Photovoltaik – die Basics

In Deutschland gehören Photovoltaik-Anlagen inzwischen zum Landschafts- bzw. Stadtbild. Dank der im EEG (Erneuerbare-Energien Gesetz) festgelegten Einspeisevergütung ist es seit vielen Jahren möglich, Photovoltaik-Anlagen auch im kleinen Stil wirtschaftlich zu betreiben. Aber wieso eigentlich genau? Woraus besteht eine Photovoltaik-Anlage? Und, was ist eigentlich der photovoltaische Effekt?

Was ist der photovoltaische Effekt?

Eine Photovoltaik-Anlage wandelt sichtbares Licht in elektrischen Strom um. Das passiert, indem, vereinfacht gesagt, Lichtteilchen Elektronen so weit aus Ihrer Bindung herausschlagen, dass sie nicht mehr zurück können, ohne den Weg über einen externen Stromkreis zu nehmen. Dadurch entsteht eine Spannung und Strom fließt. Diesen Strom können wir uns im Alltag nutzbar machen.

Entdeckt wurde dieser Effekt bereits 1839 von Alexandre Edmond Becquerel, mehr oder weniger zufällig, wie so viele bahnbrechende Entdeckungen. Allerdings dauerte es noch über 100 Jahre, bis 1955 die erste technisch Anwendung für Photovoltaik-Zellen gefunden wurde. Zum Glück sind wir heute mehr als nur einen Schritt weiter.

Trotzdem sind diese Zellen bis heute die Kernelemente jeder Photovoltaikanlage. Die Zellen werden bei den verbreiteten Siliziummodulen aus Siliziumblöcken gesägt (und dann entsprechend verarbeitet und mit elektrischen Kontakten versehen). Die relativ einheitliche Größe der Zellen ist durch die Produktion bedingt.

Anwendungsgebiete

Neben Photovoltaik-Anlagen im eigentlichen Sinn gibt es eine ganze Reihe weitere Anwendungen für Photovoltaik. Angefangen von Taschenrechnern über Parkscheinautomaten bis hin zur Internationalen Raumstation ISS machen sich viele Anwendungen die Netzunabhängige Stromerzeugung zu Nutze. In vielen dieser Sonderfällen führt der manchmal noch verwendete Begriff „Alternative Energien“ in die Irre, denn eine echte Alternative zur Photovoltaik gibt es nicht. So haben die Anwendungsfälle außerhalb der Erdatmosphäre sicher zu einem großen Teil zum Durchbruch der Photovoltaik beigetragen.

Quantitativ weit wichtiger sind jedoch klassische, Netz-gekoppelte Photovoltaik-Anlagen. Zum Vergleich: Alle Photovoltaik-Module des wohl prominentesten Sonderfalls, der ISS, haben eine installierte Leistung von 120 Kilowatt, auch Kilowattpeak (kWp) genannt. Kleiner Solarparks in Deutschland haben aus rechtlichen Gründen heute oft eine Leistung von knapp unter 750 kWp. Der größte Solarpark der Welt, der noch in Bau befindliche Solarpark Benban in Ägypten, wird eines Leistung von mehr als 1600000 kWp (1,6 GWp) haben.

Woraus besteht eine Photovoltaik-Anlage?

Photovoltaik-Anlagen sind also definitiv den Kinderschuhen entwachsen. Die Module und zusätzlichen Elemente einer Photovoltaik-Anlage werden längst in Serie gefertigt. Auf ein typisches Einfamilienhaus passen Module mit einer Leistung zwischen sechs und 20 kWp, Tendenz steigend. Mit Anlagen dieser Größe lässt sich ein großer Teil des Stromverbrauchs eines Haushaltes abdecken.

Eine Photovoltaik-Anlage besteht aus:

  • Photovoltaik-Modul
  • Wechselrichter
  • Kabel
  • Zähler
  • Montagesystem
  • Überspannungsschutz
  • und einigen Kleinteilen mehr.

Photovoltaik-Modul

Ein Photovoltaik-Modul ist eine gut handhabbare, geschützte und mehr oder weniger standardisierte Anordnung mehrerer Photovoltaik-Zellen. Da die gängigen Zellen eine elektrische Spannung von etwa 0,5 Volt erzeugen, werden in Modulen meistens 60 oder 72 Zellen verbaut, um auf etwa 30 bzw. 36 Volt zu kommen. Das sind Spannungsebenen, mit denen sich gut arbeiten lässt. Auch die Größe der Module ist dann gut handhabbar. Die sogenannten 60-Zeller sind etwa einen Meter breit und 1,65 m hoch bei einem Gewicht von etwa 18 kg (das kann je nach Bauform variieren). Die meisten Module werden auf der Vorderseite mit einer speziellen Glasscheibe versehen, von hinten durch eine Folie geschützt und durch einen umlaufenden Alurahmen stabilisiert. Innerhalb eines Moduls gibt es dann noch sogenannte Bypass-Dioden, mit denen ein Teil des Moduls „ausgeschaltet“ werden kann, wenn eine zu starke Verschattung vorliegt. Die elektrischen Kontakte werden über isolierte Gleichstromkabel mit speziellen Photovoltaik-Steckern nach außen geführt um die Verkabelung der Anlage zu vereinfachen.

Montagesystem

Die Module werden über ein Montagesystem mit dem Dach oder dem Boden verbunden. Hier sind der Kreativität kaum Grenzen gesetzt. Meistens sind die Montagesysteme aus Aluschienen und Klemmen aufgebaut, die dann mit Dachhaken oder Gestellen befestigt werden. Es gibt allerdings auch Plastik-Wannen und Holzunterkonstruktionen, die im Einzelfall zur Anwendung kommen. Die Bedeutung des Montagesystems für die Photovoltaik-Anlage ist nicht zu unterschätzen und wenn Ihr da mehr zu hören wollt, dann schreibe ich gerne auch mal einen Beitrag über Montagesysteme. Fürs Erste will ich auf diesen Teil jedoch nicht weiter eingehen.

Kabel, Zähler und co.

Ein weiterer Teil, den ich erstmal außen vor lasse, sind Bauteile wie Kabel, Sicherungen, Stecker, Überspannungsschutz und ähnliches mehr. Interessanter wird es aus meiner Sicht wieder am anderen Ende der Gleichstrom-Kabel, die von den Modulen zur Technik führen. Dort sitzt der Wechselrichter.

Wechselrichter

Wie bereits erwähnt, erzeugt ein Modul etwa 30 Volt Spannung. Schaltet man mehrere Module in Reihe, addiert sich diese Spannung. Das heißt, was von den Modulen kommt, hängt primär von deren Anzahl ab. Ganz wichtig in diesem Zusammenhang noch: Wir reden von Gleichspannung. Die Stomnetze in unseren Häusern werden allerdings (in Deutschland) mit 230 Volt Wechselspannung betrieben. Hier kommt der Wechselrichter ins Spiel. Wechselrichter machen aus einigen hundert Volt Gleichspannung 230 Volt Wechselspannung mit einer Frequenz von ziemlich genau 50 Hz. Gleichzeitig hat der Wechselrichter die Aufgabe, ein optimales Verhältnis von Spannung und Strom zu finden, um so die Leistung der Anlage zu optimieren. Zur Erinnerung:

Spannung U * Strom I = Leistung P

Das ganze wird als MPP-Tracking bezeichnet (MPP = Maximum Power Point). Diese beiden Dinge, Umwandlung und MPP-Tracking, sollte ein guter Wechselrichter gut können. Darüber hinaus stellen moderne Wechselrichter oft noch weitere Dienste zur Verfügung, beispielsweise Webserver, über die der Ertrag angeschaut werden kann oder Schaltkontakte, mit denen Verbraucher ab einer bestimmten aktuellen Erzeugung zugeschaltet oder abgeschaltet werden können.

Verschiedene Hersteller wetteifern hier um die Gunst der Kunden und Installateure (ohne Wertung und ohne Anspruch auf Vollständigkeit):

  • SMA
  • Kostal
  • Fronius
  • KACO new energy
  • Delta

Wie wird eine (kleine) Photovoltaik-Anlage wirtschaftlich?

Heute ist Photovoltaik in Deutschland in großen Solarparks die günstigste Methode, elektrischen Strom zu erzeugen. Günstiger als alle Konventionellen Kraftwerkstypen und auch günstiger, als beispielsweise Windenergie. Wir bewegen uns hier in der Größenordnung von etwa 5 Cent/kWh Stromgestehungskosten. Für den normalen Betreiber einer kleinen oder auch etwas größeren Anlage sind die Zahlen noch etwas schlechter, bei etwa 8 Cent/kWh oder, in schwierigen Fällen, auch deutlich über 10 Cent/kWh (netto, also ohne Umsatzsteuer).

Stand jetzt, also Mitte 2019, ist der mittlere Strompreis, den Verbraucher im Einkauf zahlen, etwa 30 Cent/kWh (brutto, also mit Umsatzsteuer). Hier liegt der eigentliche Gewinn: Strom, der eigentlich aus dem Netz kommt, durch günstigeren Photovoltaik-Strom substituieren. Bei 8 Cent/kWh Stromgestehungskosten (ca. 9,5 Cent/kWh brutto) spart man so pro kWh über 20 Cent. (Der Strompreisentwicklung ist ein eigener Beitrag gewidmet, der vermutlich schon in der kommenden Woche herauskommt).

Eine kleiner Rolle für Neuanlagen spielt noch die Einspeisevergütung, die in der Regel nach EEG (also nach den Regeln des Erneuerbare-Energien Gesetz) gezahlt werden. Diese ist meist nicht mehr viel über den Erzeugungskosten, manchmal sogar darunter. Ohne das EEG und seine Regelungen wären wir jedoch heute nicht da, wo wir sind.

Schließlich und endlich leisten auch die dauerhaft günstigen Zinsen Ihren Beitrag zum wirtschaftlichen Erfolg der Betreiber kleiner Photovoltaik-Anlagen. Mit Krediten wird die Rendite „gehebelt“ und führ dazu, dass die Rendite auf das eingesetzte Eigenkapital steigt. Zu diesem Hebeleffekt wird später definitiv auch noch ein Beitrag kommen, da die Bedeutung oft nicht bekannt ist.

Zum Schluss

Mich würde interessieren, gefällt Dirder Stil dieses Artikel? Zu technisch oder zu wenig technisch (für einen „Basics“-Artikel)? Zu lang? Zu kurz? Willst Du mehr Bilder? Bitte einfach unten drunter kommentieren. Vielen Dank 🙂

Außerdem habe ich heute eine Literatur-Seite eingerichtet, die Du über das obere Menü findest. Dort gibt es (im Moment noch wenig, in Zukunft mehr) Literaturempfehlungen zu den verschiedenen Themen.

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