Fotovoltaik – Strom von der Sonne

Fotovoltaik – Strom von der Sonne
Eine der umweltschonendsten Arten der Energiegewinnung ist die Nutzung der
Sonnenenergie. Die Warmwasserbereitung mit Hilfe von Solarkollektoren ist heute
schon wirtschaftlich. Und auch für die Stromgewinnung aus Solarzellen gibt es
Anwendungschancen, vor allem vor dem Hintergrund der gesetzlich garantierten
Einspeisevergütung und dem 100.000 Dächer-Solarstrom-Programm.
Sonne gibt es überall
Sonnenenergie für die fotovoltaische Energieumwandlung steht weltweit kostenlos
zur Verfügung. Auf einen Quadratmeter Erdoberfläche strahlt die Sonne mit einer
Leistung von bis zu 1000 Watt ein. In Abhängigkeit des unterschiedlichen tages- und
jahreszeitlichen Verlaufes der Sonneneinstrahlung ergibt sich im Jahresdurchschnitt
eine mittlere Einstrahlungsintensität von 125 Watt je Quadratmeter. Summiert man
die eingestrahlte Sonnenenergie über ein Jahr auf, so erhält man für Deutschland je
nach Standort Jahreswerte von 900 bis 1100 Kilowattstunden pro Quadratmeter.
Dies ist immerhin die Hälfte im Vergleich zu den weltweiten Spitzenwerten. In den
Trockenwüsten der Erde, wie der Sahara, treten Spitzenwerte von bis zu 2200
Kilowattstunden pro Quadratmeter auf.
Welche Möglichkeiten der Sonnenenergienutzung gibt es?
Die auf die Erde treffende Sonnenenergie könnte theoretisch den weltweiten
Energiebedarf 10.000-fach decken. Wegen der vergleichbar geringen Energiedichte,
der regionalen und zeitlichen Verteilung der Einstrahlung auf die Erdoberfläche und
der begrenzten Speichermöglichkeit der Sonnenenergie ist dies jedoch praktisch
nicht möglich.
Es gibt grundsätzlich zwei Arten der direkten Nutzung der Sonnenenergie:

die solarthermische Nutzung, bei der die Sonneneinstrahlung direkt in Wärme
umgewandelt wird (technisch einfache und preiswerte Möglichkeit)

die fotovoltaische Nutzung, bei der die Sonneneinstrahlung direkt in elektrische
Energie umgewandelt wird (technisch aufwendigere und kostenintensivere
Möglichkeit)
Während die solarthermische Nutzung der Sonnenenergie zur Warmwasserbereitung
heute schon kostendeckend eingesetzt werden kann, ist für den Eigenverbrauch an
Strom die Fotovoltaik im Vergleich mit der konventionellen Stromerzeugung noch
nicht konkurrenzfähig. Dies gilt so jedoch nur für „normale“ Wohnlagen. Für
Wohnhäuser fernab der Zivilisation, Wochenendhäuser, Wohnwagen usw. stellt die
Fotovoltaik eine gute Alternative dar. Außerdem können Anlagen zur
Stromerzeugung aus Sonnenlicht üblicherweise ohne große Umstände auf Dächern
installiert werden. Im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) mit der
garantierten Einspeisevergütung von 99 Pfennigen und den diversen
Förderprogrammen können so Eigentümer oder Pächter geeigneter Dachflächen
zügig zu Stromerzeugern avancieren.
Neben der direkten Nutzung lässt sich die Sonnenenergie auch in indirekter Form in
Windkraftanlagen und Wasserkraftwerken sowie in gespeicherter Form als Biomasse
verwenden.
Wie funktioniert die fotovoltaische Energieumwandlung?
Eine Solarzelle besteht aus zwei Siliziumschichten, die mit anderen Elementen wie
z.B. Phosphor oder Bor gezielt verunreinigt („dotiert“) sind. Eine Schicht hat einen
positiven, die andere einen negativen Ladungsüberschuss. So entsteht im
Übergangsbereich der beiden Schichten ein elektrisches Feld.
Die kleinen Energieträger des Sonnenlichts (Fotonen) „schießen“ bei ihrem
Auftreffen auf das Silizium negativ geladene Elektronen (-) aus ihrer atomaren
Bindung. Sie und die dabei gleichzeitig entstehenden positiven Ladungsträger (+)
wandern im Siliziumhalbleiter umher. Das vorhandene elektrische Feld trennt diese
Ladungsträger. Auf diese Weise entsteht eine elektrische Spannung zwischen den
Metallkontakten an der Ober- und Unterseite der Solarzelle.
Schließt man einen elektrischen Stromkreis mit Leitungen und Verbrauchern an, so
kann ein Strom fließen und eine elektrische Leistung erbracht werden. Die Stärke
des Stroms und damit die Leistung hängt von der Intensität der Bestrahlung ab.
Welche Typen von Solarzellen gibt es?
Der Fotoeffekt lässt sich bei einer Vielzahl von Halbleitermaterialien beobachten. In
der Technik spielt jedoch fast ausschließlich Silizium eine Rolle. Bei diesem Material
beherrscht man die großtechnische und fabrikmäßige Herstellung und Handhabung
der Solarzelle. Solarzellen werden zum Schutz gegen Umwelteinflüsse in
Glasscheiben eingebettet und mit einem Metallrahmen versehen (Solarmodule). Um
höhere elektrische Spannungen zu erhalten, verschaltet man die Solarmodule zu
größeren Einheiten (Solargeneratoren).
Für die Herstellung von Solarzellen aus Silizium gibt es drei unterschiedliche
Verfahren. Je nach der Struktur des Kristallgitters unterscheidet man zwischen
monokristallinen, polykristallinen und amorphen Solarzellen, sowie den daraus
gefertigten Solarmodulen.

Monokristalline Solarzellen zeichnen sich durch eine vollständig gleichmäßige
Kristallgitterstruktur der Siliziumatome aus. Sie haben eine dunkle, fast schwarze
Oberfläche. Der Wirkungsgrad liegt bei 15 – 17 Prozent, der
Solarmodulwirkungsgrad dagegen bei 10 – 14 Prozent.

Polykristalline Solarzellen besitzen eine abschnittsweise gleichmäßige
Kristallgitterstruktur der Siliziumatome. Die Oberfläche zeigt deutlich die Kristalle
als bläulich schimmernde Schnittflächen. Der Wirkungsgrad liegt bei 12 – 14
Prozent, der Solarmodulwirkungsgrad dagegen bei 9 - 13 Prozent.

Amorphe Solarzellen werden durch Aufdampfen von Silizium auf eine
Trägerschicht (Glas) hergestellt. Die Siliziumatome sind hier unregelmäßig
angeordnet und weisen an der Oberfläche keine erkennbare Struktur auf. Der
Wirkungsgrad liegt bei 7 Prozent, der Solarmodulwirkungsgrad dagegen bei 4 – 6
Prozent.
Daneben können Solarzellen auch direkt aus der Siliziumschmelze gezogen oder als
dünne kristalline Schicht auf ein Keramiksubstrat aufgedampft werden.
Welche Faktoren bestimmen die Leistung einer Solarzelle?
Um die elektrische Leistung von Solarzellen in Abhängigkeit verschiedener
Einflussgrößen zu beschreiben, verwendet man Strom-Spannungskennlinien. Die
einzelnen Kennlinien geben dabei die Strom- und Spannungsabgabe der Solarzelle
für unterschiedliche Einstrahlungsstärken E und Solarzellentemperaturen Tc wieder.
Für jede Kennlinie gibt es genau einen Punkt, bei dem das Produkt aus
abgegebenem Strom und abgegebener Spannung und somit die Leistung einen
maximalen Wert annimmt. Dieser Arbeitspunkt wird als Maximum Power Point
bezeichnet und mit MPP abgekürzt.
Mono- und polykristalline Solarmodule werden mit einer MPP-Leistung von bis zu
300 W p angeboten. W steht für Watt als Maß für die Leistung, der Index "p" deutet
darauf hin, dass es sich um eine Spitzenleistung (englisch "peak" = Spitze) handelt.
Wegen des deutlich geringeren Wirkungsgrades sind amorphe Solarmodule nur bis
zu einer Leistung von 60 W p erhältlich.
Von wesentlicher Bedeutung ist, dass die angegebenen Peak-Leistungen unter
Standard-Testbedingungen ermittelt werden. Bei diesen Testbedingungen wird u.a.
die maximal mögliche Einstrahlungsstärke auf die Erdoberfläche von 1000 Watt je
Quadratmeter und eine Solarzellentemperatur von 25 oC vorgegeben. Diese sind
unter realen Einsatzbedingungen allerdings nur selten zu erreichen, so daß die
tatsächliche Ausgangsleistung um bis zu 10 % unterhalb der angegebenen PeakLeistung liegen kann. Bei der Leistung von Solargeneratoren, die im Allgemeinen als
Summe der Peak-Leistungen der installierten Solarmodule angegeben wird, treten
zusätzlich noch Verschaltungsverluste auf.
Wie kann man den fotovoltaischen Strom nutzen?
Die vom Solargenerator erzeugte elektrische Energie schwankt in dem Maße, in dem
sich die Sonneneinstrahlung ändert. Solarerzeugter Strom kann umso günstiger
eingesetzt werden, je entfernter die öffentliche Stromversorgung liegt und je mehr
sich der Energiebedarf am momentanen Energieangebot orientiert.
Dass vor allem Kleingeräte wie Uhren oder Taschenrechner z. T. mit Solarzellen
betrieben werden, ist kein Zufall. Diese Geräte zeichnen sich durch eine minimale
Leistungsaufnahme aus, wofür sich Solarzellen als zuverlässige und kostengünstige
Alternative zu Kleinstbatterien anbieten.
Je nach Anwendungsfall unterscheidet man:

Direkte Gleichstromversorgung durch den Solargenerator (z. B.
Brunnenpumpe): Bei dieser Minimalkonfiguration, bestehend aus Solargenerator
und elektrischem Kleinverbraucher, können nur gleichstrombetriebene
Elektrogeräte direkt an den Solargenerator angeschlossen werden, deren
Arbeitsweise durch das zeitlich schwankende Energieangebot nicht
eingeschränkt wird.

Autarke Stromversorgung mit Batteriespeicher für Gleichstrombetrieb (z. B.
Wohnwagen): Eine über einen Laderegler aufladbare Batterie speichert Strom für
einstrahlungsarme Zeiten, in denen die solarerzeugte Energie für die
gleichstrombetriebenen Elektrogeräte nicht ausreicht.

Autarke Stromversorgung mit Batteriespeicher für Wechselstrombetrieb
(z.B. Ferienhaus): Neben einem Laderegler und einer Batterie ist ein
Wechseltrichter für den Betrieb von wechselstrombetriebenen Elektrogeräten
erforderlich. Überschüssige Sonnenenergie wird in einer Batterie gespeichert.

Kombinierte Stromversorgung mit Solargenerator und öffentlichem Netz
(z.B. Einfamilienhaus): Mit dieser Anlagenkonfiguration lassen sich
wechselstrombetriebene Elektrogeräte mit Solarstrom oder Netzstrom versorgen.
Es besteht die Möglichkeit, überschüssigen Strom in das öffentliche Netz
einzuspeisen und bei zu geringer Sonneneinstrahlung die fehlende elektrische
Energie aus dem Stromnetz zu beziehen. Da hier das Stromnetz die notwendige
Pufferfunktion ausübt, wird diese Betriebsweise auch Netzparallelbetrieb genannt.

Direkte Einspeisung ins öffentliche Netz (Netzeinspeisebetrieb): Da die
Vergütung für ins öffentliche Netz eingespeisten Strom nach dem ErneuerbareEnergien-Gesetz derzeit 99 Pfennige je Kilowattstunde beträgt, ist es unter
wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoller, den Solarstrom vollständig in das
Stromnetz einzuspeisen. Über den neu zu installierenden Stromeinspeisezähler
und den vorhandenen Strombezugszähler laufen hierbei Stromeinspeisung und
Strombezug getrennt voneinander ab.
Zur Auslegung und zum Ertrag einer Solarstromanlage
Die komplette netzunabhängige Versorgung eines Einfamilienhauses kann in
unseren Breiten nur mit großem technischen Aufwand realisiert werden. Selbst wenn
über das Jahr aufsummiert der Anteil des selbsterzeugten Stroms dem
Jahresstrombedarf entspricht, so liegt doch gerade in den einstrahlungsarmen Zeiten
ein höherer Bedarf vor, als solar erzeugt werden kann. Somit treten erhebliche
Kosten für die Zwischenspeicherung des Stroms z. B. in Batterien auf. In der Regel
müsste die Fotovoltaik-Stromerzeugung kombiniert mit der öffentlichen
Stromerzeugung im Netzparallelbetrieb betrieben werden.
TIPp: Wenn Sie sich auf jeden Fall für eine Solarstromanlage entscheiden und
diese dann nicht autark sondern parallel zum öffentlichen Stromnetz betreiben,
sollten Sie den solar erzeugten Strom vollständig in das öffentliche Netz
einspeisen. Für den Eigenbedarf können Sie dann den preiswerteren Strom
aus dem öffentlichen Netz nutzen. Das ist keinesfalls inkonsequent sondern
nur gerecht: Letztendlich wird der Strommix im öffentlichen Netz mit jeder
angeschlossenen Fotovoltaikanlage sauberer und die Kosten werden so auf
alle Nutzer umgelegt.
Mit einer Solargeneratorfläche von zehn Quadratmetern (dies entspricht ungefähr
einer installierten Leistung von 1 kWp) können rund 800 Kilowattstunden nutzbare
elektrische Energie im Jahr erzeugt werden.
In der Regel wird der Solargenerator an einem unbeschatteten Platz auf dem Dach
installiert. Der höchste Jahresenergieertrag ergibt sich bei einer Dachneigung von
rund 30 Grad bei Südausrichtung. Bei Dachneigungen bis zu 40 Grad und
Dachorientierungen zwischen Südosten und Südwesten ergeben sich Einbußen von
bis zu fünf Prozent. Bei einer reinen Ost- oder Westausrichtung liegen die Einbußen
bei gleicher Dachneigung bei fünfzehn, bei sehr flachen Dächern bei ca. zehn
Prozent.
Welche Vorschriften sind zu beachten?
Die Vereinigung der Deutschen Elektroingenieure (VDE) hat Empfehlungen für den
Anschluss an das öffentliche Netz herausgegeben. Sie sind bei jedem
Energieversorgungsunternehmen zu erhalten. Für die Einhaltung der Vorschriften ist
der Installateur verantwortlich. Vor der Auftragsvergabe sollte der Bauherr
sicherstellen, dass der Anbieter die Einhaltung der EVU-Anforderungen schriftlich
bestätigt. Bei fehlerhafter Ausführung stellt eine Fotovoltaikanlage eine Brandgefahr
und ein Risiko für einen elektrischen Stromschlag dar. Daher ist schon zur eigenen
Sicherheit Wert auf eine qualifizierte Planung zu legen.
Wirtschaftlichkeit von solar erzeugtem Strom und Einspeisevergütung
Die Gesamtkosten für eine Fotovoltaikanlage im Netzeinspeisebetrieb liegen je nach
gewählter Anlagenleistung bei 12.000 bis 16.000 Mark pro kW p installierter
elektrischer Leistung. Die Kosten beinhalten den Solargenerator, den Wechselrichter,
die erforderlichen Steuer- und Regeleinheiten sowie die Installationsarbeiten.
Bei einer angenommenen Gesamtnutzungsdauer von etwa 25 Jahren sind jährliche
Betriebskosten von rund 1,5 % der Investitionskosten anzusetzen. Diese beinhalten
Wartungs- und Reparaturkosten sowie die zusätzlichen Kosten für die
Gebäudeversicherung.
Durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz wird eingespeister Solarstrom über einen
Zeitraum von 20 Jahren mit derzeit 94 Pf/kWh vergütet. Pro kW p installierter Leistung
erhält man bei einem jährlichen Ertrag von 800 kWh knapp 750 DM pro Jahr. Über
20 Jahre erhält man somit rund 15.000 DM. Danach kann man sich entscheiden, ob
man zu der dann gültigen Einspeisevergütung weiterhin ins Stromnetz einspeisen
will, oder bei möglicherweise höheren Strombezugskosten die Anlage auf
Netzparallelbetrieb umstellt.
Die 94 Pfennige gibt es nur für Anlagen, die noch in diesem Jahr ans Netz gehen.
Jedes Jahr wird die Mindestvergütung um jährlich fünf Prozent abgesenkt. Die
Laufzeit der neuen Regelung beträgt aber immer 20 Jahre. Besitzer von
Solarstromanlagen, die 2003 ans Netz gehen, erhalten also 20 Jahre lang eine
Mindestvergütung von 89 Pfennigen je eingespeiste Kilowattstunde.
TIPp: Wenden Sie sich an die kostenfreie Energieberatung der
Verbraucherzentrale Thüringen e.V. . Hier erhalten Sie von qualifizierten
Fachingenieuren Unterstützung zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, Planung
und Auswahl einer Solarstromanlage und individuellen Rat zur
Entscheidungsfindung.
Diese Fördermittel gibt es
Zur Finanzierung von Fotovoltaikanlagen hat die Bundesregierung das 100.000
Dächer-Solarstrom-Programm aufgelegt. Über dieses Programm werden von der
Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) zinsgünstige Kredite in folgendem Umfang
bereitgestellt:


Für Privatpersonen: bis 5 kW p installierte Leistung bis zu 13.500 DM je kW p, der
darüber hinausgehende Leistungsanteil bis zu 6.750 DM je kW p;
Für gewerbliche Antragsteller und freiberuflich Tätige: bis zu 6.750 DM je kW p.
Das Darlehen wird zu dem am Tag der Zusage geltenden Programmzinssatz
zugesagt und ist fest für die gesamte Laufzeit. Zurzeit liegt der Effektivzins bei 1,91
Prozent, aktuell kann er immer unter www.kfw.de abgefragt werden. Die
Kreditlaufzeit beträgt maximal zehn Jahre bei höchstens zwei tilgungsfreien
Anlaufjahren. Die Antragstellung erfolgt wie bei allen KfW-Programmen
(gebührenfrei!) über die eigene Hausbank
Der Freistaat Thüringen gewährt im Rahmen des Programmes zur Förderung
erneuerbarer Energien einen Zuschuss zu Fotovoltaikanlagen. Dieser Zuschuss
beträgt 4.000 Mark je kWp bei maximal 100.000 Mark je Anlage. Diesen Zuschuss
erhält nur, wer einen Kredit aus dem 100.000-Dächer-Programm bewilligt bekommen
hat.
TIPp: Zuschüsse für Solarstromanlagen gibt es auch von einigen Kommunen
und Energieversorgern. Ein Anruf beim örtlichen Bau- oder Umweltamt oder
den Stadtwerken kann sich lohnen.
weiter gehende Information
Die Verbraucher-Zentrale Thüringen e.V. bietet in allen Beratungsstellen eine
kostenfreie Energieberatung an. Vereinbaren Sie einen Termin!
Solarenergie-Förderverein e.V. (SFV): www.sfv.de
Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien: www.iwr.de
Bund der Energieverbraucher: www.oneworldweb.de/bde