Photovoltaik - Was sind die Wissens-Grundlagen für Verbraucher?

Photovoltaik für die Stromerzeugung zu Hause

Photovoltaik – Solarstromtechnik – macht das Dach des eigenen Zuhauses zum Elektrokraftwerk. Doch was müssen Verbraucher darüber wissen?

Photovoltaik ist eine der zukunftsweisendsten Techniken für die Stromerzeugung, auch im privaten Bereich. Doch wer sich selbst eine Photovoltaik-Anlage kaufen möchte, benötigt auch als Laie viel Grundlagenwissen. Genau das liefern wir hier.

1. Die Technik

Der überwiegende Teil der weltweiten Stromerzeugung funktioniert auf klassische Weise, indem durch irgendein Medium – Wind, Dampf, Verbrennungsmotor, Gezeitenkraft – ein Generator mechanisch angetrieben wird. Bei Photovoltaik (PV) entsteht Strom jedoch buchstäblich unbewegt. Dabei ist die gesamte Technik sehr faszinierend; weswegen wir ihr auch unser erstes Kapitel widmen.

Wenn aus Licht Strom wird

Tatsächlich ist die Idee, aus Licht Strom zu erzeugen, kein Kind der jüngsten Zeit. Schon 1839 entdeckte der Physiker Alexandre Becquerel den sogenannten Photoelektrischen Effekt. Für Physikinteressierte: Dabei werden durch Lichteinstrahlung auf eine Metallplatte Elektronen aus deren Materie „herausgeschlagen“. Die in Leitern fließende Elektronen sind letztlich das gesamte Geheimnis hinter Strom.

Prinzipiell sind für diesen physikalischen Vorgang zwar unterschiedliche Stoffe geeignet, für moderne PV-Anlagen kommt jedoch praktisch ausschließlich der Halbleiter Silizium zum Einsatz. An dieser Stelle muss man etwas tiefer in die Physik eintauchen. In einer PV-Zelle kommen zwei Sorten von Silizium zum Einsatz:

• n-dotiertes Silizium, zu dessen Atomen fünf Elektronen gehören

• p-dotiertes Silizium, das nur drei Elektronen aufweist

Trifft nun (Sonnen-)Licht auf eine PV-Zelle, wird das n-dotierte Silizium dazu angeregt, Elektronen abzugeben. Getreu der physikalischen Grundlage, dass automatisch ein Gleichgewicht angestrebt wird, wandern diese Elektronen in Richtung des p-dotierten Siliziums. Dadurch entsteht eine Spannung, es fließt (Gleich-)Strom.

Der grundlegende Aufbau einer PV-Anlage

Auf diese Weise könnte man natürlich direkt den Strom verwenden – allerdings nicht im Haushalt. Denn wie erwähnt entsteht auf diese Weise in der PV-Zelle Gleichstrom. Für den normalen Haushalt wird jedoch Wechselstrom benötigt. Eine theoretische PV-Anlage sieht deshalb folgendermaßen aus:

• Photovoltaik-Platten

• Wechselrichter, der Gleich- in Wechselstrom umwandelt

• Stromzähler, der den ins Versorgungsnetz eingespeisten Strom misst

• Stromzähler, der den aus dem Versorgungsnetz bezogenen Strom misst

Dabei ist folgendes wichtig: Zwar ist es rein theoretisch (und auch praktisch) möglich, sämtlichen Strom, den man so erzeugt, nur in seinem eigenen Haushalt zu verbrauchen oder zu speichern (die sogenannte Insellösung). Bei den meisten PV-Anlagen wird jedoch der überschüssige Strom ins öffentliche Netz eingespeist. Dadurch, dass er durch einen Zähler gemessen wird, bekommt man dafür Geld, die sogenannte Einspeisevergütung (mehr dazu weiter unten).

Wichtiges zu Lage und Ausrichtung

Licht ist zwar in jeder Himmelsrichtung vorhanden, in die man blickt. Allerdings haben selbst moderne PV-Anlagen „nur“ einen Wirkungsgrad zwischen elf und 30 Prozent. Das bedeutet, von jedem eingestrahlten Watt an Lichtleistung wird nur ein Teil in elektrische, das heißt nutzbare Leistung umgewandelt.

Um die Verluste so gering wie möglich zu halten, ist es demnach (auf der Nordhalbkugel) unabdingbar, nicht nur die gesamte PV-Anlage nach Süden auszurichten, sondern die einzelnen Platten auch so zu neigen, dass die Sonne möglichst senkrecht auf sie scheint. Und nicht nur Wolken, sondern prinzipiell jeder Ast, jedes Freileitungskabel reduziert die Einstrahlung weiter (der Fachmann spricht von Abschattung).

Steuern und regeln

So hochtechnisiert eine PV-Anlage ist, als Basismodell funktioniert sie nach dem Wasserlauf-Prinzip: Was erzeugt wird, fließt dorthin, wo Öffnungen vorhanden sind – beim Strom also Verbraucher. Das bedeutet also, wenn mehr erzeugt wird, als der jeweilige Haushalt direkt verbraucht, wird der überschüssige Strom automatisiert über den Zähler ins öffentliche Netz eingespeist. Um abermals die Wasserlauf-Analogie zu bemühen: Wenn der Druck im System zu groß wird, geht eine federbelastete Klappe auf und entlässt Wasser ins Freie.

Das Problem an der Sache ist, es gibt zwar die Einspeisevergütung; diese liegt jedoch um rund die Hälfte geringer als der durchschnittliche Strompreis. Die Überschüsse werden zwar zunächst vergütet, wird jedoch mehr Energie benötigt, muss diese zugekauft werden. In der Praxis „halbieren“ sich deshalb die Stromkosten nur, statt wesentlich tiefer zu sinken.

Das ist zumindest der Stand in vielen Haushalten. Abhilfe kann hier eine Verbindung mit smarter Technik schaffen. Deren Zentrum ist eine smarte Steuereinheit innerhalb eines smarten Haushalts. Das System analysiert stetig, wie viel Strom verbraucht wird. Ist der Verbrauch höher als die Erzeugung, kann das System automatisch oder ferngesteuert (etwa per App) zusätzliche Verbraucher zuhause einschalten. Ziel ist es also, den Zeitraum, in dem sowieso nötige Verbraucher laufen müssen (etwa Wasch- oder Spülmaschine) so zu timen, dass diese nur mit dem eigenerzeugten Strom laufen – um so die Einspeiseverluste so gering wie möglich zu halten.

In diesem Zuge kann überlegt werden, direkt einen eHZ-konformen Zählerschrank einzubauen (eHZ = elektronischer Haushaltszähler). Damit ist das Gebäude für weitere smarte Installationen vorbereitet.

Möglichkeiten zur Stromspeicherung

Mancher Leser hat sich an dieser Stelle sicher schon die Frage gestellt „warum hat man denn nur die Wahl zwischen Einspeisen und smart-gesteuertem Verbrauch, gibt es denn keine Speicher?“. Keine unberechtigte Frage. Und tatsächlich gibt es auch Batterien als Speicher. Das Problem ist jedoch, wir sprechen hier nicht von ein- oder niedrig zweistelligen Volt-Zahlen mit wenigen Watt, wie sie in Haushalts- oder Autobatterien stecken, sondern eben Anlagen, die wesentlich mehr leisten.

Um solche Mengen zu speichern, sind auch wesentlich umfangreichere Batterien notwendig. Sie basieren auf den gleichen Wirkprinzipien wie jede Fernbedienungs-Batterie, jedoch eben viel größer. Je nach Kapazität sind solche PV-Energiespeicher größer als ein Kühlschrank und kosten mehrere tausend Euro. Daher ist es notwendig, sehr genau zu rechnen – also Erzeugung, Verbrauch, Systemkosten. Häufig, aber nicht immer, helfen Stromspeicher dabei, dass sich eine PV-Anlage schneller rentiert.

2. PV und die Zahlen

Wer sich mit dem Kauf einer Photovoltaik-Anlage beschäftigt, wird nicht umhinkommen, sich einer regelrechten Lawine von Zahlenkolonnen zu stellen. Das zweite Kapitel widmet sich diesen Werten.

Häufig wird einem auch noch die Einheit Joule bzw. deren Vielfache (Kilojoule, Megajoule…) begegnen. Sie lässt sich einfach aus der Zeitleistung umrechnen: 1 Wattstunde Wh = 3.600 Joule / 3,6kJ.

Einspeisevergütungen und mehr

Wie bereits erwähnt gibt es Geld dafür, dass man seinen privat erzeugten PV-Strom ins öffentliche Netz einspeist, die sogenannte Erneuerbare-Energien-Gesetz-Einspeisevergütung oder, etwas weniger sperrig, EEG-Einspeisevergütung. Das Geld zahlt der Netzbetreiber, allerdings gibt es sehr genaue staatliche Vorgaben.

Die technischen Werte: Dabei beginnt alles mit Daten, mit denen jeder schon mal im Physikunterricht Kontakt gehabt haben sollte:

Leistung in Watt bzw. Kilowatt (1kW = 1.000W)

Zeitleistung in Kilowattstunden (kWh; 1kWh = 1.000W x 1h)

Maximalleistung in Kilowatt Peak (kWp) - Dieser Wert ist besonders wichtig für PV-Anlagen, da er Auskunft darüber gibt, wie viel Leistung die Anlage oder Einzelkomponenten unter Idealbedingungen (optimaler Einstrahlungswinkel, null Abschattung) abgeben können.

Realistische Jahresleistung in Kilowatt - Also ein Wert, der im Alltag in einem Zeitraum von 365 Tagen erreicht wird. Dadurch, dass praktisch nirgendwo optimale Bedingungen vorherrschen, ist dieser Wert immer (wesentlich) niedriger als der „Laborwert“ Kilowatt Peak.

Doch welche Anlage bekommt wie viel? Dazu bedienen sich die gesetzlichen Vorgaben dreier Faktoren:

• Die Peak-Leistung der gesamten Anlage

• Der Aufstellungsort der Anlage (PV-Module auf Hausdächern werden höher vergütet als etwa solche auf Nebengebäuden)

• Der Zeitpunkt der Inbetriebnahme (Die Vergütung ist mit einer automatischen Degression versehen. Pro Jahr, das verstreicht, gibt es weniger. Es gilt jedoch, dass man die Vergütung, die zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme gültig war, für 20 Jahre bekommen wird).

Basierend auf diesen Werten wird ein fester Betrag pro eingespeister Kilowattstunde ausgezahlt, der in unregelmäßigen Abständen durch Verringerung der Förderung sinkt. Dadurch kommt also praktisch jeder Haushalt auf unterschiedliche Werte. Als Beispiel: Kleine Anlagen bis 10kWp erhalten die höchste Einspeisevergütung. Wer jetzt eine solche Anlage errichten würde, bekäme dafür aktuell und in der Zukunft 12,70 Cent/kWh. Wer jedoch die gleiche Anlage 2008 errichtet hätte, bekäme stattdessen satte 47,75 Cent.

Förderungen und Möglichkeiten

Die Bundesrepublik und die EU wollen, dass die Energiewende so zügig wie möglich vonstattengeht. Konträr dazu stehen jedoch die reinen Anschaffungskosten – selbst kleine PV-Anlagen schlagen mit mehreren tausend Euro zu Buche. Werden noch tiefergreifende Umbauten nötig, etwa am Dachstuhl, sind auch schnell fünfstellige Summen erreicht.

Um diese Kosten von Privatleuten abzufedern, gibt es mehrere Fördermodelle:

1. Die bereits beschriebene EEG-Einspeisevergütung

2. Mehrere Programme der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) für PV-Anlagen und Stromspeicher in Form von stark zinsvergünstigten Krediten. (Beispiel: „Erneuerbare Energien - Standard“ zu 1,26% effektivem Jahreszins)

3. Spezielle PV-Förderungskredite verschiedener Privatbanken

Das bedeutet, dass man sich zwar die Photovoltaik nach wie vor aus eigener Tasche bezahlen muss. Allerdings im Vergleich zu vielen anderen Dingen zu extrem vergünstigten Krediten, die auch über die reinen Zinsen hinaus meist viel attraktiver als reguläre Konsumkredite sind.

Leistungszahlen

Die bisherigen Leistungsdaten waren vergleichsweise abstrakt. Deshalb an dieser Stelle einige Werte, die das Ganze in das realistische Licht eines Einfamilienhauses setzen.

Grundlage jeder Photovoltaikanlage ist zunächst die Menge an Sonneneinstrahlung. Dabei gilt grundsätzlich, je südlicher der eigene Wohnort liegt, desto besser. Genaue Werte lassen sich einer Einstrahlungskarte entnehmen. Die darin gezeigten Zahlen beziehen sich auf die Sonnen-Strahlungsenergie in Kilowattstunde pro Quadratmeter Einstrahlungsfläche.

Gehen wir einmal davon aus, dass ein durchschnittlicher Vierpersonenhaushalt pro Jahr 5.000kWh Strom verbraucht. Mit einer kleinen „Standard“ PV-Anlage lassen sich 1kWp auf rund 7m² Dachfläche erzeugen. Je nach Lage werden daraus ungefähr 1.000kWh realistische Ertragsleistung pro Jahr.

Allerdings ist das wirklich die Untergrenze. Ein normales Einfamilienhaus mit Satteldach kommt auf eine Gesamt-Dachfläche von zirka 50 Quadratmetern. Natürlich zeigt nur die Hälfte davon in die optimale Einstrahlrichtung, also Süden. Abzüglich Dachfenster und Ähnlichem ließe sich darauf eine Menge von ungefähr 3.000kWh erzeugen – bei Verwendung von besonders leistungsfähigen Modulen oder eines Pultdaches auch noch mehr.

Wäre dann vielleicht noch eine Garage vorhanden, ein Carport oder Ähnliches, könnte die Familie ihren Stromverbrauch theoretisch und unter Verwendung von Stromspeichern auch praktisch völlig autark realisieren

3. Photovoltaik in der Praxis

Schon der letzte Punkt des vorherigen Kapitels deutete an, dass es praktisch wird. Und genau dieser Tatsache widmen wir uns im finalen Kapitel. Der Durchführung einer PV-Installation im eigenen Zuhause.

Die Planung

Der wichtigste Punkt dabei ist die grundsätzliche Planung. Sie beginnt damit, zu eruieren, welchen Stromverbrauch der Haushalt überhaupt hat – ein Blick auf ältere Stromrechnungen ist also Pflicht.

Anhand dieser Werte hat man dann zumindest schon mal einen Näherungswert darüber, wie viel Leistung man haben möchte. Mit diesen Werten im Hinterkopf sucht man sich nun einen Anbieter aus. Das geht vergleichsweise einfach durch den Google-Suchbegriff „Wohnort + PV-Anlage“, was einem eine ziemlich große Liste möglicher Betriebe bescheren sollte. Da man ja in etwa weiß, welche Leistung man benötigt, telefoniert man nun einige davon ab und lässt sich ungefähre Kosten mitteilten und entscheidet sich dann – zwangslos zunächst – für einen der Fachbetriebe (Solarteur) oder aber zieht einen unabhängigen Energieberater hinzu, der einem anhand der Eckdaten Empfehlungen ausspricht.

Lage und Statik mit einbeziehen

Im nächsten Schritt steht ein Ortstermin auf der Agenda. Unumgänglich. Denn hierbei geht es nicht mehr nur darum, theoretische Preisvorschläge zu unterbreiten, sondern um einen verbindlichen Kostenvoranschlag. Dazu ist es allerdings notwendig, das Haus und sein gesamtes Umfeld einer genauen Betrachtung zu unterziehen. Näheres dazu im Kasten rechts.

Kurzgesagt: Der Fachmann eruiert also den Ist-Zustand vor Ort. Und aufgrund dieser Tatsachen kann er nun einen Kostenvoranschlag erstellen, mit sämtlichen anfallenden Arbeiten, den korrekten Modulen, zusätzlichen Gewerken und natürlich kann er auch verraten, ob Photovoltaik hier wirklich sinnvoll ist – den guten Solarteur erkennt man daran, dass er nicht versucht, trotz suboptimaler Umgebungsbedingungen trotzdem Anlagen zu verkaufen.

Worauf muss ich beim Haus und seiner Umgebung achten?

Die generelle Ausrichtung des Hauses - weist eine Satteldachhälfte nach Osten, die andere nach Westen, kann es problematisch werden, die durch die Einstrahlungsscheibe vorgegebenen Winkel einzuhalten.

Die Statik des Daches - Ein vergleichsweise neuer Dachstuhl hat in aller Regel kein Problem mit dem zusätzlichen Gewicht, ältere Installationen können jedoch unterdimensioniert sein und erfordern daher entweder eine Dachsanierung oder Ausweichen auf Nebengebäude. Auch fassadenmontierte PV-Module könnten eine Alternative darstellen.

Die gesamte Umgebung - Wodurch können mögliche Abschattungen entstehen? Gibt es eventuell Bäume die gefällt oder gekürzt werden müssen?

Die elektrische Installation des Hauses - Was ist vorhanden, was muss für den Einbau ergänzt werden?

Baugenehmigung?

Normalerweise benötigen PV-Anlagen keine Baugenehmigung. „Leider“ ist Deutschland jedoch föderal organisiert. Soll heißen, jedes Bundesland und jede Gemeinde kann eigene, abweichende Regeln erlassen. Nur zur Sicherheit sollte man daher vor der Auftragsvergabe beim Gemeindebüro anrufen oder besser mit den Plänen persönlich vorstellig werden.

Der Netzbetreiber

Während das System installiert wird, kann man sich die Zeit damit vertreiben, seinen Netzbetreiber zu kontaktieren. Denn angemeldet werden muss die Anlage in jedem Fall.

Das ist schon deshalb wichtig, weil die Betreiber genau wissen müssen, wer wie viel Strom ins öffentliche Netz einspeist, damit geregelt werden kann und es nicht zu unkontrollierten Spannungsspitzen kommt (was fatal sein könnte).

Bei den allermeisten Anbietern ist das eine Sache weniger Mausklicks – Webseite aufrufen, Kundennummer eingeben, Leistung der Anlage, Standort. Danach wird sich der Netzbetreiber melden – denn er wird einen neuen Zähler installieren – auch das ist gesetzlich vorgeschrieben; wer Strom selbst erzeugt, benötigt einen sogenannten Smart Meter, der die eingespeisten Leistungen im Minutentakt via Internet an den Betreiber meldet.

Bei gleicher Gelegenheit bietet es sich natürlich auch an, vielleicht generell über einen Anbieterwechsel nachzudenken. Denn: Dadurch, dass man nun einen Teil seines Stromverbrauchs umweltfreundlich selbst herstellt, wäre es für das gute Umweltgewissen natürlich verlockend, auch den Rest umweltschonend zu beziehen – falls man nicht einfach nur aufs Portemonnaie schauen und für den Rest einfach günstigere Konditionen aushandeln möchte.

Im Betrieb

Die Arbeiten sind abgeschlossen. Bei jedem Sonnenstrahl zeigt der Zähler dem stolzen Besitzer den Ertrag sichtbar an. Allerdings ist nun noch ein Schritt zu tun: Die Bundesnetzagentur muss verständigt werden, am besten am ersten Tag. Denn PV-Besitzer sind verpflichtet, ihre Anlage in einem Marktstammdatenregister einzutragen – wer das nicht tut, bekommt keine Einspeisevergütung.

Für den weiteren Betrieb gibt es nur wenig zu beachten. Dadurch, dass sich in den PV-Zellen nichts bewegt, gibt es praktisch keinen Verschleiß – mit einer Ausnahme: Schmutz, der sich unweigerlich mit der Zeit auf den Platten ablegt – durch Regen, Staub, Abgase. Auch dies reduziert die Effizienz des Systems, selbst wenn durch die Neigung vieles gewissen Selbstreinigungskräften unterliegt.

Dennoch: Etwa alle Drei Jahre sollte man entweder selbst zu Wassereimer und weicher Bürste greifen oder aber einen fachmännischen Reinigungsbetrieb hinzuziehen – Solaranlagen-Reiniger gibt es mittlerweile quer durch die gesamte Republik. Dabei berechnen sich die Reinigungskosten ganz einfach pro Quadratmeter PV-Fläche. Mehr als maximal drei Euro/m² sollte man allerdings nicht ausgeben.

Fazit

PV Anlagen sind in aller Munde. Längst nicht mehr nur deshalb, weil sich über die Einspeisevergütung so mancher Euro verdienen lässt – durch die Degression ist das kaum noch ein echter Anreiz. Viel mehr deshalb, weil das gesamte System mittlerweile sehr ausgereift ist. Man erzeugt nicht einfach nur Strom, sondern kann ihn effizient speichern, kann ihn smart gesteuert verbrauchen, wenn man ihn benötigt. Natürlich, das ist alles mit Kosten verbunden. In Anbetracht dessen, dass es effektive Förderangebote gibt und sich durch die Eigenproduktion die Kosten teilweise massiv verringern, amortisieren sich selbst große PV-Anlagen nach ungefähr einem Jahrzehnt.