Einsteigerkurs zur Photovoltaik

 

In diesem Text wollen wir uns in einfacher Weise mit der Photovoltaik beschäftigen. Behandelt werden folgende Themen:

  1. Was ist Energie?
  2. Wie entsteht aus Licht Solarstrom?
  3. Welche Zelltypen gibt es?
  4. Wie funktioniert die Modulherstellung?
  5. Wie sehen die Fortschritte in Bezug auf Wirkungsgrade, Lebensdauer und Energierücklaufzeit von Solarmodulen aus?
  6. Welche Komponenten gehören noch zu einer Solaranlage?

1.    Was ist Energie?

 

Das Thema Energie durchzieht heutzutage unser gesamtes Leben: im Alltag beim Wasserkochen, bei der Nutzung der Spülmaschine, beim Fahren mit dem Auto oder beim gemütlichen Fernsehabend. Ähnlich ist es in den globalen Zusammenhängen: ohne ausreichend verfügbare Energie würde unsere und die globalen Volkswirtschaften zusammenbrechen. Gleichzeitig wächst die Erkenntnis, dass die bisherige Art der Energieversorgung teilweise unsicher, umweltschädlich und nur begrenzt verfügbar ist.

Daher lohnt es sich, das Thema Energie einmal genauer zu betrachten.

Nach Max Planck, dem Begründer der Quantenphysik, ist Energie die Fähigkeit eines Systems, äußere Wirkungen hervorzubringen. Diese Wirkungen können z.B. Wärme oder Licht sein. Im Bereich der Mechanik kennen wir etwa die potentielle Energie (oder Lageenergie) einer Masse m, die sich in einer Höhe h befindet (Fall a):

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Bild 1.1 — Darstellung verschiedener Energieformen •

 

Fällt etwa einem Kegelbruder die über 3 kg schwere Kugel herunter, so kann das System „Ein-Meter-hohe-Kugel“ deutliche Wirkungen an seinem Fuß hervorbringen. Schleudert er stattdessen die Kugel wie geplant nach vorn, verrichtet er Arbeit an der Kugel. Mit dieser Arbeit wird dem System Kugel Energie zugeführt. Somit können wir ganz allgemein sagen:

Durch Zufuhr oder Abgabe von Arbeit kann die Energie eines Systems verändert werden. Anders ausgedrückt: Energie ist gespeicherte Arbeit.

Im Fall des Kegelbruders erhält die Kugel beim Vorwärtsschleudern kinetische Energie WKin (oder Bewegungsenergie):

W(Kin) = 1/2 m *

mit v: Geschwindigkeit der Kugel

Hier wurde eine Masse auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt (Fall b).

 

Fall c) zeigt wiederum die Formel eines Kondensators, in dem Energie gespeichert werden kann.

W(Kon) = 1/2 C * U²

mit C: Kapazität des Kondensators, 
U: Spannung am Kondensator

 

Liegt wiederum eine Spannung U an einem ohmschen Widerstand R an, so wird in ihm in der Zeit t eine elektrische Arbeit WEl umgesetzt (Fall d):

W (EL) = P * t = U² / R * t

 

Die Leistung P gibt wiederum an, welche Arbeit in der Zeit t geleistet wird:

P = Arbeit / Zeit = W / t

 

Leider werden viele verschiedene Einheiten zur Beschreibung von Energie benutzt. Die wichtigste Beziehung lautet:

1 J (Joule) = 1 Ws =1 Nm = 1 kg · (m/s)2

 

Hebt man z.B. einen Zentner Kartoffeln um einen Meter hoch, so erhält er dadurch eine Lageenergie von

WPot =m · g · h = 50 kg · 9,81 m/s2 · 1 m = 490,5 Nm= 490,5 Ws

 

In der Elektrotechnik ist die Einheit Kilowattstunde (kWh) sehr gebräuchlich, diese ergibt sich zu:

1 kWh = 1000 Wh= 1000 W · 3600 s = 3,6 ·106 Ws = 3,6 MWs = 3,6 MJ (Megajoule)

 

Da in der Energiewirtschaft oft sehr große Energiemengen behandelt werden, ist hier die Auflistung der Einheitenvorsätze zur Abkürzung von Zehnerpotenzen sinnvoll:

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Bild 1.2 — Vorsätze und Vorsatzzeichen •

 

Energie liegt typischerweise in Form von Energieträgern (Kohle, Gas, Holz etc.) vor. Diese Art der Energie bezeichnen wir als Primärenergie. Um sie für praktische Anwendungen nutzen zu können, muss sie umgewandelt werden. Möchte man etwa elektrische Energie erzeugen, so wird z.B. in einem Kohlekraftwerk Steinkohle verbrannt, um damit heißen Wasserdampf zu erzeugen. Der Druck des Wasserdampfes wird wiederum genutzt, um einen Generator anzutreiben, welcher elektrische Energie am Kraftwerksausgang zur Verfügung stellt (Bild 1.3).

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Bild 1.3 — Darstellung der Energiearten am Beispiel der Steinkohleverstromung: Nur etwa ein Drittel der eingesetzten Primärenergie kommt beim Endkunden an der Steckdose an •

 

Diese Energie bezeichnen wir als Sekundärenergie. Durch die beschriebene Prozesskette entstehen relativ hohe Umwandlungsverluste. Wird die Energie dann weiter zu den Haushalten transportiert, fallen zusätzliche Verluste in den Kabeln und Trafostationen an. Diese fassen wir unter den Verteilungsverlusten zusammen. Beim Endkunden kommt schließlich die Endenergie an.       

Bei einem mit Benzin betriebenen Auto ist das Erdöl der Primärenergieträger. Durch Raffination wird es zu Benzin umgewandelt (Sekundärenergieträger) und anschließend zur Tankstelle gebracht. Sobald das Benzin im Tank ist, liegt es dort als Endenergie vor. Diese muss wiederum von der Nutzenergie unterschieden werden; im Fall des Autos ist das die mechanische Bewegung des Fahrzeugs. Da ein Automotor einen Wirkungsgrad von unter 30 % hat, kommt somit nur ein geringer Teil der eingesetzten Primärenergie auf der Straße an. Im Fall der elektrischen Energie wäre die Nutzenergie z.B. Licht (Lampe) oder Wärme (Kochplatten).

Um elektrische Endenergie an der Steckdose zur Verfügung zu stellen, muss die in Bild 1.3 gezeigte Umwandlungs- und Verteilungskette durchlaufen werden. Da der Wirkungsgrad von konventionellen Kraftwerken mit ca. 40 % relativ klein ist, ergibt sich als Gesamtwirkungsgrad ηGesamt bis zur Steckdose beim Endverbraucher:

ηGesamt = ηKraftwerk · ηVerteilung ≈ 0,4 · 0,95 ≈ 0,38

 

Somit können wir festhalten:

Im Fall der konventionellen elektrischen Energieversorgung kommt nur etwa ein Drittel der eingesetzten Primärenergie an der Steckdose an.

 

Dennoch wird elektrische Energie in vielen Bereichen eingesetzt, da sie einfach zu transportieren ist und Anwendungen erlaubt, die kaum mit anderen Energieformen realisiert werden können (z.B. Computer, Motoren etc.). Gleichzeitig gibt es allerdings Nutzungen, für die der wertvolle Strom nicht verwendet werden sollte. So wird im Fall einer elektrischen Raumheizung nur ein Drittel der eingesetzten Primärenergie genutzt, während es z.B. bei modernen Wärmepumpen deutlich besser aussieht.

2.    Wie entsteht aus Licht Solarstrom?

 

Zunächst stellt sich die Frage, was der Ausdruck „Photovoltaik“ überhaupt bedeutet.

Der Begriff Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort phós, phõtós (Licht, des Lichtes) und dem Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta (1745–1825). Dieser erfand die erste funktionsfähige elektrochemische Batterie; ihm zu Ehren wurde die Einheit der elektrischen Spannung als Volt benannt. Eine Übersetzung des Wortes Photovoltaik könnte daher heißen Lichtbatterie oder auch Lichtenergiequelle. Allgemeiner definieren wir, dass der Ausdruck Photovoltaik die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie beschreibt.

Im Jahr 1839 entdeckte der französische Wissenschaftler Alexandre Edmond Becquerel bei elektrochemischen Experimenten den photoelektrischen Effekt. Er steckte zwei beschichtete Platinelektroden in einen Behälter mit einem Elektrolyten und bestimmte den zwischen den Elektroden fließenden Strom (siehe Bild 1.4a). Becquerel stellte fest, dass sich die Stromstärke bei Bestrahlung des Behälters mit Licht veränderte. In diesem Fall handelte es sich um den äußeren Photoeffekt, bei dem Elektronen unter Lichteinfall aus einem Festkörper austreten.

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Bild 1.4 — Die Anfänge der Photovoltaik •

 

1873 entdeckten dann der britische Ingenieur Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May, dass der Halbleiter Selen seinen Widerstand ändert, wenn er mit Licht bestrahlt wird.

Drei Jahre später fanden die Engländer William Adams und Richard Day heraus, dass ein mit Platinelektroden versehener Selenstab elektrische Energie produzieren kann, wenn man ihn dem Licht aussetzt (siehe Bild 1.4b). Damit wurde zum ersten Mal der Beweis erbracht, dass ein Festkörper Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandeln kann. 1883 baute der New Yorker Erfinder Charles Fritts ein kleines „Modul“ aus Selenzellen mit einer Fläche von ca. 30 cm2, das immerhin einen Wirkungsgrad von knapp 1 % aufwies. Hierzu beschichtete er die Selenzellen mit einer hauchdünnen Elektrode aus Gold. Er sandte ein Modul an Werner von Siemens zur Begutachtung. Dieser erkannte die Bedeutung der Entdeckung und erklärte vor der Königlichen Akademie von Preußen, dass damit „zum ersten Mal die direkte Wandlung von Licht in elektrische Energie gezeigt“ wurde.

In den folgenden Jahren konnten die physikalischen Hintergründe des Photoeffekts immer besser erklärt werden, unter anderem durch Albert Einstein, der seine Lichtquantenhypothese im Jahr 1905 vorstellte.

Die ersten „echten“ Solarzellen wurden dann in den legendären Bell-Labs von Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson gebaut. Die Silizium-Zellen hatten anfangs nur eine Fläche von 2 cm2. Die beste Zelle erreichte immerhin einen Wirkungsgrad von bis zu 6 %. Die New York Times brachte das Ereignis am nächsten Tag auf der Titelseite und versprach den Lesern „die Erfüllung eines der größten Wünsche der Menschheit – der Nutzung der fast unbegrenzten Energie der Sonne“.

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Bild 1.5 — Bild 1.5: Die Erfinder der ersten „echten“ Solarzelle. Das rechte Bild zeigt das erste „Solarmodul“ der Welt. (Mit freundlicher Genehmigung des AT&T Archives and History Center) •

 

In den folgenden Jahren konnte der Wirkungsgrad auf 10 Prozent erhöht werden. Einsatzzwecke waren zunächst Satelliten und photovoltaische Inselanlagen wie Telefonverstärker, solarbetriebene Leuchttürme etc.

Ein Umdenken setzte allerdings mit der Ölkrise im Jahr 1973 ein. Plötzlich standen alternative Energiequellen im Mittelpunkt des Interesses. 1977 wurde an den Sandia Laboratories in New Mexico ein Solarmodul mit dem Ziel entwickelt, ein Standardprodukt zur kostengünstigen Massenproduktion zu fertigen.

Der Störfall im Atomkraftwerk Harrisburg (1979) und insbesondere die Reaktorkatastrophe in Tschernobyl (1986) verstärkten schließlich den Druck auf die Regierungen, neue Lösungen in der Energieversorgung anzustreben. Ab Ende der 1980er Jahre intensivierten insbesondere die USA, Japan und Deutschland ihre

Anstrengungen im Bereich der Photovoltaik-Forschungsförderung. Außerdem wurden Förderprogramme aufgelegt, die den Bau von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen auf Einfamilienhäusern anregten.

Heute liegen die Wirkungsgrade von Solarmodulen bei über 20 %.

3.    Wie funktionieren Solarzellen und Solarmodule?

 

Grundbaustein jeder Photovoltaikanlage ist die Solarzelle. Diese besteht in den allermeisten Fällen aus Silizium, einem Halbleiter, der auch für Dioden, Transistoren und Computerchips verwendet wird. Durch Einbau von Fremdatomen (Dotierung) wird in der Zelle ein sogenannter pn-Übergang erzeugt, der ein elektrisches Feld in den Kristall „einbaut“. Fällt Licht auf die Solarzelle, so werden Ladungsträger aus den Kristallbindungen gelöst und durch das elektrische Feld zu den äußeren Kontakten befördert. Als Folge entsteht an den Kontakten der Solarzelle eine Spannung von etwa 0,5 Volt. Der abgegebene Strom variiert je nach Einstrahlung und Zellenfläche und liegt zwischen 0 und z.B. 10 Ampere.

Um auf gut nutzbare Spannungen im Bereich von z.B. 50 Volt zu kommen, schaltet man viele Zellen in einem Solarmodul in Reihe. Außerdem werden die Solarzellen in dem Modul mechanisch geschützt und gegen Umwelteinflüsse (z.B. das Eindringen von Feuchtigkeit) versiegelt.

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Bild 1.6 —  Solarzelle und Solarmodule als Grundbausteine der Photovoltaik •

 

4.    Wie ist eine typische Anlage aufgebaut?

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Bild 1.7 zeigt den Aufbau einer klassischen in Deutschland lange Zeit üblichen netzgekoppelten Anlage. Mehrere Solarmodule werden zu einem Strang (String) in Reihe geschaltet und an einen Wechselrichter angeschlossen. Der Wechselrichter wandelt den von den Modulen gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom um und speist ihn in das öffentliche Netz ein. Zur korrekten Vergütung des erzeugten Stroms misst ein Einspeisezähler die erzeugte Energiemenge.

Getrennt davon ermittelt der Verbrauchszähler den Stromverbrauch im Haushalt. Finanziert wird die Anlage auf der Grundlage des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG). Dieses garantiert, dass der eingespeiste Strom über 20 Jahre zu einem festgesetzten Preis vom Energieversorgungsunternehmen vergütet wird. Der Anlagenbesitzer wird damit gewissermaßen zum Kraftwerksbetreiber.

Heute gebaute Solarstromanlagen sehen mittlerweile anders aus, da typischerweise ein Teil des erzeugten Stroms im Haus selbst verbraucht wird (sogenannter „Eigenverbrauch“). In diesem Fall wird nur der überschüssige Solarstrom ins Netz eingespeist. Darauf wird in einem späteren Abschnitt eingegangen werden.

 

5.    Was „bringt“ eine Anlage?

 

Für die Besitzerin einer Solarstromanlage ist insbesondere interessant, welche Leistung ihre Anlage erbringt und welche Energiemenge im Laufe eines Jahres eingespeist werden kann.

Die Leistung eines Solarmoduls wird unter Standardtestbedingungen (Standard-Test-Conditions, STC) gemessen, die durch drei Randbedingungen festgelegt sind:
 

  1. Volle Sonneneinstrahlung (Bestrahlungsstärke E = ESTC = 1000 W/m2)
  2. Temperatur des Solarmoduls: ϑModul = 25 °C
  3. Standard-Lichtspektrum AM1,5

Die Leistung, die ein Solarmodul unter diesen Bedingungen erbringt, ist die Nennleistung des Moduls. Sie wird in Watt-Peak (Wp) angegeben, da sie faktisch die Spitzenleistung (Peak) des Moduls unter optimalen Bedingungen beschreibt.

Der Wirkungsgrad Modul eines Solarmoduls gibt das Verhältnis aus gelieferter elektrischer Nennleistung PSTC bezogen auf die einfallende optische Leistung POpt an:

ηModul = PSTC / POPT  = PSTC / ESTC · A   

               mit A: Modulfläche

Die Wirkungsgrade heutiger Silizium-Solarmodule liegen im Bereich von 20 bis 24 %.

Fallbeispiel

6.    Wie funktioniert die Modulherstellung?

 

Um Solarzellen zur Stromversorgung handhabbar zu machen, werden sie in Solarmodule integriert. Bild 1.8 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Glas-Folien-Solarmoduls. Die einzelnen Zellen werden durch verzinnte Kupferstreifen zu einem Zellstring elektrisch in Serie geschaltet (statt String ist auch die deutsche Bezeichnung Strang üblich). Diesen String bettet man ein in zwei Folien aus Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA), einem transparenten Kunststoff. Den Abschluss bildet auf der Oberseite eine ca. 4 mm starke Glasscheibe und auf der Unterseite eine Rückseitenfolie.

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Bild 1.8 — Aufbau eines Glas-Folien-Moduls sowie eines Glas-Glas-Moduls  •

 

Dieses Sandwich wird dann in einem sogenannten Laminator unter Vakuum bis auf 150 °C erhitzt. Das EVA-Material weicht hierdurch auf, umfließt die Zellen und härtet schließlich aus.

Die Rückseitenfolie dient dem Schutz vor eindringender Feuchtigkeit und stellt außerdem einen elektrischen Isolator dar. Sie ist als Verbundfolie aus Polyvinylfluorid und Polyester aufgebaut und wird meist als Tedlar-Folie bezeichnet, dem Handelsnamen der Firma Dupont. Bevor der Modulrahmen aus Aluminium aufgebracht wird, muss der Modulrand (z.B. durch spezielles Klebeband) versiegelt werden.

Eine Alternative zum Glas-Folien-Modul ist das Glas-Glas-Modul. Dieses wird aus architektonischen Gründen gern für Fassaden oder zur Dachintegration verwendet. Die zweite Glasscheibe dient zur Erhöhung der mechanischen Stabilität, da kein Metallrahmen vorhanden ist.

In den letzten Jahren gibt es einen neuen Trend hin zu Glas-Glas-Modulen. Dies liegt daran, dass inzwischen sehr stabile Glasscheiben mit nur 2 mm Dicke verfügbar sind. Somit wird das Glas-Glas-Modul nicht schwerer als ein herkömmliches Modul mit 4 mm dicker Frontseite. Gleichzeitig weisen die Module eine Reihe von Vorteilen auf. So sorgt die rückseitige Glasscheibe für eine dampfdichte und unempfindliche Versiegelung des Moduls. Da die Zellen außerdem symmetrisch zwischen den Glasscheiben samt EVA-Folien eingepackt sind, führen Durchbiegungen seltener zu Zellbrüchen. Manche Hersteller sind so überzeugt von den Vorteilen der Glas-Glas-Module, dass sie ihre Leistungsgarantie auf diese „Qualitätsmodule“ von 25 auf 30 Jahre verlängert haben.

In Bild 1.9 sind die einzelnen Schritte zur Herstellung eines Solarmoduls dargestellt. Die Fertigung erfolgt inzwischen durchgehend automatisiert.

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Bild 1.9 — Fertigungsschritte zur Herstellung eines Solarmoduls (Fotos: Solar-Fabrik AG)  •

 

Bild 1.10 zeigt drei kommerzielle Module. Das multikristalline Modul „Blue 60P“ ist als Glas-Folien-Modul ausgeführt und weist eine Nennleistung von 275 Wp auf. Dagegen erreicht das Glas-Glas-Modul „Vision60M Style“ durch die Verwendung von hocheffizienten PERC-Zellen bei gleicher Größe eine Leistung von 315 Wp. Deutlich leistungsstärker ist wiederum das Glas-Glas-Halbzellenmodul „Panel Vision Style“ mit einer Leistung von 370 Wp.

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Bild 1.10 — Ansicht von drei kommerziellen Solarmodulen: Multikristallines Glas-Folien-Modul „Blue 60P“ (links), monokristallines Glas-Glas-Modul „Vision 60M Style“ und Glas-Glas-Halbzellenmodul „Panel Vision Style“ (Quelle: SOLARWATT GmbH)  •

 

7. Welche Fortschritte sind bei den Wirkungsgraden, der Lebensdauer und der Energierücklaufzeit zu erwarten?

 

Bild 1.11 zeigt die Entwicklung der Zellwirkungsgrade in den letzten fast 50 Jahren. Die in Blau dargestellten Kurven gelten für Zellen aus kristallinem Silizium. Die erste kristalline Siliziumzelle wies im Jahr 1977 einen Wirkungsgrad von rund 13 Prozent auf. Dieser wurde dann bis heute auf 27,6 Prozent kontinuierlich verbessert.

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Bild 1.11 — Entwicklung der Rekord-Zellwirkungsgrade über die letzten 45 Jahre (Quelle: NREL)  •

 

Höhere Wirkungsgrade sind in Zukunft hauptsächlich nur noch mit sogenannte „Tandemzellen“ möglich. Dies bedeutet, dass man z.B. eine Siliziumzelle mit einer Zelle aus Perowskit kombiniert. Beide Materialien ergänzen sich gut bezüglich ihrer Bandlücken: Während c-Si den langwelligen Teil des Spektrums abdeckt (rot und infrarot), wandelt die oben aufgebrachte Perowskit-Zelle den kurzwelligen Teil (blau und grün) in Solarstrom um. Hier hofft man darauf, in Zukunft Wirkungsgrade von bis zu 29 % erreichen zu können.

Allerdings ist bislang unklar, ob diese Zellkombination gegebenenfalls über längere Zeit degradiert, sich also ihr Wirkungsgrad reduziert. Dies ist Zukunft weiterhin zu untersuchen.

Eine weitere Frage ist die Lebensdauer von Solarmodulen. Typischerweise geht man von Modullebensdauern in der Größenordnung von mindestens 20 Jahren aus. In der Vergangenheit gab es allerdings Fälle, dass Solarmodule bereits nach einigen Jahren eine verringerte Modulleistung aufwiesen. Die Hintergründe sind inzwischen fast vollständig verstanden, so dass dieses Problem in den Hintergrund getreten ist.

Insbesondere die Glas-Glas-Module weisen die höchsten Lebensdauern auf. Einzelne Hersteller geben inzwischen eine Produkt- und Leistungs-Garantie von 30 Jahren.

 

Ein weiteres Thema ist die Energierücklaufzeit.

Es hält sich hartnäckig das Gerücht, dass zur Herstellung von Photovoltaikanlagen mehr Energie benötigt wird, als die Anlage im Lauf ihrer Lebensdauer an Energie erzeugt. Wäre dies tatsächlich der Fall, so könnte man die Photovoltaik wohl kaum als eine Option zur Lösung der Energieprobleme bezeichnen.

Die Energierücklaufzeit TR gibt die Zeitdauer an, die eine Solarstromanlage arbeiten muss, bis sie so viel Energie erzeugt hat, wie für ihre Herstellung benötigt wurde.

Hierzu sind in Bild 12 zwei Tortendiagramme dargestellt. Das linke Bild zeigt die Anteile am Primärenergieaufwand zur Herstellung einer Anlage aus dem Jahr 2004. Diese hatte eine Energierücklaufzeit von knapp 3 Jahren. Das rechte Bild stellt wiederum das Gleiche für eine modernere Anlage aus dem Jahr 2020 dar. Diese Anlage weist eine Energierücklaufzeit von nur noch 1,7 Jahren auf. Gründe sind unter anderem dünnere Solarzellen.

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Bild 1.12  — Anteile am Primärenergieaufwand zur Herstellung einer Anlage aus 2004 sowie einer neueren Anlage aus 2020  •

Zum Abschluss werfen wir noch einen Blick auf die ganz aktuellen Energierücklaufzeiten in verschiedenen Ländern. Offensichtlich zeigen sich stark unterschiedliche Ergebnisse zwischen 1,42 Jahren für Kanada und 0,44 Jahren für Indien. Deutschland liegt im Mittelfeld mit einer Energierücklaufzeit von inzwischen ca. 1,3 Jahren.

Konkret heißt dies, dass heutzutage eine PV-Anlage in Deutschland innerhalb von gut einem Jahr so viel Energie erzeugt, wie für Ihre Produktion benötigt wurde.

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Bild 1.13 — Energierücklaufzeiten von Photovoltaikanlagen in verschiedenen Ländern: Die Extremwerte liegen bei 1,42 Jahren für Kanada und 0,44 Jahren für Indien  •

 

8.    Welche Komponenten gehören noch zu einer Photovoltaikanlage?

 

Zusätzlich zum Wechselrichter werden immer mehr Solarstromanlagen mit einem Stromspeicher ausgestattet. Beispielhaft zeigt Bild 1.14 den Aufbau einer PV-Anlage mit entsprechenden Hausverbrauchern.

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1.14: — Prinzipieller Aufbau einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher: a) DC-Kopplung, b) AC-Kopplung   •

 

Den prinzipiellen Aufbau einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage mit Solarstromspeicher zeigt Bild 1.14. Der erzeugte Solarstrom kann ins öffentliche Netz eingespeist, im Haus verbraucht oder in der Batterie gespeichert werden. Damit steht er zu einem späteren Zeitpunkt für die Hausverbraucher zur Verfügung.

Im Fall einer DC-Kopplung (Gleichstromkopplung) des Speichers (Bild 1.14a) wird die Batterie über einen Laderegler und einen Gleichstrom-Wandler zur Spannungsanpassung direkt an die Gleichstromleitung des Solargenerators angeschlossen. Die vom Solargenerator gelieferte Energie kann so unmittelbar die Batterie laden. Eine Alternative zeigt Bild 1.14b: Bei der AC-Kopplung (Wechselstromkopplung) erfolgt die Übergabe der Energie erst auf der Wechselstromseite.

Zum Laden der Batterie wird zunächst der Gleichstrom in Wechselstrom und schließlich wieder in Gleichstrom gewandelt. Das führt tendenziell zu höheren Verlusten; dies fällt allerdings bei den hohen Wirkungsgraden moderner Wechselrichter kaum ins Gewicht. Wichtiger ist der Hauptvorteil der AC-Kopplung: Das Speichersystem kann auch bei bestehenden Photovoltaikanlagen jederzeit nachgerüstet und erweitert werden.

Heutzutage wird mehr als jede zweite PV-Anlage mit einem Speicher ausgestattet. Allerdings ist die Wirtschaftlichkeit in vielen Fällen nicht gegeben, da Speicher recht teuer sind und im Laufe der Zeit die Speicherkapazität abnimmt.

 

9.    Fazit

Die Solarstromtechnik hat in den vergangenen knapp 50 Jahren viele Fortschritte gemacht. Durch kontinuierliche Innovationen wurden die Solarzellen, Solarmodule und weitere Komponenten immer leistungsfähiger.

Auf dieser Grundlage kann der notwendige beschleunigte Solarstromausbau angegangen werden.

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