Photovoltaik - Was sind die Wissens-Grundlagen für Verbraucher?

Photovoltaik für die Stromerzeugung zu Hause

Photovoltaik – Solarstromtechnik – macht das Dach des eigenen Zuhauses zum Elektrokraftwerk. Doch was müssen Verbraucher darüber wissen?

Photovoltaik ist eine der zukunftsweisendsten Techniken für die Stromerzeugung, auch im privaten Bereich. Doch wer sich selbst eine Photovoltaik-Anlage kaufen möchte, benötigt auch als Laie viel Grundlagenwissen. Genau die Photovoltaik Grundlagen liefern wir hier.

Wenn aus Licht Strom wird

Tatsächlich ist die Idee, aus Licht Strom zu erzeugen, kein Kind der jüngsten Zeit. Schon 1839 entdeckte der Physiker Alexandre Becquerel den sogenannten Photoelektrischen Effekt. Für Physikinteressierte: Dabei werden durch Lichteinstrahlung auf eine Metallplatte Elektronen aus deren Materie "herausgeschlagen". Die in Leitern fließende Elektronen sind das gesamte Geheimnis hinter Strom.

Prinzipiell sind für diesen physikalischen Vorgang zwar unterschiedliche Stoffe geeignet, für moderne PV-Anlagen kommt jedoch praktisch ausschließlich der Halbleiter Silizium zum Einsatz. An dieser Stelle müssen wir etwas tiefer in die Physik eintauchen. In einer PV-Zelle kommen zwei Sorten von Silizium zum Einsatz:

• n-dotiertes Silizium, zu dessen Atomen fünf Elektronen gehören
• p-dotiertes Silizium, das nur drei Elektronen aufweist

Trifft nun (Sonnen-) Licht auf eine Photovoltaik-Zelle, wird das n-dotierte Silizium dazu angeregt, Elektronen abzugeben. Getreu der physikalischen Grundlage, dass automatisch ein Gleichgewicht angestrebt wird, wandern diese Elektronen in Richtung des p-dotierten Siliziums. Dadurch entsteht eine Spannung, es fließt (Gleich-)Strom.

Der grundlegende Aufbau einer PV-Anlage

Auf diese Weise könntest du direkt den Strom verwenden – allerdings nicht im Haushalt. Denn wie erwähnt entsteht auf diese Weise in der PV-Zelle Gleichstrom. Für den normalen Haushalt wird jedoch Wechselstrom benötigt. Eine theoretische PV-Anlage sieht deshalb folgendermaßen aus:

• Photovoltaik-Platten
• Wechselrichter, der Gleich- in Wechselstrom umwandelt
• Stromzähler, der den ins Versorgungsnetz eingespeisten Strom misst
• Stromzähler, der den aus dem Versorgungsnetz bezogenen Strom misst

Dabei ist folgendes wichtig: Zwar ist es rein theoretisch (und auch praktisch) möglich, sämtlichen Strom, der so erzeugt wird, nur in seinem eigenen Haushalt zu verbrauchen oder zu speichern (die sogenannte Insellösung). Bei den meisten PV-Anlagen wird jedoch der überschüssige Strom ins öffentliche Netz eingespeist. Dadurch, dass er durch einen Zähler gemessen wird, bekommst du dafür Geld, die sogenannte Einspeisevergütung (mehr dazu weiter unten).

Wichtiges zu Lage und Ausrichtung

Licht ist zwar in jeder Himmelsrichtung vorhanden, in die du blickst. Allerdings haben selbst moderne PV-Anlagen "nur" einen Wirkungsgrad zwischen elf und 30 Prozent. Das bedeutet, von jedem eingestrahlten Watt an Lichtleistung wird nur ein Teil in elektrische, das heißt nutzbare Leistung umgewandelt.

Um die Verluste so gering wie möglich zu halten, ist es demnach (auf der Nordhalbkugel) unabdingbar, nicht nur die gesamte PV-Anlage nach Süden auszurichten, sondern die einzelnen Platten auch so zu neigen, dass die Sonne möglichst senkrecht auf sie scheint. Und nicht nur Wolken, sondern prinzipiell jeder Ast, jedes Freileitungskabel reduziert die Einstrahlung weiter (der Fachmann spricht von Abschattung).

Möglichkeiten zur Stromspeicherung

Tatsächlich gibt es auch Batterien als Speicher, damit der Strom nicht ins öffentliche Netz gespeist werden muss. Das Problem ist jedoch, wir sprechen hier nicht von ein- oder niedrig zweistelligen Volt-Zahlen mit wenigen Watt, wie sie in Haushalts- oder Autobatterien stecken, sondern eben Anlagen, die wesentlich mehr leisten.

Um solche Mengen zu speichern, sind auch wesentlich umfangreichere Batterien notwendig. Sie basieren auf den gleichen Wirkprinzipien wie jede Fernbedienungs-Batterie, jedoch eben viel größer. Je nach Kapazität sind solche PV-Energiespeicher größer als ein Kühlschrank und kosten mehrere tausend Euro. Daher ist es notwendig, sehr genau zu rechnen – also Erzeugung, Verbrauch, Systemkosten. Häufig, aber nicht immer, helfen Stromspeicher dabei, dass sich eine PV-Anlage schneller rentiert.

Smarte Systeme können aber mittlerweile noch viel mehr. Hast du ein Elektroauto, kann dessen Batterie auch als Stromspeicher genutzt werden. Smarte Systeme holen den Strom aus dem Auto-Akku, wenn die im Haus benötigt wird, lassen aber so viel Strom im Auto, dass es noch fahrbereit ist. Wird es nicht genutzt, kann der Strom der Solaranlage direkt in den Akku fließen.

Die technischen Werte:

Dabei beginnt alles mit Daten, mit denen jeder schon mal im Physikunterricht Kontakt gehabt haben sollte:

• Leistung in Watt bzw. Kilowatt (1kW = 1.000W)
• Zeitleistung in Kilowattstunden (kWh; 1kWh = 1.000W x 1h)
• Maximalleistung in Kilowatt Peak (kWp) - Dieser Wert ist besonders wichtig für PV-Anlagen, da er Auskunft darüber gibt, wie viel Leistung die Anlage oder Einzelkomponenten unter Idealbedingungen (optimaler Einstrahlungswinkel, null Abschattung) abgeben können.
• Realistische Jahresleistung in Kilowatt - Also ein Wert, der im Alltag in einem Zeitraum von 365 Tagen erreicht wird. Dadurch, dass praktisch nirgendwo optimale Bedingungen vorherrschen, ist dieser Wert immer (wesentlich) niedriger ️als ️der ️„Laborwert“ ️Kilowatt ️Peak.

Steuern und Regeln

So hochtechnisiert eine PV-Anlage ist, als Basismodell funktioniert sie nach dem Wasserlauf-Prinzip: Was erzeugt wird, fließt dorthin, wo Öffnungen vorhanden sind – beim Strom also Verbraucher. Das bedeutet also, wenn mehr erzeugt wird, als der jeweilige Haushalt direkt verbraucht, wird der überschüssige Strom automatisiert über den Zähler ins öffentliche Netz eingespeist. Um abermals die Wasserlauf-Analogie zu bemühen: Wenn der Druck im System zu groß wird, geht eine federbelastete Klappe auf und entlässt Wasser ins Freie.

Das Problem an der Sache ist, es gibt zwar die Einspeisevergütung; diese liegt jedoch um rund die Hälfte geringer als der durchschnittliche Strompreis. Die Überschüsse werden zwar zunächst vergütet, wird jedoch mehr Energie benötigt, muss diese zugekauft werden. In der Praxis "halbieren" sich deshalb die Stromkosten nur, statt wesentlich tiefer zu sinken.

Die Zähler

In einem Haushalt ohne Solaranlage existiert meist nur der einfache Bezugszähler. Dieser misst den verbrauchten Strom.

Wenn eine Solaranlage verbaut wurde, bekommt man zusätzlich einen Einspeisezähler, der den Strom misst, der von der Solaranlage erzeugt wurde und entweder zu 100% eingespeist wird oder anteilig anhand des Verbrauches.

Beide Zähler müssen eine Rücklaufsperre haben, damit nicht erzeugter Strom den Zähler rückwärtslaufen lässt. Es gibt aber auch die Möglichkeit, einen Zweirichtungszähler einbauen zu lassen. Dann sind beide Geräte in einem integriert. Auch dieser wird beim Netzbetreiber gemietet und kostet in der Regel max. 80 ️€ / Jahr.

Noch erwähnt werden sollte der Ertragszähler, der den tatsächlich erzeugten Strom der Photovoltaik-Anlage misst. Da das aber mittlerweile fast alle Wechselrichter können und die Daten auch auf Smartphone-Apps angezeigt werden können, ist der Zähler eigentlich nicht mehr erforderlich.

PV und die Zahlen

Wer sich mit dem Kauf einer Photovoltaik-Anlage beschäftigt, wird nicht umhinkommen, sich einer regelrechten Lawine von Zahlenkolonnen zu stellen. Hier widmen wir uns diesen Werten.

Häufig wird einem auch noch die Einheit Joule bzw. deren Vielfache (Kilojoule, Megajoule…) begegnen. Sie lässt sich einfach aus der Zeitleistung umrechnen: 1 Wattstunde Wh = 3.600 Joule / 3,6kJ.

Einspeisevergütungen und mehr

Wie bereits erwähnt gibt es Geld dafür, dass man seinen privat erzeugten PV-Strom ins öffentliche Netz einspeist, die sogenannte Erneuerbare-Energien-Gesetz-Einspeisevergütung oder, etwas weniger sperrig, EEG-Einspeisevergütung. Das Geld zahlt der Netzbetreiber, allerdings gibt es sehr genaue staatliche Vorgaben.

Doch welche Anlage bekommt wie viel? Dazu bedienen sich die gesetzlichen Vorgaben dreier Faktoren:

• Die Peak-Leistung der gesamten Anlage
• Der Aufstellungsort der Anlage (PV-Module auf Hausdächern werden höher vergütet als etwa solche auf Nebengebäuden)
• Der Zeitpunkt der Inbetriebnahme (Die Vergütung ist mit einer automatischen Degression versehen. Pro Jahr, das verstreicht, gibt es weniger. Es gilt jedoch, dass man die Vergütung, die zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme gültig war, für 20 Jahre bekommen wird).

Basierend auf diesen Werten wird ein fester Betrag pro eingespeiste Kilowattstunde ausgezahlt, der in unregelmäßigen Abständen durch Verringerung der Förderung sinkt. Dadurch kommt also praktisch jeder Haushalt auf unterschiedliche Werte. Als Beispiel: Kleine Anlagen bis 10kWp erhalten die höchste Einspeisevergütung. Wer jetzt eine solche Anlage errichten würde, bekäme dafür aktuell und in der Zukunft 8 Cent/kWh (Stand 2024). Wer jedoch die gleiche Anlage 2008 errichtet hätte, bekäme stattdessen satte 47,75 Cent.

Photovoltaik in der Praxis

Schon der letzte Punkt des vorherigen Kapitels deutete an, dass es praktisch wird. Und genau dieser Tatsache widmen wir uns im finalen Teil. Der Durchführung einer PV-Installation im eigenen zuhause.

Die Planung

Der wichtigste Punkt dabei ist die grundsätzliche Planung. Sie beginnt damit, zu eruieren, welchen Stromverbrauch der Haushalt überhaupt hat – ein Blick auf ältere Stromrechnungen ist also Pflicht.

Anhand dieser Werte hast du dann zumindest schon mal einen Näherungswert darüber, wie viel Leistung du brauchst. Mit diesen Werten im Hinterkopf suchst du dir nun einen Anbieter aus. Das geht einfach durch den Google-Suchbegriff "Wohnort + PV-Anlage", was dir eine ziemlich große Liste möglicher Betriebe bescheren sollte.

Da du weißt, welche Leistung du benötigst, telefonierst du nun einige davon ab und lässt dir ungefähre Kosten mitteilten und entscheidest dich dann – zwangslos zunächst – für einen der Fachbetriebe (Solarteur) oder aber ziehst einen unabhängigen Energieberater hinzu, der anhand der Eckdaten Empfehlungen ausspricht.

Lage und Statik mit einbeziehen

Im nächsten Schritt steht ein Ortstermin auf der Agenda. Unumgänglich. Denn hierbei geht es nicht mehr nur darum, theoretische Preisvorschläge zu unterbreiten, sondern um einen verbindlichen Kostenvoranschlag. Dazu ist es allerdings notwendig, das Haus und sein gesamtes Umfeld einer genauen Betrachtung zu unterziehen. Näheres dazu im Kasten rechts.

Kurzgesagt: Der Fachmann eruiert also den Ist-Zustand vor Ort. Und aufgrund dieser Tatsachen kann er nun einen Kostenvoranschlag erstellen, mit sämtlichen anfallenden Arbeiten, den korrekten Modulen, zusätzlichen Gewerken und natürlich kann er auch verraten, ob Photovoltaik hier wirklich sinnvoll ist – den guten Solarteur erkennst du daran, dass er nicht versucht, trotz suboptimaler Umgebungsbedingungen trotzdem Anlagen zu verkaufen.

Worauf muss ich beim Haus und seiner Umgebung achten?

1. Die generelle Ausrichtung des Hauses - weist eine Satteldachhälfte nach Osten, die andere nach Westen, kann es problematisch werden, die durch die Einstrahlungsscheibe vorgegebenen Winkel einzuhalten.
2. Die Statik des Daches - Ein neuer Dachstuhl hat in aller Regel kein Problem mit dem zusätzlichen Gewicht, ältere Installationen können jedoch unterdimensioniert sein und erfordern daher entweder eine Dachsanierung oder Ausweichen auf Nebengebäude. Auch fassadenmontierte PV-Module könnten eine Alternative darstellen.
3. Die gesamte Umgebung - Wodurch können mögliche Abschattungen entstehen? Gibt es eventuell Bäume die gefällt oder gekürzt werden müssen?
4. Die elektrische Installation des Hauses - Was ist vorhanden, was muss für den Einbau ergänzt werden?

Baugenehmigung?

Normalerweise benötigen PV-Anlagen keine Baugenehmigung. "Leider" ist Deutschland jedoch föderal organisiert. Soll heißen, jedes Bundesland und jede Gemeinde kann eigene, abweichende Regeln erlassen. Nur zur Sicherheit sollte man daher vor der Auftragsvergabe beim Gemeindebüro anrufen oder besser mit den Plänen persönlich vorstellig werden.

Der Netzbetreiber

Während das System installiert wird, kannst du dir die Zeit nehmen, deinen Netzbetreiber zu kontaktieren. Denn angemeldet werden muss die Anlage in jedem Fall.

Im Betrieb

Die Arbeiten sind abgeschlossen. Bei jedem Sonnenstrahl zeigt der Zähler dem stolzen Besitzer den Ertrag sichtbar an. Allerdings ist nun noch ein Schritt zu tun: Die Bundesnetzagentur muss verständigt werden, am besten am ersten Tag. Denn PV- Besitzer sind verpflichtet, ihre Anlage in einem Marktstammdatenregister einzutragen – wer das nicht tut, bekommt keine Einspeisevergütung.

Für den weiteren Betrieb gibt es nur wenig zu beachten. Dadurch, dass sich in den PV-Zellen nichts bewegt, gibt es praktisch keinen Verschleiß – mit einer Ausnahme: Schmutz, der sich unweigerlich mit der Zeit auf den Platten ablegt – durch Regen, Staub, Abgase. Auch dies reduziert die Effizienz des Systems, selbst wenn durch die Neigung vieles gewissen Selbstreinigungskräften unterliegt.

Dennoch: Etwa alle Drei Jahre sollte man entweder selbst zu Wassereimer und weicher Bürste greifen oder aber einen fachmännischen Reinigungsbetrieb hinzuziehen – Solaranlagen-Reiniger gibt es mittlerweile quer durch die gesamte Republik. Dabei berechnen sich die Reinigungskosten ganz einfach pro Quadratmeter PV-Fläche. Mehr als maximal drei Euro/m² sollte man allerdings nicht ausgeben.

Fazit

PV-Anlagen sind in aller Munde. Längst nicht mehr nur deshalb, weil sich über die Einspeisevergütung so mancher Euro verdienen lässt – heute ist das kaum noch ein echter Anreiz. Viel mehr deshalb, weil das gesamte System mittlerweile sehr ausgereift ist. Man erzeugt nicht nur Strom, sondern kann ihn effizient speichern, kann ihn smart gesteuert verbrauchen, wenn man ihn benötigt. Natürlich, das ist alles mit Kosten verbunden. In Anbetracht dessen, dass es effektive Förderangebote gibt und sich durch die Eigenproduktion die Kosten teilweise massiv verringern, amortisieren sich selbst große PV-Anlagen nach ungefähr einem Jahrzehnt.

Auch als Altersvorsorge kann sich sowas rechnen. Eine Solaranlage kann man in den Zeiten, wo man arbeitet, installieren und monatlich abzahlen, statt in eine unsichere Finanzanlage zu investieren. Wenn die abgezahlt ist, kann man dann die Stromkosten durch seine eigene Anlage decken und die Netto-Rente kann somit höher ausfallen.

Bildquellen:

1) fotolia.com © diyanadimotrova
2) fotolia.com © Africa Studio
3) fotolia.com © Omika
4) fotolia.com © vom
5) fotolia.com © Smileus
6) fotolia.com © Marina Lohrbach