Wie funktioniert eine Photovoltaik-Anlage?

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Wie funktioniert eigentlich eine Photovoltaik-Anlage?

Immer häufiger siehst du Photovoltaik-Anlagen auf den Dächern von Wohnhäusern und Gewerbeanlagen. Sie sind ein wichtiger Teil der Energiewende. Hast du dich auch schon einmal gefragt, wie eine PV-Anlage eigentlich funktioniert? Hier findest du alles Wissenswerte rund um PV-Anlagen.

Genauer gesagt geht es um Folgendes:

  • Die Rolle von PV-Anlagen in der Energieversorgung
  • Wie produziert eine PV-Anlage Strom?
  • Ideale Bedingungen für die Stromerzeugung
  • Aufbau einer PV-Anlage
  • Renaturierung durch PV-Anlagen

1. Die Rolle von PV-Anlagen in der Energieversorgung

In den vergangenen zehn Jahren hat sich die Anzahl von Photovoltaik-Anlagen in Deutschland mehr als verdoppelt. 2021 gab es rund zwei Millionen PV-Anlagen, die meisten davon in Bayern. Solarenergie macht 21,5 Prozent der erneuerbaren Energien in Deutschland aus. Sie sind nach der Windkraft die wichtigste erneuerbare Energiequelle bei uns. Insgesamt nehmen erneuerbare Energien in Deutschland 41 Prozent der gesamten Energieerzeugung ein. Aber auch international wird Solarenergie immer wichtiger: Das Land mit den meisten PV-Anlagen ist China, darauf folgen die USA, Japan und Deutschland.

 

2. Wie produziert eine PV-Anlage Strom?

Umgangssprachlich werden die Begriffe Photovoltaik-Anlage und Solaranlage oft gleichbedeutend verwendet. Hier sollte man jedoch aufpassen, dass es keine Missverständnisse gibt. Eine Photovoltaik-Anlage produziert elektrische Energie, eine Solarthermieanlage produziert Wärmeenergie. Daher sind sie auch beide anders aufgebaut. Hier geht es nur um PV-Anlagen.

Also, mit einer PV-Anlage kann man aus Sonnenstrahlung elektrische Energie gewinnen, aber wie funktioniert das im Detail? Die Wirkungsweise basiert auf dem photoelektrischen Effekt. In einfachen Worten ist das ein physikalischer Vorgang, bei dem Elektronen mit dem Licht in Wechselwirkung treten. Genauer gesagt: Jedes Atom enthält gebundene Elektronen. Wir können uns auch Licht als einzelne Teile vorstellen, die nennt man Photonen. Treffen Photonen auf ein Atom, können unter bestimmten Umständen die Elektronen die Photonen absorbieren. Wenn das passiert, löst sich das Elektron aus dem Atom. Dieser Vorgang kann Strom erzeugen.

Arbeit der Solarzellen

Das Ganze findet innerhalb einer Solarzelle statt. Fast alle Solarzellen bestehen aus Silizium, weil es ein Halbleiter ist. Das bedeutet, dass das Element durch Licht oder Wärme elektrisch leitfähig wird. Innerhalb der Solarzelle gibt es zwei Siliziumschichten, die eine jeweils unterschiedliche Ladungseigenschaft haben – positiv und negativ. Zwischen den Schichten entsteht ein elektrisches Feld. Wenn Licht auf dieses Feld trifft, tritt der photoelektrische Effekt ein. Also: die Elektronen lösen sich aus den Atomen und an den Kontakten der Solarzelle entsteht die gewünschte Spannung. Du kannst dir also jede einzelne Zelle wie ein elektrisches Mini-Kraftwerk vorstellen.

Gemessen an anderen Stromerzeugungs-Methoden weisen Photovoltaik-Anlagen eine geringere Effizienz auf. Sie haben einen Wirkungsgrad von maximal 20 Prozent. Wenn man aber bedenkt, dass Sonnenlicht eine unbegrenzte und kostenlose Ressource ist, kann dieser Nachteil problemlos ausgeglichen werden.

Im Laufe der Zeit sinkt die Leistungsfähigkeit der PV-Module. Die meisten Modelle haben heutzutage eine Lebensdauer von ungefähr 30 Jahren. Viele Anbieter geben eine Leistungsgarantie von 80 Prozent bis zum Alter von 20 bis 25 Jahren an. Danach kannst du deine PV-Anlage natürlich trotzdem weiter nutzen, ihre Effizienz wird nur über die nächsten Jahre weiter sinken. Damit deine PV-Anlage besonders lange hält, ist es wichtig, dass dein Wechselrichter (dazu gleich mehr) korrekt eingestellt ist. Außerdem sind eine regelmäßige Kontrolle und Reinigung der Module förderlich.

3. Was sind ideale Bedingungen für die Stromproduktion?

Grundsätzlich ist der Stromertrag abhängig von der Anzahl der Sonnenstunden, dem Winkel der Sonneneinstrahlung und der Bewölkung. Viele glauben, dass an besonders warmen Sommertagen der größte Ertrag erzielt wird. Dabei ist Hitze eher abträglich für die Energiegewinnung, weil der Wirkungsgrad der Solarzellen mit zunehmender Temperatur abnimmt. An heißen Sommertagen kann daher der Ertrag sogar ein wenig niedriger sein als an einem sonnigen Tag im April oder Mai. Insgesamt wirken sich kühlere Temperaturen günstig auf die Stromerzeugung aus – vorausgesetzt die Sonne scheint.

Aber das ist kein großes Problem. Andere wetterbedingte Umstände haben größeren Einfluss auf die Effizienz, zum Beispiel Wolken. Eine PV-Anlage kann auch im Schatten Strom produzieren, nur ist ihr Ertrag dann geringer. Das liegt daran, dass durch die Wolken diffuse Sonnenstrahlung auf die Solarzellen trifft. Diese lässt sich schlechter umwandeln.

4. Aufbau einer PV-Anlage

Das kleinste Element der Photovoltaik-Anlage sind die einzelnen Solarzellen. Mehrere von diesen ergeben ein Solarmodul. Wenn mehrere Solarmodule aneinander geschaltet sind, nennt man diese String. Alle Strings zusammen ergeben dann die Photovoltaik-Anlage. Die Anlage wird unter dem Dach verkabelt, sodass der Strom zum Generatorenschlusskasten und zum Inverter weitergeleitet werden kann.

Inselanlage oder netzgekoppelte Anlage

Es gibt zwei verschiedene Arten von PV-Anlagen. Sie unterscheiden sich darin, ob sie an das öffentliche Stromverteilnetz angeschlossen sind oder nicht. Zum einen gibt es die Inselanlage. Sie ist nicht an das öffentliche Netz angeschlossen und damit zum Beispiel auch nicht meldepflichtig. Der erzeugte Strom wird gespeichert und bei Bedarf verbraucht, ohne eingespeist zu werden. Die Inselanlage ist damit ein großer Schritt in Richtung Autarkie. Allerdings bedeutet das auch, dass bei fehlender Infrastruktur kein Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen werden kann, falls es einmal zu Engpässen kommen sollte. Außerdem ist diese Variante besonders teuer aufgrund des Speichers. Für die meisten Privathaushalte ist die Inselanlage also nicht geeignet.

Eine netzgekoppelte Anlage ist an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Deshalb kann man den Stromverbrauch in Eigenverbrauch und Einspeisung aufteilen. Der ungenutzte Strom kann ins Netz eingespeist werden. Er wird dann gemäß Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet.

Batteriespeicher

Ein Batteriespeicher ist ein optionaler Bestandteil der PV-Anlage. Mithilfe eines Speichers kann überflüssiger Strom gespeichert werden, statt ins öffentliche Netz eingespeist zu werden. So kann man auch in der Dämmerung und nachts den selbst produzierten Strom nutzen. Ein Speicher stellt einen zusätzlichen Kostenpunkt dar. Wer die Investition wagt, gewinnt natürlich noch mehr Unabhängigkeit. Hier findest du weitere Informationen über unser Angebot für PV und Speicher. Übrigens: Wenn du ein eigenes E-Auto besitzt, kannst du über eine eigenen Wallbox dein E-Auto mit deinem eigenen Solarstrom laden.

Inverter

Der Inverter, auch Wechselrichter oder Converter genannt, wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Das macht ihn netzkompatibel. Im Anschluss kann der Strom dann für den Eigenverbrauch oder die Einspeisung verwendet werden. Der Inverter ist damit ein unverzichtbarer Teil der PV-Anlage.

5. Renaturierung durch PV-Anlagen

Photovoltaik-Anlagen gibt es natürlich nicht nur auf Hausdächern, sondern auch in Solarparks. Eine häufige Befürchtung ist, dass durch die dicht bebauten Landflächen die natürliche Biodiversität eingeschränkt wird. Um dem entgegenzuwirken, wurden sogenannte Solar-Biotope entwickelt. Diese Solarparks sind nicht auf maximale Effizienz ausgelegt. Stattdessen werden sie so gestaltet, dass größere Flächen zwischen den einzelnen Solar-Strips freigelassen werden. Insekten, Gräser, Blumen und andere Flora und Fauna haben dadurch genug Platz, um sich entfalten zu können. Indem eine Fläche aus der Intensivlandwirtschaft, zum Beispiel dem Energiepflanzenbau, herausgenommen und in Grünland umgewandelt wird, kann so die Biodiversität wiederhergestellt werden. Das bietet sich allerdings auch nur für Flächen an, die man so tatsächlich aufwerten kann. Brachflächen umzuwandeln würde zum Beispiel weniger Sinn ergeben, da dies teilweise schon Lebensräume bedrohter Arten sind.

In Deutschland sind Solar-Biotope noch relativ neu. Das Erste wurde 2017 in Frauendorf errichtet und umfasst 20 Hektar. Dort werden ungefähr elf Millionen Kilowattstunden Strom im Jahr erzeugt, womit mehr als 3.000 Haushalte versorgt werden können.

Du betreibst bereits eine PV-Anlage, deren Förderung bald ausläuft?

Hier findest du verschiedene Möglichkeiten, deine PV-Anlage nach Ende der Förderung weiter zu betreiben.

Eileen Lerch


Praktikantin Unternehmenskommunikation
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