Photovoltaik

Einführung & Grundlagen #

Potential der Einstrahlung

Die im Laufe eines Jahres zur Verfügung stehende solare Einstrahlung ist von folgenden Faktoren abhängig:

• Standort des Gebäudes
• Dachflächenorientierung (Ausrichtung und Neigung)
• Verschattungssituation

Standort des Gebäudes

Das Energieangebot der Sonne steht mit 75 % der Jahressumme überwiegend in den Monaten Mai bis September zur Verfügung. Lediglich ¼ fällt auf das Winterhalbjahr. Damit die Sonnenenergie im Haupterntezeitraum genutzt wird, ist es vorteilhaft, wenn insbesondere in den Sommermonaten ein gleichbleibend und hoher Energiebedarf vorliegt (z.B. für die Klimatisierung). Das Strahlungsklima in Deutschland zeichnet sich im Prinzip durch einen Nord-Süd-Anstieg aus.

Die Jahressummen auf eine horizontale Fläche schwanken von knapp 940 kWh/m² Empfangsfläche in Norddeutschland bis 1.200 kWh/m² in Süddeutschland. Für eine Fläche von einem Quadratmeter betrachtet entspricht dies einem Energieangebot von 94-120 Litern Heizöl oder 94-120 m³ Erdgas.

In photovoltaischen oder Solarstromanlagen wird mit Hilfe von in Solarmodulen integrierten Solarzellen die Sonneneinstrahlung in Strom umgewandelt. Dieser Solarstrom ist zunächst Gleichstrom und muss zur Anwendung mittels Wechselrichter transformiert werden. Man unterscheidet grundsätzlich Insel- von netzgekoppelten Photovoltaik- oder PV-Anlagen. Die Inselanlagen („solar home systems“) kommen in netzfernen Gegenden zur Anwendung, in Deutschland werden fast ausschließlich netzgekoppelte Anlagen installiert. Aufgrund der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen ist trotz Netzkopplung der direkte Eigenverbrauch des Solarstroms vorrangiges Ziel. Insbesondere in Betrieben und industriellen Prozessen, bei denen ein kontinuierlicher Strombedarf vorliegt, bieten Solarstromanlagen eine gute Möglichkeit, den Stromverbrauch zu reduzieren und für langfristig kalkulierbare Energiekosten zu sorgen.

Voraussetzungen für eine sinnvolle Solarstromnutzung #

Neben einer günstig ausgerichteten und nutzbaren Dachfläche (Statik!) ist es für den wirtschaftlichen Betrieb einer Photovoltaik-Anlage von zentraler Bedeutung, wenn insbesondere in den Sommermonaten ein über den Tag gleichmäßig verteilter kontinuierlicher Stromverbrauch vorlegt. Da das Stromverbrauchsprofil und die Lastspitzen Einfluss auf die sinnvolle Anlagengröße haben, ist eine möglichst genaue Kenntnis der zeitlichen Verteilung und Stromlasten über den Tag, die Woche und im Jahresverlauf sinnvoll und notwendig. Will man nicht auf Standardwerte zurückgreifen, sind derartige Verbrauchsprofile Voraussetzung für eine angepasste Anlagenauslegung. Zur Messung des Stromverbrauchs können entsprechende Datenlogger und die dazugehörige Messtechnik temporär eingesetzt werden, um typische Lastgänge zu erfassen.

Solarzelltechnologien #

In einem Solarmodul werden eine bestimmte Anzahl von Solarzellen in Zellsträngen Reihe geschaltet und zum Schutz gegen mechanische Beanspruchung, Witterungseinflüsse und Feuchtigkeit in ein transparentes Verbundmaterial eingebettet und dann zur statischen Stabilität auf ein Trägermaterial (z.B. Acrylglas) aufgebracht.

Die Solarzelltechnologien lassen sich in drei Gruppen unterteilen:

• kristalline Siliziumzellen (mono- oder polykristallin)
• Dünnschichtzellen (amorph, CSG, CIS, CdTe)
• nanostrukturierte Zellen (CIS, Kunststoff-, Farbstoffzellen)

Bisher dominieren die kristallinen Siliziumsolarzellen mit einem Marktanteil von über 90  %. In folgender Tabelle sind die Wirkungsgrade der mit unterschiedlicher Zelltechnik ausgerüsteten Module, sowie der entsprechende Flächenbedarf für 1 Kilowattpeak dargestellt. Hieraus kann man sehr leicht abschätzen, welche maximale Leistung auf einer verfügbaren Dachfläche untergebracht werden kann.

Faustformel: 1kW_p = ca. 8 m² PV-Fläche

Solarzellenmaterial	Modulwirkungsgrad	Benötigte Fläche für 1 kWp
Monokristallines Silizium	11 – 17 %	6 – 9 m²
Polykristallines Silizium	10 – 16 %	6 – 10 m²
Dünnschicht:
Kupfer-Indium-Diselenid (CIS)	7 – 14 &	7 – 12,5 m²
Cadmiumtellurid (CdTe)	7- 13 %	9 – 17 m²
Mikromorphes Silizium	7 – 12 %	8,5 – 15 m²
Amorphes	4 – 7 %	15 – 26 m²

^{Tabelle: Übersicht Modul- und Zelltypen}

Im Gegensatz zu Schrägdächern ist bei Flachdächern zu beachten, dass dort die verfügbare Dachfläche nicht mit der Modulfläche gleichgesetzt werden kann. Bei einer Aufständerung kommt es zu Verschattungen weiter hinten stehender Modulreihen durch die Davorstehenden. Um diese Verluste zu begrenzen, müssen die Reihen einen gewissen Abstand voneinander haben. Zur besseren Ausnutzung der Fläche wählt man oft einen Neigungswinkel zwischen 15° und 30° für die Module. Die Flächennutzung liegt dann zwischen 45 % und 30 %.

Von den Herstellern werden für die unterschiedlichsten Dacheindeckungen (z.B. Ziegel, Dachsteine, Schindeln, Metall), Montageorte (Schrägdach, Flachdach, Fassaden, Freiflächen) und –arten (auf das Dach oder Dachintegration, vor die Fassade oder Kalt-/Warmfassade) entsprechende Montagesysteme angeboten.

Die einzelnen Stränge (in Reihe geschaltete Module) einer PV-Anlage werden im Generatoranschlusskasten zusammengeführt. Hier werden die Strangleitungen, die Gleichstromhauptleitung und ggf. die Potenzialausgleichsleitung angeschlossen. Der Generatoranschlusskaten beinhalt Anschlussklemmen und Trennstellen sowie ggf. Strangsicherungen, Strangdioden und Überspannungsleiter.

Der Solarwechselrichter ist das Bindeglied zwischen PV-Generator und Wechselstromnetz bzw. Wechselstromverbraucher. Seine grundlegende Aufgabe ist es, den vom PV-Generator erzeugten solaren Gleichstrom in Wechselstrom umzuformen. Daneben hat er die wichtige Aufgabe, seinen Arbeitspunkt an den aktuellen – von der Einstrahlung abhängigen – maximalen Arbeitspunkt des Solargenerators anzupassen (MPP-Tracking_[1] ).

Für die elektrische Installation einer PV-Anlage sind nur solche Leitungen und Kabel einzusetzen, die den Anforderungen für diesen Anwendungsfall entsprechen. Insbesondere ist auf die UV- und Biss-Beständigkeit im Außenbereich und gute Kontaktierung bei der Anschlusstechnik zu achten.

Im Fehlerfall oder um Wartungs- sowie Reparaturarbeiten durchzuführen, muss der Wechselrichter vom PV-Generator getrennt werden können. Dazu wird ein Gleichstromlastschalter benutzt. Zu den wechselstromseitigen Schutzeinrichtungen zählt der Leistungsschutzschalter (Sicherungsautomat), der Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) und der Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz). Neben dem Bezugszähler ist ein Einspeisezähler und ein Erzeugungszähler einzusetzen. Die eigenverbrauchte Solarstrommenge ergibt sich dann aus der Differenz zwischen Erzeugungs- und Einspeisezähler.

Brandgefahr und Blitzschutz #

Grundsätzlich ist bei der Errichtung von PV-Anlagen das Brandschutzkonzept des jeweiligen Gebäudes zu berücksichtigen, so dürfen z.B. Brandwände nicht überbaut werden, ebenso ist ein ausreichender Abstand von ihnen einzuhalten. Je nach Gebäudeklasse bzw. nach Art und Nutzung von Sonderbauten ergeben sich unterschiedliche baurechtliche Anforderungen an die Ausführung der PV-Anlage. Diese sind in den Landesbauordnungen festgelegt bzw. lassen sich daraus ableiten. Hilfreich für Einsatzkräfte der Feuerwehr ist das Anbringen eines Hinweisschildes auf eine PV-Anlage am Hausanschlusskasten und ein Übersichtsplan mit einem Überblick zu den spannungsführenden Komponenten im Objekt.

Wird eine PV-Anlage auf einem Gebäude errichtet, erhöht sich nicht die Wahrscheinlichkeit eines direkten Blitzeinschlags. Besitzt das Gebäude noch kein Blitzschutzsystem, kann auf die Errichtung einer Blitzfangeinrichtung verzichtet werden, ansonsten ist die PV-Anlage in den Blitzschutz mit einzubeziehen.

^{[1] = MPP = Maximum Power Point, Betriebspunkt mit größtmöglicher Leistung des Generators}

Stromspeicher #

Stromspeicher bieten die Möglichkeit, die Diskrepanz zwischen Stromangebot und Nachfrage auszugleichen. Stromspeicher erhöhen auf der einen Seite die Einsparung durch vermiedenen Netzbezug, andererseits steigern sie den Autarkiegrad. Im Rahmen von Speichersystemen in Verbindung mit PV-Anlagen spielen derzeit insbesondere die Blei- und Lithium-Ionen-Technologie eine wesentliche Rolle. Die wesentlichen Unterschiede dieser beiden Technologien zeigt die folgende Tabelle:

Zusammengefasst bieten Lithium-Ionen-Speicher gegenüber Blei-Akkumulatoren folgende Eigenschaften auf.

Insbesondere die Dynamik der Kosten- und Preisentwicklung hat in letzter Zeit dazu beigetragen, dass die Kosten für Speicher stark gesunken sind. Inwieweit der Einsatz eines Stromspeichers in einem Unternehmen Sinn macht, hängt ab von:

• der Größe der PV-Anlage
• der Höhe des Elektroverbrauchs
• dem Lastprofil der eingesetzten Elektrogeräte

Ein Solarstromspeicher macht relativ wenig Sinn, wenn:

• der PV-Generator derart ausgelegt ist, dass der überwiegende Teil des produzierten Solarstroms durch den Eigenverbrauch abgenommen werden kann und/oder
• der Stromverbrauch im Tagesverlauf relativ kontinuierlich erfolgt und/oder
• nach Sonnenuntergang im Vergleich zum Tag kaum Stromverbrauch vorliegt.

Planung und Dimensionierung #

Aufgrund der gestiegenen Strombezugskosten sowie der gesunkenen Einspeisevergütung werden heutzutage Solarstromanlagen optimiert auf den Eigenverbrauch ausgelegt. Somit besteht der erste Schritt bei der Planung in der Erfassung des Stromverbrauchs wie auch des Verbrauchsprofiles. Falls hierzu keine Messwerte vorliegen, kann auf Basis der Erfahrungen versucht werden, den täglichen, wöchentlichen und monatlichen Stromverbrauch qualitativ abzuschätzen. Hierfür bietet sich die Checkliste im Abschnitt Hilfsmittel/Tools an, siehe hier

Die Größe des Solargenerators ist in einem ersten Schritt so auszulegen, dass die jährlich erzeugte Solarstrommenge in etwa der jährlichen Verbrauchsmenge entspricht. Für die Solarstromproduktion ist folgender Zusammenhang als Mittelwert hilfreich:

Jährlicher Solarstromertrag pro kW_p ca. 850 kWh.

Werden in einem Gebäude zum Beispiel im Mittel 5.000 kWh jährlich verbraucht, sollte der PV-Generator nicht größer als 5.000 kWh / (850 kWh/kW_p) = 6 kW_p werden. Dies erfordert eine Installationsfläche auf einem Schrägdach von 6 kW_p x 8 m²/kW_p = 48 m². Im Falle einer Flachdachsituation müsste die verfügbare Dachfläche aufgrund der gegenseitig beschattenden Modulreihen etwa zwei- bis dreimal so groß sein (siehe Box in Abschnitt „Komponenten“).

Der Zusammenhang zwischen Stromverbrauch, Eigenverbrauch von Solarstrom und Autarkiegrad kann den folgenden beiden Abbildungen entnommen werden. Hierbei ist jeweils auf die Generatorleistung bzw. nutzbare Speicherkapazität auf den Stromverbrauch bezogen.

Bei einem Stromverbrauch von 5.000 kWh/Jahr und einem PV-Generator mit 6 kW_p Leistung befindet man sich auf der x-Achse an dem Punkt 1,2 (= 6 kW_p / 5 MWh). Ohne Batteriespeicher (Punkt auf der y-Achse = 0) liegt der Eigenverbrauchsanteil bei knapp 30 %. Mit Hilfe einer Batterie, die z.B. 5 kWh nutzbare Speicherkapazität besitzt, liegt der dazugehörige Punkt auf der y-Achse bei 1,0 (= 5 kWh / 5 MWh). Es ist eine Steigerung des Eigenverbrauchsanteils auf über 50 % möglich. Damit lässt sich auch der Grad der Unabhängigkeit erhöhen, im konkreten Fall von ca. 30 % ohne Batterie auf fast 60 % mit Batterie.

Nützliche Online-Anwendungen zum Thema #