Photovoltaik

Eine Photovoltaikanlage wandelt die Energie der Sonnenstrahlung direkt in Strom um. Dies geschieht mit Hilfe des photoelektrischen Effekts in der Solarzelle. Mehrere Solarzellen zusammengeschlossen ergeben ein Solarmodul. Solarmodule können weiter zusammengeschlossen werden und sind typischerweise auf Hausdächern zu sehen. Aus den Solarmodulen wird Gleichstrom gewonnen. Diesen kann man entweder direkt verwenden, in Batterien speichern oder, nach Umwandlung in Wechselstrom, ins Netz einspeisen.

Diese Technik ist nicht mit der Solarthermie zu verwechseln, bei der man eine Flüssigkeit (z.B. Wasser) mit Hilfe der Sonne erhitzt und nach der Zwischenspeicherung in einem Boiler zur Warmwasseraufbereitung oder zur Heizungsunterstützung verwendet.

Inselsystem und Netzverbund

Falls die von den Solarmodulen gewonnene Energie in Batterien gespeichert oder direkt verwendet wird, spricht man von Inselanlagen. Inselanlagen werden zur Selbstversorgung benutzt und sind in abgelegen Gebieten (z.B. Berghütten), auf autonomen Geräten (z.B. Parkscheinautomaten) oder auch im All anzutreffen.

Die meisten Solaranlagen die man heutzutage auf Häuserdächern sieht, sind Netzanlagen, bei denen man den Strom mit Hilfe eines Wechselrichters ins öffentliche Netz speist. Der eingespeiste Strom wird mit einem plombierten Zähler gemessen und dem Erzeuger vergütet.

Energiebilanz einer Solarstromanlage

Die Sonne strahlt mit einer maximalen Leistung von 1000 W/m² auf die Erdoberfläche. Je nach Sonnenstand und Wetter ist diese Strahlungsleistung auf einer nach Süden geneigten Ebene geringer. Die Menge an umgewandelter Sonnenenergie hängt jedoch von verschiedenen Faktoren ab:

	Geografische Lage Je nach Breitengrad strahlt die Sonne mit verschiedener Intensität. In Afrika zum Beispiel bringt die Sonne durchschnittlich etwa 2-mal mehr Leistung als in der Schweiz. Ausserdem spielt auch die Höhenlage eine Rolle. Im Engadin in den Schweizer Alpen ist der Ertrag gut 30% grösser als im Schweizer Flachland.
	Ausrichtung der Solarmodule Die beste Wirkung hat ein nach Süden ausgerichtetes Solarmodul, das zwischen 25 und 35 Grad geneigt ist. Dies ist in der Schweiz der Fall. Je näher man dem Äquator kommt, desto geringer ist die optimale Neigung. Auf der Südhalbkugel sind die Solarmodule nach Norden ausgerichtet. Wenn auf der Ostseite eines Standortes Hindernisse (Gebäude, Berge ...) sind, welche Schatten werfen, dann ist eine Ausrichtung nach Südwesten optimaler, umgekehrt ist es bei Hindernissen auf der Westseite.
	Witterung Bei bewölktem Himmel nimmt die Leistung einer Solaranlage markant ab. Eine zu hohe Temperatur kann den Wirkungsgrad einer Solarzelle auch deutlich verringern.
	Beschattung Es ist enorm wichtig, dass kein Schatten auf die Solarmodule fällt, da bei den meisten heutigen Konstruktionen nur eine Solarzelle beschattet sein muss, um die Leistung der gesamten Anlage merklich zu mindern. In Gebieten, in denen es nicht viel regnet, sollten die Solarmodule deshalb auch regelmässig gereinigt werden.
	Effizienz der Solarzellen Die Effizienz der Solarzellen hat in den letzten Jahrzenten deutlich zugenommen. Kommerzielle Solarzellen haben heute Wirkungsgrade von 15 bis 20%. Es gibt jedoch spezielle Solarzellen, die bis zu 40% Wirkungsgrad aufweisen. Diese sind jedoch eher für den Einsatz im All gedacht. Material der Solarzelle Wirkungsgrad Lebensdauer Bemerkung amorphes Silizium 5-10% < 20 Jahre Günstig polykristallines Silizium 10-15% 25-30 Jahre Weit verbreitet monokristallines Silizium 16-22% 25-30 Jahre Weit verbreitet Galliumarsenid 15-25% - Sehr teuer in der Herstellung. Cadmiumtellurid 5-12% > 20 Jahre Sehr günstig Der Wirkungsgrad nimmt in 25 Jahren aufgrund des Alterns nur um etwa 10% ab.
	Effizienz der Solaranlage Wenn der gewonnene Strom ins Netz eingespeist wird, geht durch die Umwandlung in Wechselstrom je nach Wechselrichter noch 3 bis 7% verloren. Ein weiterer kleiner Verlust geschieht in den Stromleitungen zwischen den Solarmodulen und dem Wechselrichter. Je kürzer und dicker die Stromleitungen, desto besser.

Komischerweise hält sich immer noch das Gerücht, dass bei der Herstellung einer Solarzelle mehr Graue Energie aufgewendet wird, als die Solarzelle schlussendlich produziert. Dies stimmt nur, wenn man die Solarzelle im Keller aufbewahrt und danach verschrottet. Die sogenannte Energierücklaufzeit einer Photovoltaikanlage beträgt je nach Art des Solarmoduls und Ort der Installation zwischen 3 und 5 Jahren.

Energieertrag einer Solarstromanlage

Je nach Lage und Effizienz der Solarmodule werden in der Schweiz (und Deutschland) jährlich etwa 800-1300 kWh pro kW_p installierter Leistung erzeugt. kW_p (1000 W_p) bedeutet “ kilowatt peak“, was die maximale elektrische Leistung einer Solarzelle unter Normalbedingungen bezeichnet (1 kW/m² Sonneneinstrahlung und 25 °C Umgebungstemperatur). Die durchschnittliche Leistung beträgt lediglich 11% davon.

Ein durchschnittlicher Schweizer Haushalt braucht etwa 5000 kWh Strom pro Jahr. Somit wäre mit einer 5-kW_p-Anlage der Stromverbrauch des gesamten Haushalts abgedeckt. Eine 5-kW_p-Anlage hat je nach Effizienz der Solarmodule eine Grösse von 30 – 40 m².

Ein Beispiel des Energieertrags einer 1 kW_p Anlage

Als Beispiel betrachten wir eine Solaranlage mit 4 Solarmodulen, die je 250 W_p Leistung haben. Dies ergibt eine maximale Leistung von 1000 W_p (1 kW_p). Das heisst mit dieser 4-Modul-Solaranlage (entspricht etwa 6.4 m²) werden im Schweizer Mittelland ungefähr 1000 kWh Strom pro Jahr erzeugt.

Kosten einer Solarstromanlage

Netzverbund Anlagen

Eine fertig installierte Netzverbund-Anlage mit 5 kW_p kostet etwa 12'000 Franken Bei grossen Anlagen kann mit rund 1000 Franken pro kW_p gerechnet werden. Diese Kosten können dank Förderbeiträgen und Steuervergünstigungen noch gesenkt werden.

Bei Solarstromanlagen wird mit einer Laufzeit von 20 bis 30 Jahre gerechnet (die Garantie der Hersteller ist meist 25 Jahre). Damit ergibt sich ein kWh-Preis von 10-20 Rappen. Zum Vergleich: Der Preis pro kWh aus dem Stromnetz kostet in der Schweiz um die 15 bis 25 Rappen, er ist also etwas teuer.

Da die Grid-Parität (Produktionskosten = Strompreis) teilweise erreicht ist, gibt es immer mehr Anlagen mit Batterien um den Solarstrom für 1 bis 2 Tage zu speichern. Im Sommer gibt es zwar immer noch Überschuss und im Winter zuwenig Photovoltaikstrom, aber die Eigenstromnutzung kann damit deutlich verbessert werden.

Beispiel der Kosten einer 1 kW_p Anlage

Betrachten wir die im obigen Beispiel genannte 4-Solarmodul-Anlage mit einer maximalen Leistung von 1 kW_p. So eine kleine Anlage kostet etwa 4000 Franken und läuft 25 Jahre. Über die 25 Jahre werden 25'000 kWh Elektrizität erzeugt und es laufen keine Unterhaltskosten an. Die kWh kostet demnach 16 Rappen (ohne Berücksichtigung eines Kapitalzinses). Eine kWh aus dem Stromnetz kostet ungefähr 20 Rappen.

Inselanlagen

Eine Inselanlage kostet aufgrund der zusätzlich benötigten Batterien einiges mehr. Für eine 120 Wp Gleichstrom-Anlage muss mit einem Preis von 1000 Franken und darüber gerechnet werden. So eine Anlage deckt bei sparsamen Gebrauch normalerweise den Stromverbrauch eines kleinen Häuschens für Beleuchtung, Fernsehen usw. (kein Warmwasser, Kochen und Heizung). Ein 200 Watt Wechselstromadapter (macht aus 12 V Batteriespannung 230 V Netzspannung) kostet um die 100 Franken.