Strom aus der Sonne 15.09.2023, 14:21 Uhr

Photovoltaik: Baustein der Energiewende

Damit die Energiewende gelingt und Deutschland unabhängiger von Importen fossiler Brennstoffe wird, muss der Ausbau erneuerbarer Energien weiter vorangehen. Praktisch jeder kann Teil der Energiewende werden. Eine Photovoltaik-Anlage gibt es in verschiedenen Größen – für Dächer und Balkone.

Sonnenkollektoren

Deutschland auf dem Weg zur umweltfreundlichen Stromversorgung bis 2035 mit Photovoltaik und erneuerbaren Energien.

Foto: PantherMedia / vencav

Das Ziel ist klar: Bis 2035 will die Bundesregierung die Stromversorgung nahezu komplett auf erneuerbare Energien und grünen Wasserstoff umstellen. Aktuell liegt der Anteil der erneuerbaren Energien in Deutschland bei knapp über 40 Prozent (2022). Davon trug die Windkraft mit gut 24 Prozent den Löwenanteil bei, Photovoltaikanlagen lieferten knapp 11 Prozent.

Was ist Photovoltaik?

Eine Photovoltaik-Anlage (kurz: PV-Anlage) fängt die Sonnenstrahlen ein und wandelt sie umweltschonend in Strom um. Eine solche Anlage besteht aus:

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  • Solarmodulen mit integrierten Solarzellen
  • Wechselrichter
  • verschiedenen Schaltvorrichtungen (zum Beispiel Freischalter für Servicearbeiten, Notabschaltungen
    für den Brandfall etc.)
  • Sicherungen
  • Blitzschutz
  • optional mit Speicher

Wie funktioniert eine Photovoltaik-Anlage?

Die PV-Module nehmen die Sonnenstrahlen auf. In den Modulen befinden sich Solarzellen, die die Sonnenstrahlen in elektrische Energie umwandeln. Bei einer PV-Anlage nutzen Sie den sogenannten photoelektrischen Effekt. Die Solarzellen bestehen aus Halbleiterelementen. Treffen Sonnenstrahlen auf die Solarzellen, setzen diese Elektronen in Bewegung; Strom entsteht.

Im ersten Schritt produziert die Anlage Gleichstrom, den der nachgelagerte Wechselrichter in Wechselstrom transformiert. Erst dann kann er im Haushalt genutzt oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Mit einem zusätzlichen Speicher eröffnen Sie sich darüber hinaus die Möglichkeit, mehr selbst produzierten Strom aus Ihrer PV-Anlage zu nutzen. Denn so können Sie zum Beispiel mittags erzeugten Sonnenstrom am Abend verbrauchen.

Welche Vorteile hat eine Photovoltaik-Anlage?

Jede Kilowattstunde Strom, die Sie aus der Sonne selbst erzeugen, entlastet einerseits die Umwelt und andererseits Ihr Konto. Denn der selbst produzierte Sonnenstrom kostet Sie sozusagen nichts. Gleichzeitig müssen Sie weniger Strom von Ihrem Energieversorger beziehen. In der Regel können Sie davon ausgehen, mit einer PV-Anlage rund 30 Prozent Ihres Strombedarfs selbst decken zu können. Ein Batteriespeicher erhöht den Autarkiegrad auf bis zu 70 Prozent. Hinzu kommt: Sie können den Teil des Sonnenstroms, den Sie nicht selbst nutzen, in das öffentliche Stromnetz einspeisen und erhalten dafür nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) eine sogenannte Einspeisevergütung.

Besonders relevant ist der Umweltaspekt. Die Sonne ist eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Nutzen Sie die Sonne zur Stromproduktion, gelingt Ihnen dies CO2-neutral. Sie leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende und werden so ein Teil davon. Denn Sie sorgen mit Ihrer eigenen Ökostromproduktion dafür, dass weniger fossile Brennstoffe eingesetzt werden müssen.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Bei den Solarmodulen gibt es einige Unterschiede. Sie betreffen vor allem die integrierten Solarzellen. Für private Anlagen auf dem Dach sind es vor allem drei verschiedene Arten von Solarmodulen: monokristalline, polykristalline und Dünnschicht-Solarmodule. Die Monokristallinen gelten als die effizientesten, da sie von den Sonnenstrahlen rund 20 Prozent in Strom umwandeln. Sie weisen eine lange Lebensdauer und einheitliche Farbtöne auf. Bei allen Vorteilen haben sie auch einen Nachteil: Die effizienten Solarmodule sind relativ teuer, da auch die Herstellungskosten – sie bestehen aus gezüchteten Kristallen – vergleichsweise hoch sind.

Polykristalline Module hingegen sind günstiger. Solche Module werden aus verschiedenen Siliziumteilen hergestellt. Was Haltbarkeit und Lebensdauer betrifft, sind sie den monokristallinen Modulen so gut wie ebenbürtig. Dünnschicht-Module sind leicht und verformbar. Das macht sie einfacher und angenehmer im Handling und bei der Montage. Die Dünnschicht-Module gibt es auf Basis von amorphem Silizium, aus Cadmiumtellurid und in der Kombination Kupfer, Gallium, Indium und Diselenid. Das Besondere: Das Halbleitermaterial wird direkt auf das Trägermaterial, zum Beispiel Glas oder Metallfolie, aufgebracht. Dadurch ist es möglich, sie so flach herzustellen.

Die verschiedenen Arten von Photovoltaik-Systemen

Photovoltaik-Anlagen lassen sich auf unterschiedliche Art und Weise einsetzen. Bei den Systemen unterscheidet man hauptsächlich zwischen Inselsystemen und netzgekoppelten Systemen. Die Inselsysteme sind, wie der Name schon sagt, eine abgeschlossene eigene Einheit, die keine Verbindung zum öffentlichen Stromnetz hat. Deshalb benötigen Sie bei einer solchen Lösung Komponenten, mit denen Sie Strom speichern können. Andernfalls ist eine sichere Stromversorgung kaum möglich, da der Ertrag einer Photovoltaik-Anlage schwankt.

Eine PV-Anlage auf einem Hausdach ist zum Beispiel ein netzgekoppeltes System, wenn die Anlage Strom ins öffentliche Netz einspeist. In manchen Fällen dürfte sie auch Strom aus dem Netz entnehmen. Das Praktische an einer PV-Anlage: Sie lässt sich mit verschiedenen anderen Systemen kombinieren. Man spricht dann von sogenannten Hybrid-Systemen. Das bedeutet: Man kombiniert zwei oder mehr Energiequellen unterschiedlicher Art miteinander. Zum Beispiel kann die PV-Anlage den Strom für eine Wärmepumpe liefern. Integrieren Sie nun auch noch eine Wallbox, mit der sich ein E-Auto laden lässt, und einen Batteriespeicher, entsteht daraus ein sogenanntes Hybrid-System.

Photovoltaik in der Praxis

Wenn wir das Ziel der Bundesregierung ­­– weitgehende Klimaneutralität bis 2035 – erreichen wollen, müssen die erneuerbaren Energien kräftig zulegen. Deshalb ist jede weitere PV-Anlage ein Gewinn. Grundsätzlich eignen sich die meisten Wohnhäuser dafür, eine solche Anlage auf dem Dach zu installieren. Auch Gewerbebetriebe verfügen über Dachflächen, die dafür genutzt werden können. In der Landwirtschaft ist die Photovoltaik schon vor etlichen Jahren angekommen, was vor allem mit Fördergeldern und Einspeisevergütungen zusammenhängt. Die meist großen Gebäude mit entsprechenden Dachflächen sind in Deutschland schon weitgehend mit PV-Modulen bestückt. Gleiches gilt für etliche Felder.

Seit einiger Zeit gibt es nun auch mit kleineren, steckerfertigen PV-Anlagen für Mieterinnen und Mieter die Möglichkeit, selbst Ökostrom auf dem Balkon zu produzieren. Diese sogenannten Balkon-Kraftwerke oder Balkon-PV-Anlagen bestehen aus einem oder zwei Standard-Modulen und liefern pro Modul zwischen 350 und über 400 Watt.

Herausforderungen und Lösungen

Ein neuer Ansatz für die Photovoltaik entwickelt sich derzeit ebenfalls in Kooperation mit der Landwirtschaft: Agri-PV. Der Vorteil: Die landwirtschaftlichen Flächen lassen sich sowohl zum Anbau nutzen als auch zur Stromproduktion. Denn die PV-Module werden praktisch als eine Art Dach über den Kulturen installiert. Dadurch ist ein erheblicher Ausbau an PV-Leistung möglich und gleichzeitig bleiben Ackerflächen erhalten. Vielmehr können die Module einen zusätzlichen Schutz für die Pflanzen darstellen. Das Fraunhofer-Institut sieht bei der Agri-PV ein Potenzial von rund 1.700 Gigawatt.

Neben dem weiteren Ausbau wird das sogenannte Repowering aktuell immer relevanter. Gemeint ist der Austausch von älteren und defekten Modulen. Die Internationale Organisation für erneuerbare Energien (IRENA) geht davon aus, dass weltweit bis 2030 mindestens 1,7 Millionen Tonnen Altmodule anfallen werden. Stellt sich zugleich die Frage, was damit geschieht. In Deutschland gibt es darauf bereits Antworten. Spezial-Firmen sowie Forschende des Fraunhofer-Centers für Silizium-Photovoltaik haben inzwischen Verfahren entwickelt, wie sich der Großteil eines Moduls recyceln lässt. Sowohl das Aluminium als auch das Glas und das Silizium können wieder in den Kreislauf gelangen und für die Produktion neuer PV-Module eingesetzt werden.
Zukunftsaussichten

Damit es in Deutschland künftig noch mehr PV-Anlagen gibt, hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz 2023 ein Solarpaket auf den Weg gebracht. Das Paket soll dabei helfen, die ehrgeizigen Klima- und Ausbauziele zu erreichen. Deshalb hat man sich darauf geeinigt, unter anderem die Genehmigungsverfahren und Anmeldungen von Erneuerbare-Energienanlagen zu vereinfachen. Parallel dazu liefern Forschung und Wissenschaft immer wieder neue Erkenntnisse, wie sich Solarzellen weiter verbessern lassen, damit PV-Anlagen künftig mehr Ertrag liefern und tendenziell weniger Flächen dafür notwendig sind.

Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

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