1 - Photovoltaikforum
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Photovoltaik 14.05.2016 1. Photovoltaik Geschichte Zunächst einmal möchte ich den Ursprung des Begriffes Photovoltaik erklären. Photovoltaik setzt sich zusammen aus zwei Wörtern zum einem aus dem Wort Photo, welches wie so viele wissenschaftliche Begriffe aus dem Griechischen stammt, nämlich von dem Wort phos, photós: Licht, und zum andern besteht es aus dem Namen des Physikers Alessandro Volta, dieser war ein italienischer Physiker und gilt als einer der Begründer der Elektrizitätslehre. Photovoltaik bezeichnet die Direkte Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität. Die Anfänge der Photovoltaik lassen sich bereits in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdecken. Der Französische Wissenschaftlicher Alexandre Edmond Becquerel fand heraus, dass beim Bestrahlen von Batterien (mit einem galvanischem Element) mit Licht sich die Spannung verändert. Der Photoeffekt war entdeckt. Im Jahre 1876 erzeugen Adams und Day in einem Selenkristall zum ersten Male mit Hilfe des Photoeffektes Strom. 7 Jahre später baute Charles Fritts ein erstes Solarmodul aus Selen-Solarzellen, welches einen Wirkungsgrad von 1% besaß. 1905 wurde der Effekt von dem Erfinder Albert Einstein mit Hilfe seiner Quantentheorie des Lichts erklärt und bewiesen. Für die Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effektes erhielt er 1921 den Nobelpreis. Aufgebaut auf Basis des 1949 entwickelten P- N Übergangs von Shockley, bauten die Entwickler Chapin, Fuller und Pearson die erste Silizium- Solarzelle, welche bereits einen Wirkungsgrad von 4% aufwies. 1958 werden die ersten Satelliten mit Solarzellen ausgerüstet. 1976 werden die ersten Siliziumsolarzellen aus wirtschaftlichem Interesse produziert. Ein Jahr später werden bereits 500 Kilo Watt weltweit erzeugt. Der Wirkungsgrad von Photovoltaikzellen wurde in den letzten Jahren kontinuierlich gesteigert, somit sind heute Wirkungsgrade für Module von bis zu 22% bereits möglich und für einzelne Zellen sogar bis zu 40%. Im Jahre 2011 wurden 18 Tera Watt Leistung erzeugt in Deutschland. 2. Solarzellentypen 2.1.1. Herstellung von poly- und monokristalline Solarzellen Silizium bildet die Grundlage für die Herstellung von Solarzellen, daher werde ich in dieses Themenfeld mit einer Kurzen Einführung über Silizium starten. Silizium (Si) ist ein chemisches Element und gehört zu den klassischen Halbleitern wie auch Germanium. Wie alle Halbleiter weißt Silizium sowohl Eigenschaften von Metallen also auch Eigenschaften von Nicht- Metallen auf. Die Leitfähigkeit von Silizium nimmt mit steigender Temperatur zu. Ein Siliziumatom hat 4 Valenzelektronen auf der Außenschale und kann mit Nachbarelektronen Elektronpaarbindungen eingehen, somit bilden sich harte und spröde Kristalle mit stabiler Diamantstruktur Silizium kommt in der Natur in Form von Quarzsand und Silicaten am zweithäufigsten Dennis Perlich 1 Photovoltaik 14.05.2016 nach Sauerstoff vor und bildet somit eine fast unerschöpfliche Rohstoffquelle.Für die Herstellung von Solarzellen wird jedoch Silizium in seiner reinsten Form benötigt. 2.1.2. Erster Schritt vom Sand zum Silizium Durch die Reduktion von Quarz (SiO2) mit Kohlenstoff bei bis zu 1800°C, d.h. der Sauerstoff (02) wird abgegeben und von dem Kohlenstoff aufgenommen, es entsteht Silizium und Kohlenstoffdioxid (Si + CO2). Das Silizium hat nun eine Reinheit von 98% und wird auch metallurgisches Silizium genannt. Als nächstes wird, dass so genannte Siemens- Verfahren angewendet um es auf nahezu 100%iger Reinheit zu bringen. Das Silizium wird mit Chlorwasserstoff (3HCl) versetzt und durch eine exotherme Reaktion entsteht Trichsilan (SiHCl3) und Wasserstoff (H2). Über Destillation werden die Verunreinigungen von dem Trichsilan getrennt. Schließlich erhält man mittels Gasphasenabscheidung reines Silizium, welches sich bei 1000°C von Trichsilan abscheiden kann, somit entsteht am Ende ein zu 99,99%ig Reines Silizium (Si), des Weiteren bleibt Salze (4HCl) mit den Dotierungen des Siliziums als Abfallprodukt übrig. 2.1.3. Zweiter Schritt vom reinen Silizium zum Wafer Eine Wafer ist eine sehr dünne Scheibe, die aus einem Halbleitermaterial besteht, in diesem Fall ist sie aus Silizium. Es gibt drei Typen von Wafer/ Solarzellen. Man unterscheidet zwischen monokristallinem, polykristallinem und Dünnschichtzellen. Die Typen unterscheiden sich in Kosten/ Herstellungsaufwand-/ verfahren und Wirkungsgrad/ Leistung. 2.1.4. Monokristalline Silizium- Zellen Zunächst einmal möchte ich die Herstellung von monokristallinem Silizium thematisieren, da in diesem Prozess der Höchste Wirkungsgrad von 16% bis 22% erreicht werden kann, jedoch sind sie auch am teuersten. Monokristalline Zellen fanden bereits bei den ersten Modulen, die in der Raumfahrt für Satelliten benutzt wurden, Verwendung. Sie haben eine glatte und ebene Oberfläche und sind an ihrer Schwarzen oder Dunkelblauen Farbe zu erkennen 2.1.5. Czochralski Verfahren Um monokristallines Silizium zu erhalten wird das Czochralski Verfahren angewendet. Das zuvor hergestellte reine Silizium wird nun mit Bor dotiert und eingeschmolzen und der Keim, hier ist es ein einkristalliner Siliziumstab, wird in den Kessel mit dem geschmolzenen Silizium geführt. Nun wird dieser Stab sehr langsam mit einer drehenden Bewegung herausgeführt, jedoch geht der Kontakt zur Schmelze nie verloren. An dem eintauchendem Kristall erstarrt die Schmelze in gleicher Kristallausrichtung. Der Silizium- Kristall erlangt eine Länge von mehreren Metern (Durchschnitt 3 Meter). Dennis Perlich 2 Photovoltaik 14.05.2016 Jetzt kommt der letzte Schritt. Die Stange wird in 250-350 µm dicke Wafer mit Hilfe einer Drahtsäge geschnitten. Dieser Schritt und der hohe Energieaufwand treibt die Kosten für monokristallines Silizium in die Höhe, denn beim sägen gehen 30% bis zu 50% des Materials verloren. 2.1.6. Polykristalline Silizium- Zellen Als nächstes komm ich auf die polykristallinen Silizium- Zellen zu sprechen. Diese haben in der Regel einen zwei bis drei Prozent niedrigeren Wirkungsgrad (14% –18%) als monokristalline Silizium- Zellen, sind aber in ihrer Herstellung durch einen niedrigeren Energieaufwand preiswerter. Sie finden in fast der Hälft der bereits verbauten Solarmodule Verwendung. Man findet sie meist in hellen Blautönen, wobei die Farbe in den Solarzellen variiert, da die Wafer aus mehreren Kristallstrukturen bestehen und somit das Licht unterschiedlich von der Zelle reflektiert wird. Nun komm ich zum Herstellungsverfahren von polykristallinen Silizium- Zellen, dieses nennt sich Blockkristallisationsverfahren. Das Silizium- Granulat wird mit Bor dotiert, dann eingeschmolzen, in Blöcke gegossen und dann schließlich lässt man es aushärten, dabei entstehen verschiedene Kristallstrukturen und somit entstehen auch Korngrenzen an denen Verluste auftreten, die den entscheidenden Unterschied des Wirkungsgrades gegenüber monokristallinen Solarzellen ausmachen . Die Silizium Blöcke können nun in dünne Wafer gesägt werden, auch hier geht einiges des Materials verloren. 2.1.7. Dritter Schritt vom Wafer zur fertigen Solarzelle Die polykristallinen und die monokristallinen Wafer müssen nun einige chemische Becken durchlaufen, die dazu dienen Sägeschäden zu entfernen. Die chemische Zusammensetzung dieser Reinigungsbecken ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich und geheim. Die Wafer werden nun Einseitig mit einer dünnen Schicht Phosphor dotiert, dabei ist die Bor dotierte Schicht (p- dotiert) wesentliche dicker (ca. 0,3 - 0,6 mm) als die Phosphor dotierte Schicht (n- dotiert) (0,001 mm). Der Grund warum die n- dotierte Schicht dünner sein muss, ist dass somit das Licht vor allem in der Verarmungszone absorbiert wird. Die p- dotierte Schicht muss dicker sein, damit die eindringenden Protonen abgefangen werden können. Nach der Diffusion (Wärmebewegung) entsteht an der Oberseite der Photovoltaikzelle Phosphorglas, diese wird mit Hilfe von Fluorwasserstoffsäure entfernt, danach wird in einem Ofen auf die n- dotierte Schicht eine Antireflexschicht aufgetragen, welche für die bekannte bläuliche Färbung von Solarzellen verantwortlich ist. Die Antireflexschicht soll die Reflektion von Licht vermindern und mehr Licht kann absorbiert werden. Im nächsten Schritt werden metallische Kontakte (Minuspol) an der Oberseite befestigt und an die Unterseite wird eine Metallschicht (Pluspol) gepresst. Dennis Perlich 3 Photovoltaik 14.05.2016 Dann werden die einzelnen Wafer einem Sonnentest unterzogen und sie werden nach Qualität sortiert. Zum Schluss werden die Wafer zusammengelötet, auf beide Seiten wird eine transparente Kunststoffschicht aus Ethylenvinylacetat laminiert, auf die Oberseite kommt noch eine Glasscheibe und die Solarzelle ist einsatzbereit. Glasscheibe: temperaturbeständig, druck-, stoß- und schlagfest Kunststoffschicht: schützt vor Korrosion 2.2.1. Dünnschichtzellen Dünnschichtzellen können aus verschiedenen Halbleiter- Materialien hergestellt werden z. B. amorphem Silizium, CIS/ Cigs und Cadmium-Tellurid (CdTe). Sie sind an ihrer Schwarzen, Rotbraunen oder Dunkelgrünen Färbung zu erkennen, welche vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig ist. Dünnschichtzellen haben eine amorphe Atomstruktur, d.h. dass ihre Atome keiner Kristall- Struktur unterliegen. Im Vergleich zu konventionellen Solarzellen können diese um das 100- Fache dünner sein, weil sie über eine bessere Lichtabsorption verfügen als monokristalline oder polykristalline Zellen. 2.2.2. Amorphe Siliziumzellen Zunächst möchte ich die Herstellung erläutern. Auf einen Träger wie Glas wird eine Schichte Zinnoxid gesprüht, diese wird mittels Lasertechnik in Streifen geschnitten und dient als Frontkontakt. Dann werden das Silizium und die Dotierungen mittels Gasenphasenabscheidung platziert. (Zuerst die P- Schicht, dann das amorphe Silizium und die N- Schicht) Daraufhin wird noch eine Aluminium- Pulver- Schicht angebracht, die als Rückseitenkontakt dient. Zum Einsatz kommen Dünnschichtzellen in kleinen Elektrogeräten wie zum Beispiel Uhren und Taschenrechnern, zudem finden sie auch Gebrauch auf Rücksäcken oder Jacken, da auch flexible und leichte Trägermaterialien wie Kunststoff verwendet werden können. Jedoch sind Dünnschichtzellen auch eine Alternative, die noch auf dem Markt dominierenden poly- und monokristallinen Solarzellen abzulösen, dafür sprechen einige Vorteile. Zum einen ist der Materialverbrauch um 99% geringer und zum andern benötigt die Herstellung 1/3 weniger Arbeitsschritte und rund 50% weniger Energie, daher können die Kosten für den Verbraucher niedriger sein. Weitere Vorteile bieten die Möglichkeit von flexiblen Trägermaterialen und das geringe Gewicht, daher ist es möglich Solarmodule in Gebäuden bessere zu integrieren, dazu trägt auch die Optik bei, da Dünnschichtmodule als ästhetischer empfunden werden. Aber es gibt auch Nachteile zu nennen, die Wirkungsgrade der konventionellen Solarmodule sind doppelt so hoch wie die von a- Si Solarmodule (7% bis 10%), jedoch wird dieser Nachteil durch den höheren Stromertrag von Dünnschichtzellen Dennis Perlich 4 Photovoltaik 14.05.2016 bei Diffusen- Licht und hohen Zelltemperaturen etwas ausgeglichen, und die Degradation ist höher, während poly und monokristalline Module in 25 Jahren knapp 10% an Leistung verlieren, können Dünnschichtzellen bis zu 20% an Leistung verlieren. 2.2.3. Cis/ Cigs Module Nun komme ich auf die Anfangs erwähnten Cis/ Cigs- (auch CIGSSe genannt) Module zu sprechen. Die Abkürzung steht für Cu(In,Ga)(S,Se)s bzw. für die Elemente Kupfer, Indium, Schwefel und Selen. Die Herstellung erfolgt dem gleichem Prinzip wie bei a- Si Zellen. Die Vorteile und Nachteile sind im Großen und Ganzen auch sehr Ähnlich, jedoch sieht die Zukunftsperspektive für Cigs Module weit besser aus, da bereits Module mit einem Wirkungsgrad von 13% Prozent von dem japanischen Hersteller Solar Frontier auf den Markt gebracht worden sind und CigsModule ein größeres Lichtspektrum erfassen können. Ein Nachteil ist, dass die Produktionskosten höher sind als die auf Silizium basierenden Dünnschicht- Zellen. 2.2.4. CdTe Das dritte Dünnschicht- Modul, welches ich kurz vorstellen möchte, basiert auf den Halbleiter Cadmiumtellurid (CdTe). Es weißt die gleichen Eigenschaften auf wie die der bereits erwähnten Dünnschicht- Modulen. Der amerikanische Hersteller First Solar bietet CdTe Module mit einem Wirkungsgrad von bis zu 13,4 % an und auch preislich ist First Solar momentan am konkurrenzfähigsten, jedoch ein großer Nachteil ist, dass Cadmiumtellurid ein sehr giftige und umweltschädliche Substanz ist, daher sieht die Zukunft für CdTe nicht gut aus, denn die meisten Projekt Ausschreiben schließen es aus und auch die EU erwägt ein komplettes Verbot. 2.2.5. Tandem-Solarzelle und Organische Solarzelle Im Laufe meiner Ausarbeitung über die doch Recht bekannten Solarzellentypen bin ich auf noch zwei Weitere gestoßen. Diese werde ich nur kurz vorstellen, da sie noch von geringerer Bedeutung sind. 2.2.6. Tandem- Solarzellen (Mehrfachsolarzellen) Die Tandem- Solarzelle gehört auch zu den Dünnschichtzellen. Es werden zwei bis drei Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien übereinander geschichtet, dies verfolgt den Zweck, dass die Absorptions- Schichten unterschiedliche große Bandlücken aufweißen und somit auch unterschiedliche Lichtspektren erfassen können. Bsp.: Drei Schichten: Gallium-Indium-Phosphid/Gallium-Indium-Arsenid/Germanium Wirkungsgrad einer Zelle: 41,1% Dennis Perlich 5 Photovoltaik 14.05.2016 Tandem- Solarzellen werden hauptsächlich in der Raumfahrt (Bsp. für Satelliten), wo man meist nur beschränkte Flächen benutzen kann, verwendet, da sie sehr teuer in der Herstellung sind. 2.2.7. Organische Solarzelle (Plastiksolarzellen) Organische Solarzellen bestehen aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Sie sind noch elastischer und billiger zu Produzieren als die üblichen Dünnschichtzellen, jedoch weißen sie noch gravierende Nachteile auf, zum einen lediglich ein Wirkungsgrad von ca. 10% einer einzelnen im Labor betriebenen Zelle und zum andern eine geringe Lebensdauer. Sie werden bisher in Produkten wie Taschenrechnern verwendet. 2.3. Letzter Vergleich Solarzellentyp Mono. Poly. a- SI Cis/ Cigs CdTe Färbung Dunkelblau, Schwarz 16% bis 22% Hellblau Schwarzviolett Bis 10% Tiefschwarz Bis 13% Dunkelgrün, Schwarz Bis 13,2% Wirkungsgrad 14% –18% Lichtspektrum Zellstruktur monokristallin polykristallin Keine Keine Keine Lebensdauer 25 bis 30 Jahre 20 Jahre Unbekannt Unbekannt 25 bis 30 Jahre Kosten Sonstiges Giftig 2.4. Fazit Meiner Ansicht nach werden die kristallinen Solarmodule auch in naher Zukunft den Markt beherrschen, da der Preisvorteil der Dünnschichtmodule schrumpft, dies hat zwei fundamentale Gründe, zum einen gibt es weltweit eine Überkapazität an Silizium, und zum andern produzieren die Chinesen wie „Blöd“ kristalline Module (durch den Staat subventioniert und mit geringen Löhnen), beides senkt die Preise enorm, und somit kann der etwas geringere Preis der Dünnschichtmodule den schlechteren Wirkungsgrad nur noch unzufrieden ausgleichen. Des Weiteren wird vermutlich der Markt für a- Si und CdTe Dünnschichtmodule in Zukunft weiter sinken, da wie bereits in den vorherigen Themenfeldern erwähnt CdTe sehr giftig ist und aSi Module einen sehr schlechten Wirkungsgrad haben. Die Cis- Module haben dagegen eine Recht gute Chance, da ihr einziges Manko, die noch zu hohen Produktionskosten sind, aber ich kann mir vorstellen, dass die Japaner und auch die Deutschen Hersteller, diese in den Griff bekommen. Ob Tandem- Zellen und organische Solarzellen, weiterhin nur kleinere Nischenmärkte bedienen oder den Durchbruch schaffen, bleibt abzuwarten Dennis Perlich 6 Photovoltaik 14.05.2016 3. Aufbau einer Photovoltaikanlage 3.1. Allgemeine Bedingungen Bevor ich auf die konkreten Bauelemente komme, möchte ich die Bedingungen für einen optimalen Stromertrag ansprechen. Dieses Jahr (2012) hätte es sich in ganz Deutschland gelohnt eine Photovoltaikanlage zu besitzen. Die Sonnenstunden in Deutschland pegelten sich zwischen den Niedrigstwerten in Düsseldorf-Bonn von 1.432,4h und den Höchstwerten in Arkona von 1.923,6h ein. Grundsätzlich sollte die Anlage gegen Süden ausgerichtet werden. Eine andere Ausrichtung kann den Ertrag um 5 - 20 % minimieren. Des Weiteren sollte man auch einen Neigungswinkel von 30°C beachten, auch hier können andere Neigungswinkel den Ertrag um bis zu 5 - 15 % senken. Man kann sehen, dass wenn bereits bei der Montage der Anlage Fehler gemacht werden, Verluste von bis zu 35% erreicht werden können. Außerdem sollte man darauf achten, dass es zu keinen Verschattungen kommt, diese können beispielsweiße durch Schornsteine oder Antennen, welche man auf jedem Dach vorfindet, verursacht werden. 3.2. Die einzelnen Komponenten und ihre Funktion (ausgehend von einem Netzgekoppelten System) 3.2.1 Photovoltaik- Generator Ein Photovoltaik- Generator besteht meist aus mehreren in Serie geschalteter Module so genannten Strings. Die Spannung der Module addiert sich und die Stromstärke bleibt in jedem Modul gleich. Vorteile der Serien- Schaltung ist die geringe Stromstärke, und die damit verbundenen dünnen Leiter und geringeren Kosten. Ein weiterer Vorteil ist, dass die hohen Spannungen positive den Wirkungsgrad des Wechselrichters beeinflussen. Nachteile sind die sehr hohen Spannungen (800V bis sogar 1000V), die gefährlich werden können, und das die Leistung in einer Reihenschaltung sich an das schwächste Glied orientiert, d.h. falls ein Solarmodul verschattet ist, sinkt der produzierte Strom/ die Leistung in allen Modulen. Bsp.: In einem Modul sind 2% der Fläche beschattet und das Modul hat nun eine Leistung von 6,3 W, vorher hatte es eine Leistung von 20,3 W. Die Widerstände der beschatteten Zellen steigen und können als Verbraucher angesehen werden. Nun tritt eine Verlustleistung auf, die dazu führt, dass sich die Zellen so stark erwärmen, so dass so genannte Hot- Spots auftreten, welche die Zelle dauerhaft beschädigen können Um die Leistungsminderung zu minimieren und thermischen Schäden vorzubeugen, wird in der Regel alle 18 Zellen (Ein Modul besteht meinst aus ca. 74 Zellen) eine Bypassdiode parallel geschaltet. Die Bypassdiode schaltet durch wenn an ihr eine kleine negative Spannung anliegt zumeist -0,5V bis -0,7V. Die Zellen werden kurzgeschlossen und die restlichen Zellen des Moduls arbeiten weiter. Dennis Perlich 7 Photovoltaik 14.05.2016 Es wäre auch möglich alle Module parallel zu schalten, dies hätte den Vorteil, dass Abschattungen nicht so stark beeinflussen, da die Spannungsabhängigkeit der Module nicht so stark beeinflusst wird wie bei einer Stromabhängigkeit. jedoch sind die Leitungen wegen den hohen Strömen sehr dick und so treten sowohl durch die Leitungen als auch durch den Wechselrichter, der nicht so effektive mit hohen Strömen arbeiten kann als mit hohen Spannungen, hohe Verluste auf, zudem sind die Leitungen als auch der Wechselrichter teurer. Parallelschaltungen von Solarmodulen werden nur in Inselanlagen benutzt und an Flächen die sehr oft beschattet sein können. 3.2.2. Wechselrichter Ist mit der Photovoltaik- Anlage das wohl wichtigste Bauelement. Es wandelt, die vom Modul gelieferten Gleichstrom in netzsynchrone Wechselstrom um, dies ist jedoch nicht seine einzige Aufgabe. Der Wechselrichter beinhaltet auch einen MPP (Maximum Power Point)- Tracker, dieser ermittelt unentwegt den Punkt an dem die höchste Leistung erreicht wird, d.h. der Punkt an dem das Produkt aus Strom und Spannung am größten ist. Die Leistung bleibt jedoch nicht konstant, sondern wird durch Sonneneinstrahlung, der Temperatur und individuellen Moduleigenschaften beeinflusst. Der Tracker (Regler) erhöht fortlaufend den Lastwiderstand also die Belastung der Solarzellen, so dass die Leistung steigt. Ist die maximale Leistung erreicht und die Belastung wird weiter erhöht fällt die Leistung, dies fasst der Tracker als Abbruchkriterium auf und geht wieder auf den vorherigen Wert zurück. Die Suche nach der optimalen Leistungsausbeutung wiederholt sich alle paar Sekunden. Die Berechnungen nimmt ein Mikrocontroller vor, der anhand von vorgegebenen Messwerten agiert. Eine weitere Komponente im Wechselrichter ist ein Trafo, der Gleichstromseitig oder Wechselstromseitig die Spannung dem Netz entsprechend hoch setzt. Zudem findet natürlich noch eine Wechselrichterbrücke Anwendung, die den Gleichstrom in netzsynchronen Wechselstrom wandelt. Am Ende des Wechselrichters befindet sich noch eine Netzüberwachung (ENS), die wie der Name schon sagt das Netz überwacht und bei Ausfall die Anlage vom Netzt nimmt. 3.2.3. Zweirichtungs-, und PV- Zähler Der Zweirichtungszähler zählt den Strom der von dem öffentlichen Netz gezogen wird und den Strom den man dem Netz liefert. PV- Zähler zählt den gesamten Strom, der erzeugt wurde. 3.2.4. Sonstige Generatoranschlusskasten: Die Module werden über String-Sammelklemmen zusammengeführt, bzw. verkabelt. Auch sind Überspannungsableiter sowie die Strangsicherungen oftmals Bestandteile des Kastens. DC- Hauptschalter kann den Wechselrichter von dem Photovoltaik Generator trennen, damit Wartungsarbeiten ermöglicht werden. Dennis Perlich 8 Photovoltaik 14.05.2016 Weitere Bauteile sind die Gleichstromverkabelung und Wechselstromverkabelung. Erklärungen dazu, scheinen mir überflüssig. Zuletzt ist ein Netzanschluss natürlich auch noch Pflicht. 3.3.1. PV Inselsysteme Allgemein Photovoltaik Inselsysteme ermöglichen Gebieten. die an kein öffentliches Netz angeschlossen sind bzw. der Anschluss mit sehr hohen Kosten verbunden ist, eine eigene Stromversorgung. Inselsysteme findet man meist in ländlichen Gebieten, zudem finden vor allem in Dritte Welt Ländern Verwendung. Ein weiterer Grund für Inselsysteme sind die steigenden Strompreise. Das Inselsystem wird von 5 Hauptkomponenten geprägt: dem Solargenerator, den Ladereglern, Wechselrichter, den Akkus und den Verbrauchern. Die einzelnen Bestandteile werde ich in den nächsten Unterpunkten erläutern. 3.3.2. Solargenerator Der Solargenerator bildet die Energiequelle. Meistens werden 12 V Module parallel geschaltet, dabei bleibt die Spannung in jedem Modul gleich und die Ströme addieren sich. Der Hintergrund zu 12 V Modulen ist, dass viele Geräte mit 12V DC betrieben werden können, und damit eine Umwandlung in einen Wechselstrom nicht zwanghaft ist. Ob man sich für kristalline Module oder Dünnschichtmodule entscheidet, ist dem Betreiber überlassen, denn es gibt 12 V Module von fast jedem Solartyp. Das Wichtigste ist nur, dass man mit den ausgewählten Modulen die angestrebte Leistung erreicht. Um noch mal auf die Spannung der Module zurückzukommen, oftmals werden auch Module mit 24V ausgewählt mit dem Vorteil, dass man mit geringeren Strömen arbeiten kann, die den Durchmesser von den Leitungen enorm senken können und damit auch die Kosten. 3.3.3. Akkumulatoren Akkumulatoren, kurz Akkus sind für den Betrieb einer Inselanlage nicht zu missen. In der Nacht oder bei schlechtem Wetter (bewölkt) produzieren die Photovoltaikanlage keinen bzw. kaum Strom und der Strom der Tags über produziert wird, wird selten auch gleich wieder verbraucht. In Netzgekoppelten Systemen dient das Netz als Speicher, hier ist aber kein Netz zu Verfügung, somit müssen Akkus Abhilfe schaffen und den Strom abspeichern Es gibt drei Typen von Akkus, die sich für unterschiedliche Nutzungen eignen. Die gängigsten Akkus sind Bleiakkus. Sie werden für unregelmäßige Einsätze verwendet wie in Ferienhäusern. Gelakkus eigenen sich vor allem für Mobile Anwendungen wie in Booten, da keine Gefahren vom Auslaufen der Säure zu befürchten ist. Für tägliches Nutzen eignen sich OPzS- oder OPzV-Akkus. Sie weißen sehr lange Lebenszeiten auf. Für kleine Solaranlagen eignet sich ein Akku- System mit 36 AH. Für mittlere „“ mit 100 AH. Dennis Perlich 9 Photovoltaik 14.05.2016 Für große „“ mit 240 AH. Beispiel: AH steht für Amper* Stunde. Mein Lampe verbraucht 75 Watt Dass heißt in der Stunde 75Wh Betrieb bei ca. 230 V 75Wh / 230V = ca. 0,33 AH Ein Akku mit 36 AH würde ca. 109h reichen 3.3.4. Laderegler Ein Laderegler hat zwei Hauptaufgaben zum einen soll das Überladen vom Akku und zum andern soll ein Tiefenentladung verhindert werden. Sobald die Ladeschlussspannung erreicht ist, also die maximale Spannung des Akkus, schaltet ein Relais den Modulstrom ab, wenn die Spannung sinkt, wird das Relais wieder geschlossen. Der Schutz vor Tiefenentladung folgt dem gleichen Prinzip wie bei dem Schutz vor Überladung, sobald die Spannung zu niedrig wird, werden die Verbraucher mittels Relais abgeschaltet. Im Normalfall wird man vorher durch ein optisches Signal gewarnt, es wäre doch sehr ärgerlich, wenn man Beispielsweiße gerade ein Projekt am PC schreibt und auf einmal ist der Strom weg und damit auch die Ergebnisse. 3.3.5. Wechselrichter Die letzte Komponente die ich erwähnen möchte ist der Wechselrichter. Er wandelt Gleichstrom mit meist 12V oder 24V in 230V Wechselstrom um. Viele Elektrogeräte vor allem Größere sind auf Wechselstrom angewiesen und auch bei längeren Kabelverbindungen macht es Sinn mit Wechselstrom wegen geringeren Verlusten zu arbeiten. 4. Der Weg zur eigenen Photovoltaikanlage 4.1. Wirtschaftlichkeit Vor dem Kauf einer Solaranlage mit allem drum und dran, sollte man sich die Frage stellen, lohnt sich der Kauf einer Anlage aus finanzieller Sicht? Dies werde ich in den kommenden Themenfeldern versuchen näher zu bringen Zunächst einmal kann man ganz klar festhalten, dass es sich von Jahr zu Jahr mehr lohnt eine eigene Photovoltaik Anlage anzuschaffen, auch wenn die Einspeisevergütung rapide sinkt, aber dazu später mehr. Dies liegt vor allem an dem rapiden Preissturz der letzten Jahre. Allen voran chinesische Hersteller überschwemmen den Markt und drücken die Preise zum Leidwesen vieler deutscher Hersteller enorm. Weitere Gründe sind die sinkenden Rohstoffpreise für Silizium und die effektiveren Produktionsverfahren. Aber jetzt mal zu konkreten Zahlen. Im Jahre 2006 musste man noch gute 5.000€ pro kWp bezahlen. 6 Jahre Später wir schreiben das Jahr 2012, konnte man schon Angebote mit allem drum und dran Dennis Perlich 10 Photovoltaik 14.05.2016 (Wechselrichter etc.) von 1700€ bis zu 2100€ finden, das ist ein gewaltiger Rückgang von bis zu 66%. Bemerkung: Nettopreise Für das Jahr 2013 werden die Preise wahrscheinlich noch weiter sinken. 4.2. Kilo Was Peak? Jetzt möchte ich erst noch mal die Einheit und die Hintergründe von kWp erklären, denn was nützt es zu wissen was etwas kostet wenn man nicht weiß was es bedeutet. Also kWp steht für Kilo Watt Peak und wird eigentlich nur im Zusammenhang mit Photovoltaikmodulen benutzt. Die Einheit gibt Aufschluss über die Leistung unter folgenden Testbedingungen. Zellentemperatur = 25 °C Bestrahlungsstärke = 1000 W/m² Sonnenlichtspektrum = 1,5. Wenn man eine Anlage mit 1 kWp sich kauft, heißt das noch lange nicht, dass die Anlage auch 1 kW Leistung abgibt, dafür gibt es mehrere Gründe. 1. Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² tritt in Deutschland nur sehr selten ein. 2. Bei einer Bestrahlung von 1000 W/m² haben die Zellen meist eine höhere Zelltemperatur als 25°C, dies führt zu höheren Verlusten 3. Liegt eine optimale Neigung des Solarmodule vor Mit der Einheit kWp lassen sich Module sehr gut vergleichen, aber sie gibt keinen Aufschluss über die tatsächliche Leistung ab. In Hessen erreicht man mit 1 kWp um die 800 bis 900 kWh jährlich. Zum Schluss noch eine Rand Bemerkung pro kWp benötigt man 8 m² bis 10 m². 4.3.1 Anschaffung der Solaranlage Ich lebe in einem 4 Personen Haushalt. Wir haben einen ziemlich hohen Verbrauch von um die 4600kW jährlich, daher würden wir 6 kWp benötigen, wenn davon auch einiges eingespeist werden könnte. 6 kWp *850 kWh = 5100 kW 6 kWp mal 1900€ = 11400€ (Netto) + Montage pro kWp 120€ bis 180€ 6 kWp mal 150€ = 900€ Somit würden Anfangs etwa Kosten von 12300€ anfallen. Dazu kommen noch laufende Kosten von jährlich 240€ und 280€. Diese Summe lässt sich aus folgenden Beiträgen addieren: Versicherungsbeiträge, Miete des Zählers und Wartungsarbeiten. Dennis Perlich 11 Photovoltaik 14.05.2016 4.3.2 Steuerlicher Ratschlag Ich würde dringend Raten auf die Kleinunternehmerregelung zu verzichten und somit kann man zum einem die Mehrwertsteuer der Anlage sich vom Finanzamt zurückholen und zum andern: Betriebskosten der Anlage, Kosten für die Wartung oder Reparatur, Finanzierungs- und Versicherungskosten, Kosten für eine Stromzählermiete 20 Jahre lang abschreiben lassen. Zudem muss man beim Verteilnetzbetreiber 19% Mehrwertsteuer einfordern. Der Nachteil ist, dass man Verwaltungstechnisch sehr beansprucht wird. So muss man in den ersten zwei Jahren monatliche Umsatzsteuervoranmeldung (angefallene Umsatzsteuer an das Finanzamt zu melden und abzuführen) schreiben, danach nur noch Quartalsweiße. 4.4. Vergütung und Eigenverbrauch Januar 2012 Leistung kWp Unter 10 10 – 40 40 - 1.000 1-10 MW Vergütung Cent pro kW 17,02 16,14 14,40 11,78 Wie aus der Tabelle abzulesen würden wir mit unserer 6 kWp eine Vergütung von 17,02 Cent pro Kilo Watt erhalten. Wissenswert ist auch, dass man die Vergütung in den nächsten 20 Jahren erhält, die zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme gegolten hatte. Zum vergleich 2005 gab es noch für unter 30 kWp Anlagen 54,53 Cent. Die fallende Vergütung hat zwei entscheidende Gründe, zum einem sind PhotovoltaikAnlagen in den letzten Jahren wesentlich günstiger geworden und zum andern werden immer mehr Anlagen installiert. Somit ist anzunehmen, dass spätestens 2020 es keine Vergütung mehr geben wird. Schon jetzt sinkt die Vergütung monatlich. Anlagen, die nachdem 01.04.2012 in den Betrieb gingen, erhalten keine Vergütung mehr für den Eigenverbauch. 4.5. Kosten Vergleich Eigenversorgung gegen herkömmlichen Stromversorger So jetzt zu dem Beispiel zurück. Zu Erinnerung wir produzieren 6 kWp, das entspricht im Jahr etwa 5100 kW, davon können wir 25% direkt selbst verbrauchen, also 1275 kW, die restlichen 3825 kW speisen wir in das Netz und erhalten eine Vergütung von 17,02 (Netto) pro kW, daraus folgen 657.9€, die wir vom Netzbetreiber erhalten. 3325 kW (4600-1275) müssen wir wiederum vom Netzbetreiber aufnehmen, dafür müssen wir 0,2655 Cent pro kW (auf Basis 2013) zahlen, also 0,2655 * 3325 kW 882.78€. Von den Kosten können wir unsere Vergütung abziehen, somit müssen 224.88€ pro Jahr für den Strom bezahlen. Dazu müssen noch die laufenden Kosten (sieht Themenfeld: 4.3.1 Anschaffung der Solaranlage) von angenommenen 260€ Dennis Perlich 12 Photovoltaik 14.05.2016 dazu summiert werden 485.88€!!! Ohne unsere Photovoltaikanlage bezahlen wir (4600 kW * 0,2655) 1221.3€. Damit sparen wir jedes Jahr 735.42€. Bei gleich bleibenden Strompreisen würden wir nach 16.72 Jahren die Anschaffungskosten für die Anlage ausgeglichen haben und von da an würden wir Geld sparen. Rand- Bemerkung: Die 16.72 Jahre basieren auf einen Strompreis für das Jahr 2013, da jedoch anzunehmen ist, dass der Strompreis weiter steigen wird, könnte man auch schon etwas früher die Anschaffungskosten ausgeglichen haben. 4.6. Fazit Außer dass wir Geld sparen, können wir mit dem Wissen, dass wir etwas für den Energiewandel getan haben, auch weiterhin die Zimmerlampe, die Nachtischlampe, den Fernseher und den Computer gleichzeitig laufen lassen. Jetzt aber noch mal ernsthaft. Die Zukunft der privaten Photovoltaik Betreiber liegt meiner Ansicht in einem höheren Eigenverbrauch, und da es nun mal einfach nicht machbar ist den erzeugten Strom zu 100% direkt wieder zu verbrauchen, wird es womöglich in den nächsten Jahren zur Mode werden auf Akkus bzw. Inselanlagen zurückzugreifen. Ein weiterer Grund dafür wird die weiter sinkende Einspeisevergütung sein, die nach Ablauf der 20 Jahre nicht mehr existieren wird oder auf einen so niedrigen Wert herunter sinkt, dass es mehr Spaß macht sämtliche Elektrogeräte einfach so laufen zu lassen, statt zu sehen wie die Stromerzeuger mit dem „geschenkten“ Strom hornte Strompreise verlangen. Denn so wie ich den Markt kenne und die armen Stromerzeuger wie Beispielsweiße EON einschätze, wird man die Strompreise auch ohne EEG Umlage eher weiter erhöhen statt sie wieder zu senken. Warum soll man etwas senken, wenn es doch bereits oben ist. Dennis Perlich 13
