Solarenergie

Loading the player...
Die Broschüre

Broschüre erklärt Mieterstrom

Vom 1. bis 6 Oktober 2017 findet eine Unternehmerreise nach Chile und Peru statt. 
Foto: Fotolia

NRW.International Unternehmerreise nach Chile und Peru vom 1. bis 6. Oktober 2017

Durch ein neues Förderprogramm können zukünftig Mieterinnen und Mieter von der Energiewende profitieren.
/solarenergie/dreamteam_photovoltaik_und_stromspeicher_video
/solarenergie/neue_broschuere_der_eanrw__mieterstrom_kurz_erklaert
/international/unternehmerreise_chile_und_peru_zur_messe_genera_latinoamerica

Information

Thema Photovoltaik / Solarstrom

Wolken am Himmel

Photovoltaik bezeichnet die auf dem Photoeffekt beruhende Technologie der direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Der Begriff setzt sich zusammen aus dem altgriechischen Wort photos für Licht und volt, der Einheit für elektrische Spannung.

Geräuschlos und ohne Abgase produzieren Solarstromanlagen Strom direkt auf dem Hausdach, gebäudeintegriert als Fassade oder als Freiflächenanlage. Die Nutzungsmöglichkeiten von Photovoltaik-Modulen sind vielfältig. Die CO2-neutrale, umweltfreundliche Art der Stromgewinnung ist aus dem Energiemix der Zukunft nicht mehr wegzudenken.

Eine lange Geschichte

Der photoelektrische Effekt wurde bereits im Jahr 1839 von dem französischen Physiker Becquerel entdeckt. Die Erklärung dieses Effektes gelang aber erst Albert Einstein 66 Jahre später. Dafür erhielt er im Jahr 1921 den Nobelpreis für Physik. Mit der Entwicklung der ersten Siliziumzelle 1954 in den USA (Wirkungsgrad 6 Prozent) wurde ein technischer Durchbruch erzielt. Die Kommerzialisierung begann mit den unverzichtbaren Anwendungen zur Energieversorgung von Satelliten (erstmalig 1958). Erst durch die Ölkrisen in den Siebzigerjahren wurden das allgemeine und das Forschungsinteresse an dieser „heimischen“ Energiequelle geweckt. Später, im Zuge des Ölpreisverfalls, wurden wichtige Jahre für die technische Entwicklung verschenkt. Angeregt durch die Klimadiskussion in den Neunzigerjahren waren aber weltweit Staaten und vor allem Unternehmen bereit, viel Kapital in die Solarzellenentwicklung und deren Produktion zu stecken. Wirkungsgrade von 20 Prozent für in Serie gefertigte Anlagen und Laborwirkungsgrade von mehr als 30 Prozent stellen heute internationale Maßstäbe dar.

Die aktuelle Situation

Die Bedeutung des Photovoltaikmarktes hat in den letzten Jahren weltweit enorm zugenommen. In Deutschland und Nordrhein-Westfalen hat sich die Solarstromerzeugung als ein wichtiger Wirtschaftszweig etabliert.

Auch wenn der Zubau von PV-Anlagen in Deutschland in den letzten Jahren rückläufig war, steigt die Solarstromproduktion weiter an. Im Jahr 2014 erzeugten die in Deutschland installierten PV-Anlagen insgesamt rund 35 Mrd. Kilowattstunden Strom und deckten damit rechnerisch den Jahresstrombedarf von rund 10 Mio. Haushalten. Nordrhein-Westfalen hatte im Jahr 2014 eine installierte PV-Leistung von fast 4.200 Megawattpeak und lag damit deutschlandweit an dritter Stelle hinter Bayern und Baden-Württemberg.

Die massiven Preissenkungen der letzten Jahre haben die Stromgestehungskosten so stark gesenkt, dass sie bereits deutlich unter dem Preisniveau von Haushaltsstromtarifen liegen. Aus dem Grund entwickeln und etablieren sich mehr und mehr Konzepte, die weitestgehend ohne die staatliche Förderung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) planen. Vielmehr wird der erzeugte Solarstrom, beispielsweise in Mieterstrommodellen, künftig immer stärker selbst genutzt, oder es werden Verbraucher in unmittelbarer räumlicher Nähe, beispielsweise in Gewerbegebieten, direkt beliefert.

Der Grundstoff

Das Silizium, aus dem im Wesentlichen die Solarzellen bestehen, ist nach dem Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdrinde und steht damit praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Zudem ist es ungiftig und kann nicht korrodieren.

Die Solarzelle

Eine Solarzelle besteht aus zwei Halbleiterschichten (beispielweise Silizium). Diese Schichten werden positiv bzw. negativ dotiert, also mit einer genau festgelegten Anzahl Fremdatome gezielt „verunreinigt“. Die Verunreinigung führt dazu, dass im Halbleiter bei Lichteinfall negative und positive Ladungsträger freigesetzt werden. Ein internes elektrisches Feld trennt dabei die Ladungsträger. Auf diese Weise entsteht eine Spannung zwischen den Metallkontakten, die an der Oberfläche der Solarzellen angebracht sind. Wird der äußere Kreis geschlossen, so fließt ein elektrischer Gleichstrom.

Schema: Prinzip der Solarzelle

Detailansicht

Angeboten werden verschiedene Arten von Solarzellen, die sich nach mehreren Kriterien unterscheiden lassen. Wichtig hierbei sind einerseits die Materialdicke und andererseits das Material selbst, aus dem die Solarzelle besteht. Als drittes Kriterium kann die Kristallstruktur herangezogen werden.

Monokristallines Silizium / polykristallines Silizium

Das mit Abstand am häufigsten genutzte Material ist Silizium. Das Halbmetall ist nach dem Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdrinde und steht damit praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Zudem ist es ungiftig und kann nicht korrodieren.

Höchste Wirkungsgrade (gemeint ist das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Energie zur einfallenden Lichtenergie) erreicht man mit monokristallinem Silizium. Für die Herstellung monokristalliner Solarzellen wird zunächst aus aufgeschmolzenem, hochreinem Silizium bei rund 1.400° C ein zylinderförmiger Einkristall gezogen, aus dem dann eine quadratische Säule geschnitten wird. Mittels einer Drahtsäge wird diese Säule in rund 0,2 mm dünne Wafer aufgeschnitten. Marktgängige Silizium-Zellen aus monokristallinem Silizium erreichen Wirkungsgrade von ca. 18 – 21,5 Prozent.

Eine Alternative ist das in der Herstellung preiswertere multi- oder polykristalline Silizium, dessen Wirkungsgrad mit ca. 18 Prozent etwas niedriger liegt. Multikristalline Wafer bestehen aus einer Vielzahl von kleinen Einkristallen und werden überwiegend mittels Blockguss hergestellt. Das flüssige Silizium erstarrt in einem großen Tiegel zu einem multikristallinen Block, aus dem durch mehrfaches Zersägen eine Vielzahl an Säulen gewonnen werden kann. Diese werden mittels Drahtsäge weiter zerlegt. Ein Nachteil beider Verfahren ist ein damit verbundener Materialverlust von rund 50 Prozent.

Dünnschicht-Technologien

Neben siliziumbasierten Wafersolarzellen bietet der Photovoltaik-Markt als weitere Alternative Dünnschicht-Solarzellen. Im Jahr 2013 lag ihr Marktanteil bei ca. 10 Prozent. Die Grundidee der Dünnschichttechnologie ist zum einen ein deutlich geringerer Materialverbrauch des eigentlichen aktiven Halbleitermaterials, welches in der Regel auf Glas oder Metallbändern in einer Dicke von wenigen Mikrometern abgeschieden wird. Zum anderen lassen sich Produktionsverfahren im großtechnischen Maßstab leichter umsetzen. Zu nennen sind hier insbesondere amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Cadmium-Tellurid (CdTe). Ihr Wirkungsgrad liegt bei ca. 10 bis 14,6 Prozent. 

Das Photovoltaik-Modul

Um eine akzeptable Leistung generieren zu können, werden mehrere Solarzellen in Serie (um die Spannung zu erhöhen) und parallel (um die entnehmbare Stromstärke zu erhöhen) geschaltet. Man spricht nun von einem Modul.

Typische Module, die eine Zellenanzahl von 36 bis 80 Zellen aufweisen, erbringen eine Leistung von 50 bis 345 Watt. Die Leistung von Modulen bzw. ganzer Anlagen wird in Spitzenleistung unter Normbedingungen angegeben (Kilowattpeak, kWp). Als Faustregel kann gelten, dass unter Berücksichtigung der in Nordrhein-Westfalen gegebenen Einstrahlung in einem durchschnittlichen Jahr mit einem Stromertrag von rund 870 bis 930 kWh/Jahr je Kilowattpeak installierter Leistung gerechnet werden kann.

Das Gesamtsystem

Die einzelnen Solarmodule werden je nach Anlagengröße und -typ zu einer größeren Einheit, dem sogenannten Solargenerator, zusammengeschaltet. Zum überwiegenden Teil werden diese Solargeneratoren durch eine spezielle Unterkonstruktion auf das Hausdach („Aufdachanlage“) montiert. Um höchste Erträge zu erzielen, sollte das Dach möglichst in südlicher Richtung ausgerichtet sein und eine geeignete Dachneigung aufweisen. In Nordrhein-Westfalen ist eine Dachneigung von ca. 37° optimal.

Eine bedarfsgerechte Anlage ist aber auch in Ost-West-Ausrichtung, da bei diesen Dächern direkt die ersten und letzten Sonnenstrahlen für die Stromproduktion genutzt werden können. Da die Kosten für Photovoltaik Module so stark gesunken sind, kann man bei nicht zu steilen Dächern in manchen Fällen auch das Norddach belegen, um seinen Strombedarf besser bedienen zu können. Das ist aber über eine Kalkulation nachzurechnen.

Zusätzliche Möglichkeiten bieten dach- und fassadenintegrierte Anlagen. Hierbei übernimmt die Photovoltaik-Anlage eine Doppelfunktion: Zum einen hat sie die Funktion des Stromgenerators. Zum anderen ersetzt sie einen Teil der ohnehin benötigten Dach- oder  Fassadenelemente, wodurch sich bei entsprechender Planung Kosten einsparen lassen. Architektonisch gut einbinden lassen sich z.B. Glas-Glas-Laminate auf verglasten Dach- und Fassadenpartien oder in die Dacheindeckung integrierte Zellen (z.B. Solarzellen in Dachpfannen oder Dachplatten).

Die Netzanbindung

Die einfachste Art, den Strom einer PV-Anlage zu nutzen, bietet das netzgekoppelte System. Dabei kann der erzeugte Solarstrom zumindest zeitweise in das Netz des örtlichen Netzbetreibers eingespeist werden. Mit Hilfe eines zusätzlichen Einspeisezählers wird die Menge des eingespeisten Solarstroms erfasst und die Vergütung durch den örtlichen Netzbetreiber geregelt.

Am sinnvollsten ist es aber, den Strom selbst zu nutzen, da der eigene Strombezugspreis unterhalb der PV-Stromgestehungskosten liegt.

Der Einsatz so genannter Inselanlagen ohne Netzanbindung erfolgt in Deutschland nur dort, wo kein allgemeines Stromversorgungsnetz vorhanden ist. Im täglichen Leben begegnen uns solche Anlagen bei Parkscheinautomaten, Verkehrsüberwachungssystemen und bei der Beleuchtung von Bushaltestellen, da dann auf eine aufwendige Verlegung von Erdkabeln verzichtet werden kann.

Größe und Auslegung der Anlage

Die Größe einer PV-Anlage wurde in der Vergangenheit nach der maximalen Größe der geeigneten Dachfläche ausgelegt. Der mittlere Flächenbedarf beträgt dabei etwa sieben Quadratmeter pro Kilowattpeak installierter Leistung. Auf privaten Dächern werden bevorzugt Anlagengrößen zwischen 2 und 10 Kilowattpeak errichtet.

Mittlerweile gilt die maximale Anlagengröße aber nicht mehr als die einzige ausschlaggebende Größe. Die garantierte Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wurde soweit abgesenkt, dass sie weit unter dem Niveau der durchschnittlichen Haushaltsstrompreise liegt. Gleichzeitig liegen die Stromgestehungskosten von Solarstrom mittlerweile ebenfalls weit unter den durchschnittlichen Strombezugskosten. Deshalb ist künftig ein möglichst hoher Eigenverbrauchsanteil am erzeugten Solarstrom für die Auslegung der Anlage ausschlaggebend.

Es gilt die genauen Bedürfnisse vor Ort zu ermitteln. Die wichtigste Frage dabei ist, welche Lastprofile derzeit bzw. in näherer Zukunft vorliegen. Möglicherweise wird bereits eine Wärmepumpe zur Wärmeversorgung verwendet oder es existiert ein Elektroauto, was über die Photovoltaik-Anlage geladen werden könnte. 

Der typische Eigenverbrauchsanteil eines Vier-Personen-Haushalts liegt derzeit – abhängig vom individuellen Nutzerverhalten – über das Jahr gesehen bei etwa 30 Prozent. Mit Hilfe eines Energiemanagements und/oder eines Batteriespeichers kann dieser Anteil weiter auf über 70 Prozent gesteigert werden.

Der Solarrechner der EnergieAgentur.NRW erlaubt eine erste grobe Einschätzung zur Wirtschaftlichkeit der geplanten Anlage.

Der Umweltvorteil

Mit dem Stromertrag einer 5-kWp-Anlage werden in Nordrhein-Westfalen pro Jahr ca. 2.500 kg Kohlendioxidemissionen eingespart. Die energetische Amortisation (Verhältnis von Energieertrag der Anlage und der zu ihrer Herstellung benötigten Energie) liegt heute je nach Technologie bei 1,5 bis 3,5 Jahren.

Informationsbroschüren zum Thema:

Carl-Georg von Buquoy
Leiter Netzwerk Photovoltaik
EnergieAgentur.NRW
Telefon: 0211 86642249
buquoy@energieagentur.nrw

Eugen Eichmann
Netzwerk Photovoltaik
EnergieAgentur.NRW
Telefon: 0211 86642276
eichmann@energieagentur.nrw

Sie erreichen die EnergieAgentur.NRW außerdem werktags von 8 bis 18 Uhr über die Hotline unter 0211 - 8371930.