Photovoltaik – Strom aus Sonnenenergie
Die Sonne ist der größte natürliche Energielieferant unseres Planeten. Da bietet es sich an, Strom aus Sonnenenergie zu generieren. Diese Energieversorgung geschieht mittels Photovoltaik. Wie kleine Solarzellen selbst die größten Gebäude mit Strom versorgen können, erklärt dieser Artikel.
Was bedeutet Photovoltaik?
Photovoltaik, kurz PV, nennt man die Umwandlung von Licht in Strom. Sie basiert auf dem fotoelektrischen (photovoltaischen) Effekt, bei dem bestimmte Materialien Sonnenlicht in Energie umwandeln. Wird die Photovoltaikzelle, oder auch Solarzelle, von vorne beleuchtet, entsteht eine elektrische Spannung zwischen ihrer Vorder- und Rückseite. Eine einzelne Zelle produziert eine niedrige Spannung. Deswegen wird sie oft in Reihe geschaltet, was als Photovoltaik-Modul bezeichnet wird.
Aufbau einer Solaranlage
Ein einfaches Photovoltaik-Modul ist etwa anderthalb Meter lang und einen Meter breit und besteht aus vielen einzelnen Solarzellen. Jede Solarzelle ist, je nach Bauart, zwischen 10 und 15 cm groß. Sie werden in Reihe aneinander geschaltet, so dass gängige Photovoltaik-Module heute eine Leistung von bis zu 250 bis 300 Watt erzeugen können.
Die Leistung der Module wird immer in Wp (Watt peak) oder Kilowatt peak (Spitzenleistung, kWp) angegeben. Als grobe Orientierungsgröße kann man mit 1.000 W Leistung pro 10 Quadratmeter Modulfläche rechnen. Eine Photovoltaik-Anlage mit einer Spitzenleistung von 6 kWp kann dann zum Beispiel aus 20 Modulen zu je 300 Watt bestehen.
Einflussfaktoren auf die Leistung
Eine wichtige Größe ist der Wirkungsgrad. Er gibt an, wie viel Licht in Energie umgewandelt werden kann. Solarzellen sind dabei mittlerweile so hochwertig, dass sie auch bei schlechtem Wetter Wirkung zeigen. Das heißt, dass die PV-Anlage selbst bei Regen noch Strom produzieren kann. Dennoch ist die Zeit von Frühling bis Herbst die reguläre Hochsaison für die Energieerzeugung.
Die Strommenge schwankt aber nicht nur nach Jahres-, sondern auch nach Tageszeit. Sie ist von Vormittag bis Nachmittag am größten, also dann, wenn gewöhnlich am wenigsten Energie gebraucht wird. Der Solarstrom muss zwischengespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden.
Neben dem Wirkungsgrad der Solarzellen entscheiden zudem die Sonnenstunden am Standort der Anlage und ihre Ausrichtung über den Ertrag.
Zu Zeiten der Volleinspeisung war die Südausrichtung das Maß aller Dinge, da sich so die höchsten Erträge erzielen ließen. Beim Eigenverbrauch erweisen sich auch Ost-West Dächer als gute Ausrichtung. Denn sie erzeugen genau dann den meisten Strom, wenn der Verbrauch in den Haushalten für gewöhnlich am höchsten ist - am Morgen und am Spätnachmittag oder Abend.
Solarstrom speichern?
Eine Solaranlage erzeugt erst einmal Gleichstrom (DC für direct current). Zur Nutzung dieser Energie wird ein Wechselrichter benötigt, der Gleichstrom aus der Solaranlage in Wechselstrom (AC für alternating current) für das Haus umwandelt. Dieser Strom kann dann direkt selbst verbraucht oder in das Stromnetz eingespeist werden.
Für die Speicherung des Solarstroms gibt es zwei Möglichkeiten. Ist der Speicher direkt an die PV-Anlage angeschlossen, kann er direkt mit Gleichstrom geladen werden. Für den Hausverbrauch muss der Gleichstrom dann in Wechselstrom umgewandelt werden. Ist der Speicher nicht direkt an die PV-Anlage angeschlossen, sondern an den PV-Wechselrichter, dann muss er den Wechselstrom wieder in Gleichstrom wandeln, um seine Batterie zu laden. Beide Systeme haben ihre individuellen Vorteile. Während ein DC-System effizienter speichern kann und häufig etwas günstiger ist, sind AC-Systeme flexibler und können an PV-Anlagen jeder Größe sowie an Windkraftanlagen oder Mikro-BHKWs angeschlossen werden.
Typen von Solarzellen
Für den Hausgebrauch kommen monokristalline oder polykristalline Solarzellen in Frage. Erstere werden aus einem einheitlichen Siliziumkristall produziert und haben eine einheitliche Oberfläche. Photovoltaik-Module, die aus solch monokristallinen Solarzellen zusammengestellt sind, sind am leistungsfähigsten und etwas teurer. Solche Zellen erreichen mittlerweile Wirkungsgrade von 16 bis 26 Prozent. Als anzustrebende Obergrenze gelten 29 Prozent. Sehr leistungsstarke Solarmodule können so schon 350 W erzeugen. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades sind monokristalline Solarzellen besonders gut für kleinere Dächer geeignet.
Polykristalline Zellen setzen sich dagegen aus mehreren Kristallen zusammen. Sie haben einen niedrigeren Wirkungsgrad und sind damit auch günstiger in der Anschaffung. Sie lohnen sich eher für größere Dachflächen.
Neben diesen beiden Zelltypen gibt es zudem Dünnschichtzellen. Bei ihrer Herstellung werden Kristalle geschmolzen und in einer dünnen Schicht aufgetragen. Ihr Wirkungsgrad liegt nur bei etwa 8 Prozent, weshalb sie im privaten Bereich selten zur Anwendung kommen.
Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium (Si), ein Element, dessen Leitfähigkeit temperaturabhängig ist. Zudem gilt Silizium als unerschöpflich, da es aus Quarzsand gewonnen wird, der fast überall vorkommt. Neu ist der Ansatz, statt kristalliner Halbleiter organische Halbleiter zu verwenden. Die sogenannte organische Photovoltaik nutzt daher Kohlenwasserstoff-Verbindungen, also Kunststoffe, für ihre Solarpaneele. Man nennt sie deshalb auch Plastiksolarzellen. Hierbei verwendet man meist Polymere und vermeidet so Schwermetalle. Zudem ist die Herstellung weniger energie- und kostenintensiv und die Zellen sind insgesamt leichter, transparenter und flexibler.
Das Frauenhofer ISE treibt die Forschung zur organischen Photovoltaik aktiv voran. So haben Solarforscher es bspw. geschafft, organische Solarzellen auf dünne Folie aufzubringen, mit der man auch gerundete Flächen verkleiden kann. Der Wirkungsgrad liegt derzeit bei etwa 10 Prozent im Labor.
Solarzelltypen im Vergleich
Typen von Photovoltaikanlagen
Photovoltaikanlagen werden immer besser und gleichzeitig billiger in der Herstellung. Kostete 1 kWp Anfang 2006 noch rund 5.000 Euro, muss man heute nur noch mit rund 1.300 Euro pro Kilowatt peak für eine komplette Anlage mit Montage netto rechnen.
Denkt man über eine Installation einer Solaranlage nach, ist der jährliche Stromverbrauch entscheidend. Am einfachsten lässt sich dieser mit einem Blick auf die Stromrechnung ermitteln, auf der der genaue Betrag des eigenen Stromverbrauchs abzulesen ist.
Bei Anlagen wird zwischen Aufdach- und Indach-Systemen unterschieden. Bei einem Aufdach-System werden die Solarpanels mithilfe eines Montagegestells auf dem Dach befestigt, sozusagen darauf aufgesetzt. Das macht die Installation relativ einfach. Ein Solarmodul wiegt dabei im Schnitt um die 15 Kilogramm pro Quadratmeter.
Bei Indach-Systemen deckt die PV-Anlage buchstäblich das Dach und bietet so gleichzeitig Schutz und eine eigene Energieversorgung. Solche Systeme sind relativ neu und in Deutschland noch nicht weit verbreitet. Darüber nachzudenken lohnt sich aber vor allem beim Neubau.
Bedeutung der Photovoltaik
Sonnenenergie ist neben Windkraft die wichtigste Quelle der Stromgewinnung aus erneuerbarer Energie. Sie wächst entsprechend schnell. War die weltweit installierte Leistung im Jahr 2000 noch 700 Megawatt (MW), waren es 2015 bereits 227 Gigawatt (GW). Bis 2020 rechnet die Internationale Energie Agentur (IEA) mit einem globalen Anstieg der Sonnenenergie auf bis zu 500 GW. Zum Vergleich: Ein mittleres Atomkraftwerk erbringt etwa 1 GW.
Schon 2016 bezifferte der ‘Global Status Report’ von REN21 den Anteil von Sonnenenergie an neuinstallierter nachhaltiger Energie weltweit auf 47 Prozent. Deutschland produziert dabei laut REN21 den meisten Solarstrom pro Kopf. Auch bei der Kapazität liegt die Bundesrepublik im globalen Vergleich vorne (Platz 3). Übertroffen wird Deutschland nur von Japan (Platz 2) und Top-Produzent China. Auch die USA und das südliche Europa setzen zunehmend auf Photovoltaik.
