Erneuerbare Energien: Photovoltaik

Die meisten Menschen machen sich heutzutage keine Gedanken mehr, wo Heizöl, Benzin und Strom herkommen. Aber gerade Umweltkatastrophen wie Fukushima und die anhaltenden wirtschaftlichen Spannungen mit Russland sollten eines verdeutlichen: Erneuerbare Energien müssen weiter gestärkt und ausgebaut werden. Weltweite Energiekrisen lassen sich mit dem Einsatz und der Weiterentwicklung von erneuerbaren Energien eindämmen. In diesem Artikel geht es um die Gewinnung von elektrischer Energie durch Photovoltaik. Das Wort Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Begriff für Licht: „Photos“ und der Einheit für elektrische Spannung, Volt zusammen. Wie die Solarthermie gehört Photovoltaik zum Bereich der Solartechnik.

Grundlagen – so funktioniert eine Photovoltaikanlage

Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage ist nicht einfach zu erklären. Der sogenannte Photoeffekt ist für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie verantwortlich. Im Vergleich zur Solaranlage, bei der die Solarzellen Wärme für die Heizung oder Warmwasser aus den Sonnenstrahlen gewinnen. Im Inneren des Photovoltaikanlage befindet sich ein Solarmodul aus Silizium. Das Silizium hat die typische dunkelblaue Farbe. Eingerahmt wird die Siliziumplatte von einem Metallgitter. Oberhalb befindet sich der Pluspol, unterhalb der Platte der Minuspol.

Das chemische Element Silizium ist ein Halbmetall. Es hat elektrische Eigenschaften, die durch das Einbringen von Atomen eines anderen Elements gesteuert werden. Beim sogenannten „Dotieren“ wird die Siliziumplatte durch die Fremdatome mit oben genanntem Bor und Phosphor verunreinigt. Durch das Einbringen von Bor und Phosphor wird die Platte in zwei Schichten geteilt. In der Grenzschicht zwischen der negativen Phosphorlage und der positiven Borschicht findet die eigentliche Stromerzeugung statt.

Solardach
Unterschied von Photovoltaik (unten) und Solarthermie (Quelle: Horst Schmidt, Fotolia)

Treffen die Teilchen der Lichtstrahlen auf die Atome in der Grenzschicht, werden Elektronen aus den Atomen frei. Diese freien Elektronen bewegen sich zur Elektrode und hinterlassen positiv geladene Löcher. An dieser Grenze entsteht elektrische Spannung. Schließt du beispielsweise eine Lampe zwischen die beiden Elektroden, werden die getrennten Ladungen ausgeglichen und es fließt Strom. Das heißt, deine Lampe leuchtet.

In einer Photovoltaikanlage wird Gleichstrom erzeugt. Die freien Elektronen wandern immer vom Minuspol zum Pluspol. Um die gewonnene Energie jetzt auch im Haushalt einsetzen zu können, brauchst du einen Wechselrichter. Denn unser Stromnetz arbeitet mit Wechselstrom. Mithilfe des kleinen Kästchens kannst du den Strom in deinem Haushalt verwenden oder ihn ins örtliche Netz einspeisen.

Photovoltaikanlage – Einsatz & Ertrag

Photovoltaikanlangen finden an vielen Orten ihren Einsatz. Die Photovoltaikmodule finden beispielsweise als sogenannte „Inselanlagen“ wie bei Parkscheinautomaten oder Berghütten und in der Raumfahrt zur Energieversorgung Verwendung. In Deutschland befinden sich die meisten Photovoltaikanlagen auf Dächern von Schulen, Firmen, Privathaushalten und landwirtschaftlichen Betrieben. Auch auf immer mehr Freiflächen und Feldern findest du große Photovoltaikanlagen.

Natürlich richten sich die Anschaffungskosten nach der Größe der Anlage. Für ein Einfamilienhaus musst du mit Kosten von 8000 bis 10000 Euro rechnen. 85 Prozent der Kosten fallen für Siliziummodule, Montagesysteme, Wechselrichter, Leitungen und kleinere Bauteile an. Bei den laufenden Kosten kannst du mit rund zwei Prozent der Anschaffungskosten jährlich rechnen. Welchen Ertrag du mit deiner Photovoltaikanlage erwirtschaftest, hängt von mehreren Faktoren ab:

• Leistung der Photovoltaikmodule: Die Nennleistung bei idealen Bedingungen wird in Kilowatt Peak angegeben. In Wirklichkeit kannst du circa 14 Prozent des angegebenen Wertes erreichen.

• Sonnenstunden & Wetter: Es kommt darauf an, wo dein Haus steht. Je weiter südlich desto besser für den Ertrag der Photovoltaikanlage. Natürlich arbeitet die Anlage bei wolkenlosem und klarem Himmel besser. Ein konstanter Wind dient zur Kühlung und erhöht den Ertrag.

• Größe der Anlage: Wie viel Platz hast du auf deinem Hausdach zur Verfügung? Eine leichte Überdimensionierung macht manchmal Sinn, da es zu erhöhten Erträgen während des Jahres kommt. Während der Sommerzeit ist der Ertrag durch die Größe der Anlage jedoch begrenzt.

• Ausrichtung & Montage: Ideal ist eine senkrechte Aufstellung der Siliziumzelle zur Sonne während der Sommermonate, was einer Neigung von circa 47 Grad entspricht. Eine gute Belüftung der Module sorgt für Kühlung und erhöht damit die Effizienz der Anlage.

Verschmutzung durch Pollen, Staub und Ruß schwächt die Leistung deiner Photovoltaikanlage. Du musst die Module regelmäßig reinigen und warten lassen, damit dein Ertrag gleichmäßig hoch bleibt. Am besten lässt du dich bei Fachfirmen beraten, ob dein Hausdach für eine Photovoltaikanlage geeignet ist. Von den Experten bekommst du Tipps und Ratschläge zur Dimensionierung, Ausrichtung und Reinigung.

Solar-Reinigung, Solarstrom
Eine regelmäßige Reinigung erhöht die Leistung (Quelle: Marina Lohrbach, Fotolia)

Eigenverbrauch & Einspeisung ins öffentliche Stromnetz

Den aus erneuerbaren Energien gewonnenen Strom kannst du ins öffentliche Stromnetz einspeisen. Die Netzbetreiber sind verpflichtet, den Strom zu festen Einspeisevergütungen von dir abzunehmen. Die Konditionen lagen in den letzten Jahren über dem Strompreis, was den Photovoltaikherstellern einen riesigen Boom bescherte. Die Einspeisevergütungen sind immer weiter gesunken und liegen heutzutage unter dem Preis. Daher ist es am günstigsten, wenn du deinen gewonnenen Strom selbst verbrauchst. Der Eigenverbrauch schont deinen Geldbeutel und ist gleichzeitig eine Entlastung für die Umwelt.

Der von einer mittleren Photovoltaikanlage erzeugte Strom ist teilweise nur schwer von einem Einfamilienhaus zu verbrauchen. Deshalb bietet sich ein Mix aus Eigenverbrauch und Einspeisung ins öffentliche Netz an. Die Vergütung für deinen Strom richtet sich zum einen nach der Größe deiner Anlage und zum anderen nach dem Zeitpunkt der Inbetriebnahme. Die nächsten 20 Jahre bleibt deine Vergütung gleich. Besitzt du beispielsweise ein Einfamilienhaus mit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach mit bis zu zehn Kilowatt Peak Leistung, bekommst du ab dem 01.01.2015 eine Vergütung von 12,56 Cents pro Kilowattstunde. Um diese Einspeisevergütung zu bekommen, musst du deine Anlage bei der Bundesnetzagentur mit genauem Standort und Leistung anmelden. Bei deinem örtlichen Stromanbieter bekommst du weitere Informationen zur Einspeisung deines Stroms ins öffentliche Netz.

EEG – erneuerbare Energien Gesetz

Das Gesetz regelt die Vergütung und den Ausbau von erneuerbaren Energien. Im Sommer 2014 hat die deutsche Regierung den Gesetzestext geändert. Die EEG-Umlage, die jeder Haushalt zahlen muss, soll in nächsten Jahren stabil bleiben. Stromkosten dürfen nicht steigen und diese Zusatzkosten müssen langfristig geregelt werden.

Gleichstrom & Wechselstrom: Wenn wir von elektrischem Strom reden, dann sind das kleine Ladungsteilchen (beispielsweise Elektronen), die eine gerichtete Bewegung ausführen. Beim Gleichstrom ändert sich weder die Richtung noch die Stärke des Stromflusses. Ein gutes Beispiel hierfür ist eine Lampe, die an eine Batterie angeschlossen wird. Der Strom fließt die ganze Zeit in eine Richtung. Beim Wechselstrom, wie er aus unseren Steckdosen kommt, ändert sich die Bewegungsrichtung der Ladungen periodisch. Mithilfe eines Gleichrichters wir die Wechselspannung zur Gleichspannung.

Elektroden: Eine Elektrode ist ein Elektronenleiter, also ein Stromleiter. Damit der Strom fließen kann, braucht es immer eine Gegenelektrode. Als Anode wird die positive Elektrode bezeichnet und die Negative als Kathode.

Elektronen: Die negativ geladenen Teilchen umkreisen den Atomkern eines Elements in unterschiedlicher Anzahl. Außerdem umkreisen den Kern noch positiv geladenen Protonen und neutrale Neutronen. Sind genauso viele Protonen wie Elektronen vorhanden, verhält sich das Atom elektrisch neutral. Herrscht ein Elektronenüberfluss, ist das Atom negativ geladen. Bei einem Protonenüberschuss ist das Atom positiv geladen. Metalle haben frei bewegliche Elektronen, die sich vom Punkt mit Elektronenüberschuss zur Stelle mit Elektronenmangel bewegen. Diese Bewegung der der freien Elektronen ist elektrischer Strom.

5 Kommentare

  1. Schöner und informativer Beitrag Karin 🙂

    Ich bin schon längere Zeit am überlegen mein Hausdach mit so etwas auszustatten.

    Würdest du für den privaten Haushalt nun eher Photovoltaik oder Solarthermie empfehlen?

    Viele Grüße
    Daniel

  2. Hallo Daniel,

    auf erneuerbare Energien zu setzen, ist grundsätzlich eine gute Entscheidung.
    Solarthermie wird zur Warmwasserbereitung und Heizung genutzt. Hier brauchst du aber immer zusätzlich noch eine Heizung im Haus. Bei einem 4 Personen Haushalt brauchst du ungefähr 6 Quadratmeter Kollektorfläche. Dafür sparst du bis zu 60 Prozent bei den Warmwasserkosten. Für die Heizung rechnet man einen Quadratmeter Kollektorfläche für 10 qm Hausfläche. Dann sparst du bis zu 30 Prozent an Heizkosten. Investieren musst du hier so gute 5000 Euro – kannst aber Fördergelder beantragen.

    Mit Photovoltaikzellen wird Strom erzeugt, den du selbst nutzt und alles was übrig bleibt, ins öffentliche Netz einspeisen kannst. Wir rechnen wieder einen 4 Personen Haushalt mit 4000 kWh Stromverbrauch im Jahr. Du bräuchtest circa 50 qm Kollektorfläche. Bei einem Preis von 35000 Euro musst du genau rechnen, ab wann es sich wirklich rentiert. Bei deiner Entscheidung kommt es deshalb darauf an, wieviel du investieren möchtest/kannst und wie viel Fläche du zur Verfügung hast.

    Viele Grüße

  3. Sehr informativer Beitrag! Wir bauen nächstes Jahr auch ein Haus und stehen nun auch vor der Entscheidung uns für eine Photovoltaikanlage zu entscheiden…

    Liebe Grüße Nico

  4. Danke für den ausführlichen Artikel. 80000 – 100000 Euro Anschaffungspreis hört sich natürlich erstmal sehr viel an, wir überlegen auch schon ob wir das Risiko eingehen sollen. Der Artikel nimmt uns auf jeden Fall etwas die Angst.

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