Alles, was Sie über Photovoltaikanlagen wissen müssen

Auf dieser Seite erfahren Sie alles von der Funktion über die Geschichte aus der Raumfahrt bis hin zur Planung Ihrer eigenen Photovoltaikanlage (PV). Wenn Sie etwas ganz Bestimmtes wissen wollen, z. B. zu den Förderungsmöglichkeiten, hilft Ihnen die Inhalts-Navigation beim Zurechtfinden.

Was macht eine Photovoltaikanlage?

Eine Photovoltaikanlage wandelt das einfallende Sonnenlicht in Strom um. Ihre wichtigsten Komponenten sind Solarmodule, in denen Solarzellen in Reihe oder parallelgeschaltet sind. Diese Solarmodule leisten die Umwandlung der Sonneneinstrahlung in elektrischen Strom.

Der kleine aber feine Unterschied zwischen einer Photovoltaik- und Solaranlagen

Die Begriffe Photovoltaikanlage und Solaranlage werden inkorrekter Weise oft synonym verwendet. Eine Solaranlage ist eine Anlage, die Sonnenenergie in eine andere Energieart – aber nicht unbedingt in Strom – umwandelt. Neben der Photovoltaikanlage ist die Solarthermieanlage damit eine weitere, die unter den Begriff Solaranlage fällt. Letztere wandelt Sonnenenergie in Wärme um, die dann zum Heizen oder für die Warmwasserbereitung nutzbar ist.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Die zentralen Bauteile einer Photovoltaikanlage sind die Solarmodule mit ihren Solarzellen. Die Zellen bestehen aus Halbleitermaterial. Treffen die winzigen Photonenteilchen des Sonnenlichts auf dieses Material, lösen sie einen Stromfluss aus. So wird die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt, genauer gesagt: in Strom, wie wir ihn alle täglich nutzen. Dieser Vorgang wird als photoelektrischer Prozess bezeichnet. Der so entstehende Strom ist ein Gleichstrom. Er kann entweder direkt verbraucht, in einer Batterie gespeichert oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Weil aber die meisten elektrischen Geräte und auch das Stromnetz Wechselstrom benötigen, muss dieser Gleichstrom noch mit Hilfe von sogenannten Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt werden. Da die Sonnenstrahlung – unabhängig von ihrer Nutzung – immer vorhanden ist, gehört der Solarstrom zu den Erneuerbaren Energien (auch als regenerative Energien bezeichnet).

Geschichte: Vom Weltall über den Taschenrechner aufs Dach

Die ersten Solarzellen kommen aus dem aufregenden Bereich der Raumfahrt. In den 1950er Jahren setzte man sie in der Satellitentechnik ein, um Strom zu generieren. Sie wurden aus Silizium hergestellt und hatten einen Wirkungsgrad von 10 %. Auf der Erde fanden sie erstmals in den Belichtungsmessern von Fotografen Anwendung. Bis in die 1970er Jahre setzte man Solarzellen aber hauptsächlich im Weltall ein.

Umdenken in der Energiegewinnung

Durch die schwere Ölkrise 1973-74 und die tragischen Unfälle mit Kernkraftreaktoren in Harrisburg und Tschernobyl fand ein Umdenken in der Energiegewinnung statt. Erneuerbare Energien rückten erstmals stärker in den Vordergrund und die Nutzung von Solarzellen auf der Erde stand plötzlich zur Diskussion. Das führte in den 1980er Jahren zu einem verstärkten Investment in die Forschung und Entwicklung von Solarzellen auf der ganzen Welt.

Aufgrund der Bemühungen von damals bis heute, hat sich der Wirkungsgrad der Silizium-Solarzellen fast verdoppelt. Während die ersten Solarzellen noch für Taschenrechner und andere Kleingeräte eingesetzt wurden, haben sie heute einen ständig steigenden Anteil von aktuell 7,4 % an der gesamten Stromproduktion in Deutschland.

Statistik: Anteil der Photovoltaik an der Bruttostromerzeugung in Deutschland in den Jahren 2002 bis 2019 | Statista
Mehr Statistiken finden Sie bei Statista

Was Sie brauchen: Komponenten der Photovoltaikanlage

  • PV Montagesystem
  • Solarmodule mit ihren Solarzellen
  • Solar Wechselrichter
  • Stromspeicher
  • Kabel & Stecker

  • Zweirichtungszähler

Photovoltaikanlagen und ihr Einsatz

Das Solardach für mehr Unabhängigkeit vom Netz

Man unterscheidet zwischen Auf-Dach-Systemen und In-Dach-Systemen. Bei den Auf-Dach-Systemen werden die Solarmodule mit Hilfe eines Montagegestells auf das Hausdach montiert. Dabei lässt sich bei Schrägdächern auch der Neigungswinkel leicht optimieren. Gleichzeitig ist es die einfachste und häufigste Art eine PV-Anlage zu installieren. Verschiedene Gestelle sind speziell auf Blechdächer, Ziegeldächer, Schieferdächer und Dächer aus Wellblechplatten abgestimmt. Ein weiterer Vorteil ist die gute Hinterlüftung der Solarmodule. Wichtig ist, auf die Witterungsbeständigkeit der Befestigungsmaterialien zu achten. Flachdächer haben üblicherweise keinen oder nur einen geringen Neigungswinkel. Daher sollten die Solarmodule durch das Montagesystem um mindestens 6° angewinkelt werden. Üblich ist dabei eine Neigung von bis zu 13°.

Bei einem In-Dach-System ersetzen die Solarmodule die Dachziegel. Das sieht einerseits besser aus und andererseits ist die Anlage so witterungsbeständiger. Allerdings ist die Montage aufwendiger und teurer. Auch die Kühlung der Solarmodule ist dabei aufwendiger als bei einer Auf-Dach-Anlage und verringert den Wirkungsgrad um ca. 0,5 %. In-Dach-Systeme eignen sich nur für Ziegeldächer, die als Schrägdächer mit relativ großer Neigung ausgeführt sind, da der Wirkungsgrad sonst stark beeinträchtigt ist. Bei Blech- oder Bitumen-Dächern ist diese Lösung nicht möglich.

Photovoltaikanlage 6

Mini-Anlagen für Carport, Garage, Fassade und Satelliten

Eine Mini-PV-Anlage benötigt nur ein bis zwei Quadratmeter Fläche. Damit ist sie ideal geeignet für einen Carport, die Fassade oder ein Gartenhaus. Sie produzieren mit einer solch kleinen Anlage je nach verwendeten Solarmodulen bis zu 600 W elektrische Leistung. Die einzige technische Bedingung besteht darin, dass das jeweilige Dach oder die Fassade stabil genug sein muss, um das Gewicht der Solarmodule plus Montagesystem zu tragen. Allerdings brauchen Sie in einigen Bundesländern für eine PV-Anlage auf dem Carport oder der Garage eine Genehmigung. Erkundigen sie sich rechtzeitig vor dem Kauf der PV-Anlage bei dem für Sie zuständigen Bauamt. Den so produzierten Strom können Sie zum Aufladen Ihres Elektro-Autos, Ihres Hybrid-Plug-Ins oder Ähnlichem nutzen. Natürlich können Sie den Strom auch im Haushalt verwenden und so Ihre Stromrechnung reduzieren. Den gesamten Strom für einen Haushalt können Sie auf so einer kleinen Fläche allerdings nicht produzieren.

Freiland-Anlage (Solarpark)

Ein Dach ist keine Bedingung für die Montage einer PV-Anlage. Als PV-Fan kennen Sie bestimmt die eindrucksvollen Bilder von riesigen Solarparks. Auch hier sind Montagesysteme im Einsatz, um die Energiegewinnung im Freiland möglich zu machen. Dabei gibt es zwei prinzipiell verschiedene Montagesysteme: die Festaufständerung und das Tracking-System.

Festaufständerung PV-Anlage

Bei der Festaufständerung wird ein Stahl- oder Aluminiumgestell auf Betonblöcke geschraubt oder im Boden verankert. Neigung und Ausrichtung der Module sind somit nach der Montage nicht änderbar.

Photovoltaikanlage 7

Die Freilandanlage mit Festaufständerung hat im Vergleich mit einer Dachanlage mehrere Vorteile:

  • Es steht in der Regel mehr Fläche zur Verfügung.
  • Die Ausrichtung kann frei gewählt werden und wird nicht durch ein Dach vorgegeben.
  • Damit ist auch die Neigung fast beliebig einstellbar.
  • Mehr Fläche heißt auch: Mehr Module. Hier lohnt sich auch der Einsatz von Modulen mit kleinerem Wirkungsgrad, die billiger in der Beschaffung sind.

Tracking-Systeme

Bei den Tracking-Systemen werden die Module der Sonnenausrichtung nachgeführt. Hierbei unterscheidet man zwischen einachsiger und zweiachsiger Nachführung. Bei der einachsigen Nachführung ändert sich die Ausrichtung der Module entweder horizontal oder vertikal in Abhängigkeit vom Sonnenstand. Die horizontale Nachführung folgt dem Sonnenstand von Ost nach West. Bei der vertikalen Nachführung ist das Solarmodul nach Süden hin ausgerichtet und dreht sich – von der Höhe des Sonnenstandes abhängig – über den Horizont. Die zweiachsige Nachführung ist eine Kombination von horizontaler und vertikaler Nachführung.

Photovoltaikanlage 8

Vorteile des Tracking-Systems:

  • Die Stromausbeute der PV-Anlage erhöht sich im Vergleich mit der Festaufständerung deutlich.
  • Allein in Mitteleuropa beträgt die Zunahme der Stromausbeute 20 % bei einachsiger Nachführung und 30 % bei zweiachsiger Nachführung.

Nachteile des Tracking-Systems:

  • Es fallen höhere Investitionskosten an.
  • Die Anlage benötigt mehr Wartung. Das vergrößert die Betriebskosten.
  • Für das Tracking-System ist wiederum Strom erforderlich.

Schwimmende PV-Anlage

Eine Sonderform der Freilandaufstellung ist die schwimmende PV-Anlage. Hierzu werden die Solarmodule auf Kunststoff-Schwimmkörper montiert. Die Investitionskosten liegen 20 % bis 25 % über denen einer üblichen Freilandanlage an Land.

Ans öffentliche Stromnetz gekoppelte Anlagen

Netzgekoppelte Anlagen bezeichnet man auch als netzgebundene Anlagen. Sie tragen ihren Namen, weil sie mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sind. Die Mehrzahl aller installierten PV-Anlagen sind netzgekoppelte Anlagen.

Nicht gekoppelte Inselanlagen

Es gibt auch PV-Anlagen, die nicht mit dem öffentlichen Netz verbunden sind. Wie eine Insel im Meer, die keine Verbindung mit dem Festland hat, bezeichnet man diese deshalb als Inselanlagen. Da somit auch die Möglichkeit der Einspeisung ins öffentliche Netz entfällt, werden diese Anlagen in der Regel in Verbindung mit einem Stromspeicher betrieben.

Wie Sie eine Photovoltaikanlage planen

Voraussetzungen für den Einsatz einer PV-Anlage

Bevor Sie beginnen, eine Photovoltaikanlage zu planen, sollten Sie die Voraussetzungen prüfen:

  • Benötigen Sie eine Baugenehmigung für die Anlage? Dies erfahren Sie beim örtlichen Bauamt.
  • Ist das Dach tragfähig genug für eine PV-Anlage?
  • Reicht die Sonneneinstrahlung aus, um die Anlage wirtschaftlich betreiben zu können? Zur Beantwortung dieser Frage lohnt sich ein Blick in die „Einstrahlungskarte des Deutschen Wetterdienstes“ (s. Bild 3). In Deutschland ist dies aber fast überall der Fall.
  • Wie sieht die Finanzierung der Anlage aus? Welche Förderungen können Sie in Anspruch nehmen? Über eine Suchmaschine finden Sie diverse Möglichkeiten, etwa von der KfW-Bank.

Welche PV-Anlage ist die richtige?

Zunächst müssen Sie sich für eine Dachanlage oder eine Freilandanlage entscheiden. Bei einer Dachanlage stellen sich folgende Fragen:

  • In welche Himmelsrichtung ist das Dach ausgerichtet?
  • Ist es ein Schräg- oder ein Flachdach?
  • Gibt es eine Verschattung der Dachfläche durch Bäume oder umliegende Gebäude?

Ideal wäre ein nach Süden ausgerichtetes Schrägdach mit einer Neigung von ungefähr 30°. Aber auch wenn Ihr Dach eine Neigung zwischen 10°–60° und die Ausrichtung nach Südost oder Südwest hat, ist es noch für eine PV-Anlage geeignet. Es ergibt sich nur ein geringfügig geringerer Ertrag. Beim Fällen großer Bäume, um eine Verschattung zu verhindern, ist Vorsicht geboten. Erkundigen Sie sich vorher, ob es gestattet ist und welche Ausgleichsmaßnehmen Sie eventuell leisten müssen.

Unterstützung durch eine PV-Software

Mit einer Photovoltaik Software lassen sich Photovoltaikanlagen optimal auf das jeweilige Dach und die verwendeten Module und Wechselrichter auslegen und gleichzeitig die bestmögliche Variante des PV-Montagesystems wählen. Im Idealfall bietet Ihnen die PV-Software die folgenden Möglichkeit : Planung der Wechselrichter-Auslegung, Ertragsberechnung mit optimierten Verschattungsflächen und die Stringplanung.

Photovoltaikanlage 9

Wie viel Quadratmeter PV-Anlage brauchen Sie?

Je nachdem, ob Sie einen Teil oder Ihren kompletten Eigenbedarf decken möchten, unterscheidet sich die Menge der Module, die Sie einsetzen. Falls Sie sich nun fragen, wie viele Module montiert werden müssen, um Ihren Energiebedarf zu decken und ob eine entsprechende Fläche zur Verfügung steht, helfen Ihnen folgende Hinweise:

  1. Nehmen Sie, falls vorhanden, Ihre Stromrechnungen der letzten fünf Jahre zur Hand. Addieren Sie die Gesamtverbrauchszahlen und teilen Sie das Ergebnis durch fünf. Jetzt haben Sie Ihren durchschnittlichen Stromverbrauch für den Zeitraum berechnet. Nehmen wir an, dies wären 6.000 kWh/a.
  2. Um Ihren Stromverbrauch decken zu können, sollte die PV-Anlage optimalerweise 125 % ihres errechneten, durchschnittlichen Stromverbrauchs produzieren. In unserem Beispiel wären dies 125 % x 6.000 kWh/a = 7.500 kWh/a.
  3. Nun lesen Sie aus der Karte des Deutschen Wetterdienstes (s. Bild 3) den regionalen Energieertrag ab. Wenn sie beispielsweise in Köln leben, wäre dieser ungefähr 1.000 kWh/m²
  4. Wahrscheinlich ist Ihr Dach nicht unter einer Neigung von 30° nach Süden ausgerichtet. Es ist hilfreich, wenn Sie jetzt noch einen Abweichungsbetrag aus einer entsprechenden Tabelle entnehmen (s. Bild 4). Nehmen wir an, Ihr Dach wäre mit 20° Dachneigung um 40° nach Südwest ausgerichtet. Dann ergibt sich aus der Tabelle ein Abweichungswert von 95 %.
  5. Jetzt berechnen wir den persönlichen Energieertrag als: Regionaler Energieertrag x Abweichungswert = 1.000 kWh/m² x 95 % = 950 kWh/m².
  6. Als nächstes berechnen wir die benötigte Größe der PV-Anlage: (7.500) /(950) = 7,9 Kwp.
  7. Ein typisches Solarmodul ist 1,67 m x 1,00 m groß und liefert 300 Wp = 0,3 kWp Leistung. Um 7,9 kWp zu erzielen werden also 7,9 kWp / 0,3 kWp = 27 Module benötigt. Diese brauchen eine Fläche von 27 X 1,67 m² = 45 m².

Montage & Installation dem Profi überlassen

Montage und Installation Ihrer neuen Photovoltaikanlage sollten Sie auf jeden Fall einer Fachfirma überlassen. Generell raten wir davon ab, als Laie selbst tätig zu werden, da die Arbeit mit Elektronik gefährlich ist und sowohl Sie als auch Ihre Mitmenschen gefährden kann. Dazu kommt, dass bei nicht fachgerechter Installation in der Regel die Garantie für die Komponenten der Solaranlage erlischt.

Photovoltaikanlage 10

Mit diesen Kosten können Sie rechnen

Generell sind größere PV-Anlagen etwas günstiger im Preis pro kWh als kleinere Anlagen:

  • Bei einem kleinen Dach mit 25 m² Fläche kosten die Module 216 €/m² oder die gesamte Anlage 5.400 €.
  • Bei einem mittleren Dach mit 50 m² Fläche kosten die Module 180 €/m² oder die gesamte Anlage 9.000 €.
  • Bei einem großen Dach mit 72 m² Fläche kosten die Module 172 €/m² oder die gesamte Anlage 12.900 €.

Quelle: www.solaranlagen-portal.com

Wie Sie eine Photovoltaikanlage betreiben

Reinigung: Verschmutzte Module mindern die Leistung

Eine PV-Anlage ist 24/7 an 365 Tagen im Jahr allen möglichen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Nach und nach entstehen somit Verschmutzungen durch Staub, Vogelnotdurft, herabfallende Blätter, Pflanzenpollen usw. Besonders an den Übergängen zwischen Rahmen und Glas setzt sich der Schmutz gerne ab und wird auch durch Regen und Schnee nicht so leicht wieder entfernt. Dort können sich sogar Moos oder Flechten ansiedeln. Das bedeutet: Die PV-Anlage muss in regelmäßigen Abständen gereinigt werden. Dies sollten Sie nur dann selber in Angriff nehmen, wenn alle Teile der Anlage durch Teleskopstangen u. ä. ohne Klettern zu erreichen sind. Anderenfalls sollten Sie diese Arbeit Firmen, die auf die Reinigung von PV-Anlagen spezialisiert sind, überlassen. Die Kosten dafür sind regional unterschiedlich. Rechnen Sie mit 1,00 € bis 2,50 € pro Quadratmeter Modulfläche.

Für die Reinigung empfehlen wir kalkfreies Wasser, ein nicht-aggressives Reinigungsmittel und ein Tuch oder einen Schwamm – ohne kratzende Elemente.

Ordnungsgemäße Funktion sicherstellen durch Wartung und Service

Hierfür schließen sie am besten einen Wartungsvertrag mit der Firma ab, die die Anlage installiert hat. Die Experten kennen Ihre Anlage schon und müssen sich nicht erst einarbeiten. Die Wartung umfasst die Sichtprüfung der Solarmodule sowie die Überprüfung der elektrischen Verbindungen und der Wechselrichter. Die Kosten dafür liegen bei 150 bis 250 Euro für ein Einfamilienhaus.

Abgesichert mit Versicherung

Da Ihre PV-Anlage ständig Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, kann sich eine Versicherung durchaus lohnen. Beschädigungen durch Hagel, Starkregen oder Blitzschlag sind schnell passiert. Daher ist eine entsprechende Versicherung für die PV-Anlage sinnvoll.

Eine gute Versicherung sollte folgende Risiken absichern:

  • Feuer
  • Sturm
  • Hagel
  • Schneedruck
  • Überspannung
  • Tierbisse
  • Diebstahl
  • grobe Fahrlässigkeit

Klären Sie ab, ob Steuerzahlungen fällig werden

Wenn sie nicht den gesamten durch die PV-Anlage produzierten Strom selber verbrauchen, werden Sie steuerlich zum Unternehmer. Die Einspeisevergütung ist der Preis pro kWh, den das Energieunternehmen Ihnen für den ins öffentliche Netz eingespeisten Strom bezahlt. Für die Einspeisevergütung fällt somit auch eine Einkommenssteuer an. Solange Sie damit nicht mehr als 22.000 Euro pro Jahr verdienen, können Sie die Umsatzsteuer-Befreiung für Kleinunternehmer in Anspruch nehmen.

Tun Sie dies nicht, müssen Sie sowohl auf den eingespeisten als auch auf den selber verbrauchten Strom Umsatzsteuer zahlen.

Energiemanagement: Einspeisung in das öffentliche Netz

Zur Einspeisung Ihres überschüssigen Stroms in das öffentliche Netz, ist ein Vertrag mit dem öffentlichen Energieversorger nötig. Dieser vermietet Ihnen in der Regel auch einen Einspeisezähler oder einen Zweiwegezähler.

Die PV-Anlage ist wirtschaftlich umso interessanter je mehr Strom Sie selber verbrauchen. Die Einspeisevergütung liegt deutlich unter dem Strompreis, den Sie für den bezogenen Strom bezahlen müssen. Daher lohnt sich meist auch die Anschaffung eines Stromspeichers, um Zeiten mit weniger Sonneneinstrahlung zu überbrücken.

Nach welcher Zeit sich eine PV-Anlage wirklich lohnt

Laut dem Frauenhofer ISE erwirtschaftet eine PV-Anlage eine Eigenkapital-Rendite von ungefähr 5 %. Aber jede Anlage ist anders und es kommt auch auf das Verhalten des Betreibers an. Wichtig ist, dass durch die Verwendung eines Batteriespeichers und/oder durch eine intelligente Steuerung ein möglichst hoher Eigenverbrauch des Stromes erzielt wird.

Dies wird für die Zukunft noch wichtiger werden, weil die Einspeisevergütung nach dem EEG ständig sinkt. Zum jetzigen Zeitpunkt lässt sich nicht beurteilen, wie sich die Einspeisevergütung dann weiter entwickeln wird.

Nach wie vielen Jahren sich eine PV-Anlage wirklich lohnt (nach Amortisation), hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Anschaffungskosten
  • erwarteter Stromertrag
  • Eigenverbrauchsanteil
  • Höhe der Einspeisevergütung
  • Entwicklung des Strompreises
  • Kosten der Finanzierung
  • zu zahlende Steuer

In der Regel amortisiert sich eine Photovoltaik-Anlage nach neun bis 12 Jahren. Bei einer Lebensdauer von minimal 20 Jahren bleiben also etliche Jahre übrig, in denen Sie Gewinn machen.

Förderungsmöglichkeiten für Ihre neue Photovoltaikanlage

Sowohl für Neubauten als auch für die Modernisierung von Bestandsbauten gibt es bei der KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau) Förderprogramme, mit denen der Erwerb und die Installation von Photovoltaikanlagen gefördert wird. Die Förderung besteht aus zinsgünstigen Krediten mit einem, zwei oder drei zinsfreien Anlaufjahren und Laufzeiten von bis zu 20 Jahren.

Auch Bundesländer, Gemeinden und Städte bieten spezielle Förderprogramme für die Verwendung erneuerbarer Energien. Diese Förderungen können auch aus Zuschüssen zu den Investitionskosten bestehen. Verschiedene Banken und die KfW bieten außerdem spezielle Solarkredite an. Die Besonderheit dieser Kredite besteht darin, dass die zu erwartende Einspeisevergütung als Sicherheit für die Kredite akzeptiert wird.