Photovoltaik & Batteriespeicher - Energieversorgung mit erneuerbarer Energie - eigene Stromerzeugung und -nutzung E-Book

Wolfgang Schröder

• Herausgeber: Stiftung Warentest
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2023

Seitenzahl: 385

Beschreibung

Die Umwelt und gleichzeitig den eigenen Geldbeutel schonen Licht liefert Energie - Warum also das natürliche Sonnenlicht nicht dafür nutzen, unseren eigenen Strom zu erzeugen? Erfahren Sie in diesem Ratgeber wie Sie mit einer Solaranlage Energiekosten sparen, unabhängiger von fossilen Energieträgern werden und gleichzeitig auch die Umwelt schonen. Lohnt sich eine PV-Anlage? Photovoltaikanlagen werden immer effizienter. Damit lässt sich bereits ein Drittel Ihres Strombedarfs decken. Ein zusätzlicher Batteriespeicher erhöht die Energieversorgung auf über die Hälfte des Bedarfs. Inwiefern sich das auszahlt, steht im Zusammenhang mit den Anschaffungskosten des Solarkraftwerks. Das Handbuch greift in diesem Kapitel auf, mit welchen Preisen Sie rechnen müssen, wie die Finanzierung abläuft und wie hoch der Eigenverbrauchsanteil und der Autarkiegrad sind. Finden Sie in diesem gut ausgearbeiteten Ratgeber alles rund um die  Hintergrundgeschichte, Funktionsweise, Rahmenbedingungen, den aktuellen Stand der Technik, die Montage und den Anschluss der PV-Anlage sowie den Betrieb von Photovoltaikanlagen heraus. Kosten und Ertrag kalkulieren: Klären Sie alle Rahmenbedingungen ab und erstellen Sie daraus eine realistische Ertragsprognose. Batterien in Haus und E-Auto: Speichern Sie den selbst erzeugten Solarstrom und erhöhen Sie dadurch den erwünschten Eigenverbrauch. Aktueller Stand der Technik: Kombinieren Sie Photovoltaik, Heizung, Warmwasserbereitung und smartes Energiemanagement, um Ihr Bedarfsprofil optimal abzudecken. Aus der Praxis: Erfahren Sie alles Wichtige über Betrieb, Ertragskontrollen und Wartungsarbeiten.

Leseprobe

PHOTOVOLTAIK & BATTERIESPEICHER

Wolfgang Schröder

INHALTSVERZEICHNIS

PHOTOVOLTAIK ZUR ENERGIEVERSORGUNG

Globale klimatische Veränderungen

Dringender Handlungsbedarf

Die Geschichte der Photovoltaik

Umdenken

Staatliche Unterstützung

So funktioniert Photovoltaik

Solare Strahlung

Vom Quarzsand zum fertigen Modul

Silizium als Rohstoff

Funktion einer Solarzelle

Modulfertigung

Solarstrom und Umweltbilanz

Emissionserzeugung (CO2)

Flächenverbrauch

Entsorgung von PV-Modulen

Batteriespeicher

DIE RAHMENBEDINGUNGEN

Welchen Strombedarf kann man decken?

Flächenbedarf der Anlage

Was geht? Nutzbare Flächen und Generatorausrichtung

Ertragserwartung – erzeugte Strommenge

Solare Strahlung

Anlagennennleistung

Spezifischer Ertrag

Performance Ratio

Energiefluss und Verluste einer PV-Anlage

Ertragsprognosen

Installation beim Hausneubau oder Nachrüstung

Nutzungsmöglichkeiten von PV-Strom

Baurecht und Netzzugang

Benötige ich eine Baugenehmigung?

Genehmigung durch den Energieversorger

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)

Notwendigkeit des Ausgleichs

EEG – Rechte und Pflichten für Anlagenbetreiber

Mieterstromzuschlag

Netzanschluss

EEG-Umlage

EEG-Clearingstelle

STAND DER TECHNIK

Solare Anwendungsformen

Solarzellen/-module

Dünnschichtmodule

Kristalline Module

Modulqualität

Garantien

Reihen- und Parallelschaltung

Verschattungen

Verschmutzung

Fehlerhafte Verschaltung

Intelligente Wechselrichter nach Bedarf

Wirkungsgrad

Modulwechselrichter

Montagesysteme und Verkabelung

Gebäudestatik

Statik Haltekonstruktion

Asbestdächer

Gleichstromverkabelung

Netzanschluss und Einspeisung

Überwachung und Smart Meter

Vergleichsanlagen

Anlagenüberwachung – Monitoring – Fehlererkennung

Smart Meter

Schutzmaßnahmen gegen Blitz und Überspannung

Erhöhtes Risiko?

Überspannungsschutz – Installation

Speichertechnik

Begrifflichkeiten

Stromspeicherarten

Systemtechnik

Nutzbare Speicherkapazität – Effizienz von Speichersystemen

Aufstellungsräume

Netzanschluss

Cloudlösungen

Elektromobilität

Rechtliche Rahmenbedingungen

Laden mit PV-Überschuss

Einbindung in stationären Stromspeicher

Anforderungen an das Messkonzept

Netzanschlussbedingungen

Förderungen

Heizen mit Strom

Warmwasserbereitung

Vergleich Photovoltaik und Heizen mit Solarthermie

Kostengünstige Alternative zum Stromspeicher

Eigennutzung nach EEG-Vergütungszeit

Wärmepumpen und Photovoltaik

So funktionieren Wärmepumpen

COP-Kennwert

Wärmepumpe auf PV abstimmen

Ermittlung der Stromkosten

Förderung der Wärmepumpe

Stecker-Solargeräte

Rechtliche Rahmenbedingungen

Unerwartete Revolution

Technische Ausführung

Platzierung der Module

Förderungen

LOHNT SICH DIE PHOTOVOLTAIK-ANLAGE?

Kosten – Finanzierung – Wirtschaftlichkeit

Marktlage – Systempreise

Finanzierung

Einspeisevergütung – Eigenstromverbrauch

Speicher

Anlagenaufsplittung – Betriebswechsel

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung – jetzt oder später?

Förderungen

Betreibermodelle – Wirtschaftlichkeit

Netz-Volleinspeisung

PV-Eigenversorgung mit Überschusseinspeisung

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Photovoltaik ohne EEG-Vergütung

PV-Miete (PV-Pacht)

MONTAGE UND ANSCHLUSS DER PV-ANLAGE

Angebote einholen und vergleichen

Keine Augenwischerei

Zahlungsbedingungen

Was ist wichtig bei der Beauftragung?

Fachkundige Abnahme

Inbetriebnahme

Voraussetzungen für die Inbetriebnahme

Fertigstellungsmeldung und Antrag auf Inbetriebnahme

Prüfungen vor der erstmaligen Inbetriebnahme

Inbetriebsetzung

Anlagendokumentation

Inhalt der Dokumentation

Dokumentation der Inspektion und Wartung

Meldung Marktstammdatenregister

BETRIEB VON PHOTOVOLTAIKANLAGEN

Ertragserwartung und Ertragsmessung

Einstrahlung

Schnee

Anlagenausfälle/Wartung

Ertragsmessungen

Regelmäßige Wartung und Prüfung

Allgemeine Bedeutung von Prüfungen

Prüfpflicht – Prüffristen

Brandschutz

Einsatz von Feuerwehren

Unfallvermeidung

Gewährleistungen und Garantien

Der feine Unterschied mit großer Wirkung

Gewährleistung

Kaufvertrag oder Werkvertrag?

Unternehmer und/oder Verbraucher?

Gewährleistungs- und Garantiekette

Gerichtliche Verfahren

Fehler und Mängel an Photovoltaikanlagen

Mängel: Ursache und Wirkung

Anlagenreinigung

Verschmutzungen

Schneeräumung

Versicherung

Montageversicherung

Photovoltaik-/ Allgefahrenversicherung

Betreiberhaftpflichtversicherung

Ertragsausfallversicherung

Besonderheiten bei Wohngebäudeversicherung

Klauseln

Schadenfall und -abwicklung

Verantwortung und Haftung des Installateurs

Regress

Versicherungsausschluss

Vertragswechsel, Kündigung, Anpassung

Steuern und Finanzamt

Besteuerung von Eigenverbrauch

Abschreibung

Abgabe Umsatzsteuervoranmeldung

Abgabe der Einkommenssteuererklärung

Einkommenssteuervorauszahlung

Aufzeichnungspflichten und Steuererklärung

Steuerabzug bei Bauleistungen – Bauabzugsteuer

Einkommenssteuer

Steueroptimierungen

Steuerliche Erleichterungen – Zeitenwende in der Steuerpolitik

SERVICE

Adressen

Stichwortverzeichnis

PHOTOVOLTAIK ZUR ENERGIEVERSORGUNG

GLOBALE KLIMATISCHE VERÄNDERUNGEN

Aus den Erfahrungen der Wetterextreme der letzten Jahre hat sich bei vielen das Bewusstsein entwickelt, dass es zu erheblichen unabsehbaren Auswirkungen kommen wird, sollte sich unser Verhalten nicht ändern. Bereits heute führen die deutlich spürbaren Veränderungen im Weltklima zu ausgedehnten Naturkatastrophen in Form von Dürreperioden, Starkregenfällen mit Überschwemmungen, vermehrten Sturmereignissen und Waldbränden – auch bei uns in Deutschland. Die Gletscher- und Eisschmelzen an den Erdpolen haben sich extrem beschleunigt. Dies hat Folgen für das Süßwasserangebot sowie den klimatischen Wetterverlauf, der vom Temperaturunterschied der Pole zu den Tropen abhängt.

Anlässlich des G-20-Gipfels im Juli 2017 in Hamburg haben Klimaexpertinnen und -experten wichtige Forschungsergebnisse zum Klimawandel zusammengefasst:

Wind- und Sonnenenergie als gewichtige Faktoren der erneuerbaren Energien

Die Luft an der Erdoberfläche hat sich deutlich erwärmt.

Die Erwärmung der Ozeane gestaltet sich ebenso deutlich.

Der Meeresspiegel steigt.

Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre wird zusehends größer.

Die Ozeane versauern.

Grönland verliert massive Eismengen.

Gletscher und Schnee befinden sich in einem Prozess des Schwindens.

Das Meereis rund um den Nordpol nimmt kontinuierlich ab.

Dringender Handlungsbedarf

Die aufgeführten Fakten sind wissenschaftlich bekannt, führen in der politischen Auseinandersetzung aber meist zu Kontroversen, insbesondere wenn es darum geht, die Notwendigkeiten des Klimaschutzes mit den wirtschaftlichen Interessen in Einklang zu bringen.

Andererseits sind die auf der Erde noch vorhandenen fossilen Energiestoffe endlich. Bereits seit längerer Zeit führen geopolitische Einflüsse zur Sicherung der letzten Rohstoffreserven auf dieser Erde zu Krisen, Kriegen und Abhängigkeiten, die auch in Europa zu spüren sind. Der Krieg in der Ukraine und die damit ausgerufene „Zeitenwende“ führen uns deutlich die Abhängigkeiten in der Energieversorgung vor Augen. „Billiges“ Gas und Öl haben uns in den vergangenen Jahren in eine gewisse Komfortzone gebracht – das hat dazu geführt, dass mögliche Folgen dieser Abhängigkeiten ausgeblendet wurden.

Mit der Abnahme der fossilen Energieträger steigt zudem umgekehrt proportional der weltweite Energiebedarf, vor allem in den bevölkerungsreichsten Teilen dieser Erde in Asien und Afrika.

Einen Großteil der zukünftigen Lösungen stellen unausweichlich erneuerbare Energien dar. Neben Wasserkraft, Biomasse und Windenergie ist die Photovoltaik in den letzten zwei Jahrzehnten zu einem wichtigen Bindeglied bei der Energieversorgung geworden.

Das mögliche Potenzial in Deutschland für die Installation von Photovoltaik beträgt bei den vorhandenen Dach- und Fassaden- sowie brachliegenden Bodenflächen mehr als 1 000 Gigawatt (GW). Damit ließen sich pro Jahr mehr als 1 000 Terawattstunden (TWh) elektrischer Energie produzieren – und damit weit mehr als der derzeitige deutsche Strombedarf.

Zu bedenken ist jedoch, dass die PV-Energie in Deutschland nicht konstant zur Verfügung steht. Jahreszeitliche und im Tagesverlauf stark schwankende Erzeugungen, welche von der Sonneneinstrahlung abhängen, müssen anderweitig ausgeglichen werden. Selbst der Einbezug einer erforderlichen Speicherkapazität wäre hierbei unrealistisch. Für eine vollständig regenerative Energieversorgung ist in Deutschland daher ein Mix verschiedener erneuerbarer Energien erforderlich, wobei die größten Potenziale bei der Windenergie liegen, gefolgt von der Photovoltaik.

Die Photovoltaik bietet aber gerade für Einzelnutzer die Möglichkeit einer dezentralisierten und in manchen Fällen auch weitgehend autarken Energieversorgung. Daher ist diese Energieerzeugungsform ein spannendes Umfeld mit weiterem Entwicklungspotenzial und einer Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, insbesondere in Eigenheimen.

DIE GESCHICHTE DER PHOTOVOLTAIK

Schwebt einem die Kraft der Sonne vor, dann denkt man insbesondere an deren Wärmestrahlung. Somit ist diese eng mit der solaren Energiegewinnung verbunden, welche in Form von Solarkollektoren beispielsweise zur Erzeugung von Warmwasser benutzt wird. Die Erzeugung von Strom aus warmen Lichtstrahlen indes liegt in der Vorstellung etwas fern. Bei der Stromerzeugung kommt es weniger auf die Wärme an, sondern allein auf das Licht.

Grundlage hierzu bilden bestimmte Materialien, welche in einer speziellen funktionellen Zusammensetzung in der Lage sind, einfallendes Licht direkt in Strom umzuwandeln. Diese Umwandlung nennt man den Photovoltaischen Effekt. Der Begriff leitet sich aus dem griechischen Wort für Licht (im Genitiv: photos) sowie aus der Einheit für die elektrische Spannung, dem Volt (nach Alessandro Volta) ab. Diesen Effekt der Lichtumwandlung in elektrische Energie hat der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel im Jahre 1839 entdeckt. Im Zuge der weiteren Erforschung – insbesondere durch Albert Einsteinmit seiner 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichneten und bereits 1905 erschienenen Lichtquantentheorie – war es 1954 gelungen, die ersten Siliziumsolarzellen zu produzieren, wenn auch noch mit einem geringen Wirkungsgrad von rund sechs Prozent. Möglich wurde dies unter anderem durch die Verfügbarkeit hochreinen Siliziums. Hieraus ergaben sich 1955 die ersten technischen Anwendungen für die Stromversorgung von Telefonverstärkern sowie für Belichtungsmesser in der Fotografie.

Satellit im All mit großen Solarflügeln

Seit Ende der 1950er-Jahre werden Photovoltaikzellen in der Satellitentechnik verwendet. Gerade die Raumfahrt erbrachte durch die durch sie gestiegene Nachfrage insbesondere in den 1960er und 1970er-Jahren erhebliche Fortschritte in der Entwicklung und Anwendung von Solarzellen.

Umdenken

Industrielle und weitreichendere Anwendungen der Photovoltaik wurden aufgrund der hohen Kosten zur damaligen Zeit als völlige Illusion betrachtet. Dennoch erkannte man den Vorteil seitens der Wissenschaft, weshalb entsprechende Entwicklungen nie eingestellt wurden. Das Ergebnis weiterer, zumindest noch stromnetzunabhängiger Anwendungen fand sich in den 1970er-Jahren mit kleinen Zellen bei Taschenrechnern und Uhren, welche damals aber fast noch Luxusartikel waren.

Ein Umdenken in der Energieerzeugung setzte spätestens durch die Nuklearunfälle von Harrisburg und Tschernobyl ein. Seit Ende der 1980er-Jahre wurde die Photovoltaik in den USA, Japan und Deutschland intensiv erforscht und in diese Technik insbesondere zur Effizienzverbesserung investiert. Die ersten industriellen Fertigungen von Solarzellen und -modulen begannen in Deutschland mit kleinen Serien für die Energieversorgung von Satelliten.

Die private Anwendung selbst blieb eher Enthusiasten vorbehalten. Später kamen in vielen Staaten finanzielle Förderungen hinzu, um den Markt anzukurbeln und die Technik mittels einer erhöhten Nachfrage zu verbilligen, so auch in Deutschland. In der konventionellen Anwendung für andere Nutzer oder Verbraucher ergaben sich in Deutschland aber vorerst nur geförderte Demonstrationsprojekte sowie Inselanlagen. Die Marktförderung begann 1990 mit dem „1 000-Dächer-Programm“, bei dem eine begrenzte Anzahl netzeinspeisender PV-Anlagen finanziell gefördert wurde.

Staatliche Unterstützung

Auf das Auslaufen dieses Programms folgte nach kurzer Unterbrechung 1999 das „100 000-Dächer-Programm“. Beide Programme zielten auf eine günstige Finanzierung über die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW, heute KfW Bankengruppe) ab. Zudem wurde den Nutzern von PV-Anlagen ein gesetzliches Vorrecht eingeräumt, den Strom ins öffentliche Netz einzuspeisen und hierfür eine Vergütung zu erhalten.

Eine entscheidende Wende für die Entwicklung der Photovoltaik in Deutschland brachte die Einführung einer Marktförderung in Form des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000. Darin wurde unter anderem nunmehr erstmalig eine weitgehend einheitliche gesetzlich garantierte Vergütung für alle PV-Anlagen festgelegt, egal ob auf einem Gebäude oder auf freiem Feld. Durch diese vom Gesetzgeber initiierte Vergütungsregelung war zum einen eine kalkulatorisch fundierte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für den Betrieb von PV-Anlagen möglich, welche eine weitgehend gesicherte Investition einer zumindest damals noch sehr kostspieligen Technik ergab. Der sich dynamisch entwickelnde Markt brachte folglich eine sich langsam entwickelnde Kosteneffizienz bei der Herstellung von PV-Modulen und ein allmählich sinkendes Preisgefüge mit sich. Hierin bestand letztendlich das Ziel des Erneuerbare-Energien-Gesetzes, welches dem mit einer jährlich stetigen Verringerung der Einspeisevergütung Vorschub leistete und der preislichen Entwicklung Rechnung trug.

Gleichzeitig rückte der Eigenverbrauch in den Fokus. Es wurden Anreize geschaffen, Strom direkt vor Ort selbst zu verbrauchen, um die Netzkapazitäten zu schonen. Mittlerweile hatten auch die europäischen Nachbarländer das EEG „kopiert“ und starteten ebenfalls eine große Nachfrage nach PV-Anlagen.

Atomausstieg und Solardeckel

Ab 2012 gab es dann trotz des 2011 anlässlich des Reaktorunfalls in Fukushima beschlossenen Ausstiegs aus der Atomstromerzeugung einschneidende Veränderungen in der Vergütung mit dem politischen Ziel, den Zubau erheblich zu bremsen. Mehrere unterjährig abgestufte Kürzungen der Einspeisevergütung sowie eine nunmehr monatliche Degression der Vergütung führten ab 2013 zu einem erheblichen Rückgang des Zubaus.

Weitere Einschränkungen mit der Novellierung im Jahr 2014 und der Novellierung des EEG aus dem Jahr 2017 folgten. Zudem wurde mit dem EEG 2017 eine Förderobergrenze von 52 Gigawatt (GW) beschlossen, die als „Solardeckel“ bekannt wurde. Hiermit wurde geregelt, dass für Solaranlagen kein Vergütungsanspruch nach dem EEG besteht, wenn deutschlandweit das Gesamtausbauziel von 52 Gigawatt installierter Leistung von Solaranlagen überschritten worden ist. Das Ausbauziel wäre somit etwa Mitte 2020 erreicht worden.

Heftige politische Diskussionen anno 2020 gingen mit den von der Politik selbst gesteckten Klimazielen aus dem Paris-Abkommen sowie einem gesetzlich geregelten Kohleausstieg einher und führten schließlich zur Abschaffung des Solardeckels.

Installierte PV-Leistung in Deutschland (2012–2021)

Novellierung des EEG

Gleichzeitig wurde Ende 2020 eine weitere Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) beschlossen, welche ab Januar 2021 in Kraft trat. Trotz der ambitionierten Ziele der Politik war die neue Gesetzesgestaltung nur halbherzig. Das gesteckte Ziel, bis 2030 eine Versorgung mit 65 Prozent aus erneuerbaren Energien sicherzustellen, galt als zu gering, zumal wenn man bedenkt, dass in Europa bereits rund 50 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energien produziert werden. Im Gesetz wurde mit einer Stromverbrauchsannahme von konstant 580 Terawattstunden (TWh) bis 2030 gerechnet, obgleich bekannt ist, dass der Energieverbrauch konstant steigt, insbesondere mit der zukünftigen Elektromobilität. Darüber hinaus vermochte es der Gesetzgeber nicht, das EEG zu vereinfachen. Die gesetzliche Komplexität und die hieraus entstehende Bürokratie bei bestimmten Betreibermodellen führten zu Unsicherheiten bei neuen Investoren und bremsten somit einen ambitionierten Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland.

„Zeitenwende“

Mit dem Regierungswechsel in die Ampelkoalition 2021 wurde im Regierungsprogramm nunmehr einvernehmlich festgelegt, den Erneuerbaren Energien einen breiten Vorrang einzuräumen. Gleichzeitig wurde im Schatten der eingetretenen Energiekrise das EEG geändert und als EEG 2023 im Juli 2022 beschlossen. Der Bau von regenerativen Anlagen wird darin zum „öffentlichen Interesse“ erklärt, gewinnt damit in der juristischen Abwägung verschiedener Interessen an Gewicht. Die kostentreibende EEG-Umlage wurde abgeschafft und unter anderem Verbesserungen in der Vergütung vorgenommen. Viele dieser positiven Änderungen griffen bereits 2022.

Große Photovoltaikanlagen auf Brachflächen

In Deutschland werden aktuell schätzungsweise etwa 2,5 Millionen PV-Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 65 Gigawatt-Peak betrieben. Dazu kommen rund 500 000 Speichersysteme mit einer Gesamtspeicherleistung von rund vier Gigawatt (nach Hochrechnungen des Bundesverbandes Solarwirtschaft (BSW) für Ende 2022). Allein 2021 konnten mit Photovoltaik knapp 35 Millionen Tonnen klimaschädliches CO2 vermieden werden. Der Stromanteil der PV lag hier bei rund 10 Prozent. Mit dem neuen EEG steht einem weiteren, massiven Ausbau der Photovoltaik nichts mehr im Wege.

Dabei spielt die Einspeisevergütung alleine bereits seit längerer Zeit nicht mehr die entscheidende Rolle, denn viele Großanlagen werden bereits ausschließlich mit direkter Stromvermarktung betrieben.

Anreize für Photovoltaik

Von der ursprünglichen Vergütung von etwas mehr als 50 Cent pro Kilowattstunde aus dem Jahr 2000 sind nach 20 Jahren EEG aktuell für Kleinanlagen nur noch etwa 8 bis 13 ct/kWh übrig geblieben. Auf der anderen Seite haben sich die Kosten einer PV-Anlage im gleichen Zeitraum um etwa 70 bis 80 Prozent verringert. Unter dem Aspekt der geringeren staatlichen Förderung ist die Photovoltaik nicht weniger interessant geworden – im Gegenteil:

Steigende Strompreise einerseits und

Möglichkeiten der Eigenverbrauchsoptimierung bei PV-Anlagen andererseits führen zu vielfältig einsetzbaren und wirtschaftlichen Betriebssystemen.

Die Entwicklung effizienter und auf den Haushalt sowie Industrieanwendungen abgestimmter Energiespeicher ermöglicht unter Einsparung von Strombezugskosten eine weitere nachhaltige sowie wirtschaftliche Nutzung beim Bau neuer PV-Anlagen.

PV-Anlagen sparen nicht nur Strombezugskosten ein, sondern können zur allgemeinen Energiekosteneinsparung beitragen.

Zur breiten Markteinführung sowie als Kaufanreiz für Stromspeicher wurde von der Bundesregierung ähnlich wie bei der Photovoltaik ein Förderprogramm geschaffen. Ein wesentliches Ziel der Förderprogramme war es, die Investition in dezentrale Batteriespeichersysteme anzureizen und somit zur Kostensenkung und weiteren technologischen Entwicklung der Systeme beizutragen. Die Förderung lieferte durch zinsgünstige Kredite und Tilgungszuschüsse einen finanziellen Anreiz für PV-Anlagenbetreiber, da die Wirtschaftlichkeit von PV-Speichern zumindest in der Anfangszeit ohne Unterstützung häufig noch nicht gegeben war.

Vielfältige Anwendung der Photovoltaik auf Wohnhaus und landwirtschaftlichen Gebäuden

Nach Auslaufen der zeitlich befristeten bundesweiten Förderungen stehen aktuell nur noch in wenigen Bundesländern entsprechende Programme zur Verfügung. Dennoch rechnet sich auch ein Stromspeicher ohne Förderung, wenn man diesen effektiv plant und einsetzt.

Auch ohne Speicher bietet die Photovoltaik bereits eine sinnvolle und wirtschaftliche Einbindung des Eigenstromverbrauchs. Dies wird auch zukünftig so sein, weshalb sich die Photovoltaik einen sicheren Marktplatz geschaffen hat. Die heutzutage häufig gestellte Frage vieler Interessierter: „Rentiert sich Photovoltaik eigentlich noch?“, kann daher, wie den weiteren Ausführungen dieses Buches noch zu entnehmen ist, vollumfänglich mit „Ja“ beantwortet werden: Photovoltaik lohnt sich!

Wenn das Ziel der Politik, den CO2-Ausstoß bis 2030 um mehr als 55 Prozent zu verringern, erreicht werden soll, wird es zwangsläufig erforderlich werden, den Anteil der erneuerbaren Energien deutlich zu erhöhen. Gleiches gilt auch zur Reduzierung des Kostenfaktors der Energieversorgung.

Photovoltaik bietet hierbei eine attraktive Möglichkeit, sich an der regenerativen und umweltschonenden Stromerzeugung und deren Nutzung zu beteiligen und von Energiekosteneinsparungseffekten zu profitieren.

SO FUNKTIONIERT PHOTOVOLTAIK

Licht liefert Energie. Dies ist bereits seit Millionen von Jahren so.

Pflanzen nutzen dies in Form der Photosynthese und der daraus entstehenden Energie zum Wachsen. In ihrer natürlichen Umgebung sorgen der Lauf der Sonne und die jahreszeitlich bedingte Einstrahlungsdauer und -intensität des Sonnenlichts dafür, dass Pflanzen stets mit ausreichend Licht versorgt werden. Unsere natürliche Lichtquelle auf der Erde ist die Sonne. Diese erzeugt nicht nur Licht, sondern auch Wärme, denn ansonsten wären wir in unserer aktuellen Umwelt nicht lebensfähig. Die Sonne liefert hierbei einen riesigen, unerschöpflich funktionierenden Fusionsreaktor. Das jährlich auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenlicht erzeugt eine Energiemenge, die etwa dem 7 000- bis 8 000-fachen des weltweiten Primärenergiebedarfs entspricht.

Die Grafik „Jährlich verfügbare Solarstrahlungsenergie“ (siehe Seite 12) veranschaulicht das Verhältnis der jährlichen Sonneneinstrahlung (gelber Würfel) zum kleinen weißen Würfelchen des Weltenergieverbrauchs und gegenüber den kleineren Würfeln – rot, grau, grün und schwarz – der Reserven an fossilen Energiestoffen. Bedacht werden muss, dass der große Würfel das weitgehend konstante jährliche solare Energieangebot darstellt, wogegen sich die kleineren Würfel der fossilen Energieträger von Jahr zu Jahr verkleinern – zwar langsam, aber stetig. Dagegen steigt der jährliche Energieverbrauch (weißer Würfel) ebenfalls zusehends an.

Jährlich verfügbare Solarstrahlungsenergie im Vergleich zu den Energiereserven fossiler Stoffe sowie dem jährlichen Weltenergieverbrauch

Solare Strahlung

Aufgrund der natürlichen Sonnenlaufbahn schwankt die Bestrahlungsstärke auf der Erde – einmal durch den natürlichen Tagesverlauf der Sonne sowie durch deren Jahresverlauf. Zudem ist dies regional wetterabhängig, also davon, wie oft es bewölkt ist oder ein klarer Himmel vorherrscht.

Bei einer senkrecht zur Sonneneinstrahlung ausgerichteten Fläche beträgt die Einstrahlung in Deutschland außerhalb der Atmosphäre zwischen 1 325 W/m2 und 1 420 W/m2. Die Luftschicht der Erde reduziert die Sonneneinstrahlung durch Reflexion, Absorption und Streuung, sodass bei wolkenlosem Himmel am Boden die Bestrahlungsstärke rund 1 000 W/m2 erreicht. Hierbei handelt es sich um die direkte Sonneneinstrahlung.

Bei der solaren Einstrahlung auf den Erdboden kommt neben der direkten Einstrahlung noch die diffuse oder reflektierte Strahlung hinzu. Diese ergibt sich zum Beispiel bei einem durchgehend bewölkten Himmel. Durch die Lichtreflexion an den Wolken können tagsüber bei wechselnder Bewölkung Spitzenwerte der Einstrahlung bis zu 1 400 W/m2 erreicht werden. Die Summe dieser Strahlungsarten nennt man Globalstrahlung (in Watt pro Quadratmeter). Summiert man die Leistung der Einstrahlung auf ein Jahr, so erhält man die jährliche Globalstrahlung (in Kilowattstunden pro Quadratmeter).

In Deutschland liegen die mittleren Jahressummen der Globalstrahlung im langfristigen Mittel zwischen 940 kWh/m2 bis rund 1 290 kWh/m2. Dabei ergibt sich ein deutliches Süd-Nord-Gefälle.

Die jährliche Sonnenscheindauer liegt bei 1 300 bis 1 900 Stunden. Die regional unterschiedlichen Jahreseinstrahlungen lassen sich aus der Einstrahlungskarte des Deutschen Wetterdienstes recht deutlich erkennen (siehe Abbildung Seite 13). Unter der Adresse dwd.de (Stichwort: Strahlungskarten) können die jeweils monatsaktuellen Karten eingesehen werden.

Verschiedene Strahlungsanteile aus direkter und indirekter Strahlung auf ebener sowie geneigter Fläche

Die Grafik zeigt das langfristige Mittel. In den einzelnen Jahren kann die Einstrahlung vom Durchschnittswert abweichen. Die Streubreite liegt bei einer langfristigen Betrachtung bei etwa +/- 15 Prozent. So lag zum Beispiel das Jahr 2004 mit etwa 14 Prozent deutlich über dem Mittelwert. 2013 hingegen waren die Einstrahlungswerte regional sogar bis zu etwa 18 Prozent niedriger. In den letzten Jahren seit 2018 ist das Wetter durch extrem heiße Sommermonate geprägt – mit entsprechend gestiegener solarer Einstrahlung.

Die auftreffende Strahlungsenergie der Sonne setzt sich aus direkter und diffuser Einstrahlung zusammen (Daten für Würzburg von Meteonorm).

Die bisherigen Strahlungsbetrachtungen beziehen sich auf eine ebene Fläche auf dem Boden. Durch eine Direktbestrahlung auf eine geneigte, zur Sonne ausgerichtete Fläche – zum Beispiel ein Dach mit Südneigung – ergeben sich höhere Einstrahlungswerte. Dabei addieren sich neben der direkten und diffusen Bestrahlung noch mögliche reflektierende Strahlungen vom Erdboden. Das Optimum einer starren Dachneigung liegt vom Süden Deutschlands nach Norden hin zwischen 30 Grad und 40 Grad. In Norddeutschland wirken sich wegen des dort „niedrigeren“ Sonnenstandes steilere Dächer günstiger aus als im süddeutschen Raum.

Abweichende Dachneigungen sowie Ausrichtungen verringern auf natürliche Weise die solare Einstrahlung – bisweilen sehr deutlich, was sich prozentual über Grafiken für verschiedene Standorte visualisieren lässt (siehe auch nachfolgendes Kapitel „Flächenbedarf für Photovoltaikanlagen“).

Durch technische Einrichtungen lässt sich die Einstrahlung auf eine bestimmte Fläche sogar noch weiter erhöhen. Bei Freiland-Photovoltaikanlagen gibt es mancherorts sogenannte „Nachführanlagen“. Hier werden die Modulflächen auf Montagesystemen betrieben, die dem Sonnenverlauf automatisch folgen, sowohl vertikal als auch horizontal. Damit erfolgt eine optimale Ausnutzung der täglichen Sonneneinstrahlung über den gesamten Tagesverlauf, deren Einstrahlungswerte gegenüber einer „starren“ Südausrichtung bei bis zu 40 Prozent höher liegen können.

Jährliche Sonneneinstrahlung in Deutschland im langfristigen Mittel

VOM QUARZSAND ZUM FERTIGEN MODUL

Bei Photovoltaikmodulen unterscheidet man im Wesentlichen zwei Herstellungstechniken, und zwar solche mit

1Siliziumscheiben und solche mit einem

2beschichteten Trägermaterial, sogenannte Dünnschichtmodule.

Es gibt weitere Zelltechnologien in der Photovoltaik, die nur selten zur Anwendung kommen. Hierzu gehören Folienlaminate bis hin zu organischen Zelltechnologien zur integrierten Gebäudeanwendung.

Module mit Siliziumscheiben erkennt man an den einzelnen, scheibenförmigen, meist quadratischen Zellen. Dünnschichtmodule bestehen aus einer zumeist homogenen Fläche. Hier werden unterschiedliche Halbleitermaterialien wie amorphes Silizium, Kadmium-Tellurit oder Kupfer-Indium-Selenid auf ein Trägermaterial (zumeist Glasscheibe) in unterschiedlichen Schichten aufgedampft und mit Lasertechnik kontaktiert.

Es gibt auch Kombinationen von Siliziumscheiben und Dünnschichttechniken, die man „bifaciale“ Module nennt. Dabei besteht auch die rückseitige Modulfläche aus einem aktiven Halbleitermaterial. Solche Module eignen sich nur in Situationen, wenn an der Rückseite Licht einfällt, zum Beispiel bei frei aufgestellten Modulen.

Flexible Photovoltaikmatte zur Gebäudeintegration in Membrankonstruktion

In früheren Zeiten sind Dünnschichtmodule gerade bei Großanlagen vermehrt zur Anwendung gekommen. Auf dem Markt durchgesetzt hat sich mittlerweile die Zelltechnologie aus Siliziumscheiben, der frühere Preisvorteil von Dünnschichttechniken ging weitgehend verloren. Zudem hat sich der Zellwirkungsgrad kristalliner Module deutlicher weiterentwickelt als bei der Dünnschichttechnik.

Silizium als Rohstoff

In der Natur ist Silizium das zweithäufigste Element überhaupt, allerdings kommt es nicht elementar rein vor, sondern in natürlichen Verbindungen, zum Beispiel als Silikat in Form von Sand oder Quarz.

Diese natürlich vorkommenden Stoffe sind für die Photovoltaik aber so nicht verwendbar. Sie müssen in aufwendigen Prozessen gereinigt werden, bis man schließlich reinstes Silizium zur Weiterverarbeitung erhält. Dieses Reinstsilizium ist deshalb erforderlich, um den später im Inneren der Modulzelle stattfindenden Stromfluss nicht durch Fremdstoffe zu behindern oder sogar unmöglich zu machen, wie wir bei der späteren Beschreibung des Zellaufbaus noch sehen werden (siehe Seite 16).

Im ersten Schritt wird beim Reinigungsprozess durch die Reduktion von Sauerstoff Rohsilizium hergestellt, da der Sauerstoff sich später bei der Zellfunktion störend auswirken würde. Ausgangsmaterialien sind dabei faustgroße Quarzkiesel oder -bruchstücke, die mit Kohlenstoff gemischt werden. Bei 2 000 Grad Celsius wird dieses Gemisch elektrothermisch erhitzt, wobei der Sauerstoff entweicht. Das entstandene Rohsilizium, ein graues Pulver, hat einen Reinheitsgrad von 98 bis 99 Prozent, enthält jedoch weiterhin Fremdbestandteile wie Eisen, Aluminium, Kalzium, Titan und Kohlenstoff. Um Reinstsilizium von 99,9-prozentiger Reinheit zu gewinnen, müssen verschiedene weitere Reinigungsprozesse folgen. Dabei wird das Rohsilizium erst verflüssigt und später durch Erhitzen wieder in eine feste Konsistenz gebracht.

Das gewonnene Reinstsilizium wird nun – so verwunderlich das klingt – wieder verunreinigt, und zwar mit dem Element Bor. Das hat folgenden Grund: Silizium hat in seinem Atomaufbau neben seinem Atomkern 14 Elektronen in drei definierten Energiezuständen („Schalen“ um den Atomkern). Die Atome gehen über die vier „äußeren“ Elektronen chemische Verbindungen mit anderen Siliziumatomen oder anderen chemischen Elementen ein.

Bor hat fünf Elektronen, von denen nur die drei Elektronen der äußeren „Schale“ für die Ausbildung von chemischen Bindungen zur Verfügung stehen. Wenn man sich nun vorstellt, wie sich Silizium- und Boratome in einem atomaren Gitter miteinander verbinden, dann verbleiben im Verbund „Elektronenlücken“, weil die Anzahl der reaktiven Elektronen zum Verbinden (Silizium 4 – Bor 3) ja nicht aufgeht. Dementsprechend wird das Silizium damit automatisch „positiv dotiert“ (p-Schicht). Es gibt im Silizium-Bor-Kristallgitter zu wenige Elektronen, also viele Fehlstellen. Die Fehlstellen werden auch „Löcher“ oder „Elektronenlöcher“ genannt.

Elektronenlücken an den Boratomen

Systemprozess für polykristalline Zellen

Wie man an dem Atommodell erkennt, ergeben sich freie Stellen, die durch „springende“ Elektronen aufgefüllt werden können. Dies ist für die spätere Funktionsweise wichtig.

Das so hergestellte Silizium wird nun in der Regel über zwei unterschiedliche Verfahren zu Solarrohzellen verarbeitet. Dabei unterscheidet man im Ergebnis poly- beziehungsweise multikristallines und monokristallines Silizium. Der Unterschied dieser Siliziumformen liegt in der unterschiedlichen Herstellungsweise.

Die Dicke der entstehenden Scheiben lag in der Anfangszeit der Solarzellenherstellung bei etwa 0,4 Millimetern und wurde mit der Zeit stetig reduziert, um die Ausbeute, also die Anzahl der Wafer pro Kilogramm Silizium zu erhöhen. Seit einiger Zeit beträgt die typische Waferdicke etwa 0,18 Millimeter. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat eine Dicke von 0,05 bis 0,08 Millimeter. Eine weitere Erhöhung der Ausbeute ist durch eine Verringerung der Sägeverluste (Sägestaub) möglich. Neben der Steigerung des Zellwirkungsgrads trägt dies auch zu einem Rückgang des Siliziumbedarfs pro Watt Spitzenleistung und somit zu einer Kostenreduzierung bei.

Systemprozess für polykristalline Zellen

Obwohl eine Schmelze unter hohen Temperaturen nötig ist, um polykristallines Silizium herzustellen, wird weniger Energie benötigt als bei der Herstellung monokristallinen Siliziums. Dadurch sind die Fertigungsverfahren kostengünstiger und die entstehenden polykristallinen Solarzellen waren in der Praxis zumindest in der Vergangenheit weit verbreitet.

Bei monokristallinen Zellen ergibt sich optisch eine homogene Zellstruktur; das heißt die Zelle wurde aus einem Einkristall hergestellt. Dabei wird das Reinstsilizium erneut geschmolzen. Im Allgemeinen wird die Schmelze mit einem Impf- oder Keimkristall, der sich an einem drehbaren Stab befindet, in Berührung gebracht und langsam unter Drehung wieder von ihr weg-/hochgezogen (Czochralsky-Verfahren). Man kann sich das grob wie beim Kerzenziehen mit flüssigem Wachs vorstellen. Hierdurch entsteht ein säulenförmiger Einkristall (Ingot) mit einem Durchmesser von 200 bis 300 mm, einer Länge von rund zwei bis drei Metern und einem Gewicht von ca. 100 kg.

Aus diesem Einkristall werden dann ebenfalls hauchdünne Scheiben geschnitten. Im Gegensatz zu den quadratischen polykristallinen Zellen entstehen runde Scheiben. Früher wurden diese als Grundlage für den Modulbau verwendet. Um diese platzoptimiert in einem Modul unterzubringen und dessen Effizienz zu steigern, werden an vier Seiten der Scheiben die Kreissegmente abgeschnitten. Dadurch verbleiben meist nur noch kleine runde Ecken an den Wafern, wodurch sich im späteren Zellverbund der Module dort die typische Rautenstruktur an den Eckbereichen der aneinandergefügten Zellen zeigt. Der Schnittabfall wird wiederverwendet.

Neben dem Unterschied bei der Herstellung (poly-)multikristalliner und monokristalliner Zellen ergeben sich bei monokristallinen Zellen höhere Wirkungsgrade. Dies ist auch ein Grund, weshalb die monokristallinen Zellen aufgrund der sich entwickelnden höheren Zellwirkungsgrade die polykristallinen Zellen trotz der höheren Herstellungskosten vom Markt nahezu verdrängt haben.

Funktion einer Solarzelle

Das Funktionsprinzip der Photovoltaik respektive der Solarzellen soll am Beispiel einer Silizium-Solarzelle beschrieben werden. Mit der zuvor beschriebenen Rohzelle allein (siehe Seite 15) lässt sich noch kein Strom produzieren. Sie dient aber als wichtiges Grundgerüst für die spätere Funktion als Stromerzeuger.

Silizium ist ein Halbleiter. Die Besonderheit von Halbleitern ist, dass durch zugeführte Energie (zum Beispiel in Form von Licht oder elektromagnetischer Strahlung) freie Ladungsträger (Elektronen) in ihnen erzeugt werden können. Hierzu muss die „Rohzelle“ zunächst weiter bearbeitet werden, damit sich später darin Elektronen bewegen und fließen können, die die Grundlage eines elektrischen Stromflusses bilden.

Systemdarstellung „Ziehen“ eines Kristallingots

Zuerst wird die Zelloberfläche in ihrer Struktur verändert, damit diese das Licht weniger reflektiert und somit mehr Licht in die Zelle eindringen kann. Man nennt diesen Vorgang „Texturierung“.

Bislang liegen im Silizium lediglich die sogenannten Elektronenlöcher vor, also Fehlstellen von Elektronen aufgrund der Vermischung des Siliziums mit Bor (siehe Seite 15). Dementsprechend lässt sich die Zelle als „positiv“ bezeichnen. Wie allgemein bekannt, muss es bei Stromfluss neben der „positiven“ Seite auch immer eine „negative“ geben – Strom fließt nur, wenn Elektronen fließen; wir benötigen neben der elektronenarmen Siliziumzelle also noch einen Elektronenspender. Hierzu wird die obere Siliziumschicht mit einem Material durchsetzt, das chemisch mehr reaktive Elektronen enthält als Silizium und somit als Elektronenspender dient, zum Beispiel Phosphor. Phosphor beherbergt in seiner äußersten Elektronenhülle fünf Elektronen. Damit wird die Siliziumscheibe auf einer Seite negativ dotiert (n-Schicht mit Elektronenüberschuss).

Wie man am Atommodell erkennt, ergeben sich nicht gebundene, „freie“ Elektronen, die sich ebenfalls frei im Raum bewegen können. Was es damit auf sich hat, sehen wir etwas später. Zunächst wird die Zelle in weiteren Schritten bearbeitet.

Damit die Lichteinwirkung sowie der Elektronenfluss besser funktionieren, wird die Zelle zum einen mit einer Antireflexschicht versehen (dies verleiht ihr meist ihr dunkles, blaues Aussehen). Danach erhält die Zelle eine Kontaktierung sowohl auf ihrer Rück- wie auch auf der Vorderseite, vorderseitig mittels feiner Leiter aus Silberpaste (Grid – aus dem Englischen für „Gitter“) und Stromleiterbändchen (Busbars).

Ungebundene, freie Elektronen des Phosphors

Fertige Solarzellen (Vorderseite)

Wie funktioniert die Solarzelle?

Im Grenzbereich der beiden zuvor beschriebenen Schichten, in der sogenannten Raumladungszone zwischen oberer (negativer) und unterer (positiver) Schicht, binden sich die freien überschüssigen Elektronen der Elektronenspender (aus dem Phosphor) locker an die freien Fehlstellen aus der unteren Schicht. Man kann es vereinfacht auch als einen „schwebenden Zustand“ betrachten. Die Elektronen besetzen die Fehlstellen im sogenannten Valenzband und bilden elektrisch eine neutrale Zone, den „p-n-Übergang“.

Da nun oben Elektronenüberschuss und unten Elektronenfehlstellen herrschen, bildet sich zwischen der oberen und unteren Kontaktfläche ein ständig vorhandenes elektrisches Feld, da die Elektronen und Fehlstellen einen natürlichen Ausgleich suchen.

Trifft Licht auf die Solarzelle, schlagen die Lichtteilchen mit ihrer Energie dabei die Elektronen aus ihren Bindungen heraus, die dann als frei bewegliche Teilchen in der Zelle verfügbar sind. Damit werden die Elektronen in das Leitungsband gehoben, wo sie frei verfügbar sind.

Viele dieser freien Ladungsträger (Elektronenlochpaare) verschwinden nach kurzer Zeit durch Rekombination wieder, das heißt die freien Elektronen fallen wieder in die Elektronenlöcher, wenn etwa die Photonenenergie nicht stark genug ist. Einige Ladungsträger driften jedoch zu den feinen Kontakten (Frontkontakten) an der Oberseite der Zelle, das heißt, die Elektronen werden von den Löchern getrennt und driften nach oben, die Löcher hingegen nach unten. Somit entsteht elektrische Spannung, solange weitere Photonen aus dem Lichteinfall ständig freie Ladungsträger erzeugen. Die hierbei messbare elektrische Spannung liegt bei einer Solarzelle bei etwa 0,5 bis 0,7 Volt.

Schaltet man nun einen Verbraucher dazwischen, zum Beispiel eine kleine Lampe, fließen die Elektronen durch den „äußeren Stromkreis“ über diesen Verbraucher zur unteren Kontaktfläche der Zelle und rekombinieren dort mit den zurückgelassenen Löchern. Der weitere Lichteinfall führt zur Aufrechterhaltung des Elektronenkreislaufes und somit zur Erzeugung elektrischer Energie (= Stromfluss).

Modulfertigung

Da die Spannung (0,5 bis 0,7 Volt) sowie Leistung (4 bis 5 Watt) einer einzelnen Zelle viel zu gering wären, um einen konventionellen Nutzen bei der Stromerzeugung zu ermöglichen, müssen mehrere Zellen miteinander verschaltet werden, damit sich zum einen die Spannung und zum anderen die Leistung erhöht. Ein Aneinanderreihen der Solarzellen bewirkt dabei eine Leistungserhöhung.

Schematischer Modulaufbau

Für den praktischen Einsatz der Solarzellen können die hauchdünnen Zellen natürlich nicht lose gehandhabt werden, da sie nach kürzester Zeit zerbrächen. Überdies müssen die Zellen und deren elektrische Verbindungen sowohl gegen äußere Einflüsse (Witterung, mechanische Belastung) als auch aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaft (Stromschlag) geschützt werden. Dies geschieht in Form eines Moduls.

Hierzu wird auf einer Glasscheibe zuerst eine hochtransparente Schutzfolie (EVA, Ethylenvinylacetat) ausgelegt. Auf diese Folie werden dann die Zellen in einzelnen Reihen nebeneinander angeordnet, mit Leiterbändchen verbunden und an deren Enden miteinander verschaltet. Bei der Modulherstellung wurden früher die Zellen noch einzeln per Hand verlötet. Heute übernehmen Industrieroboter diese Aufgabe in einem vollautomatischen Verfahren.

Die Leiterbändchen werden in der Regel am Modulrand zu einem zentralen Bereich geführt, an dem später die Anschlussdose angebracht wird. Auf die aufgebrachten Zellen kommt eine weitere Lage der transparenten Schutzfolie und danach eine stabilere, in der Regel weiße (in manchen Fällen auch schwarze) Folie (aus Tedlar), die das Modul später rückseitig schützen soll. Dieser Glas-Zellen-Folienverbund wird mittels eines thermischen Verfahrens laminiert, sodass eine relativ feste Modulplatte entsteht.

Es gibt auch Module, bei denen sich auf der Rückseite ebenfalls eine Glasscheibe befindet (Glas-Glas-Laminate). Der Vorteil hier: eine höhere Belastungsmöglichkeit.

Schließlich wird an der Rückseite die Modulanschlussdose mit den beiden Anschlussleitungen (Plus/Minus) aufgeklebt und das Modul erhält in der Regel einen Aluminiumrahmen, was ihm abermals höhere Stabilität verleiht.

Ein solches gefertigtes Modul mit beispielsweise 60 Zellen und den Standardabmessungen von etwa 1,68 mal 1,00 Meter hat heutzutage eine Leistung von 320 Watt bis 340 Watt und eine Leerlaufspannung (Spannung, die an einem nicht angeschlossenen Modul ansteht) von etwa 40 Volt. Je nach Format und Zellanzahl können sich abweichende Modulmaße und -leistungen ergeben. Tendenziell geht die Entwicklung hin zu größeren Formaten mit rund 2,00 mal 1,00 Metern und einer Leistung von rund 380 Watt bis 450 Watt.

Die Serienfertigung von Solarmodulen geschieht heute in teilweise oder weitgehend automatisierten Produktionsanlagen, auch mit Hilfe von Robotern.

Die Nennleistung eines Moduls wird dabei mit Toleranzen angegeben. Waren früher Toleranzen von bis zu +/- 10 Prozent möglich, werden durch moderne Fertigung sowie Zellvorsortierung heutzutage überwiegend plussortierte Module gefertigt.

SOLARSTROM UND UMWELTBILANZ

Wenn man mit der Sonne als kostenlos zur Verfügung stehendem Energiespender Strom erzeugen kann, läge es zunächst auf der Hand zu vermuten, Solar- oder PV-Anlagen seien in ihrer Umweltbilanz mindestens neutral zu bewerten. Hier müssen allerdings einige Punkte unterschieden werden, denn bekanntlich ist längst nicht alles Gold, was glänzt. Der Betrieb einer Photovoltaikanlage kann ökologisch nicht allein für sich bewertet werden, sondern es bedarf immer der Betrachtung eines Vorher und eines Nachher.

Grundsätzlich ist anerkannt, dass Solarstrom weitaus geringere Umweltschäden verursacht als Energieerzeugung aus fossilen Energieträgern und der Kernkraft. Somit werden die externen Kosten der Energieerzeugung, wie zum Beispiel Beseitigung von Umweltschäden, erforderliche Rekultivierungsmaßnahmen, Endlager … gesenkt.

Stromkosten nach Erzeugungsart

Energieerzeuger

Stromgestehungskosten [ct/kWh]

Externe Kosten [ct/kWh]

Atomstrom (Stand 2019)

ca. 1,0

24 bis 28

Braunkohle (Stand 2017)

ca. 3,4 bis 4,7

22 bis 24

Photovoltaik

ca. 4 bis 18*

ca. 1,0

* je nach Anlagengröße und ob mit/ohne Speicher

Emissionserzeugung (CO2)

Noch im Jahr 2011 betrugen die Kosten der Vermeidung von CO2-Emissionen durch Photovoltaik 320 Euro je Tonne CO2 und lagen damit höher als bei anderen erneuerbaren Energiequellen. Durch die starke Kostensenkung innerhalb der Photovoltaik sind die CO2-Vermeidungskosten einer Hausdachanlage in Deutschland jedoch auf etwa 17 bis 70 Euro je Tonne CO2 gefallen, womit die Solarstromerzeugung günstiger ist als die Kosten für Klimawandelfolgeschäden, die aktuell auf 80 Euro je Tonne CO2 veranschlagt werden. In sonnenreicheren Gegenden der Welt werden sogar Vorteile von bis zu 380 Euro je Tonne vermiedener CO2-Emissionen erzielt.

Wie viel CO2-Emissionen durch Photovoltaik tatsächlich vermieden werden, hängt auch von der Koordination des Erneuerbare-Energien-Gesetzes mit dem EU-Emissionshandel ab; außerdem von der für die Herstellung der Module verwendeten Energieform.

Produktionsphase

Für die Herstellung von Solarzellen wird, wie wir gelernt haben, Reinstsilizium benötigt. Dessen Herstellung erfolgt unter hohen Temperaturen und entsprechendem Energieaufwand. Die weiteren Produktionsschritte erfolgen wie in der typischen Halbleiterherstellung auf Basis chemischer und energieintensiver Schritte mit anfallenden Nebenstoffen. Für ein Kilogramm Reinstsilizium entstehen ab der Rohstoffgewinnung bis zu 19 Kilogramm Nebenstoffe. Da Reinstsilizium meist von Zulieferfirmen produziert wird, ist die Auswahl der Lieferfirmen unter Umweltaspekten entscheidend für die Umweltbilanz eines PV-Moduls.

Betriebsphase

Durch die absolute Emissionsfreiheit im Betrieb weist die Photovoltaik sehr niedrige externe Kosten auf, also die Kosten, die neben den reinen Stromgestehungskosten unter Berücksichtigung von Umwelteinflüssen und Aufwendungen für Umwelt-, Klima- und Gesundheitsschäden anfallen. Nach aktuellen Studien des Fraunhofer ISE (Stand März 2021) ergeben sich die in der Tabelle links oben aufgeführten Kosten ausgewählter Energieerzeuger.

Treibhausgasbilanz

Der PV-Betrieb gilt als CO2-emissionsfrei. Dennoch lassen sich Photovoltaikanlagen derzeit nicht CO2-frei herstellen, transportieren und montieren. Die rechnerischen CO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen betragen nach einer Studie aus dem Jahr 2015 (Francesco Asdrubali et al.) etwa 29 g/kWh. Verursacht werden diese Emissionen durch Verbrennung fossiler Energien insbesondere während der Fertigung von Solaranlagen.

Zum Vergleich:

Bei Kohlekraftwerken liegt die Emission zwischen 750–1 200 g/kWh,

bei Gaskraftwerken zwischen 400–550 g/kWh,

bei Windenergie und Wasserkraft zwischen 10–40 g/kWh,

bei der Kernenergie zwischen 10–30 g/kWh (ohne Endlagerung) und

bei Solarthermie in Afrika zwischen 10–14 g/kWh.

Mit dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien im Zuge des weltweiten Ziels zu nachhaltigen Energieformen wird sich die Treibhausgasbilanz bei der PV-Herstellung sicher automatisch weiter verbessern.

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikanlagen ist der Zeitraum, in dem die Photovoltaikanlage die gleiche Energiemenge geliefert hat, die während ihres gesamten Lebenszyklus benötigt wird; für Herstellung, Transport, Errichtung, Betrieb, Rückbau und Recycling. Um den für die Produktion notwendigen Energieverbrauch ins Verhältnis zur Energiegewinnung zu bringen, haben Forscher den sogenannten Energy Stored On Invested (ESOI) Wert entwickelt. Er wird auch als Erntefaktor bezeichnet, der das Verhältnis der genutzten zur investierten Energie beschreibt.

Dieser betrug bei PV-Anlagen 2011 zwischen 0,75 und 3,5 Jahren, je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktechnologie. Bei CdTe-Modulen lagen die Werte mit 0,75 bis 2,1 Jahren am günstigsten, während Module aus amorphem Silizium mit 1,8 bis 3,5 Jahren über dem Durchschnitt lagen. Mono- und multikristalline Systeme benötigen etwa 1,5 bis 2,7 Jahre. Als Lebensdauer wurden in der Studie 30 Jahre für Module auf Basis kristalliner Siliziumzellen und 20 bis 25 Jahre für Dünnschichtmodule angenommen, für die Lebensdauer der Wechselrichter 15 Jahre.

Bei einem PV-Einsatz in Deutschland wurde die Energie, die im Jahr 2011 zur Herstellung einer Photovoltaikanlage benötigt wurde, durch Solarzellen in etwa zwei Jahren wieder gewonnen. Der Erntefaktor liegt unter für Deutschland typischen Einstrahlungsbedingungen bei mindestens 10, eine weitere Verbesserung ist nach einem Bericht in der Fachzeitschrift BWK (2007) wahrscheinlich.

Flächenverbrauch

Umweltbilanzen spiegeln sich auch im Flächenverbrauch wider. In der Regel ist hier der Bodenflächenverbrauch gemeint. PV-Anlagen werden überwiegend auf bestehenden Dachflächen errichtet, was letztendlich zu keinem zusätzlichen Flächenbedarf führt. Freilandanlagen in Form von Solarparks nehmen demgegenüber zusätzliche Flächen in Anspruch, wobei häufig bereits vorbelastete Areale wie zum Beispiel Konversionsflächen (aus ehemaliger militärischer, gewerblicher, verkehrlicher oder wohnlicher Nutzung), Flächen entlang von Autobahnen und Bahnlinien (im 500-Meter-Streifen), auf als Gewerbe- oder Industriegebiet ausgewiesenen oder versiegelten Flächen (ehemalige Deponien, Parkplätze …) verwendet werden.

Werden Photovoltaikanlagen auf landwirtschaftlicher Fläche errichtet, was in Deutschland derzeit nicht oder nur begrenzt entlang öffentlicher Verkehrswege gefördert wird, kann es zu einer Nutzungskonkurrenz kommen. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass Solarparks im Vergleich zur Bioenergieerzeugung auf gleicher Fläche einen um ein Vielfaches höheren Energieertrag aufweisen. So liefern Solarparks pro Flächeneinheit etwa 25- bis 65-mal so viel Strom wie Energiepflanzen. Zudem ergeben sich bei PV-Freifeldanlagen weitere ökologische Aspekte: Die Flächen werden innerhalb der elektrischen Anlage (eingezäunte Freilandanlage) weitgehend begrünt, teilweise auch unter Genehmigungsauflagen am Rand bepflanzt und mit Kleinbiotopen versehen. Eine Bodenversiegelung, wie sie in typischer Weise von Bauwerken verursacht wird, erfolgt hier bis auf die erforderlichen Trafostationen nicht. Daher können sie gegenüber einer ansonsten konventionellen und in üblicher Weise industriell bewirtschafteten landwirtschaftlichen Fläche auf jeden Fall als ökologisch wertvolle Flächen bezeichnet werden.

Entsorgung von PV-Modulen

Ein Solarmodul besteht überwiegend aus Aluminium, Glas und Kunststoffen sowie den Solarzellen aus Silizium. Die Stoffe beim Recycling der Module unterteilen sich in Schadstoffe, Rohstoffe und begrenzte Rohstoffe. Die geringsten Mengen an Schadstoffen sind in der amorphen Technologie (a-Si) zu finden, leider werden aber auch hier, wie in allen Dünnschichttechnologien, noch bleihaltige Lötverbindungen verwendet. Die CIGS-Technologie (Cuprum-Indium-Gallium-Selen) enthält geringe Mengen Kadmium aufgrund einer Kadmiumsulfidschicht. Blei ist vor allem in den kristallinen Modulen (c-Si) wegen der bleihaltigen Lötverbindungen der Solarzellen im Modul zu finden. Das Schwermetall Kadmium ist in den CdTe-Modulen vorhanden, allerdings chemisch gebunden mit dem Element Tellur.

Beschädigte Photovoltaikmodule nach Hagelschlag

Als begrenzter Rohstoff finden sich in der a-Si-Technologie Germanium und in CIGS-Modulen Indium, Gallium und Selen.

Der größte Gewichtsanteil bei den Modulen rührt vom Rohstoff Glas, der in allen Technologien zu finden ist, je nach Größe der Module in einer Menge von etwa 11 kg/m2. Aluminium als Rahmenmaterial kommt in Mengen von etwa 1 kg/m2 vor. Silber als kostenintensivster Rohstoff in der c-Si-Technologie findet vor allem Verwendung in den Metallisierungspasten auf der Vorderseite der Solarzellen, mit einem Gewichtsanteil von 20 g/m2. Kupfer als Rohstoff findet sich vor allem in der Verkabelung sämtlicher Modultechnologien, bei den CIGS-Modulen ebenfalls in der aktiven Halbleiterschicht.

All diese Materialien können nach gegenwärtigem Stand der Technik recht einfach recycelt werden. Daher liegt die Recyclingquote bei Solarmodulen heute bei mehr als 80 Prozent. Moderne Anlagen zur Wiederverwertung von PV-Modulen sollen sogar auf Raten von mehr als 90 Prozent kommen.

Das im Juli 2007 gegründete PV-Cycle-System ist ein Zusammenschluss mehrerer Unternehmen der Photovoltaikindustrie mit dem Ziel, ein freiwilliges Rücknahme- und Recyclingprogramm für Altmodule aufzubauen. Die Mitglieder des PV Cycle sind Produzenten, Importeure, Forschungsinstitute sowie Großhändler.

Momentan fallen zwar noch keine nennenswerten Mengen an ausgedienten PV-Modulen und Solarzellen an, das wird sich in den kommenden Jahren aber unweigerlich ändern. Die zu erwartende Abfallmenge an PV-Modulen wird unterschiedlich prognostiziert. Man spricht davon, dass bis zum Jahr 2030 in der EU etwa 130 000 Tonnen ausgedienter Module erwartet werden. Das exponentielle Wachstum in der Produktion und Installation von Modulen spiegelt sich nach etwa 20 Jahren in der Abfallmenge wider, die „verarbeitet“ werden muss, wobei freilich nicht damit zu rechnen ist, dass alle PV-Anlagen nach 20 Jahren Nutzungsdauer wieder abgebaut werden. Im Jahr 2010 sollten demnach etwa 5 000 Tonnen an PV-Modulen aus dem Jahr 1990 als Abfall eingegangen sein. Eine Prognose für den PV-Abfall durch eine Studie des Instituts für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) und des Instituts für Photovoltaik (ipv) aus dem Jahr 2012 kam auf eine weltweite Abfallmenge von 4 000 Tonnen pro Jahr. Die Recyclingorganisation PV-Cycle hat im Jahr 2010 dagegen nur etwa 1 400 Tonnen eingesammelt.

Als Reaktion auf die insgesamt unbefriedigende Entwicklung fallen seit dem 24. Januar 2012 auch Solarmodule unter eine Novellierung der Elektroschrott-Richtlinie. Für die PV-Branche sieht die Novelle vor, dass 85 Prozent aller verkauften Solarmodule gesammelt und zu 80 Prozent in die Wiederverwertung gebracht werden müssen.

Bis 2014 waren alle 27 EU-Mitgliedsländer verpflichtet, die Verordnung in nationales Recht umzusetzen. Dadurch hat man die Hersteller in die Pflicht genommen, Strukturen für die Wiederverwertung bereitzustellen. Die Trennung der Module von anderen Elektrogeräten wird dabei bevorzugt. Bereits existierende Sammel- und Recyclingstrukturen sollen zudem ausgebaut werden.

Der Branchenverband BSW-Solar hat Ende Oktober 2019 ein Merkblatt zum sicheren Umgang mit PV-Altmodulen veröffentlicht, das sich an Installateure und Betreiber von PV-Anlagen richtet.

Durch die breite Palette an Solarzellen und -modulen erhöht sich der Anpassungsaufwand an die jeweils eingesetzte Recyclingtechnologie. Bisher existieren großtechnische Recyclingverfahren nur für Module aus kristallinem Silizium und aus Cadmiumtellurid. Verfahren für Module mit anderen Halbleitertechniken befinden sich erst in der Entwicklungsphase. Neben dem Verfahren der Deutsche Solar AG, bei dem die schadhaften und ausgedienten Module über thermische und chemische Prozesse entweder als Ganzes oder als Bruchstücke der Solarzellen aufbereitet werden, bietet beispielsweise die Firma First Solar für ihre Cadmium/Tellurit-Module ein technisch anderes Verfahren an, bei dem die Module mechanisch zerkleinert und anschließend über weitere chemische und maschinelle Prozesse in ihre Bestandteile zerlegt, separiert und die Halbleiterrohstoffe letztlich zurückgewonnen werden. Der energieintensiv hergestellte Teil der Solarzellen (Silizium) kann vier- bis fünfmal wiederverwertet werden.

Recycling von Solarmodulen

Quelle: „Recycling von Solarmodulen – Potenzial und Anspruch eines zukünftigen Stoffstroms“, PV-Cycle-Studie 2007

Die Gewinnung von Lithium in Südamerika geht sehr zulasten der Umwelt.

Der Energieverbrauch für die Herstellung von Solarzellen aus Recyclingmaterialien benötigt weniger als ein Drittel der Energie, die für die Herstellung von Solarzellen aus Primärmaterialien beansprucht wird – aus ökologischer Sicht sind lediglich die verwendeten Ätzlösungen zu bemängeln, da diese teilweise toxisch und somit bei unsachgemäßer Handhabung eine Gefahr für die Umwelt darstellen können. Die Einsparung an Energie und damit auch die Reduktion von Emissionen machen das Recycling umwelttechnisch gesehen sinnvoll. Somit ergibt die Energiebilanz für Herstellung beziehungsweise Recycling von PV-Modulen ganz eindeutige Vorteile für das Recycling.

Batteriespeicher

Immer mehr Photovoltaikanlagen werden mit Batteriespeichern betrieben. Bei Batteriespeichern, zum Beispiel mit der Lithium-Ionen-Technologie, ist die Umweltbilanz im Verhältnis zur reinen Photovoltaik differenzierter zu betrachten. Die meisten Studien befassen sich hierzu mit der Elektromobilität, welche sich nochmals vom Betrieb von PV-Anlagen unterscheidet.

Lithium-Ionen-Akkus haben sich schon seit langer Zeit zum Branchenstandard entwickelt. Vor der größeren Markteinführung von Stromspeichern in Verbindung mit einer Solaranlage oder auch der Elektromobilität waren diese bereits in vielen elektronischen Geräten wie Smartphones und Laptops im Einsatz.

Ähnlich wie bei der Photovoltaik ergeben sich unterschiedliche Perspektiven, angefangen von der Herstellung über den Betrieb bis hin zur Entsorgung. Dabei dürfte der reine Betrieb eines Stromspeichers ökologisch kaum negative Tendenzen aufweisen, insbesondere wenn er mit regenerativem Strom betrieben wird, was in der Elektromobilität heute noch nicht zu 100 Prozent geschieht. Ansonsten spielen hinsichtlich der Öko-Bilanz drei Faktoren eine wichtige Rolle:

1die Umwelteinflüsse durch Rohstoffabbau, Produktion und Transport,

2die dafür aufgewendete Energie,

3das Recycling.

Rohstoffe

Für die Herstellung von Solarstromspeichern sind spezielle Rohstoffe erforderlich, die in Deutschland nicht vorkommen und teilweise generell selten in der übrigen Welt vorhanden sind.

Lithium ist ein auf der Erde zwar häufig zu findendes Leichtmetall, allerdings kommt es nur in geringen Konzentrationen vor. Das Lithium für die Stromspeicher wird vorrangig in Chile, Bolivien, China und Argentinien abgebaut, wo bereits die ersten Probleme entstehen.

Zur Lithiumgewinnung wird salzhaltiges Grundwasser an die Oberfläche gepumpt und über eine Kette von Verdunstungsteichen geleitet, in denen über mehrere Monate ein Verdunstungsprozess an der Sonne stattfindet. Hat das Lithiumchlorid in den Teichen die nötige Konzentration erreicht, wird die Lösung in eine Aufbereitungsanlage gepumpt, wo unerwünschtes Bor und Magnesium extrahiert und ausgefiltert werden, um anschließend mit Natriumcarbonat behandelt zu werden. Das dabei ausgefällte Lithiumcarbonat wird gefiltert und getrocknet. Überschüssige Restsole wird in den Salzsee zurückgepumpt. Gerade in trockenen Gegenden wie Chile wird durch die Grundwasserverwendung das Austrocknen der Landschaft gefördert.

Kobalt wird überwiegend aus Kupfer- und Nickelerzen gewonnen. Die genaue Gewinnungsart ist von der Zusammensetzung des Ausgangserzes abhängig und bisweilen sehr aufwendig.

Der größte Teil des Kobalts wird durch Reduktion der Nebenprodukte in der Gewinnung des Nickel- und Kupferabbaus und der Schmelze gewonnen. Daher hängt die Kobaltversorgung in hohem Maße vom Kupfer- und Nickelabbau in einem bestimmten Markt ab. Es gibt verschiedene Methoden, um Kobalt von Kupfer und Nickel zu trennen, abhängig von der Höhe der Kobaltkonzentration und der genauen Zusammensetzung des verwendeten Erzes. Kobalt kann unter anderem aus der Kupferschmelze ausgelaugt werden. Dementsprechend ergeben sich neben hohem chemischen und energetischen Einsatz auch ein hoher Einsatz von Wasser und entsprechenden Abwässern zur Gewinnung.

Das Vorkommen von Kobalt beschränkt sich in hohem Maße auf den Kongo. Vorkommen in China, Kanada und Russland liegen etwa um den Faktor 10 niedriger als im Kongo. Die ausschließlich aus den ausländischen Gebieten geförderten Rohstoffe drücken die Ökobilanz für Deutschland in Anbetracht der Transportwege sowie -fahrzeuge zusätzlich erheblich.

Insbesondere Kobalt ist wegen der damit in Verbindung stehenden Kinderarbeit in die Kritik geraten. Über die Hälfte des heute verwendeten Kobalts stammt aus der Republik Kongo. Im Jahre 2016 wurden 84 400 Tonnen Kobalt gewonnen, für das Jahr 2030 wird eine Nachfrage von 450 000 Tonnen Kobalt vorausgesagt, was einen enormen Druck auf die einzelnen Kobaltminen nach sich zieht. Von den 84 000 Tonnen Kobalt stammten 18 000 Tonnen, also rund 20 Prozent, aus illegalen Kleinbergwerken im Kongo. Daher kann man zwischen zwei Arten von Kobaltminen unterscheiden:

1Die Gewinnung aus illegalen Kleinbergwerken und

2die aus industriellen Minen mit gewissen Standards.