www.energie-lexikon.info, enlex.info
RP-Energie-Lexikon
fachlich fundiert, unabhängig von Lobby-Interessen

Photovoltaik

<<<  |  >>>  |  Feedback

Akronym: PV

Definition: ein Verfahren zur direkten Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie

Englisch: photovoltaics

Kategorien: elektrische Energie, erneuerbare Energie, Grundbegriffe, Haustechnik

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 11.06.2010; letzte Änderung: 06.11.2016

Beachten Sie auch weitere Artikel zur Photovoltaik:

Die Photovoltaik (oder Fotovoltaik) ist ein technisches Verfahren, um Energie von Licht (also eines Teils der Strahlung der Sonne) mit Hilfe von Solarzellen direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Meist wird Sonnenlicht, d. h. Sonnenenergie eingesetzt, obwohl Solarzellen durchaus auch mit anderen (technischen) Lichtquellen wie Lasern arbeiten können. Man erhält damit eine erneuerbare Quelle elektrischer Energie. Der Artikel über Solarzellen beschreibt einige technische Aspekte dieser Bauelemente, während es hier um allgemeinere Aspekte geht.

Bestandteile einer Photovoltaikanlage

Grundlegender Bestandteil jeder Photovoltaikanlage sind die Solarmodule, die die Solarzellen enthalten. Sie werden z. B. auf einem Dach befestigt (siehe unten) und dienen bei Sonneneinstrahlung als eine Gleichstromquelle.

Um die elektrische Energie z. B. für übliche Haushaltsgeräte nutzen zu können, muss eine Wechselspannung entsprechend der ortsüblichen Netzspannung erzeugt werden. Hierzu dient ein Solarwechselrichter.

Im einfachsten Fall (siehe Abbildung 1 links) wird die von den Photovoltaik-Modulen gelieferte Leistung in das Stromnetz eingespeist, soweit sie nicht zur Deckung des Eigenverbrauchs benötigt wird; zu anderen Zeiten wird fehlende Energie aus dem Stromnetz bezogen. Der Wechselrichter arbeitet netzgeführt, d. h. er erzeugt die Wechselspannung mit einer Phasenlage passend zur Netzspannung.

Photovoltaik-Systeme

Abbildung 1: Links: System mit Solarmodulen und Wechselrichter. Das Stromnetz ergänzt den Bedarf der Verbraucher und nimmt ggf. auch überschüssige Energie auf. Rechts: System mit Batteriespeicher, der zumindest einen Teil der Überschüsse aufnimmt und damit die Einspeisung verringert und den Eigenverbrauchsanteil erhöht.

Manche Systeme (Abbildung 1 rechts) enthalten zusätzlich einen Solarstromspeicher auf der Basis von Batterien. Dieser kann momentane Überschüsse aufnehmen, anstatt dass diese in das Stromnetz eingespeist werden, und damit kann dann der Verbrauch zu anderen Zeiten gedeckt werden. Dadurch kann effektiv der Anteil des Eigenverbrauchs erhöht werden.

Manche solche Geräte sind auch dafür geeignet, ein Inselnetz aufzubauen, welches ohne Verbindung mit dem Stromnetz arbeiten kann – entweder permanent (mit Deckung des gesamten Strombedarfs über die Photovoltaikanlage, evtl. ergänzt durch andere lokale Energiequellen) oder aber nur im Falle eines Stromausfalls.

Die Anlage enthält zusätzlich gewisse elektronische Hilfseinrichtungen, die die erzeugten Energiemengen protokollieren (ggf. auch zeitlich aufgelöst), die Überwachung der Anlage ermöglichen (ggf. auch aus der Ferne) und der Sicherheit dienen, beispielsweise durch Abschaltung der Anlage im Fall eines Brandes. Diese Komponenten können zumindest teilweise im Solarwechselrichter integriert sein.

Es gibt auch kleine Solarmodule für die Steckdose, die einfach aufgestellt und über einen normalen Stecker angeschlossen werden können.

Kosten bei Herstellung und Betrieb

Photovoltaikanlagen weisen einerseits relativ hohe, wenn auch mit den Jahren ständig sinkende Herstellungskosten auf. Andererseits liefern sie, einmal hergestellt, für viele Jahre (häufig mehr als 20) elektrische Energie mit Hilfe der kostenlosen Sonnenenergie. Bei den heutigen Herstellungskosten sind sie in der Regel nicht mit fossilen Energieträgern konkurrenzfähig, wobei es gewisse Ausnahmen gibt. Beispielsweise können Berghütten so mit Strom versorgt werden, ohne dass lange teure Kabel verlegt werden oder z. B. benzingetriebene Generatoren laufen, die mit Kraftstoff versorgt und gewartet werden müssen.

Wird die Photovoltaik wirtschaftlich konkurrenzfähig?

Es besteht die Hoffnung, dass durch weitere technische Fortschritte beim Design und den Herstellungsverfahren für Solarzellen sowie bei den anderen Komponenten (Modulherstellung, Elektronik) die Kosten so stark sinken, dass die Konkurrenzfähigkeit mit fossilen Energien erreicht wird. Diese Entwicklung ist im Gange; gerade in den letzten Jahren sind die Kosten sehr stark gesunken. Eine weitere Beschleunigung ist möglich sowohl durch Preissteigerungen in Folge der Verknappung fossiler Energieträger (Stichwort Peak Oil im Falle von Erdöl) als auch durch CO2-Abgaben als Instrument des Klimaschutzes. Auch im Konkurrenzverhältnis mit Kernenergie dürfte die Photovoltaik Chancen gewinnen dadurch, dass die Kostenentwicklungen beider Technologien gegenläufig sind und die Kernenergie wegen diverser Probleme (z. B. Unfallrisiken, Endlagerproblematik und die Gefahr der Proliferation von Atomwaffen) stark an Akzeptanz verloren hat.

Solarkraftwerk Caischavedra

Abbildung 2: Das Solarkraftwerk Caischavedra in Graubünden, Schweiz. In Regionen mit kalter, klarer Bergluft funktionieren Photovoltaikanlagen besonders gut. Bild: Axpo AG.

Die Investitionskosten für kleine netzgekoppelte Photovoltaikanlagen (bis 10 kW) ohne Solarstromspeicher sind bereits auf ca. 1500 € pro Kilowatt gesunken (Stand 2015). (Noch in 2006 lagen sie rund viermal so hoch.) Rund die Hälfte der Kosten entfällt auf Solarmodule, der Rest auf die Montage und andere Komponenten, z. B. den Wechselrichter. Wenn z. B. ein gewerblicher Betreiber den erzeugten Strom weitgehend selbst verbrauchen kann, ist diese Art der Stromversorgung für neue Anlagen bereits kostengünstiger als die aus dem öffentlichen Stromnetz. Haushalte dagegen müssen den Großteil der Energie in das Stromnetz einspeisen, da ihr Verbrauch zeitlich nicht zur Erzeugung passt, und benötigen deswegen unbedingt eine Einspeisevergütung (siehe unten), um die Anlage wirtschaftlich betreiben zu können.

Ein Solarstromspeicher verbessert die wirtschaftliche Bilanz im Betrieb – allerdings mit Investitionskosten, die viel zu hoch sind, um dadurch amortisiert werden zu können.

Wenn eine PV-Anlage ohne Solarstromspeicher betrieben wird, ist es wirtschaftlich nachteilig, dass die für in das Stromnetz eingespeiste Überschüsse haltende Einspeisevergütung heute viel tiefer liegt als der Preis für den Bezug von Strom aus dem Netz zu anderen Zeiten. (Trotzdem ist es durchaus möglich, solche Systeme insgesamt wirtschaftlich zu betreiben.) Das genannte Problem kann gelöst bzw. vermindert werden durch Einsatz eines Solarstromspeichers, der Überschüsse aufnimmt und damit den Bedarf zu anderen Zeiten decken kann. Allerdings sind die Investitionskosten hierfür bei Weitem zu hoch, als dass sie durch den erwähnten Vorteil bei den Betriebskosten amortisiert werden könnten. Die Kosten für solche Speicher müssten ganz massiv sinken, um damit die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems erhöhen oder zumindest bewahren zu können.

Es gibt mittlerweile auch Mini-Solaranlagen mit Leistungen von nur wenigen hundert Watt und Kosten von einigen hundert Euro, die keine spezielle Installation benötigen sollen; diese behandelt ein Abschnitt weiter unten.

Leistungsdichte und Energieausbeute, Flächen- und Materialbedarf

Wie viel Leistung gewinnt man pro Quadratmeter?

Ein Problem der Photovoltaik ist die relativ geringe Leistungsdichte, die im Kern durch die Leistungsdichte der Sonneneinstrahlung begrenzt ist. Wenn beispielsweise Sonnenlicht mit 1 kW pro m2 senkrecht einfällt und ein Solarmodul einen Wirkungsgrad von 15 % hat, sind 150 W elektrischer Leistung zu gewinnen. Für größere Leistungen wird dann eine relativ große Fläche benötigt. Vor allem aber setzt dies einen erheblichen Materialaufwand voraus, was entsprechende Kosten nach sich zieht und (stark abhängig von der gewählten Technologie) auch einen erheblichen Einsatz an grauer Energie. Ein Stück weit kann dieses Problem durch energieeffizientere Produktionsmethoden und verbesserte Zellendesigns gemildert werden. Neue Designs können nämlich den Wirkungsgrad verbessern, was die nötige Fläche reduziert, manchmal auch die benötigte Menge von Silizium. Eine weitere Möglichkeit ist das Recycling: Die Rückgewinnung von Silizium aus ausgedienten Solarzellen ist viel weniger energieaufwendig als die Herstellung neuen Solarsiliziums. Unter günstigen Bedingungen kann in Mitteleuropa eine energetische Amortisationszeit deutlich unterhalb von 2 Jahren erreicht werden, in Zukunft wohl noch deutlich weniger.

Ist der Flächenbedarf ein Problem?

Das Problem des Flächenbedarfs einer großtechnischen Photovoltaiknutzung sollte nicht überschätzt werden. Beispielsweise würde ein winziger Teil der Fläche der Sahara genügen, um einen erheblichen Teil der in Europa benötigten elektrischen Energie zu erzeugen. Das Hauptproblem ist hier sicher nicht der Flächenbedarf, sondern der große Bedarf an Material und finanziellen Ressourcen, teilweise auch für lange Hochspannungsleitungen zum Ferntransport der Energie. Eine andere Variante ist die Nutzung vieler sonst nicht genutzter Dachflächen; sie würde es erlauben, einen erheblichen Teil der elektrischen Energie z. B. in Deutschland ohne zusätzlichen Flächenbedarf zu erzeugen. Interessant ist auch der Aspekt, dass PV-Module quasi zum Bauelement werden, also teilweise andere Bauelemente ersetzen, was sowohl die Kosten als auch die energetische Amortisationszeit reduzieren kann.

Welche jährliche Energieausbeute bringt eine Photovoltaikanlage?

Für die Amortisation relevant ist die im Mittel pro Jahr gelieferte Energiemenge von Photovoltaikanlagen. In Deutschland können Photovoltaikanlagen pro Jahr rund 900 bis 1000 Volllaststunden erreichen, d. h. so viel Energie erzeugen, wie in 900 bis 1000 Stunden mit idealer Sonneneinstrahlung produziert würde. (An guten Standorten sind auch über 1000 Volllaststunden möglich.) Da ein Jahr 8760 Stunden hat, bedeutet dies, dass die durchschnittlich gelieferte Leistung gut ein Zehntel der Maximalleistung ist. Da die volle Einstrahlung ca. 1 kW/m2 beträgt, entsteht pro m2 Modulfläche bei einem Modulwirkungsgrad von 15 % eine maximale Leistung von 150 W und eine mittlere Leistung von gut 15 W. Die jährlich gelieferte Energie ist z. B. 150 W · 900 h = 135 kWh pro Quadratmeter. In Zukunft könnten Solarmodule freilich durch höhere Wirkungsgrade noch erheblich höhere Energiemengen liefern.

In jedem Fall ist klar, dass Photovoltaik unbegrenzte Energiemengen in dem Sinne liefert, dass solche Mengen jedes Jahr zur Verfügung stehen werden, während aber die zu gewinnenden Energiemengen pro Jahr trotzdem durch die vorhandenen Ressourcen im Sinne von Flächen, Material und Finanzen begrenzt sind. Von daher muss Photovoltaik trotz ihrer Unerschöpflichkeit mit hoher Energieeffizienz kombiniert werden, um in großem Umfang menschliche Bedürfnisse decken zu können.

Direkte und diffuse Strahlung

Kann eine Photovoltaikanlage auch diffuses Licht nutzen?

Photovoltaik kann in der Regel sowohl direkte Sonneneinstrahlung nutzen als auch diffuse Einstrahlung; relevant ist die Globalstrahlung, also die Summe von beiden. (Eine Ausnahme ist die konzentrierende Photovoltaik, die nur direkte Strahlung nutzen kann.) Obwohl an einem klaren Sommertag die direkte Strahlung klar dominiert, stammt in Deutschland im Jahresmittel häufig rund die Hälfte der Globalstrahlung vom diffusen Anteil.

Möglichkeiten für die Aufstellung von Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen können auf unterschiedliche Weisen aufgestellt werden:

Ausrichtung der Anlage

Wie muss eine Photovoltaikanlage ausgerichtet werden, um einen guten Ertrag zu bringen?

In der Regel sind Photovoltaik-Anlagen fest ausgerichtet, d. h. sie haben im Betrieb eine feste Orientierung zum Erdboden. Die Solarmodule sollten idealerweise nach Süden ausgerichtet werden, so dass sie zur Mittagszeit die maximale Bestrahlung erfahren, aber auch morgens und nachmittags noch produzieren können. Der Anstellwinkel (die Neigung gegenüber der Horizontalen) ist ebenfalls von Bedeutung; in Deutschland sollte er möglichst zwischen 30 und 35° betragen (wobei nördlichere Standorte einen steileren Winkel erfordern). Bei Dachanlagen auf Schrägdächern entspricht der Anstellwinkel meist der Dachneigung, während er auf Flachdächern durch die Ständerkonstruktion bestimmt wird. Eine nicht ganz optimale Ausrichtung nach Süden, beispielsweise um 30° von der Südrichtung abweichend, verursacht nur moderate Ertragseinbußen von wenigen Prozentpunkten; erst bei starker Fehlausrichtung sinkt die Ausbeute erheblich. Der Anstellwinkel ist kritischer: Hier verliert man einige Prozentpunkte bereits mit einem Fehler von 10°.

Durch die gesunkenen Modulpreise können bei Flachdächern unter Umständen solche Aufstellungsvarianten insgesamt günstiger sein, bei denen der Jahresertrag pro Modul etwas geringer ausfällt.

Im Falle von Flachdächern kann man auch eine Ost-West-Ausrichtung wählen, bei der die Reihen von Modulen in Nord-Süd-Richtung verlaufen und abwechselnd leicht nach Osten bzw. Westen verkippt sind, also nicht direkt nach Süden ausgerichtet werden. Dies hat zunächst zur Folge, dass der jährliche Ertrag pro Photovoltaikmodul etwas geringer ausfällt, beispielsweise um rund 10 % gegenüber der optimalen Ausrichtung nach Süden. Andererseits können aber auf der gleichen Dachfläche wesentlich mehr Module angebracht werden, da keine zusätzlichen Abstände zwischen den Modulen mehr nötig sind, um eine gegenseitige Verschattung zu vermeiden. Dadurch kann der gesamte Ertrag der Anlage sogar wesentlich höher ausfallen. Die Installationskosten steigen einerseits durch die wesentlich größere Anzahl von Modulen, andererseits aber sind Kosteneinsparungen möglich, weil der geringere Aufstellwinkel kleinere und weniger stark belastbare Ständer für die Aufstellung nötig macht. Man beachte, dass durch den starken Preisverfall bei den Modulen, nicht aber bei den Ständerkonstruktionen der optimale Jahresertrag pro Modul für die Amortisation weniger wichtig wird, als er in früheren Zeiten war. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass eine Anlage mit der genannten Ost-West-Ausrichtung einen flacheren zeitlichen Verlauf der Leistung über den Tag aufweist, sodass es oft einfacher wird, den Anteil des Eigenverbrauchs zu optimieren.

Ist eine automatisch Ausrichtung auf die Sonne nützlich?

Optimal wäre natürlich eine automatische Nachführung im Tagesverlauf: einachsig von Osten nach Westen oder gar zweiachsig, also zusätzlich auch im Anstellwinkel. Dies kann den Ertrag um 20 % (einachsige Nachführung) oder gar 30 % (zweiachsige Nachführung) erhöhen, erhöht aber ebenfalls den technischen Aufwand erheblich. (Man beachte auch, dass nicht an festen Flächen befestigte Module eine stabile, windsichere Halterung benötigen.) Deswegen wird auf eine automatische Nachführung meistens verzichtet. (Die oben genannten Zahlen für die Ausbeute gelten für Systeme ohne Nachführung.)

Unverzichtbar ist die automatische Nachführung allerdings bei Systemen mit konzentrierender Optik: Hier wird das Sonnenlicht z. B. mit Hilfe von Linsen auf relativ kleine Solarzellen fokussiert, was nur bei korrekter Ausrichtung zur Sonne hin funktioniert. Die Energieausbeute kann dann sehr hoch sein, weil hocheffiziente Solarzellen verwendet werden können, von denen ja nur eine geringe Menge benötigt wird. Allerdings ist die Nutzung von diffusen Licht dann fast nicht mehr möglich, da dieses nicht auf die Solarzellen konzentriert werden kann.

Mini-Solaranlagen mit Plug-in-Prinzip

Seit kurzem werden einige “Mini-Solaranlagen” oder Kleinst-Photovoltaikanlagen angeboten, die nach dem Plug-in-Prinzip angeschlossen werden sollen – einfach über eine normale Steckdose. Die Grundidee ist die folgende:

Die spezifischen Kosten (in Euro pro Watt) solcher Kleinstanlagen können in ähnlicher Höhe wie bei größeren Anlagen liegen; die Kostendegression wird ausgeglichen durch simplere Technik und Installation. Von daher ist eine Amortisation z. B. innerhalb von 10 bis 20 Jahren unter günstigen Umständen denkbar.

Es gibt allerdings erhebliche Bedenken gegen den Ansatz der Mini-PV:

Manche der befürchteten Gefahren – etwa die Überlastung von Stromkreisen und dadurch die Verursachung von Bränden – wirken zwar durchaus übertrieben. Beispielsweise wird eine Leitung im Haus, die auf 16 Ampere ausgelegt und abgesichert ist, in der Praxis wohl kaum einen Brand auslösen, wenn eine Mini-PV-Anlage zusätzlich noch ein weiteres Ampere verursacht – zumal diese erhöhte Stromstärke ohnehin nur fließen würde, wenn entsprechend viele Verbraucher in diesem Kreis aktiv sind. Jedoch ist aufgrund der oben genannten Gründe trotzdem fraglich, ob diese Kleinst-Solaranlagen sinnvoll sind (insbesondere wirtschaftlich) und eine weite Verbreitung finden können. Man beachte, dass angesichts der geringen Erträge aus wirtschaftlicher Sicht nur ein sehr kleiner Spielraum für Investitionen in verbesserte Technik besteht. Wohl nur eine gesetzliche Vereinfachung der technischen Anschlussbedingungen (TAB) könnte diese Probleme entschärfen. Selbst dann würden jegliche unerwartete Zusatzkosten oder Mindererträge die Rentabilität der Anlage rasch bedrohen.

Inselanlagen und netzgekoppelte Anlagen

Inselanlagen werden an abgelegenen Standorten mit Inselnetz betrieben, wo ein Anschluss an das öffentliche Stromnetz zu teuer wäre. Um den Strombedarf dort zu allen Zeiten komplett mit Photovoltaik zu decken, sind Batterien als Energiespeicher nötig, die dann allerdings ganz erheblich zu den Kosten beitragen.

Die meisten Anlagen sind aber netzgekoppelt. Dann werden momentane Überschüsse in das öffentliche Stromnetz eingespeist, aus dem zu anderen Zeiten Strom bezogen werden kann. Im Prinzip können auch solche Anlagen mit Solarstromspeichern ausgerüstet werden, um einen Teil der Erzeugung zwischenzuspeichern und zu späteren Zeiten nutzen zu können. Dies ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, die durch den Nutzen kaum zu rechtfertigen sind.

Überwachung des Betriebs

Muss der Betrieb einer Photovoltaikanlage überwacht werden?

Im Prinzip kann eine Photovoltaikanlage über lange Zeit völlig unbeaufsichtigt arbeiten. Jedoch sollte eine Überwachung des Betriebs stattfinden, um Probleme ggf. rechtzeitig entdecken und beheben zu können. Hierfür kommen vor allem automatische Monitoring-Einrichtungen in Frage, die im Wesentlichen die eingespeisten Energiemengen überwachen. Wird ein Abfall der Leistung beobachtet, der nicht durch Wetterbedingungen erklärbar ist, kann die Ursache gesucht werden. Beispielsweise können Verschattungen durch starkes Pflanzenwachstum oder starke Verschmutzungen entstanden sein. Auch technische Defekte sind möglich, beispielsweise Kabelbrüche oder Defekte des Wechselrichters.

Ökologische Aspekte

Der Betrieb von Photovoltaikanlagen ist äußerst umweltfreundlich: Dabei entstehen keinerlei Abgase, insbesondere nicht klimaschädliche wie Kohlendioxid, ebenfalls kein Lärm, keine radioaktiven Abfälle (Atommüll) oder sonstige schädlichen Einwirkungen. Deswegen kann Solarstrom als Ökostrom vermarktet werden, wobei allerdings in Deutschland der Großteil über die EEG-Einspeisevergütung als Graustrom auf den Strommarkt kommt. Andererseits ist die Produktion der Anlagen (und zu einem kleineren Teil der Aufwand für Transport und Installation sowie später die Entsorgung) verantwortlich für diverse Umweltbelastungen, insbesondere im Zusammenhang mit der eingesetzten grauen Energie. Das Bewusstsein hierfür nimmt zu; es wird beispielsweise von Herstellern darauf geachtet, Ökostrom (meist wieder aus Photovoltaik) für die Produktion einzusetzen.

Verfügbarkeit; Notwendigkeit der Speicherung

Was passiert, wenn die Sonne nicht scheint?

Sonnenlicht ist naturgemäß nicht immer verfügbar: nie nachts, und auch tagsüber im Ausmaß stark abhängig von den Wetterbedingungen. Deswegen setzt die alleinige Versorgung eines Inselnetzes mit Photovoltaik entsprechend große Speicher (meist Akkumulatoren) voraus. Solche Solarstromspeicher erhöhen die Gesamtkosten massiv, und sie reduzieren die Ausbeute durch gewisse Energieverluste (z. B. um rund 10 %).

Die fehlende Steuerbarkeit der Energieproduktion verliert stark an Bedeutung, wenn Photovoltaikanlagen zusammen mit vielen anderen Stromerzeugern (z. B. auch Blockheizkraftwerken und großen Kraftwerken) elektrische Energie in ein großes Verbundnetz einspeisen. Dann können z. B. bei guter Sonneneinstrahlung die Wasservorräte in Wasser-Speicherkraftwerken geschont werden, die dann bei schlechterem Wetter oder nachts die fehlende Produktion übernehmen können. Ebenfalls deckt Solarstrom oft die mittäglichen Verbrauchsspitzen ab, so dass die Auslastung z. B. von Pumpspeicherkraftwerken sogar abnimmt und nicht etwa zunimmt. (Die Bedeutung solcher Energiespeicher als Reserven nimmt allerdings nicht ab, sondern eher zu.) Deswegen ist es durchaus möglich, etliche Prozent der in einem großen Netz umgesetzten elektrischen Energie durch Photovoltaik zu decken, ohne dass gewaltige zusätzliche Speicheranlagen aufgebaut werden. Es ist sogar ein vorteilhafter Aspekt, dass Photovoltaik wertvolleren Tagstrom und keinen Nachtstrom liefert. Erst wenn Photovoltaik einen erheblichen Teil der gesamten Energie liefern sollte, würde die Speicherproblematik wirklich ernst.

Könnte man Photovoltaik für das Heizen verwenden?

Bei dem prinzipiell denkbaren Einsatz von Photovoltaik für die Solarheizung dagegen wäre die Speicherproblematik ein wesentliches Problem; man würde dafür große saisonale Speicher benötigen. Der Artikel über Solarheizung erläutert dieses Problem detailliert.

Photovoltaik in Deutschland

In Deutschland setzte vor allem mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz ab dem Jahr 2000 eine starke Förderung der Photovoltaik über eine hohe Einspeisevergütung ein. Die Hoffnungen auf starke Kostensenkungen, die durch den forcierten Ausbau entstehen sollten, wurden sogar stark übertroffen. Die Einspeisevergütungen wurden vor allem seit 2010 deutlich stärker gesenkt als ursprünglich vorgesehen, und trotzdem geht der Ausbau der Photovoltaik weiter. Die Netzparität für Endverbraucher wurde ca. in 2012 erreicht, und die Kosten sinken weiter. In 2015 deckte die Photovoltaik bereits ca. 7,5% des deutschen Nettostromverbrauchs; an sonnenreichen und verbrauchsschwachen Tagen sind es manchmal schon über 50 %, so dass die Residuallast sehr klein wird.

Wie wirkt sich die Photovoltaik in Deutschland auf die Stromerzeugung aus?

Die Auswirkungen der Photovoltaik auf das gesamte deutsche Stromerzeugungssystem sind bereits recht groß. Da die Residuallast durch sie häufig stark reduziert wird, werden verschiedene andere Kraftwerke zurückgedrängt:

Die bisher anfallenden Strom-Einspeisungen aus Photovoltaik können von den Stromnetzen relativ problemlos aufgenommen werden und decken immerhin rund 7,5 % des deutschen Strombedarfs (Stand 2015). Sollte der Anteil der Photovoltaik jedoch auf ein Mehrfaches gesteigert werden, käme es häufig zu einer starken zeitweisen Überproduktion, sodass hohe Kapazitäten von Energiespeichern und/oder starke Stromnetze benötigt würden.

Der deutsche Photovoltaik-Boom als Folge des Erneuerbare-Energien-Gesetzes hat auch große internationale Auswirkungen, und zwar bei Weitem nicht nur durch gelegentliche Stromexporte. Da andere Länder von der dadurch maßgeblich verursachten Kostensenkung auch profitieren, wird mittelfristig sogar wohl der größere Teil des Klimaschutzeffekts des deutschen EEG im Ausland entstehen. Außerdem haben viele Länder begonnen, eine Förderung nach dem Muster des EEG durchzuführen.

Zukunftsaussichten der Photovoltaik

Der Photovoltaik wird zunehmend eine sehr große Bedeutung für die Energieversorgung der Zukunft zugeschrieben. Dies wohl nicht, weil sie in jeder Beziehung ideale Eigenschaften hätte, sondern weil sie zu den wenigen erneuerbaren Energiequellen mit wirklich großem Potenzial zählt. Photovoltaik ist nämlich nicht nur an sehr speziellen Standorten einsetzbar, wie z. B. Wasserkraftwerke oder Windenergieanlagen, sondern fast überall. Die Energieausbeute ist zwar an nicht idealen Standorten erheblich geringer als z. B. nahe dem Äquator, aber doch noch beträchtlich.

Es ist durchaus vorstellbar, dass im Jahr 2100 der größere Teil des weltweiten Strommixes aus der Kombination von Windenergie und Photovoltaik stammen wird. Die dafür zu meisternden Herausforderungen sind erheblich, aber wohl doch noch überschaubar im Vergleich zu denen beispielsweise der Kernfusion. Die Photovoltaik selbst noch wesentlich kostengünstiger zu gestalten, dürfte innerhalb von Jahrzehnten gelingen, vor allem für große Anlagen; die größere Herausforderung entsteht wohl in der Entwicklung kostengünstiger Energiespeicher, wie sie für einen sehr starken Photovoltaik-Einsatz benötigt würden.

Noch schwer abzusehen ist, in welchem Umfang solare Großkraftwerke einerseits und dezentrale Nutzungsarten (z. B. auf Hausdächern) andererseits genutzt werden. Für großtechnische Ansätze wie das DESERTEC-Projekt spricht nicht nur, dass dies eine größere Rationalisierung ermöglicht. Das in diesem Zusammenhang errichtete europäische Supergrid würde die Nutzung der Photovoltaik vorrangig an viel günstigeren Standorten als z. B. in Deutschland ermöglichen, und es würde zusätzlich bereits vorhandene große und gut ausbaubare Energiespeicher einbinden können. All diese Beiträge sollten die Kosten massiv senken. Andererseits haben auch dezentrale Ansätze Vorteile, insbesondere durch die verbrauchernahe Erzeugung, die Vermeidung von internationalen Abhängigkeiten sowie die Nutzung von ohnehin benötigten Flächen (z. B. auf Dächern).

Staatliche Förderung

In vielen Ländern wird mittlerweile die Entwicklung der Photovoltaik mit erheblichen staatlichen Mitteln gefördert. Das Ziel solcher Förderung ist, der Photovoltaik schneller zum Erreichen der Wirtschaftlichkeit zu verhelfen. Die Netzparität für Endverbraucher ist z. B. in Deutschland bereits erreicht, und dies trägt zusätzlich zur rasanten Verbreitung der Photovoltaik bei.

Es gibt recht unterschiedliche Förderinstrumente:

Nicht vergessen werden sollte auch der Abbau von unnötigen Hemmnissen, etwa betreffend staatliche Vorschriften zur Gestaltung von Hausdächern oder übertriebene technische Auflagen der Stromversorgungsunternehmen, die die Einspeisung von Ökostrom erschweren.

Warum fördert man die Photovoltaik, obwohl es doch billigere Quellen für Ökostrom gibt?

Die Förderung der Photovoltaik wird gelegentlich kritisiert mit dem Hinweis darauf, dass die Kosten pro erzeugter Kilowattstunden deutlich höher sind als z. B. bei Windenergie oder Wasserkraft. Man könnte also mit den gleichen finanziellen Ressourcen eine größere Ökostromerzeugung bewirken, wenn die Fördermittel auf kostengünstigere Technologien konzentriert würden. Jedoch wird dabei nicht beachtet, dass es gerade darum geht, die Entwicklung kostengünstigerer Photovoltaik zu beschleunigen, was ja auch bereits in großem Umfang erreicht wurde. Langfristig könnte eine solare Strategie also durchaus größere Wirkungen erzielen als eine, die sich auf bereits annähernd wirtschaftliche Technologien konzentriert.

Vergleich von Photovoltaik mit Solarthermie

Eine praktische Frage von Bedeutung ist, wie die Verwendung von Photovoltaikmodulen z. B. auf einem Hausdach im Vergleich zu thermischen Sonnenkollektoren zu bewerten ist.

Ein direkter Vergleich der Wirkungsgrade kann sehr irreführend sein. Zunächst einmal wäre es falsch, Volllast-Wirkungsgrade von z. B. 15 % von einem Solarmodul mit 80 % bei einem Sonnenkollektor zu vergleichen, da bei geringerer Sonneneinstrahlung der Wirkungsgrad des Kollektors viel stärker abfällt. Hinzu kommt, dass ein Sonnenkollektor für Warmwasser im Sommer häufig mehr Energie liefert als benötigt, so dass nicht der gesamte Ertrag nutzbar ist.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Vergleich verschiedener Energieformen. Elektrische Energie ist reine Exergie, d. h. Energie der höchsten Wertigkeit, und kann nicht direkt mit Wärmeenergie (v. a. mit Niedertemperaturwärme) verglichen werden. Man könnte damit z. B. eine Elektrowärmepumpe mit einer Leistungszahl von 3 oder 4 antreiben, um die drei- oder vierfache Menge von Niedertemperaturwärme zu erhalten.

Bringt eine solarthermische Anlage nicht einen höheren Ertrag?

Die Berücksichtigung all dieser Faktoren zeigt, dass der effektive Jahresertrag einer Photovoltaikanlage pro m2 Fläche in der Regel höher sein dürfte als der eines Sonnenkollektors, trotz dessen höheren Volllast-Wirkungsgrads. Dies trifft umso mehr zu, je höher die benötigte Kollektortemperatur und je niedriger die Außentemperatur ist. Auf der anderen Seite sind Photovoltaikanlagen zumindest bisher auch teurer als Sonnenkollektoranlagen.

Für den Vergleich beider Konzepte im konkreten Fall ist ebenfalls von Bedeutung, welche Art von anderer Strom- bzw. Wärmeerzeugung jeweils verdrängt würde. Wenn beispielsweise ein thermischer Sonnenkollektor einen für die alleinige Warmwasserbereitung im Sommer sehr ineffizienten Ölkessel ersetzt, hat dies vermutlich einen größeren ökonomischen und ökologischen Nutzen als die Verdrängung von Strom aus einem effizienten Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk. In einem anderen Fall mag die Verdrängung von klimaschädlichem Kohlestrom wichtiger sein als die Einsparung von Holzpellets bei der Warmwasserbereitung.

Einsatz der Photovoltaik zur Wärmeerzeugung

Da die Kosten der Photovoltaik in den letzten Jahren massiv gesunken sind, wird die Photovoltaik auch für die Wärmeerzeugung zunehmend interessant; sie wird also zu einer direkten Alternative der Solarthermie. Dies bedeutet, dass man mithilfe von Photovoltaikmodulen elektrische Energie erzeugt, die dann im einfachsten Fall mithilfe von Elektroheizstäben (z. B. in einem Warmwasserspeicher) in Wärme umgewandelt wird. Eine wesentlich höhere Energieeffizienz ist durch Verwendung einer Wärmepumpe möglich, jedoch bedeutet dies einen entsprechend höheren Anlagenaufwand.

Selbst wenn keine Wärmepumpe verwendet wird, hat der genannte Ansatz die folgenden Vorteile:

Der Wärmeertrag pro Quadratmeter Dachfläche liegt für die Photovoltaik tendenziell etwas tiefer, ist freilich abhängig von den verglichenen Typen von Solarzellen und Sonnenkollektoren sowie vom benötigten Temperaturniveau. (Je höher die benötigte Temperatur, desto weniger effizient werden Sonnenkollektoren.)

Man beachte, dass statt des sonst üblichen Solar-Wechselrichters für den Betrieb eines Elektroheizstabs eine einfachere Elektronik genügt, die entsprechend kostengünstiger sein kann. In diesem Fall ist freilich keine Stromeinspeisung in das öffentliche Netz mehr möglich – auch in Zeiten, wo ein Überschuss an Wärme entsteht.

Wenn die Möglichkeit der Einspeisung in das Netz besteht und eine kostengünstige Art der Wärmeerzeugung z. B. mit Erdgas zur Verfügung steht, ist die Einspeisung der gewonnenen elektrischen Energie in das Netz ökonomisch günstiger und auch ökologisch sinnvoller als die Erzeugung von Elektrowärme. Der ökonomische Aspekt kann sich allerdings ändern, wenn die Einspeisevergütungen weiter sinken und/oder Brennstoffe wie Erdgas teurer werden. Auch ökologisch kann die Wärmeerzeugung dann sinnvoller werden, wenn im Netz ohnehin Stromüberschüsse entstehen.

Bisher gibt es kaum Systeme, bei denen Photovoltaik gezielt zur Wärmeerzeugung genutzt wird. Aufgrund der sich allmählich verändernden Rahmenbedingungen (sinkende PV-Investitionskosten, sinkende Einspeisevergütung, steigende Preise für fossile Energieträger) dürfte dieser Ansatz aber an Bedeutung gewinnen.

Literatur

[1]Blog-Artikel: EEG-Abgabe auf Solarstrom: Ist das zu rechtfertigen?
[2]Blog-Artikel: Zukünftige Kosten des Solarstroms
[3]Extra-Artikel: Wird Sonnenenergie erst nützlich, wenn sie nachts Strom erzeugen kann?
[4]Extra-Artikel: Vergleich von Sonnenkollektor mit Solarzelle: höhere Produktion wegen höherem Wirkungsgrad?
[5]Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, zusammengestellt von Harry Wirth, Fraunhofer ISE, https://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/veroeffentlichungen-pdf-dateien/studien-und-konzeptpapiere/aktuelle-fakten-zur-photovoltaik-in-deutschland.pdf
[6]Solar-Toolbox von solar campus: Simulator für den Energieertrag
[7]Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, Fraunhofer ISE, http://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/veroeffentlichungen-pdf-dateien/studien-und-konzeptpapiere/aktuelle-fakten-zur-photovoltaik-in-deutschland.pdf (2013)
[8]Thomas Seltmann, “Photovoltaik: Solarstrom vom Dach”, Stiftung Warentest, 1. Auflage (2011)
[9]Ratgeber Photovoltaik der KWH Preis UG, http://www.solaranlage-ratgeber.de/wp-content/uploads/ratgeber-photovoltaik.pdf
[10]Seiten über die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik vom Bund der Energieverbraucher (mit kritischen Betrachtungen aus der Perspektive von Betreibern), http://www.energieverbraucher.de/de/Wirtschaftlichkeit__399/
[11]Agorameter für die Anzeige der aktuellen Photovoltaik-Einspeisung, https://www.agora-energiewende.de/de/themen/-agothem-/Produkt/produkt/76/Agorameter/

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Sonnenenergie, Solarzelle, Solarmodul, Solarmodul für die Steckdose, Solarkraftwerk, elektrische Energie, erneuerbare Energie, Ökostrom, Einspeisevergütung, Solarstromspeicher
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, erneuerbare Energie, Grundbegriffe, Haustechnik

Kommentare von Lesern

Hier können Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung vorschlagen. Über die Annahme wird der Autor des RP-Energie-Lexikons nach gewissen Kriterien entscheiden. Im Kern geht es darum, dass der Kommentar für andere Leser potenziell nützlich ist.

Ihr Name:
(freiwillige Angabe – auch Pseudonyme sind erlaubt)
Ihre E-Mail-Adresse:
(freiwillige Angabe)
Ihr Hintergrund:
(freiwillige Angabe, z. B. Energieberater, Handwerker oder Journalist)
Ihr Kommentar:
Spam-Prüfung:   (bitte die Summe von fünf und zwölf hier als Ziffern eintragen!)

Bem.: Mit dem Abschicken geben Sie Ihre Einwilligung, Ihren Kommentar hier zu veröffentlichen. (Sie können diese später auch widerrufen.) Da Kommentare zunächst vom Autor durchgesehen werden, erscheinen sie verzögert, z. B. erst am Folgetag oder evtl. noch etwas später.

Wie gefällt Ihnen dieser Artikel?

Ihr Gesamteindruck: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Fachliche Qualität: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Lesbarkeit: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Verdient dieser Artikel (oder das Energie-Lexikon insgesamt) Ihrer Ansicht nach Links von anderen Webseiten?
  nein eventuell ja
Kommentar:

Vielleicht haben Sie auch konkrete Vorschläge für inhaltliche Ergänzungen, nützliche Literaturangaben etc. Falls Sie eine bessere Website für dieses Thema kennen, sind wir dankbar für einen Hinweis darauf.

Wenn Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung auf unserer Seite vorschlagen möchten, verwenden Sie dazu bitte das Formular im Kasten "Kommentare von Lesern".

Spam-Prüfung: (bitte den Wert von 5 + 8 hier eintragen!)

Wenn Sie eine Antwort möchten, können Sie Ihre E-Mail-Adresse im Kommentarfeld hinterlassen oder direkt eine E-Mail senden. Letztere Methode führt meist zu schnelleren Antworten.

Wenn Ihnen das RP-Energie-Lexikon gefällt, möchten Sie vielleicht auch den RP-Energie-Blog als E-Mail-Newsletter abonnieren.

Teilen Sie den Link auf diesen Artikel mit anderen:

Luftfeuchtigkeit

Taupunkt

Das RP-Energie-Lexikon erklärt genau Begriffe und Zusammenhänge zu Luftfeuchtigkeit, Kondenswasser, Taupunkt, Befeuchtung, Entfeuchtung, Belüftung etc.!

– Alle Banners –

– Ihr eigenes Banner! –

Die Startseite gibt Ihnen den Einstieg in das RP-Energie-Lexikon, auch mit Tipps zur Benutzung.
Hier finden Sie diverse Ratgeber-Artikel, insbesondere im Bereich der Haustechnik.
Hiermit wird Ihnen ein zufällig ausgewählter Lexikonartikel angezeigt.
Der RP-Energie-Blog präsentiert Interessantes und Aktuelles zum Thema Energie. Er ist auch als E-Mail-Newsletter erhältlich.
Hier finden Sie die Kontaktinformationen und das Impressum.
Werden Sie ein Sponsor des RP-Energie-Lexikons – des besten deutschsprachigen Energielexikons im Internet!
Hier erfahren Sie mehr über den Autor des RP-Energie-Lexikons und seine Grundsätze.
Hier können Sie die Artikel des RP-Energie-Lexikons nach Kategorien geordnet durchstöbern.
Verbreitete Irrtümer zu Energiefragen werden hier detailliert aufgedeckt.
Der Glossar fasst die Definitionen von Fachbegriffen aus den Artikeln zusammen.
Mit dem Energie-Quiz können Sie Ihr Wissen im Energiebereich testen und vertiefen.
Hier werden die Hintergründe des Projekts beschrieben, auch die gewählten Grundsätze.
Mit zigtausenden von Nutzern pro Monat ist das RP-Energie-Lexikon zu einer interessanten Werbeplattform geworden.
Vom Autor des RP-Energie-Lexikons können Sie auch Beratung erhalten, insbesondere zu Energie-Technologien.
Hier finden Sie die Liste aller Artikel zu einem bestimmten Anfangsbuchstaben.
Hier können Sie nach Artikeln suchen, deren Titel ein bestimmtes Stichwort enthalten.
(Beachten Sie auch die Volltextsuche beim Menüpunkt "Suche"!)