Photovoltaik - Strom aus der Sonne

 Da wir die Welt von unseren Kindern nur geliehen haben, sollten wir diese unvorstellbare Energiemenge sinnvoll nutzen. Durch die Installation von Photovoltaikanlagen können wir einen Beitrag zum Erhalt der Umwelt leisten.

Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie durch Solarzellen, die aus dem Tageslicht Gleichstrom erzeugen. Dieser kann in Batterien gespeichert werden. Mit Hilfe eines Wechselrichters wird die Energie in Wechselstrom umgewandelt, der in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden oder gleich im Haus verbraucht werden kann. Je größer der Anteil des Eigenverbrauchs des erzeugten Stroms ist, desto höher fällt die Entlastung von steigenden Strombezugskosten aus.

Wieviel Energie produziert eine PV-Anlage?
Ein Kilowatt-Peak (1 kWp) installierter PV-Leistung produziert, je nach Standort und Ausrichtung der Anlage, jährlich ca. 750- 950 kWh Strom. Eine durchschnittliche PV-Anlage auf Einfamilienhäusern hat eine Nennleistung zwischen 4 und 8 kWp.

Eine Anlage mit einer Nennleistung von 5,5 kWp könnte somit theoretisch den jährlichen Energiebedarf  bei einem Stromverbrauch von 4.500 kWh decken.

Wie groß ist der Flächenbedarf einer PV-Anlage? 
Je kWp Nennleistung benötigt man eine Fläche von 8 m², für 5 kWp also ca. 40 m².
 

Wie bestimme ich die Größe einer PV-Anlage?
Die Größe und Art der PV-Anlage wird entsprechend dem Gebäude ausgelegt. Die Dimension der Anlage wird durch die verfügbare Fläche und die Investitionsmöglichkeiten bestimmt. Ein weiteres Auslegungskriterium ist der prozentuale Anteil des eigenen Stromverbrauches welcher mit Solarstrom gedeckt werden soll.

Brauche ich eine Baugenehmigung?
Zur Montage von Solaranlagen ist in der Bundesrepublik Deutschland im Prinzip keine Baugenehmigung notwendig. Wer jedoch in einem Sanierungsgebiet, im Altstadt- oder denkmalgeschützten Bereich wohnt, sollte vor Beginn bei den zuständigen Baubehörden nachfragen.

Welche baulichen Voraussetzungen benötige ich für meine Photovoltaik-Anlage?
Eine PV-Anlage kann grundsätzlich überall, vorrangig auf einem Flach- oder Schrägdach montiert werden. Die Dachfläche sollte vorzugsweise nach Süden zeigen. Abweichungen von 15 - 20 Grad können vernachlässigt werden. Wichtig ist jedoch, dass auch im Winter bei niedrig stehender Sonne die Dachfläche keiner Verschattung, z.B. von Bäumen oder Nachbargebäuden, ausgesetzt ist.

Wo kann ich die Solarmodule montieren?
• Die Module können in die Dachhaut integriert oder bei bestehenden Dächern aufgebaut werden.
• Auf Flachdächern werden die Module mit einer geeigneten Montagekonstruktion - auch ohne Durchdringung der Dachhaut - aufgeständert  
• Solarmodule als Fassadenelemente oder Schallschutz
• Solarmodule als Sonnenschutzelemente für Fensterfassaden, Oberlichter, Wintergärten usw.
• Schattenspender für Abstellplätze, Unterstände, Überdachungen

Wie sind Solarzellen aufgebaut?
Marktgängige Solarzellen sind aus sehr dünnen, von Blöcken gesägten Siliziumscheiben gefertigt. Die Scheiben haben meist eine Größe von 5" oder 6" (Zoll) und werden auf Vorder- und Rückseite mit einem elektrischen Kontaktgitter versehen. Im Modul werden dann viele einzelne Zellen elektrisch verbunden und zwischen Glas- oder Kunststoffscheiben eingebettet.
Ein weiteres Verfahren, das zukünftig größere Bedeutung erlangen wird, ist die "Dünnschichttechnologie". Das Solarzellenmaterial wird dabei großflächig - z. B. durch verdampfen - direkt auf die Trägerscheiben des Moduls aufgebracht. Damit können die derzeitigen Herstellungskosten langfristig reduziert werden.

Wie viel elektrische Energie produziert eine Photovotaik-Anlage?
Marktübliche Solarmodule haben einen Wirkungsgrad von etwa 12 - 17%. Das heißt, 12 - 17% der Strahlungsenergie der Sonne werden in elektrische Energie umgewandelt. Eine Anlage mit etwa 8 m² Solarzellen auf dem Dach hat somit bei klarem Himmel und zur Mittagszeit eine Spitzenleistung von ca. 1 kW. Übers Jahr gemittelt liefert eine solche Anlage in unseren Breiten 700 - 1000 kWh elektrische Energie. Dies deckt etwa den Verbrauch einer Person im Privathaushalt.

Netzkopplung oder Inselbetrieb?
Elektrische Energie liegt nur im Moment der Erzeugung vor. Um den erzeugten Solarstrom nutzen zu können, muß er entweder sofort verbraucht oder in einer Batterie zwischengespeichert werden.
Bei "Netzkopplung" wird die Photovoltaik-Anlage über einen Wechselrichter an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. In diesem Fall wird zusätzlicher Strombedarf - bei Dunkelheit oder Schlechtwetterperioden - wie bisher aus dem Netz gedeckt, überschüssiger Strom hingegen wird ins Netz eingespeist. Der eingespeiste Strom steht anderen Verbrauchern außerhalb Ihres Hauses zur Verfügung und verringert dadurch den Anteil an elektrischer Energie, der vom Elektrizitätswerk erzeugt werden muß. 

Netzgekoppelte PV-Anlagen mit Eingenverbrauch (und Batteriespeicher)

Die Stromerzeugung funktioniert bei netzgekoppelten PV-Anlagen mit Eigenverbrau genauso, wie oben beschrieben. Die Verwendung des Stromes ist jedoch zeitweise unterschiedlich.

Intelligente Steuerungen mit Ladeelektronik sind in der Lage zu ermitteln, welchen Strombedarf die Verbraucher im Haus aktuell haben und diese werden dann primär mit dem Solarstrom versorgt. Wird mehr Strom produziert als gegenwärtig im Haus benötigt, wird mit dem Überschuß zunächst der Batteriespeicher beladen. Ist die Batterie z. B. nachmittags voll geladen, werden die Überschüsse ins Netz eingespeist und ggf. vergütet. Abends und in der Nacht werden die Verbraucher mit Strom aus der Batterie versorgt. Nur wenn der aktuell produzierte Solarstrom und / oder die Batterie den Strombedarf nicht decken kann, wird Strom aus dem Netz "gekauft".  Mit dieser Konfiguration ist es möglich, bis zu 70 % seiner Strombezugskosten einzusparen.

Der öffenliche Energieversorger (EVU) verlangt einen Nachweis über die selbst genutzte Strommenge. Es wird daher meist ihr jetziger Bezugszähler durch einen 2-Richtungszähler ersetzt, um die im Haushalt verbrauchte Menge an Solarstrom zu messen.  

Bei fehlendem Netzanschluß hingegen, z.B. in Berghütten oder Wochenendhäusern, ist "Inselbetrieb" mit Batteriespeicherung erforderlich. In vielen Fällen ist diese Lösung preiswerter als das Legen eines Netzanschlusses.

Was bekomme ich für den eingespeisten Strom (Überschusseinspeisung) ?

Da die Halbwertzeit der Beschlüsse der jetzigen Bundesregierung zum EEG kürzer sind, als wir redaktionell in der Lage, hier "tagesaktuelle" Vergütungssätze einzustellen, verweigern wir hier besser konkrete Aussagen zu diesem Thema.

Bitte fragen Sie die tagesaktuelle Gesetzgebung telefonisch oder per mail an.

Entscheidend ist aus unserer Sicht die Tagesform von Herrn Gabriel und Frau Merkel.

Wie lange hält eine Photovoltaik-Anlage?
Solarzellenmodule aus kristallinem Silizium sind der robusteste und langlebigste Teil einer Anlage, mit Lebensdauern von weit über 20 Jahren. Viele Anlagen sind heute unter rauhesten klimatischen Bedingungen, beispielsweise zur Stromversorgung von Berghütten, im Einsatz. Photovoltaik-Anlagen sind somit eine sehr langfristige Investition, die Ihre Stromversorgung über Jahrzehnte sichern kann.
Fast alle Modulhersteller geben eine Leistungsgarantie auf 80 % der Nennleistung bis zu 25 Jahren.

In Arizone (härteste klimatische Bedingungen mit sehr kalten Nächten und sehr heißen Tagen) befinden sich Modulversuchsfelder aus Ende der 1960iger / Anfang 1970iger Jahre. Diese Module arbeiten heute noch mit 70% der ursprünglichen Nennleistung.
 

Was kostet eine Photovoltaik-Anlage?
Abhängig von der Nennleistung der PV-Anlage, vom eingesetzten Material (z. B. Module mit Herkunft aus Deutschland, Europa oder China) und den Montagebedingungen kostet aktuell 1 kWp-Nennleistung schlüsselfertig geliefert und montiert zwischen 1.400 und 1.900 Euro. Dies sind jedoch nur allgemeine Aussagen und können kein maßgeschneidertes Angebot ersetzen. So können preisbeeinflussende Faktoren (z. B. Mindermengenzuschläge < 3 kWp oder Preisnachlässe bei größeren Anlagen) zu anderen, vor allem aber zu konkreten Ergebnissen führen. Dabei sind Module und Wechselrichter aus z.B. Fernost naturgemäß im Preis günstiger als ein von einem deutschen Facharbeiter in Arnstadt, Wismar oder Dresden gefertigtem Modul. Fragen Sie einfach an.

Silizium-Solarzellen (Module) mit unterschiedlichen Wirkungsgraden
Silizium wird aus Quarzsand gewonnen, ist unlöslich in Wasser und unempfindlich gegen Säuren. Je reiner das Silizium, desto höher sein Wirkungsgrad. Die kleinste photovoltaische Einheit ist die kristalline Siliziumzelle, eine Scheibe von z.B. 125 x 125 mm und 0,35 mm dünn. Den höchsten Wirkungsgrad von > 16% erzielen die monokristallinen Zellen. Sie haben eine homogene Oberfläche und sind in der Regel von blauer bis schwarzer Farbe. Die auf den kristallinen Zellen sichtbaren metallischen Leiterbahnen dienen der Aufnahme und Weitergabe des gewonnen Stroms. Etwa 15 - 16% Wirkungsgrad haben poly- bzw. multikristalline Zellen. Sie zeigen eine lebhafte, blauschimmernde Kristallstruktur

Kristalline Zellen werden mit ihren Leiterbahnen verbunden und zu großflächigen Modulen zusammengefügt. Zu diesem Zweck werden die verbundenen Zellen zwischen zwei gehärteten Glasscheiben eingebettet. Frontscheibe und Gießharz sind hochtransparent.
Die größten Zellflächen werden mit amorphen Zellen erreicht. Sie entstehen durch Aufdampfen von Silizium auf Glasscheiben im Format 600 x 1.000 mm im Hochvakuum. Es gibt sie in den Ausführungen "opak" , lichtundurchlässig und "semitransparent", mit 12% Lichtdurchlässigkeit. Ihre Farbe ist dunkelbraun-rötlich. Amorphe Zellen erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 8%. Sie werden für die Herstellung eines Moduls in "Patch-Work" vollflächig zusammengesetzt, elektrisch verbunden und dann zwischen zwei Glasscheiben in hochtransparentem Gießharz eingebettet.
 

 Wechselrichter - Aus Gleichstrom wird Wechselstrom

 Im Wechselrichter wird die Gleichspannung in Wechselspannung von 230 V und 50 Hz umgewandelt. Idealerweise sollte der Wechselrichter an einem kühlen, staubfreien und trockenem Ort installiert werden. Oft ist das der Hausanschlußraum, im Keller oder in der Garage. Kurze Leitungswege zum vorhandenen Zählerschrank sind von Vorteil. Die meisten Geräte sind aber auch für eine Out-Door-Montage geeignet. 

Wechselrichter arbeiten automatisch und speisen immer die maximale Leistung in das Hausnetz ein.

Inselanlage oder netzgekoppelte Anlage
Bei Wechselrichtern unterscheidet man zwischen netzgekoppelten Geräten und Inselgeräten. Netzgekoppelte Geräte sind von den Energieversorgern für den netzparallelen Betrieb zugelassen.

Wartung
Wechselrichter arbeiten wartungsfrei und auf Transistorbasis (IGBT). Höchste Zuverlässigkeit und eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren werden bereits systematisch bei der Entwicklung berücksichtigt.

Hausinstallation eines Wechselrichters
1. Der Wechselrichter wird mit Steckverbindern an die Photovoltaikanlage angeschlossen.
2. Hier wird das Pluskabel und das Minuskabel in den Wechselrichter gesteckt.
3. Der Wechselrichter ist damit betriebsbereit - Mehr ist nicht notwendig.
4. Es muss jetzt noch das Wechselstromkabel (NYM 3x2,5qmm) zum Hausnetz gelegt werden.
5. Ein Lasttrenner und ein Fehlerstromschutzschalter werden in die Verteilung eingebaut.

6. Fast alle Hersteller haben in ihren Produkten den vorgeschriebenen DC-Freischalter integriert, mit dem das Generatorfeld abgeschaltet werden kann.

Alle Wechselrichter müssen in Deutschland eine permanente und doppelte Netzüberwachung durchführen. Hier wird die Netzimpedanz von zwei unabhängigen Prozessoren gemessen. Sobald das Versorgungsnetz abgeschaltet wird, ändert sich die Impedanz und die Wechselrichter schalten ab ! Die Netzüberwachung ist von der Berufsgenossenschaft und der "VDEW " anerkannt.
 

Netz- und Anlagenschutz (N/A-Schutz)

Seit 2012 gilt zur Stabilisierung und Entlastung der Leitungsnetze in Deutschland eine weitere Regelung für PV-Anlagen < 30 kWp. So hat der Anlagenbetreiber die Wahlmöglichkeit, entweder

1. die Nennleistung des Wechselrichters (AC-seitig) auf 70 % drosseln zu lassen, was über die Software im Wechselrichter eingestellt werden kann und protokolliert werden muss, oder

2. über einen Funkrundsteuerempfänger (FRE) dem Netzbetreiber ermöglicht, die Netzeinspeisung der Anlage per Funk teilweise oder ganz zu unterbinden. Ob diese "Abschaltung" für solch kleine PV-Anlagen in der Praxis jemals stattfindet, darf allerdings bezweifelt werden, da vorher zunächst große Solarparks im MW-Bereich und dann Anlagen im Bereich mehrerer hundert kW dran sein dürften.

Für Dächer, die weit nach Ost oder West gerichtet sind, ist die Variante 1 sinnvoll, da der Wechselrichter bei dieser Ausrichtung selten oder garnicht im oberen Leistungsbereich arbeitet. Bei Südausrichtung des Daches werden praktisch die Stromspitzen "abgeschnitten" und man muss mit einem Verlust von 2 - 3 % des Ertrages rechnen.

Entscheidet man sich für Variante 2, wird ein weiterer freier Zählerplatz für den FRE benötigt. Ist dieser im vorhandenen Zählerschrank nicht mehr vorhanden, ist ein weiterer, einfeldriger Zählerschrank notwendig. Darüber hinaus ist der Anlagenbetreiber zum Kauf des FRE verpflichtet. Je nach Netzbetreiber kosten diese FRE zwischen 150 und 500 Euro (zzgl. MWSt.) und mit Lieferung und Montage können so Zusatzkosten von bis zu knapp 1.000 Euro entstehen.