Photovoltaikanlagen

 

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik bezeichnet die Technologie, die (Sonnen-)Licht mittels Solarzellen in elektrische Energie umwandelt. Dieser photovoltaische Effekt ist die Grundlage von Solarstromanlagen.

Der photovoltaische Effekt

Solarzellen nutzen den sogenannten „inneren photoelektrischen Effekt“, der bereits im Jahr 1839 entdeckt wurde. Dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel war aufgefallen, dass bestimmte Materialien unter Sonneneinstrahlung eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Becquerel forschte mit Selen-Verbindungen. 

Heute verwendet man für Solarzellen oftmals gezielt mit Fremdatomen verunreinigtes Silizium, aber auch Materialkombinationen wie Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid oder CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid). Auch aus organischen Verbindungen lassen sich Solarzellen fertigen.

Allen eingesetzten Materialien ist gemeinsam, dass es sich dabei um Halbleiter handelt. Damit werden Festkörper bezeichnet, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der Leitfähigkeit von elektrischen Leitern (z.B. Eisen) und Nichtleitern (z.B. Glas sowie viele Kunststoffe) liegt. Hinzu kommt, dass die Leitfähigkeit der Halbleiter bei steigender Temperatur ebenfalls ansteigt.

 

Der Aufbau von Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen bestehen aus Solarzellen, die in Modulen gruppiert sind. Diese Module können wiederum zu Solarmodulen kombiniert werden, die auf Dächern, an Fassaden oder auf freiem Gelände installiert werden. Die Schlüsselkomponente jeder Solarzelle ist das Halbleitermaterial, das in der Regel aus Silizium besteht.

 

So funktionieren Photovoltaikanlagen

 

  1. Absorption von Sonnenlicht

Die Solarzellen in den Modulen absorbieren Sonnenlicht, das aus Photonen besteht.

  1. Freisetzung von Elektronen

Wenn Photonen auf die Solarzellen treffen, absorbieren die Elektronen im Halbleitermaterial die Energie und werden angeregt. Dadurch werden Elektronen von ihren normalen Positionen im Atomgitter gelöst.

  1. Elektronenbewegung

Die gelösten Elektronen bewegen sich durch das Halbleitermaterial und erzeugen einen Gleichstrom.

  1. Erzeugung von elektrischer Energie

Die Bewegung der Elektronen erzeugt einen elektrischen Strom, der über metallische Kontakte an den Solarzellen abgegriffen wird.

  1. Wechselrichter

Der erzeugte Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, der für den Haushaltsgebrauch geeignet ist. Dieser Strom kann direkt im Haus genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden.

Die passenden Solarmodule 

So viele Solarmodule braucht es

Durch die Verbindung mehrerer Solarmodule lässt sich die Leistung und damit die Menge an erzeugbarem Solarstrom entsprechend proportional vergrößern. Faustformel: Um eine Leistung von 1kWp erzeugen zu können, werden Solarmodule mit einer Fläche von etwa 6 Quadratmetern benötigt – abhängig von der Leistung der Solarzellen mehr oder weniger. Die Sonneneinstrahlung liegt in Deutschland bei jährlich etwa 1.000 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter und ist im Sommer etwa fünfmal höher als im Winter.

Rechenbeispiel: Der jährliche Strombedarf einer vierköpfigen Familie liegt im Schnitt bei 4.500 kWh. Die PV-Anlage sollte so dimensioniert werden, dass sie zumindest rechnerisch den Bedarf deckt, im vorliegenden Fall ist also eine Nennleistung von mindestens 4 bis 6 kWp sinnvoll. Das bedeutet, dass eine ungefähre Dachfläche von 24 bis 36 m² benötigt wird. 

Da die genaue Berechnung aber von vielen Faktoren abhängig ist (z.B. Neigungswinkel, Ausrichtung zur Sonne, Umgebungstemperatur), ist die Planung durch eine geschulte Fachkraft nötig. Diese ermittelt den optimalen Aufbau, damit die Anlage den höchstmöglichen Ertrag erzielen kann. 

Für Photovoltaikanlagen im privaten Bereich kommen heutzutage fast ausschließlich Solarmodule mit monokristallinen Solarzellen zum Einsatz, die einen hohen Wirkungsgrad haben. Polykristalline Solarmodule mit ihren blauen Oberflächen findet man mittlerweile nur noch im Bestand.  

Solarmodule sind auf der Vorderseite mit einer Glasbeschichtung und auf der Rückseite entweder mit einer Folie (Glas-Folie-Module) oder mit einer weiteren Glasschicht (Glas-Glas-Module) versehen. Glas-Glas-Module sind etwas aufwendiger in der Herstellung, die Kosten amortisieren sich jedoch aufgrund ihrer Robustheit, Langlebigkeit und vor allem aufgrund des sehr geringen Leistungsverlusts, der deutlich unter dem von Glas-Folie-Modulen liegt.

Die Ausrichtung einer PV-Anlage

Die Ausrichtung einer Photovoltaikanlage ist entscheidend für ihre Effizienz und die maximale Energieerzeugung. Die optimale Ausrichtung hängt von der geografischen Lage des Standorts ab.

 

  • Südausrichtung (auf der Nordhalbkugel): In den meisten Regionen der Nordhalbkugel ist eine südliche Ausrichtung der Solaranlagen ideal, um die maximale Sonneneinstrahlung zu erhalten. Diese Ausrichtung gewährleistet, dass die Module den größten Teil des Tages direktes Sonnenlicht einfangen.

 

  • Nordausrichtung (auf der Südhalbkugel): Auf der Südhalbkugel ist die optimale Ausrichtung in Richtung Norden. Hierbei sind die Module nach Norden geneigt, um die maximale Sonneneinstrahlung zu erhalten.

 

  • Optimale Neigungswinkel: Dieser hängt vom Breitengrad des Standorts ab. Im Allgemeinen wird empfohlen, den Neigungswinkel etwa dem Breitengrad des Standorts anzupassen. In Deutschland, beispielsweise, beträgt der optimale Neigungswinkel etwa 30 bis 35 Grad.

 

  • Abweichungen: In einigen Fällen ist es möglicherweise nicht möglich, die Solarmodule perfekt nach Süden oder Norden auszurichten. In solchen Situationen können geringfügige Abweichungen toleriert werden, allerdings können sie die Energieerzeugung beeinträchtigen.

 

  • Ost-West-Ausrichtung: In einigen Fällen kann eine Ost-West-Ausrichtung in Betracht gezogen werden. Sie ermöglicht es, die Sonnenenergie über den Tag hinweg gleichmäßiger zu nutzen, wodurch die Spitzenleistung möglicherweise etwas abnimmt, aber die Energieproduktion über einen längeren Zeitraum verteilt wird.

 

  • Solartracker: Ein Solartracker ist eine mechanische Vorrichtung, die die Position der Solarmodule verändert, um die Sonne während des Tages zu verfolgen. Dadurch kann die Anlage die maximale Sonneneinstrahlung einfangen. Solartracker sind jedoch komplexer und teurer als feste Montagesysteme.

 

Die genaue Ausrichtung einer Photovoltaikanlage hängt also von mehreren Faktoren ab. Es ist ratsam, eine sorgfältige Planung vor der Installation durchzuführen, um die optimale Leistung und Rentabilität der Anlage zu gewährleisten. Formularbeginn

 

Vorteile von Photovoltaikanlagen

  • Unendliche Energiequelle: Solarenergie ist eine unerschöpfliche Energiequelle, da die Sonne täglich enorme Mengen an Energie liefert.

 

  • Umweltfreundlich: Die Nutzung von Sonnenenergie zur Stromerzeugung produziert im Vergleich zu traditionellen Energiequellen nur geringe Treibhausgas-Emissionen.

 

  • Dezentrale Energieerzeugung: Photovoltaikanlagen können auf Gebäuden oder in abgelegenen Gebieten installiert werden, was eine dezentrale Energieerzeugung ermöglicht.

 

  • Niedrige Betriebskosten: Nach der Installation sind die Betriebskosten von Photovoltaikanlagen im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken gering.

 

  • Unabhängigkeit von Energieversorgern: Individuelle Solaranlagen bieten die Möglichkeit, unabhängiger von zentralen Energieversorgern zu sein.

Photovoltaik und Steuern

Es gibt Wege, Photovoltaikanlagen ohne Finanzamt zu betreiben und so den bürokratischen Aufwand auf ein Minimum zu reduzieren. Das ist möglich, wenn die Kleinunternehmerregelung in Anspruch genommen wird. Dieses Vorgehen ist nach der EEG-Novelle 2023 möglich geworden. Unter Umständen bleibt es aber sinnvoll, die Steuern in Bezug auf die Photovoltaikanlage zu optimieren. So ist es etwa möglich, eine PV-Anlage abzuschreiben oder sich den Batteriespeicher steuersparend anzuschaffen. 

Anmeldung und Genehmigung

Jede PV-Anlage muss, sofern sie ans Stromnetz angeschlossen wird, beim Netzbetreiber und bei der Bundesnetzagentur angemeldet werden. Für letztere Meldung gibt es das Marktstammdatenregister, bei dem Sie Ihre PV-Anlage online anmelden können. Von der Pflicht zur Anmeldung ausgenommen sind lediglich die sogenannten Inselanlagen, die unabhängig vom Stromnetz betrieben werden und keinen Strom ins öffentliche Netz einspeisen. 

Hausbesitzer können sich in der Regel frei für die Nutzung der Photovoltaik entscheiden, wenn nicht örtliche Bauordnungen diese Freiheit einschränken. Besitzer von Eigentumswohnungen benötigen in der Regel die Zustimmung der Eigentümerversammlung, wenn sie eine Photovoltaikanlage errichten wollen. Mieter müssen hingegen stets die Genehmigung des Vermieters einholen. Das gilt selbst für kleine Balkonanlagen. 

Blick in die Zukunft der Photovoltaik

  1. Höhere Effizienz: Forschung und Entwicklung konzentrieren sich darauf, die Effizienz von Solarzellen weiter zu steigern. Neue Materialien und Fertigungstechnologien sollen die Energieausbeute pro Flächeneinheit erhöhen.

 

  1. Transparente Solarzellen: Die Entwicklung von transparenten oder halbtransparenten Solarzellen ermöglicht die Integration von Photovoltaik in Fenster, Fassaden und andere Oberflächen, ohne die Sicht zu beeinträchtigen.

 

  1. Leichtgewichtige und flexible Module: Fortschritte bei flexiblen und leichten Materialien ermöglichen die Integration von PV-Modulen in eine Vielzahl von Oberflächen und Anwendungen, darunter tragbare Geräte, Kleidung und rollbare Solarmodule.

 

  1. Batterietechnologien: Die Verbesserung von Batterietechnologien zur effizienten Speicherung von Solarenergie ist ein zentraler Fokus. Fortschritte in der Lithium-Ionen-Technologie sowie die Erforschung neuer Batterietypen werden erwartet.

 

  1. Solarenergie in der Wasserstoffproduktion: Die Nutzung von Solarenergie zur Wasserstoffproduktion (Power-to-Gas) gewinnt an Bedeutung. Wasserstoff kann als speicherbare Energiequelle dienen und in verschiedenen Sektoren wie Industrie und Verkehr eingesetzt werden.

 

  1. Integration von KI und IoT: Die Integration von künstlicher Intelligenz (KI) und dem Internet der Dinge (IoT) ermöglicht die intelligentere Steuerung und Überwachung von Photovoltaikanlagen, um deren Effizienz zu maximieren und den Energieertrag zu optimieren.

 

Die Photovoltaiktechnologie befindet sich in einem stetigen Entwicklungsprozess, der darauf abzielt, die Leistungsfähigkeit zu steigern, die Kosten zu senken und die Umweltauswirkungen zu minimieren. Fortschritte in diesen Bereichen könnten dazu beitragen, Solarenergie zu einer noch tragfähigeren und weitverbreiteten Energiequelle der Zukunft zu machen.

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