlagen. In Deutschland ist ab einer Anlagengröße von 4,6 kWp die Verwendung von 3-Phasigen Wechselrichtern durch die VDE vorgeschrieben. Moderne Wechselrichter (SolarEdge) können zudem mit Leistungsoptimierern für die Photovoltaikmodule ausgestattet werden. Diese helfen dabei Verschattungen auszugleichen und damit höhere Erträge zu erzielen.

Kabel

Abhängig von der Anlagengröße kommen i.d.R. 4-6mm² Solarkabel zum Einsatz. Diese sind besonders beständig gegen Hitze und Umwelteinflüsse. Bei der Montage sollten alle Kabel sauber an der Unterkonstruktion befestigt werden und nicht direkt auf dem Dachziegel aufliegen.

Monitoring

Da die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage nur gegeben ist, wenn diese Ordnungsgemäß läuft, ist eine Anlagenüberwachung (Monitoring) unabdingbar. Über Herstellereigene Monitoringsysteme der Wechselrichterproduzenten kann die Solaranlage überwacht und verschiedenste Statistiken und Auswertungen betrachtet werden. Viele Monitoringsysteme bieten auch einen direkten Kontakt zum Hersteller um Problemfälle schnell und einfach zu melden.

Photovoltaik Dachziegel

Um die Unterkonstruktion einer Photovoltaikanlage fest mit dem Dach zu verbinden, müssen die Dachhaken unterhalb des Dachziegel angebracht werden. Um einem späteren Ziegelbrauch vorzubeugen, können die unterhalb des Dachhaken liegenden Ziegel durch Blechziegel (Photovoltaik Dachziegel) ausgetauscht werden. Bei z.B. Tegalit oder Biberschwanz Dachplatten müssen die Ziegel immer getauscht werden.

Begrifflichkeiten der Photovoltaik

Eigenverbrauch / Eigenverbrauchsanteil

Der Eigenverbrauchsanteil beschreibt den Anteil des selbst erzeugten Solarstroms, der entweder durch die Stromverbraucher im Haus oder zur Ladung des Batteriespeichers genutzt wird. Je höher der Eigenverbrauchsanteil ist, desto weniger Solarstrom wird in das Netz eingespeist. Für den nicht selbst verbrauchten Strom erhalten Sie die Einspeisevergütung.

Autarkiegrad

Der Autarkiegrad gibt den Anteil des eigenen Stromverbrauchs an, der durch das Photovoltaik-Speichersystem versorgt wird. Hierzu trägt entweder der zeitgleiche Direktverbrauch des erzeugten Solarstroms oder die Entladung des Batteriespeichers bei. Je höher der Autarkiegrad ist, desto weniger Energie wird aus dem Stromnetz bezogen und desto höher ist die Einsparung bei der Stromrechnung.

Photovoltaikleistung

Die Photovoltaikleistung bezeichnet die auf dem Dach installierte Anlagenleistung. Die Gesamtleistung aller installierten Module wird in Kilowattpeak angegeben. 20 x 300 Watt Module entsprechen dabei  6kWp. Für 1 kWp wird eine Dachfläche von etwa 6m² benötigt.

Nutzbare Speicherkapazität

Die nutzbare Speicherkapazität beschreibt die tatsächliche Kapazität eines Battariespeichers die für Ihren Stromverbrauch genutzt werden kann. Die kann dabei geringer sein als die oftmals angegebene Nennkapazität. Fragen Sie dazu Ihren Monteur oder prüfen Sie die Datenblätter der Hersteller.

Kosten / kWp

Um verschiedene Angebot miteinander zu vergleichen können die Gesamtkosten mit der installierten Anlagenleistung ins Verhältnis gesetzt werden. Hier sollte man jedoch aufpassen nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen. Günstige Angebote können auf ersten Blick sehr interessant wirken aber die Einsparung geht immer auch zu Lasten der Qualität und Langlebigkeit der Anlage. Fragen Sie lieber beim teureren Angebot nach welchen Mehrwert dieses gegenüber dem günstigen bietet und lassen Sie sich nicht durch Dumpingpreise oder falsche Versprechungen durch Vertriebler täuschen. Das sparen an der falschen stelle kann sich hier sehr schnell rächen!

Stromgestehungskosten

Die Stromgestehungskosten beschreiben die tatsächlichen Kosten, die einem Anlagenbetreiber für die Erzeugung einer Kilowattstunde entstehen. Zur Berechnung der Gestehungskosten gehören neben den spezifischen Anschaffungskosten auch Aufwändungen für Wartungsarbeiten oder der Finanzierung. Abhängig vom Standort der Photovoltaikanlage müssen unterschiedliche Einstrahlunsgbedingungen angenommen werden und auch die angesetzte Lebensdauer spielt für die Berechnung eine entscheidende Rolle.