Der aktuelle Stand der Photovoltaik-Technik

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Mehr Zugewinn durch Weiterentwicklung von PV-Komponenten wie Solarmodule und Wechselrichter – bessere Bedingungen für Speicherung und Nutzung von Solarenergie

Wenn Sie sich näher mit den technischen Details Ihrer PV-Anlage beschäftigen möchten, auch mit den zukunftsweisenden Trends, haben Sie hier Gelegenheit dazu. Schauen wir uns die Komponenten der PV-Anlage näher an.

Unterschiedlich gefertigte Solarmodule © keepsmiling4u, stock.adobe.com
Unterschiedlich gefertigte Solarmodule © keepsmiling4u, stock.adobe.com

Material der Solarmodule ist variantenreich

Solarmodule bestehen aus Halbleitern, das heißt, ihre Leitfähigkeit ist temperaturabhängig. Zwei Arten der Herstellung werden unterschieden: Die einen Solarmodule oder Solarzellen bestehen aus Siliziumscheibenmonokristallin, die anderen aus einem beschichteten Trägermaterial – polykristallin.

  • monokristallin: Die Oberfläche der Solarmodule ist meist eingeteilt in Quadrate, die Farbe dunkelblau bis schwarz. Ihr Wirkungsgrad – bezogen auf die Flächenleistung – liegt zwischen 18 und 20 Prozent; ein sehr guter Wert. Besonders geeignet sind monokristalline Solarmodule für Hausdächer. Sie sind robust und halten gut 20 Jahre. Allerdings sind sie teuer: Das Herstellungsverfahren ist aufwendig – der Einsatz an Energie hoch.
  • polykristallin: Die Fläche der Solarmodule ist einförmiger als die der monokristallinen, sie schimmern bläulich. Die Ausbeute ist geringer, circa 15 Prozent, daher ist mehr Fläche erforderlich. Dünnschichtmodule sind eine Sonderform. Das Trägermaterial ist meist eine Glasscheibe. Sie sind, wie der Name sagt, besonders dünn und flexibel. Zusammengesetzt sind sie aus nichtkristallinem Silizium, in Kombination mit anderen Stoffen – Kadmium-Tellurit oder Kupfer-Indium-Selenid.

Da die Herstellung von polykristallinen Solarzellen günstiger ist, sind es auch die Solarmodule, die am meisten genutzt werden.

Besserer Wirkungsgrad durch Tandemsolarzelle
Das Fraunhofer ISE (Institut für Solare Energiesysteme) forscht an sogenannten Tandemsolarzellen, um die Ausbeute an Sonnenenergie zu verbessern. Hierbei werden verschiedene Materialien bei der Herstellung von Solarmodulen geschichtet. Bisheriger Rekord: Eine monolithische Tandemsolarzelle wandelt 35,9 Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie um.

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Wechselrichter sorgt für Ausgleich zwischen Strom und Spannung

Der Gleichstrom, der von den Solarmodulen erzeugt wird, muss in Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter – für den Eigenverbrauch und die Einspeisung ins öffentliche Netz. Die Geräte haben einen Wirkungsgrad bis 98 Prozent. Da die Sonnenausbeute schwankt, muss der gesamte Leistungsbereich beachtet werden. Das bildet der „Europäische Wirkungsgrad“ ab, erfasst – ebenso der durchschnittliche Wert – in den Datenblättern.

Die Spannung, die die Module erzeugen, ist abhängig von der Temperatur, die Stromstärke wiederum von der Sonneneinstrahlung. Das Produkt aus beiden macht die Leistung der PV-Anlage aus. Dabei schwankt das Verhältnis zwischen Spannung und Stromstärke ständig. Das bedeutet: Der Wechselrichter muss fortwährend den optimalen Arbeitspunkt ermitteln, den Maximum Power Point (MPP). Und die Aufgabe hat der sogenannte MPP-Tracker.

Sonnenenergie für Haushalt und Netz © BRN-Pixel, stock.adobe.com
Sonnenenergie für Haushalt und Netz © BRN-Pixel, stock.adobe.com

Leistungsoptimierer wiederum passen die bestmöglichen Arbeitspunkte der Solarmodule an und kontrollieren deren Leistung, insbesondere bei kleineren Anlagen. Auch die jeweiligen Solarmodule liefern in der Regel unterschiedliche Leistung – abhängig von Dachneigung oder Ausrichtung. Was jedoch über die Stränge oder Strings am Wechselrichter ankommt, muss gleichen Bedingungen unterliegen. Daher wird für unterschiedliche Solarmodule jeweils ein eigener Strang geplant.

Die richtige Dimension für den Wechselrichter ermitteln

Da die Solarmodule nicht ständig maximale Leistung bringen, hat man früher dazu geraten, die Wechselrichter zu unterdimensionieren, etwa bei Anlagen mit ungünstigen Dachverhältnissen. Das heißt, es wurde beispielsweise bei einer Anlagenleistung von 10 kWp zu einem Wechselrichter mit 7 kWp Auslegung geraten.

Doch die Ausbeute der Solarmodule und die Qualität der Wechselrichter haben sich verbessert. Außerdem benötigt der Wechselrichter Reserven, wenn die Sonneneinstrahlung hoch ist und das Netz stark ausgelastet. Auf der anderen Seite sollte der Wechselrichter auch nicht größer sein als es die PV-Anlage hergibt. Sonst läuft er zu viel auf Teillastbetrieb, das heißt, die Bauteile sind nicht ausgelastet und arbeiten ineffektiv.

Aufgaben des Wechselrichters
Dreh- in Wechselstrom umwandelnverlustarm, Wirkungsgrad bei 98 Prozent, Europäischer Wirkungsgrad in den Datenblättern
Leistung optimierenoptimalen Arbeitspunkt bestimmen für unterschiedliche Leistung der Solarmodule
Überwachen und sichernErtrag messen, Störungen anzeigen, Überwachung öffentliches Netz, sichere Abschaltung
Kommunikation/MonitoringDaten vor Ort am Wechselrichter ablesbar; ortsunabhängig über Bluetooth/GPRS an PC/Internet/Smartphone abrufbar

Batteriespeicher versorgen mit Strom, wenn die Sonne nicht scheint

Das Prinzip eines Speichers ist einfach: Er nutzt den Strom, den die PV-Anlage zu den starken Phasen erzeugt, zu anderen Zeiten. So wird der Strom nicht ins öffentliche Netz eingespeist, sondern steht Ihnen zur Verfügung: Sie steigern Ihren Eigenverbrauch, was ja mittlerweile angebracht ist. Am häufigsten verwendet werden Lithium-Ionen-Batterien. Sie haben einen hohen Wirkungsgrad, hohe Energiedichte und halten lange.

Eigenverbrauch ist die effektive Lösung © Thomas Jansa, stock.adobe.com
Eigenverbrauch ist die effektive Lösung © Thomas Jansa, stock.adobe.com

Lithium-Ionen-Batterien gibt es in vielen Materialkombinationen. Die einen haben eine hohe Energiedichte, aber eher kurze Lebensdauer (Lithium-Cobalt-Oxid, LCO), andere eine geringere Energiedichte, sind dafür robuster und umweltfreundlicher (Lithium-Mangan-Oxid-Spinell, LMS, LMO); eine Kombi oder ein Kompromiss sind Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan (NMC, NCM) mit hoher Energiedichte, Leistungsfähigkeit und moderaten Kosten.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Bleiakkus müssen Lithium-Ionen-Batterien elektronisch überwacht werden und sind recht empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Ihre Bestandteile: Lithiumbatterien, Batteriemanagementsystem, Monitoringsystem, Wechselrichter.

Tipp: Oft sind die installierten Speicher zu groß. Das lässt die Batterie schnell altern. Die Verbraucherzentrale Nordrhein-Westfalen empfiehlt daher als Richtwert etwa 1 Kilowattstunde Batteriekapazität pro 1.000 kWh Jahresstromverbrauch.

Was die Wirtschaftlichkeit betrifft, geht die Bilanz für den Einsatz von Batteriespeichern noch nicht so ganz auf. Denn die Anschaffung ist teuer und ein Batteriespeicher hält nicht so lange wie die PV-Anlage. Allerdings gibt es in einigen Bundesländern Förderungen für Batteriespeicher.

Cloudlösung: Im Sommer „tanken“, im Winter verbrauchen

Die Cloudlösung kennen wir vom Datenmanagement: Dateien, Fotos, Videos schieben wir auf den Server eines Cloudanbieters, um Platz auf dem PC zu schaffen. Übertragen auf Photovoltaik: Der Überschuss im Sommer fließt in die Cloud, im Winter bedient man sich. Abgerechnet wird der Betrag zwischen Verbrauch und Überschuss.

Angeboten werden Cloudlösungen von großen Energieunternehmen. Dabei fällt eine monatliche Grundgebühr an. Oft handelt es sich um ein Komplettangebot aus PV-Anlage und Cloud. Das allerdings bindet an das Unternehmen und an die installierte PV-Anlage, die Sie dann nicht mehr nachrüsten können. Wägen Sie eine solche Lösung sehr sorgfältig ab.

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Mit Photovoltaik auch Wärme erzeugen

Noch vor kurzem war es wirtschaftlich nicht sinnvoll, Strom in Wärme umzuwandeln. Doch die Kosten für Photovoltaik sind gesunken. Daher kann es durchaus von Interesse sein, einen Warmwasserboiler oder Durchlauferhitzer mit selbst erzeugtem Strom zu betreiben.

Mittlerweile lohnt PV auch als Warmwasserbereiter © Fotosasch, stock.adobe.com
Mittlerweile lohnt PV auch als Warmwasserbereiter © Fotosasch, stock.adobe.com

Was das Heizen betrifft, war es bisher eine effiziente Lösung verschiedene Heizmedien zu kombinieren: konventionelle Öl- oder Gasheizung bzw. Pelletheizung mit einer solarthermischen Anlage. Bei Solarthermie handelt es sich übrigens um ein Verfahren – anders als Photovoltaik –, das Wärme aus Sonnenenergie nutzt. Es arbeitet mit einem Pufferspeicher als Wärmeträger.

Nun ist daneben, durch die gesunkenen Kosten, auch der Einsatz einer PV-Anlage zum Bereitstellen von warmem Wasser interessant geworden – allerdings immer in Kombination mit anderen Heizformen. Denn Sie benötigen gerade in der sonnenarmen Zeit besonders viel Wärme und die Speichermedien sind dazu nicht ausgelegt.

Kompakte Stecker-Solargeräte sind eine charmante Lösung

Im Trend liegen sogenannte Stecker-Solargeräte. Das sind kleinste PV-Anlagen etwa für den Balkon. Sie sind günstig, 300-Watt-Module gibt es schon ab 300 Euro, inklusive Wechselrichter; hinzu kommt an Kosten allerdings noch eine fachgerechte Installation. Platzieren kann man die Geräte auf dem Südseitenbalkon, dem Garagendach oder Rasen. Mittlerweile gibt es etwa 100.000 solcher Stecker-Solargeräte in Deutschland.

Zu beachten ist, dass die Anlagen moderne digitale Zähler benötigen, die in beide Richtungen messen können. Nur so ist erkennbar, wie viel Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen und wie viel geliefert wird. Die kleinen Anlagen lohnen sich vor allem, um den Eigenverbrauch zu steigern – für den Stromverbrauch, der tagsüber gleichmäßig hoch ist.

Kleine Unterstützer bei gleichmäßigem Stromverbrauch © Robert Poorten, stock.adobe.com
Kleine Unterstützer bei gleichmäßigem Stromverbrauch © Robert Poorten, stock.adobe.com

Absichern sollte man sich mit dem Einverständnis des Vermieters oder der Eigentümergemeinschaft. Man kommt auch nicht drumherum, die kleinen PV-Anlagen beim lokalen Netzbetreiber anzumelden und im Marktstammdatenregister, früher Bundesnetzagentur, zu registrieren.

Alle Erneuerbaren haben die Sonne als Energiequelle © PhotographyByMK, stock.adobe.com
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