Onischke: Erneuerbare Energien - Teil 3: Photovoltaik
Planungsberatung für Haus- und Grundbesitzer
Nutzung erneuerbarer Energien in Gebäuden Teil 3 – Nutzung der Sonnenenergie Photovoltaik (PV)
Im dritten Teil dieser kleinen Reihe wenden wir uns nun der Stromgewinnung aus Sonnenenergie zu, der Photovoltaik. Zur Erinnerung: der erste Teil befasste sich mit der Thematik Wärmepumpen, im zweiten ging es um Grundlagen zu Solaranlagen im allgemeinen und zu thermischen Solaranlagen im Besonderen.
Bereits 1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel den photoelektrischen Effekt: Wenn Licht (Photo) auf bestimmte Stoffe fällt, entsteht Spannung (Voltaik). Albert Einstein konnte den Photoelektrischen Effekt erklären und erhielt dafür (nicht für seine Relativitätstheorie) im Jahr 1921 den Nobelpreis. Seit 1958 wird die Photovoltaik in der Raumfahrt eingesetzt. Auf der Erde wird ernsthaft etwa seit 1990 an der Stromerzeugung aus Sonnenlicht gearbeitet.
So werden zunehmend Taschenrechner, Parkscheinautomaten, Wege- und Gartenbeleuchtungen und andere elektrische Geräte unabhängig vom Stromnetz mit kleinen Sonnenkollektoren betrieben. Größere Anlagen auf Dachflächen, an Schallschutzwänden, Fassaden und auf Freiflächen speisen den erzeugten Strom ins öffentliche Netz ein und verdienen so für ihre Betreiber dauerhaft Geld und schonen die Umwelt.
Die Anmerkungen im zweiten Teil zu den „Grundlagen zur Nutzung der Sonnenenergie“ und die „Allgemeinen Aspekte für die Aufstellung von Sonnenkollektoren und Solarzellen“ gelten für Photovoltaikanlagen genauso wie für thermische Sonnenkollektoren. In diesem Zusammenhang sei insbesondere an die Hinweise dort zur Aufstellung von Solaranlagen erinnert, die hier nicht wiederholt werden sollen.
Zusätzlich zu diesen Tipps aus dem zweiten Teil der Reihe gibt es für die Aufstellung von Photovoltaik-Kollektoren weitere Punkte, mit denen ich hier gleich in die Thematik einsteigen möchte:
Besondere Aspekte zur Aufstellung von Photovoltaik-Kollektoren
Als Besonderheit bei Photovoltaik-Kollektoren gibt es sogenannte Solardachsteine in den verschiedensten Formen. Diese kommen insbesondere Betracht, wenn eine vorhandene Dachdeckung ausgetauscht werden muss.
Außerdem können sie eine Alternative sein, wenn Kollektoren auf Dachflächen als störend empfunden werden.
Montage der Kollektoren: Indach- oder Aufdach-Installation
Für die Montage von Solarkollektoren auf Schrägdächern gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten der Anbringung: In der Ebene des Daches, oder auf, bzw. über der Dachebene. Bei thermischen Solaranlagen machen die Montagearten technisch keinen wesentlichen Unterschied. Anders stellt sich das bei Photovoltaik-Kollektoren dar.
Bei der Indach-Installation werden die Kollektoren in der Ebene der Dachsteine angebracht. Diese Variante ist optisch ansprechender, außerdem ist sie teurer als die Aufdach-Installation, bei der die Kollektoren mit einem Gestell in einer parallelen Ebene knapp über der Dachhaut liegen. Wenn auch die Optik gegen die Aufdach-Installation spricht, so ist sie doch die kostengünstigere Lösung in der Anschaffung und im Fall der Photovoltaik auch die Alternative mit der höheren Stromausbeute. Bei der Aufdach-Installation sind die Kollektoren besser hinterlüftet, und werden dadurch automatisch gekühlt, weil sich die Wärme nicht anstaut sondern durch den Kamineffekt zwischen Kollektor und Dachfläche eher abtransportiert wird.
Bei Photovoltaik-Elementen hängt der Wirkungsgrad nämlich ganz erheblich von der Temperatur der Module ab. Kühle Elemente liefern erheblich mehr Strom als warme. Man geht von einer Einbuße von etwa 0,5 % je Grad Temperaturanstieg aus. Ein um 10 Grad wärmerer Kollektor liefert also 5 % weniger Strom. Insgesamt kann die temperaturbedingte Einbuße gut 20 % und mehr erreichen.
Wenn auf einem Flachdach eine Photovoltaikanlage installiert werden soll, ist es eine gute Idee, das Flachdach als Gründach auszubilden. Gründächer bleiben besonders im Sommer erheblich kühler und erhöhen somit den Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung.
Anlagetypen von Photovoltaikanlagen
Insellösungen
Inselanlagen sind autarke Systeme, wie zum Beispiel ein Solar betriebener Fahrscheinautomat, oder - im Gebäudebereich - eine Almhütte, die nicht ans öffentliche Stromnetz angeschlossen ist. Diese Anlagen sind etwas aufwändiger, weil sie den Strom für die Zeiten speichern müssen, an denen die Sonne gerade nicht oder zu wenig scheint. Insellösungen bestehen aus folgenden Hauptbauteilen:
- Solargenerator
- Laderegler
- Akku zur Stromspeicherung
- Verbraucher
Insellösungen sind in ihrer Effizienz der Stromerzeugung oft Grenzen gesetzt, weil die Strommenge, die die Ladekapazitäten der Akkus übersteigt, „verloren geht“. Nachdem Insellösungen die Leserschaft vermutlich nur am Rande interessieren dürften, werden diese hier nicht weiter detailliert erläutert. Die allgemeinen Angaben zur Photovoltaik gelten auch für Insellösungen.
Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen
Die üblichen Photovoltaikanlagen sind netzgekoppelt, das heißt, sie speisen den gewonnenen Strom in das öffentliche Stromnetz ein. Ihre Hauptbestandteile sind:
- Solargenerator
- Netzeinspeisegerät
- Einspeisezähler
- Hausanschluss
Die einzelnen Komponenten von Photovoltaikanlagen
Solargenerator
Als Solargenerator bezeichnet man die Gesamtheit der zum Beispiel am Dach angebrachten Solarmodule. Diese wiederum setzen sich aus den einzelnen Solarzellen zusammen. Gerade auf dem Gebiet der Solarzellen wird aktuell viel geforscht. Momentan kann man, was die Marktrelevanz angeht (über 90 %), sich auf die Betrachtung der Siliziumzellen beschränken. Der Rohstoff hierfür, der Quarzsand, ist weltweit günstig und ausreichend verfügbar und - Silizium ist ein umweltverträgliches Material.
Siliziumzellen werden als Dick- oder Dünnschicht-Zellen angeboten. Bei den Dickschicht-Siliziumzellen unterscheidet man zwischen monokristallinen Zellen mit einem Wirkungsgrad von cirka 16 % und polykristallinen Zellen, die einen Wirkungsgrad von etwa 14 % haben. Monokristalline Zellen sind relativ teuer, die polykristallinen können einfacher hergestellt werden. Sie sind deshalb günstiger, bieten momentan das beste Preis-Leistungsverhältnis und sind deshalb in Photovoltaikanlagen am meisten vertreten. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich der Wirkungsgrad der kristallinen Zellen im Lauf der Zeit nur geringfügig verschlechtert. Die Dickschichtzellen sind zumeist blau bis schwarz.
Dünnschicht-Zellen werden wegen ihrer kristallinen Struktur auch „Amorphe Solarzellen“ genannt und kommen aktuell auf Wirkungsgrade zwischen 5 und 7 %. Die dünne Siliziumschicht kann sehr kostengünstig durch Aufdampfen aufgebracht werden. Die Dünnschichtzellen haben bei direkter Bestrahlung einen geringeren Wirkungsgrad, sie bieten jedoch Vorteile bei diffusem Licht und höheren Betriebstemperaturen. Die amorphen Solarzellen verlieren nach und nach ihre Leistungsfähigkeit, sie büßen im Lauf von 20 Jahren etwa 30 % der Anfangsleistung ein. Man erkennt die amorphen Zellen, die auch in Haushaltsgeräte eingebaut werden, an ihrer Farbe. Sie sind braun oder anthrazit. Am Bau kommen Sie in Zukunft etwa als beschichtete Bleche in Frage, befinden sich aber im Moment noch in der Entwicklungsphase.
In einem Solarmodul werden mehrere Solarzellen zusammengeschaltet und in einem witterungsbeständigem Gehäuse verbaut, das sonnenseitig mit einer Glasscheibe transparent abgedeckt wird. Auf diese Weise werden die empfindlichen Solarzellen geschützt, die elektrisch leitenden Bauteile werden abgeschirmt, die Solarzellen werden gekühlt und das empfindliche Gesamtpaket vor Beschädigungen beim Transport, der Montage oder schädlichen Witterungseinflüssen im Betrieb gesichert.
So funktioniert eine Solarzelle
Die Wirkungsweise einer Solarzelle beruht auf dem Halbleitereffekt. Um diesen zu erzeugen, wird das Silizium der Solarzelle auf der von der Sonne beschienenen Seite gezielt mit Phosphor-Atomen versehen (dotiert), auf der Sonnenabgewandten Seite geschieht dies mit Bor-Atomen. Dadurch erhält das Silizium an beiden Seiten unterschiedliche elektrische Eigenschaften, es wird dadurch zu einer Diode. Wenn diese Diode nun von Sonnenlicht beschienen wird, entsteht dadurch eine Wanderung von Elektronen. Es fließt elektrischer Strom.
Netzeinspeisegerät (NEG)
Das Netzeinspeisegerät stellt die Schaltzentrale für die PV-Anlage dar. In ihm werden verschiedene Parameter überwacht, es übernimmt in bestimmten Fällen die Notabschaltung des Systems und beinhaltet einen Wechselrichter.
Der Wechselrichter (auch Inverter genannt) wandelt die Gleichspannung von 12 oder bei großen Anlagen auch 24 oder 48 Volt, die von Solarmodulen geliefert wird, in Wechselspannung mit 230 Volt um. Er sollte zur Reduzierung von Leitungsverlusten möglichst in der Nähe der Solarmodule untergebracht werden. Üblicherweise wird das NEG an einer Wand an gut durchlüfteter Stelle angebracht und benötigt dort eine Fläche von etwa einem viertel Quadratmeter. Bei der Bestimmung des Installationsortes sollte man berücksichtigen, dass die meisten Wechselrichter bei der Spannungsumwandlung Geräusche erzeugen können. Der verwendete Wechselrichters sollte einein Wirkungsgrad nicht unter 96 oder - besser - nicht unter 98 % haben.
Einspeisezähler
Bei Elektro-Hausinstallationen mit PV-Anlagen kommt zu dem normalen Stromzähler der den bezogenen Strom zählt, noch der sogenannte Einspeisezähler hinzu. Dieser misst den Strom, der von der PV-Anlage in das öffentliche Stromnetz eingespeist und verkauft wird. Ein weiterer Zähler misst intern den im System produzierten Strom.
Leistung von PV Anlagen
theoretische Leistung
Die theoretisch, unter genormten Bedingungen, erreichbare Leistung
(Nennleistung) von Solarmodulen wird in Watt Peak, also Wp oder auch in Kilowatt Peak, also kWp angegeben. Diese Normbedingungen umfassen unter anderem eine Zellentemperatur von 25°C und eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m². Da diese Normbedingungen in unseren Gegenden kaum anzutreffen sind, eignet sich die Größe Watt Peak insbesondere zum Vergleich verschiedener Solarmodule gleicher Größe.
tatsächliche Leistung
Der tatsächliche Gesamtertrag einer Photovoltaikanlage hängt jedoch nicht alleine an der theoretischen Leistungsfähigkeit der Solarmodule, sondern auch am Wechselrichter und insbesondere an der idealen Abstimmung dieser Geräte. Die Ausrichtung der Kollektoren, deren Betriebstemperatur, die Wetterbedingungen über das ganze Jahr – diese Rahmenbedingungen beeinflussen den jeweiligen tatsächlichen Ertrag einer PV-Anlage.
In Deutschland kann man unter Berücksichtigung der beschriebenen mindernden Aspekte von einem Jahresertrag von etwa 650 bis 1150 kWh (Kilowattstunden) je kWp erwarten. Dabei schwanken die Erträge ein und der selben Anlage im Jahresvergleich auch einmal um 20%. Für vereinfachende Berechnungen kann man einen Jahresertrag von 1 kWh pro installiertem Wp rechnen.
Ein Solargenerator, der eine Nennleistung von 1 kWp aufweist, ist etwa – je nach Leistungsfähigkeit der verwendeten Module - 8 bis 10 qm groß. Dieser erzeugt im Jahr cirka 1000 kWh. Nach Fläche aufgeschlüsselt, erzielt eine zeitgemäße Anlage etwa 100 bis 125 kWh pro Quadratmeter und Jahr.
Versicherung
Ob Ihre neue PV-Anlage in eine bestehende Gebäudeversicherung integriert werden kann, muss im Einzelfall Ihr Versichtungsfachmann klären. Es gibt auch spezielle PV Versicherungen, die eine Betreiber-Haftpflichtversicherung einschließen, eine Minderertragsversicherung ist möglich, ebenso gibt es Montageversicherung, Versicherungen gegen Blitz- und Hagelschäden, gegen Marderbiss und so fort. Bitte lassen Sie sich entsprechend beraten.
Investitionskosten und Einspeisevergütung
Kosten und Rendite einer Photovoltaikanlage
Die Solarmodule machen etwa 60 bis 80 % der Investitionskosten einer PV-Anlage aus, Weil diese möglichst lange, also 30 bis 40 Jahre, zuverlässig Strom produzieren sollen, lohnen sich qualitativ hochwertige Bauteile renommierter Hersteller ganz besonders.
Die Preise, die man für eine fix und fertig installierte PV-Anlage bezahlen muss, haben in den letzten Jahren erheblich nachgegeben. Während im Jahr
2006 noch etwa 5000 Euro je kWp bezahlt werden mussten, ist der Preis pro installiertem kWp heute auf etwa 3000 Euro gesunken. Bei Verwendung asiatischer Solarmodule reduziert sich der Preis noch einmal um cirka 20 %.
An Standorten mit durchschnittlicher Sonneneinstrahlung sollen so – auch wegen der garantierten Einspeisevergütung – Renditen bis zu sechs Prozent vor Steuern möglich sein.
Einspeisevergütung
Die Vergütung des eingespeisten Stromes regelt in Deutschland das „Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien“, das abgekürzt Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) genannt wird. In ihm ist geregelt, dass die Netzbetreiber den aus erneuerbaren Energien erzeugten Strom, also auch den Strom Ihrer PV-Anlage abnehmen müssen. Die im Folgenden genannten Zahlen beziehen sich auf PV-Anlagen bis 30 kW, die auf einem Gebäude angebracht sind. Die Einspeisevergütung für Freiflächenanlagen fällt etwas geringer aus.
Die Einspeisevergütung für den Solarstrom richtet sich nach dem Jahr der Inbetriebnahme der Anlage. Die so ermittelte Vergütung wird für 20 Jahre zugesichert. Das gibt Planungssicherheit. Je früher eine PV-Anlage errichtet wurde, desto höher ist die Vergütung. Bei einer Anlage aus dem Jahr 2004 betrug die Vergütung noch 57,4 Cent pro Kilowattstunde, der Strom einer Anlage aus dem ersten Halbjahr 2011 erzielt nur noch 28,74 Cent pro Kilowattstunde. Weitere Reduzierungen sind bereits angekündigt.
Die fallende Einspeisevergütung bewirkte bisher interessanterweise keine Verschlechterung bei der Rendite von Solarstromanlagen, da die Investitionskosten für PV-Anlagen in einer Gegenbewegung immer effizienter und günstiger wurden.
Noch günstiger kommt man seit dem Jahr 2009, wenn man den solar erzeugten Strom auch selbst nutzt. Hierbei erhält man für eine Anlage von 2011 - bei einem Selbstverbrauch von bis zu 30% - eine Selbstverbrauchsvergütung in Höhe von 12,36 ct/kWh und spart sich dabei zusätzlich die Stromkosten, die beim Bezug des Stromes beim Netzbetreiber anfallen würden. Das sind heute im Durchschnitt etwa 25 ct/kWh. Der restliche Strom, der vor Ort gerade nicht benötigt wird, kann immer noch in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden und wird, wie oben dargestellt, vergütet.
Die Bedingung für den Eigenverbrauch ist, dass der Strom in unmittelbarer räumlicher Nähe verbraucht wird und die Höhe des Eigenverbrauchs exakt (mit einem extra Zähler) nachgewiesen werden muss.
Wenn für eine PV-Anlage die Einspeisevergütung beansprucht werden soll, so muss diese bei der Bundesnetzagentur (www.bundesnetzagentur.de) mit Standort, Datum der Inbetriebnahme und Nennleistung angemeldet werden.
Steuerliche Aspekte
Jeder, der eine PV-Anlage betreibt und den erzeugten Strom ins öffentliche Stromnetz einspeist, wird üblicherweise steuerrechtlich als Unternehmer behandelt. In dieser Eigenschaft erhält er die auf die Investitionskosten entrichtete Umsatzsteuer zurück – auch wenn er einen Teil des erzeugten Stromes selbst verbraucht. Im Gegenzug wird der private Stromerzeuger für seine Einnahmen im Rahmen seiner Einkommensteuer auch steuerpflichtig.
Die Anschaffungs- oder Herstellkosten einer PV-Anlage lassen sich über eine Nutzungsdauer von 20 Jahren abschreiben.
Genaue Informationen zu den steuerlichen Aspekten erhalten Sie bei Ihrem Steuerberater oder dem zuständigen Finanzamt.
Zuschüsse und Förderungen
Da sich die Bestimmungen für Zuschüsse und Förderungen allzu schnell ändern, sei hier nur auf deren Möglichkeit hingewiesen. Bitte beachten Sie, dass die wenigsten Seiten im Internet zu diesem Thema auf aktuellem Stand gehalten werden. Erkundigen Sie sich deshalb bei den fördernden Stellen direkt!
Wichtig in jedem Fall: die Antragsstellung für Zuschüsse und Förderungen sowie günstige Finanzierungen muss meist vor Beginn der Maßnahme erfolgen.
Zusammenstellung der Vor- und Nachteile einer Photovoltaikanlage
Vorteile
- Sonnenenergie ist die umweltschonendste bekannte Energieform.
- Sonnenenergie ist kostenlos, es fallen nicht einmal Transportkosten an.
- Eine PV-Anlage kann nahezu wartungsfrei betrieben werden
- Wegen der staatlichen Förderung im Rahmen der Einspeisevergütung sind mit Photovoltaikanlagen interessante Renditen möglich.
Nachteile
- Die Zuverlässigkeit der Sonneneinstrahlung ist in unseren Breiten nicht gegeben
- Hohe Kosten und hoher Energiebedarf bei der Herstellung der Solarmodule.
- Ohne die Einspeisevergütung wäre Solarstrom aktuell zu teuer. Photovoltaik ist jedoch politisch gewollt und wird deshalb gefördert. Bezahlt wird die Förderung durch die EEG Umlage, die wir Endverbraucher mit der Stromrechnung bezahlen. Sie wir uns im Jahr 2011 voraussichtlich 3,5 ct/kWh kosten.
Vermieten Sie Ihr Dach!
Wenn Sie sich um die Organisation und Installation einer PV-Anlage nicht kümmern möchten, so gibt es auch die Möglichkeit, eine Dachfläche an einen Betreiber von PV-Anlagen zu vermieten. Hierfür sollte Ihr Dach gut erhalten, möglichst groß, optimal ausgerichtet und dauerhaft unverschattet sein. Für die Nutzung der Dachflächen sind gewisse vertragliche Regelungen nötig, zum Beispiel über
- Laufzeit,
- Montage und Demontage der Anlage,
- Nutzungsentschädigung,
- Gegebenenfalls Eintragung ins Grundbuch und
- Haftung, Wartung, Sicherheitsleistungen.
All diese Vertragsbestandteile sind frei verhandelbar. Als Nutzungsentschädigung kommt eine Beteiligung von 3 bis etwa 7% an den Einnahmen durch den erzeugten Strom in Frage. Eine andere Möglichkeit wäre die Vereinbarung einer Miete je Quadratmeter Dachfläche oder installiertem kWp . Pro Quadratmeter können 2 bis 3 Euro pro Jahr (eventuell auch mehr) zu erzielen sein. Bei einer Dachfläche von 200 qm immerhin 400 bis 600 Euro pro Jahr. Wenn Sie vereinbaren, dass Sie als Miete eine Einmalzahlung erhalten, so kann das für 20 Jahre einen Betrag von einigen tausend Euro ausmachen.
Schlussbetrachtung
PV-Anlagen kommen im Neubau und auch zur Nachrüstung im Altbau in Frage. Für die benötigten Kabel findet sich leichter ein Weg durchs Haus als für aufwendig gedämmte Verrohrungen von thermischen Solaranlagen. Durch eine PV Anlage können Sie Ihren Beitrag an der Reduzierung der Treibhausgase leisten und wegen der Förderung durch den Staat auch eine sichere Rendite erwirtschaften.
Abdruck freundlicher genehmigung des Verfassers und unseres Netzwerkpartners
Stefan Onischke
(Dipl. Ing. Architekt)
Waldperlacher Str. 39
81739 München
Telefon 089 60 600 774
Wichtiger Hinweis:
Das Landgericht Hamburg hat mit Urteil von 12.05.1998 entschieden, dass man durch die Ausbringung eines Links die Inhalte der gelinkten Seite ggf. mit zu verantworten hat. Dies kann, so das LG, nur dadurch verhindert werden, dass man sich
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