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Photovoltaik – Wissenswertes zu Aufbau, Funktion und Energiebilanz

Photovoltaik zählt zu den wichtigsten Standbeinen der Energiewende. Wirkungsgrad und Ökobilanz verbessern sich stetig dank technischer Innovationen. Doch wie arbeitet eigentlich eine Solaranlage? Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? Und welche Komponenten gehören zur PV-Anlage? Ein Überblick.

Mit Photovoltaik wird aus Sonnenenergie Strom

Eine Photovoltaikanlage wandelt Sonnenlicht in elektrische Energie um. Dieser Prozess findet in einzelnen Solarmodulen statt, die aus vielen einzelnen Solarzellen bestehen. Das Sonnenlicht regt Elektronen in den Solarzellen an, sich zu bewegen. Dabei entsteht elektrischer Strom: Gleichstrom.

Damit Sie den über Photovoltaik erzeugten Strom im Haushalt nutzen können, wandelt ein Wechselrichter den Gleichstrom zu Wechselstrom um. Überschüssigen Strom speichern Sie entweder für einen späteren Verbrauch oder speisen ihn in das öffentliche Stromnetz ein. Für die Einspeisung erhalten Sie eine Vergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz.

Gibt es einen Unterschied zwischen Solaranlage und Photovoltaikanlage?

Solaranlage ist der Sammelbegriff für Technologien, die Sonnenenergie nutzen. Dazu zählt sowohl Photovoltaik als auch Solarthermie-Anlagen. Diese beiden Arten von Solaranlagen sind grundverschieden in Aufbau und Funktion. Während eine Photovoltaikanlage die Sonnenenergie zur Stromproduktion nutzt, erzeugt eine Solarthermie-Anlage Wärme, etwa für die Heizung und warmes Wasser im Haus.

Mit einer Photovoltaikanlage ohne Batteriespeicher erreichen Sie bereits bis zu 40 Prozent Autarkie

Infografik zeigt Autarkiegrad einer PV-Anlage ohne Batteriespeicher

Aufbau und Funktionsweise von Photovoltaik

Eine Photovoltaikanlage wandelt Sonnenenergie in Strom.
Für diesen komplexen Prozess werden verschiedene Komponenten benötigt. Im Folgenden stellen wir die wichtigsten Bestandteile einer Photovoltaikanlage und ihre Funktionsweise vor.

Auch die optimale Ausrichtung der Anlage spielt dabei eine Rolle. Es ist von Vorteil, wenn Photovoltaikanlagen nach Süden zeigen und eine Neigung von 30 bis 35 Grad haben. Und natürlich sollte möglichst wenig Schatten auf die Module fallen.
Mit Moduloptimierern können Sie zeitweise verschattete Flächen auf der Solaranlage aber überbrücken. Und es gibt inzwischen Solarmodule mit Half-Cut-Technologie, die auch an bewölkten Tagen Strom produzieren können.

Solarkabel

Solarkabel leiten den Gleichstrom vom Solarmodul an den Wechselrichter weiter. Sie sind besonders stabil und halten UV-Strahlung gut aus. Dickere Kabel bieten mehr Sicherheit. Der Weg zum Wechselrichter sollte möglichst kurz sein, damit beim Transport keine Leitungsverluste entstehen.

Mann steht am geöffneten Sicherungskasten

Stromzähler

Ein Ertragszähler misst die Menge des erzeugten Solarstroms. Darüber hinaus muss natürlich festgehalten werden, wie viel Solarstrom der Haushalt selbst verbraucht und wie viel er einspeist sowie aus dem öffentlichen Netz dazu bezieht. Das funktioniert über einen Zweirichtungszähler. Diese Kombination aus Einspeise- und Bezugszähler ersetzt beim Einbau einer PV-Anlage den Einrichtungszähler. Moderne Zweirichtungszähler zeigen die Bezugs- und Einspeisemengen im Wechsel auf einem Display an.

Wechselrichter

Der Wechselrichter wandelt nicht nur den Gleichstrom aus der Photovoltaik in Wechselstrom um, sondern überwacht auch die gesamte Photovoltaikanlage. Er misst Spannung, Stromstärke und Leistung der Anlage und kann so schnell Störungen identifizieren.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Wechselrichtern:

  • Der Solar-Wechselrichter macht aus dem Gleichstrom der Solarmodule Wechselstrom, der im Haushalt verbraucht oder eingespeist werden kann.

  • Der Batterie-Wechselrichter wandelt den Wechselstrom wieder in Gleichstrom für den Stromspeicher, da Wechselstrom nicht gespeichert werden kann.

In den meisten Photovoltaikanlagen ist der Einsatz eines Hybrid-Wechselrichters möglich, der beide Umwandlungsarten beherrscht. Er kann den erzeugten Gleichstrom direkt im Batteriespeicher speichern und erst unmittelbar vor dem Verbrauch in Wechselstrom umwandeln.

Batteriespeicher (optional)

Ein Solarstromspeicher hält tagsüber produzierten Solarstrom für den Verbrauch zu einem späteren Zeitpunkt (z. B. am Abend) fest. Damit kann der Eigenverbrauch der Solaranlage von 30 auf bis zu 80 Prozent gesteigert werden. Für ein klassisches Einfamilienhaus benötigt man je nach Stromverbrauch einen Speicher mit einer Kapazität zwischen 5 und 15 kWh. Im Schnitt schlägt ein Speicher mit 1.200 Euro pro Kilowattstunde zu Buche. Je größer der Speicher, umso günstiger wird es. Ein Solarstromspeicher funktioniert genauso wie die Akkus einer Autobatterie: Elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt. Auch Elektroautos könnten in der Zukunft eine größere Rolle bei der Speicherung von Solarstrom spielen.

Energiemanagement (optional)

Mit einem Energiemanagementsystem wird die gespeicherte Solarenergie optimal ausgenutzt. Es steuert die Batterie, entscheidet also, wann sie mit produziertem Strom beladen und wann sie entladen wird. Die Funktionen des Energiemanagementsystems sind live über ein Webportal einsehbar. Dank einer detaillierten Auswertungsseite können Sie Ihre Stromerzeugung, den Eigenverbrauch und die Batterienutzung auch im Detail analysieren.

Das Energiemanagementsystem funktioniert über WLAN, sodass es stromintensive Geräte beispielsweise eigenständig über WLAN-Steckdosen anschaltet, wenn die Sonne am meisten nutzbaren Strom liefert. So laufen Waschmaschine oder Spülmaschine in den sonnenreichsten Zeiten des Tages. Auch die Ladung des Elektroautos mit Solarstrom macht tagsüber am meisten Sinn.

Frau steht an ihrem E-Auto, das gerade lädt

Aufbau einer Solarzelle

Die Umwandlung von Licht in Strom beruht auf dem photoelektrischen Effekt: Elektronen werden durch Lichtteilchen in Bewegung gesetzt. Um dieses Naturgesetz nutzen zu können, ist ein bestimmter Aufbau der Solarzellen notwendig.

Etwa 95 Prozent aller Solarzellen arbeiten mit dem Halbleiter Silizium, der aus Quarzsand gewonnen wird. Das natürliche Material wird gereinigt, kristallisiert und in drei Schichten aufbereitet:

 

Dass durch Sonnenlicht elektrische Energie entstehen kann, wurde übrigens bereits im 19. Jahrhundert erforscht, unter anderem von Albert Einstein. Doch bereit für die industrielle Produktion war die Photovoltaik erst 1954.

So funktioniert eine Solarzelle

Die Elektronen in den Siliziumschichten der Solarzelle kommen durch Sonnenlicht in Bewegung. Ihre Ladungen fließen durch Metallschichten am Rand der Solarzelle ab. Je höher die Sonneneinstrahlung, desto mehr Solarstrom kann produziert werden. Eine Zelle von 15 mal 15 Zentimetern erzeugt im Durchschnitt ungefähr 5,5 Ampere Strom. Der Wirkungsgrad ist abhängig vom Zelltyp.

  • Monokristalline Solarzellen werden aus reinem Silizium gefertigt. Sie produzieren hohe Kosten, haben aber auch einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 22 Prozent.

  • Polykristalline Solarzellen sind kostengünstiger in der Herstellung. Sie haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad von bis zu 20 Prozent. 

  • Amorphe Solarzellen zeichnen sich durch besonders dünne Schichten aus. Da weniger Material verbraucht wird, sind sie besonders kostengünstig. Dünnschichtzellen haben allerdings auch einen Wirkungsgrad von weniger als zehn Prozent. 

Gut zu wissen: Der Vattenfall-Partner IBC Solar setzt monokristalline Module mit Half-Cut-Zellen ein, die bei jeder Wetterlage Strom produzieren.

Neue Materialien könnten Solarzellen künftig noch effektiver machen. So werden beispielsweise Hybridmaterialen aus organischen und anorganischen Substanzen getestet, Perowskite. Diese organischen Solarzellen nutzen einen anderen Wellenlängenbereich des Lichts als Siliziumzellen. Eine Kombination beider Materialien würde den Wirkungsgrad von PV-Modulen deutlich erhöhen.

Haus mit Solaranlage auf dem Dach, davor lädt ein E-Auto an der Wallbox

Solarzellen sind langlebig

Die mittlere Lebensdauer einer PV-Anlage beträgt 30 Jahre. Viele Hersteller geben für ihre Anlagen auch nach 25 Jahren Betriebszeit noch eine Leistungsgarantie von 80 Prozent. Die Solarzellen halten ihren Wirkungsgrad also über Jahrzehnte. 

Was bei der PV-Anlage altert, sind die Verbindungsstücke. Rostende Metallkontakte leiten beispielsweise weniger Strom. Auch schützende Kunststoffschichten werden vom UV-Licht mit den Jahren aufgebrochen.

Die Energiebilanz von Solaranlagen

In den letzten Jahren haben sich die Produktionsprozesse für Solarmodule deutlich verbessert. Früher dauerte es etwa zehn Jahre, bis eine kleinere Anlage die Energiemenge geleistet hatte, die für ihre Produktion verbraucht worden war (energetische Amortisationszeit). 

Jüngsten Berechnungen des Fraunhofer Instituts zufolge liegt die energetische Amortisationszeit nun nur noch bei ein bis zwei Jahren. Wenn man von einer Laufzeit von 30 Jahren ausgeht, erzeugt eine PV-Anlage im Optimalfall das 20-fache der Energie, die für ihre Produktion verbraucht wurde.

Vattenfall Fazit

Neue Materialien erhöhen den Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen. Gleichzeitig werden die Produktionsprozesse für Solarmodule immer effizienter. Dadurch amortisiert sich die Investition in Photovoltaik rasch.

Mit Sonnenstrom aus der eigenen Photovoltaik-Anlage machen Sie Ihr Haus nicht nur unabhängig von steigenden Energiepreisen, sondern erzeugen auch Energie ohne CO₂-Emissionen.

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