Glossar  Energie Wissen

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik ist neben Windenergie die wichtigste erneuerbare Energiequelle mit dem größten Zukunftspotenzial.

Photovoltaik 

Photovoltaik ist eine Technologie zur Gewinnung von solarer Energie aus Sonnenstrahlen. Die Lichtenergie wird über Solarzellen aufgefangen und kann direkt genutzt oder gespeichert werden. Es ist ein Teilbereich der Solartechnik, die auch Solarthermie einschließt. 

Technisch betrachtet ist Photovoltaik ein Verfahren, bei dem unter Zuhilfenahme von Solarzellen eine direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie durchgeführt wird. In der Regel wird hierbei auf Sonnenlicht beziehungsweise Sonnenenergie zurückgegriffen. Solarzellen können jedoch grundsätzlich auch mit anderen Lichtquellen wie beispielsweise Lasern arbeiten. Solarenergie gehört zu den erneuerbaren Energien.

Das Thema Photovoltaik erfährt vor allem seit Inkrafttreten des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 große Aufmerksamkeit. Ursprünglich für die Energieversorgung von Weltraumsatelliten eingesetzt, wird Photovoltaik heutzutage überwiegend zur Erzeugung von Strom genutzt. Am häufigsten wird sie zur netzgebundenen Stromerzeugung durch PV-Anlagen verwendet. Sie ersetzt als natürliche Ressource mehr und mehr konventionelle Kraftwerke.

Solarenergie und das EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) 

Mit dem Eintreten des EEG zur Jahrtausendwende wurde auch die Einspeisevergütung eingeführt. Erzeuger:innen, die Strom aus Solaranlagen ins öffentliche Netz einspeisen, wurden fortan vom Staat zu festen Konditionen vergütet. Das Gesetz war der Startschuss für die breite Förderung von Photovoltaik in Deutschland und trotz sinkender Einspeisevergütungen seit 2010 sind die Anlagen für viele Betreiber nach wie vor lukrativ. Viele weitere Länder haben seitdem Förderprogramme in Anlehnung an das EEG aufgelegt.

Solar-Park

So funktioniert eine Photovoltaikanlage 

Solarzellen wandeln durch den photoelektrischen Effekt Solarenergie in Strom um. Bei Photovoltaikanlagen werden viele kleine Solarzellen zu Solarmodulen verbunden. Die erzeugte elektrische Energie wird durch Wechselrichter von Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt, kann anschließend gespeichert oder ins Stromnetz eingespeist werden.  

Mann montiert Solaranlagen auf Dächern

Bestandteile von Photovoltaikanlagen 

PV-Anlagen bestehen im Wesentlichen aus Solarmodulen, die wiederum Solarzellen enthalten. Die Solarmodule werden auf Flächen installiert, die eine möglichst lange Sonneneinstrahlung über den Tag gewährleisten. Die Module werden deshalb meist auf Dächern angebracht und erzeugen Gleichstrom. Da es sich bei Netzstrom um Wechselstrom handelt, muss die elektrische Energie durch einen Wechselrichter umgewandelt werden. Der Wechselrichter erzeugt elektrische Spannung entsprechend der notwendigen Netzspannung. 

Systeme, die den erzeugten Strom einspeisen, nehmen überschüssig produzierte Energie auf. Wird der Eigenverbrauch nicht gedeckt, beziehen sie fehlende Energie aus dem Stromnetz. Anlagen mit Batteriespeicher können erzeugte Überschüsse vorhalten. Dadurch lässt sich der Eigenverbrauchsanteil effektiv erhöhen. Wird zu keiner Zeit von der Solaranlage erzeugter Strom ins Netz eingespeist, handelt es sich um ein Inselnetz. Dieses ist nicht mit dem Stromnetz verbunden und ermöglicht entweder die permanente Deckung des Stromverbrauchs oder die Versorgung im Falle eines Stromausfalls. 

Funktionsweise einer Photovoltaikanlage im Detail

Solarzellen aus Silizium sind Halbleiter, die durch zugeführte Energie in sich freie Ladungsträger erzeugen können. Das ist die Grundlage für Photovoltaikanlagen. Die Solarzellen haben Schichten aus Silizium, die negativ und positiv sind. In der Praxis hat die obere Schicht mehr Elektronen, ist also negativ dotiert. Die untere Schicht hat wenige Elektronen, dadurch ist sie positiv dotiert. Im Grenzbereich der Schichten sammeln sich nun überschüssige Elektronen und bilden eine neutrale Zone. Zwischen der oberen und unteren Schicht bildet sich in der Folge ein elektrisches Feld.

Durch die Sonneneinstrahlung werden Photonen in die Übergangsschicht emittiert und übertragen dort ihre Energie an locker gebundene Elektronen, die dadurch aus ihrer Bindung gelöst werden. Einige dieser Ladungsträger driften durch das elektrische Feld zu den Kontakten der Silizium-Solarzelle. Dort entsteht Spannung und nutzbarer Strom, solange sich der Einstrahlungsprozess fortsetzt. 

Jede Anlage besteht zusätzlich aus elektronischen Protokolleinrichtungen, um die erzeugten Energiemengen zu erfassen und die Anlage überwachen. Das dient als Sicherheitsmechanismus und ist baulich häufig im Wechselrichter untergebracht. 

Darum sind Photovoltaikanlagen beliebt

1. Auch wenn die Effizienz der Stromherstellung von Photovoltaik geringer ist als bei Wind oder Wasser, ist die Technologie zuverlässig und erprobt.   

2. Die Herstellungskosten für PV-Anlagen sinken seit vielen Jahren, während sich ihre Leistung erhöht.  

3. Solaranlagen liefern zuverlässig über Jahre hinweg Strom und Energie

4. Photovoltaik ist ein Instrument zum Erreichen der Klimaneutralität und zur Minimierung des individuellen CO2-Fußabdrucks

5. In Zeiten steigender Energiepreise bietet Photovoltaik eine Chance Geld einzusparen

6. Hinzu kommen die immer besser werdenden Batteriespeicher und verschiedene Fördermöglichkeiten für Photovoltaikanlagen, sowie vertraglich zugesicherte Einspeisevergütungen

CO2-Steuern mit PV vermeiden 

PV-Anlage oder Solarthermie? 

Ob Solarthermie oder eine Photovoltaikanlage auf dem Dach sinnvoller ist, hängt von mehr Faktoren ab als nur vom Wirkungsgrad. Auf den ersten Blick sind Sonnenkollektoren aufgrund von wesentlich höheren Wirkungsgraden effizienter. Allerdings fällt dieser schon bei geringerer Sonneneinstrahlung deutlich stärker ab. Außerdem liefern Sonnenkollektoren für Warmwasser mehr Energie im Sommer, wenn gleichzeitig weniger Energie benötigt wird. Deshalb ist häufig nicht der gesamte Ertrag nutzbar. 

Auch die Energieform spielt eine Rolle. Es ist ein großer Unterschied, ob Solarmodule elektrische Energie erzeugen oder Solarthermie Wärmeenergie. Elektrische Energie hat die höchste Wertigkeit und lässt sich deshalb auch leicht zur Versorgung einer Wärmepumpe nutzen, die wesentlich mehr Wärme zur Verfügung stellen könnte, als Solarkollektoren. Der effektive Jahresertrag von Photovoltaikanlagen kann also trotz des geringeren Wirkungsgrades wesentlich höher sein als bei Sonnenkollektoren.

Diese Rolle spielt Photovoltaik im Energiesystem 

Da Photovoltaik wetterabhängig ist, ist die Technologie selbst nicht grundlastfähig. Deshalb müssen Photovoltaikanlagen mit Energiespeichern, Wärmekraftwerken und anderen Kopplungssystemen kombiniert werden. Um Strom aus Solaranlagen in erneuerbare Energieversorgungssysteme zu integrieren, werden mittel- bis langfristig Energiespeicher zwingend notwendig. Hier gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder speichern Kurzfristspeicher Solarstrom in Batterien, Akkus oder Pumpspeicherkraftwerken oder es müssen Langfristspeicher wie Power-to-Gas-Technologien verwendet werden. Bei Power-to-Gas wird solar erzeugter Strom (beziehungsweise Ökostrom) zu Zeiten hoher Produktion in einem Gas gespeichert. Es kann bei Bedarf rückverstromt werden. 

Solar-Park auf Gewässern

Strom aus Solarenergie kann darüber hinaus mit anderen erneuerbaren Energien kombiniert werden, um eine grundlastfähige Versorgung zu gewährleisten. Hier eignen sich Biomassekraftwerke oder Geothermiekraftwerke, um Schwankungen in der Versorgung auszugleichen. Zukünftig könnten auch intelligente Stromnetze so funktionieren, dass sie Strom aus Wärmepumpen, E-Autos und anderen Speichermedien smart zwischenspeichern und verschieben, um die Auslastung der Infrastruktur zu verbessern. 

Die Erzeugung von Solarstrom ist stark abhängig vom Tages- und Jahresgang, sowie von Wettereinflüssen. Im Frühling und Sommer kann Solarstrom deshalb zur Deckung der Teillast des öffentlichen Stromnetzes genutzt werden. Im Herbst und Winter sind PV-Anlagen jedoch weniger effektiv, weil der Sonnenstand niedriger ist. Hier wird Photovoltaik perfekt durch Windkraftanlagen ergänzt, da diese mehr Strom als im Sommer produzieren. Trotzdem sind Speicher weiterhin erforderlich, wenn Solarenergie als erneuerbare Energie zur Stabilisierung der Grundlast beitragen soll. 

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Fotos: John Guthed / Vattenfall, Jorrit Lousberg / Vattenfall