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Unser Lexikon - Hier erfahren Sie alles rund um das Thema Solarenergie!

Der zusehende Schwund unserer fossilen Brennstoffe und die zunehmende Umweltschädigung machen neue Energien erforderlich, die sich zum einen selbst regenerieren und zum anderen den Lebensraum Erde nicht belasten. Erneuerbare Energien in ihren verschiedenen Formen erfüllen diese Anforderungen.

Woraus sich erneuerbare Energien speisen

Man unterscheidet verschiedene Formen von erneuerbaren Energien. Sonne, Wasser und Wind sind unerschöpflich und können vom Menschen als Energieträger genutzt werden, ohne dass ihr Potential abnimmt. Aber auch nachwachsende Rohstoffe sind erneuerbare Energien. Sie wachsen immer wieder nach, bei ihrer Nutzung als Energieerzeuger werden keine Stoffe frei, die nicht ohnehin in der Atmosphäre oder auf dem Erdboden vorhanden sind. Dadurch fallen weniger Schadstoffe an, unser Planet wird weniger belastet. Allerdings kämpft die Branche heute noch mit zwei großen Problemen. Zum einen können erneuerbare Energien oft schwer gespeichert werden, weiterhin wird bei der Verbrennung und Umwandlung teilweise noch kein befriedigender Wirkungsgrad erreicht.

Solarzellen

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken.
Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, daß es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist.
Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial “dotiert”. Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann.
Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang.
An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom.
Siliziumzellen sind etwa 10 cm ´ 10 cm groß (seit kurzem auch 15 cm ´ 15 cm). Eine durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.

Photovoltaik

Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgang beruht auf dem bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekt. Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung.
Photovoltaik-Anlagen zählen genauso wie die Anlagen aus dem Teilbereich der Solarthermie zu den Solaranlagen. Der Unterschied liegt darin, dass mit Hilfe von Photovoltaik-Anlagen die Solarenergie in Strom umgewandelt wird. Solarthermie-Anlagen nutzen die Solarenergie zum Heizen bzw. zur Warmwasseraufbereitung. Als Solarenergie bezeichnet man die aus reiner Sonnenkraft erzeugte Energie.
Die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom erfolgt über Solarzellen aus Silizium, die zu Modulen zusammengeschlossen sind. Neben den Zellen benötigt eine PV- oder Solarstromanlage auch Akkumulatoren, die den erzeugten Gleichstrom speichern. Die somit gespeicherte Solarenergie kann nach der Umwandlung in Wechselstrom privat genutzt oder dem öffentlichen Stromnetz zugeführt werden. Die Förderung für Photovoltaik in Deutschland ist vom Installationszeitpunkt und der Leistungsfähigkeit der Solaranlage abhängig. Besonders auf lange Sicht lohnt sich die Anschaffung einer PV-Anlage.

Unterschiedliche Zelltypen

Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristallin, polykristallin und amorph.
Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade.
Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschließend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, spricht man von amorphen- oder Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm), so daß die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen allerdings noch weit unter denen der anderen beiden Zelltypen. Anwendung finden sie vor allem im Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.

Material

Wirkungsgrad in %

Labor

Wirkungsgrad in %

Produktion

Monokristallines Silizium etwa 24 14 bis 17
Polykristallines Silizium etwa 18 13 bis 15
Amorphes Silizium etwa 13 5 bis 7

Von der Zelle zum Modul

Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und 100 Wpeak. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte

Natürliche Grenzen beim Wirkungsgrad

Außer an der Optimierung von Produktionsprozessen arbeitet man auch an einer Erhöhung der Wirkungsgrade, um zu einer Verbilligung der Solarzellen zu kommen. Unterschiedliche Verlustmechanismen setzen diesem Vorhaben aber Grenzen. Grundsätzlich sind die einzelnen Halbleitermaterialien oder -kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche des einfallenden Lichtes geeignet. Ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie kann also nicht genutzt werden, weil die Lichtquanten (Photonen) nicht über ausreichend Energie verfügen, um Ladungsträger “aktivieren” zu können. Auf der anderer Seite wird ein gewisser Anteil an Photonen-Überschußenergie nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelt. Hinzu kommen optische Verluste, wie die Abschattung der Zelloberfläche durch die Kontaktierung oder die Reflexion einfallender Strahlung an der Zelloberfläche. Auch elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter und in den Anschluss Leitungen sind als Verlustmechanismen zu nennen. Der störende Einfluss von Materialverunreinigungen, Oberflächeneffekten und Kristalldefekten ist ebenfalls nicht unerheblich.
Einzelne Verlustmechanismen (Photonen mit zu geringer Energie werden nicht absorbiert, Photonen- Überschuss Energie wird in Wärme umgewandelt) können nicht weiter optimiert werden, weil sie aus physikalischen Gründen durch das verwendete Material vorgegeben sind. Dies führt zu einem theoretisch maximalen Wirkungsgrad von beispielsweise etwa 28 % bei kristallinem Silizium.

Wechselrichter

Solar Wechselrichter oder Photovoltaik Wechselrichter erfüllen die Aufgabe, den Ausgangsstrom von Solarzellen in für den Haushalt gebräuchlichen Strom zu verwandeln. Die Photovoltaik-Technik erzeugt Gleichstrom, welcher nicht in der Form in das Haus Netz eingespeist werden kann. Der Solarwechselrichter wandelt den Gleichstrom dann in Wechselstrom um, sodass er in das Haus Netz bzw. das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Folgende Typen von Photovoltaikwechselrichtern gibt es:

  • Modulwechselrichter (Jedes Modul der Photovoltaikanlage hat einen eigenen Wechselrichter)
  • Strangwechselrichter (für mehrere in Reihe geschaltete Module)
  • Multistrangwechselrichter (ein- oder dreiphasig für mehrere Modulstränge)
  • Zentralwechselrichter (Wird meist bei Großanlagen eingesetzt. Zentraler Wechselrichter für die komplette Photovoltaikanlage)

PV- Komplettanlagen tragen zum Umweltschutz bei. Der Trend zur eigenen Solaranlage ist in den vergangenen Jahren erheblich gestiegen, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Stromerzeugern mehr Vorteile bietet. Wichtigster Punkt ist die Senkung der eigenen anfallenden Stromkosten. Zusätzlich bringt man im Zuge der Einspeisevergütung den eigenen regenerativ erzeugten Strom im allgemeinen Stromnetz in Umlauf und steigert aktiv die Nutzung von Sonnenenergie. Deutsche Elektrizitätsversorgungsunternehmen garantieren dafür eine zahlbare Vergütung.

Welche Kosten verursacht der laufende Betrieb?

Maximal 1 % der Gesamtinvestition ist als kalkulatorischer Betrag hierfür anzusetzen.

Welche Techniken gibt es?

Für die Photovoltaik gibt es mehrere Arten der Nutzung:

Die netzparallele Anlage Hier wird die gewonnene Energie direkt in das Netz des Stromversorgers eingespeist. Es muss ein extra Zähler montiert werden.

Den Eigenverbrauch des erzeugten Stroms Der erzeugte Strom kann auch teilweise zum Eigenverbrauch verwendet werden. Der nicht selbst verbrauchte Solarstrom wird dann weiterhin zum normalen Vergütungssatz ins öffentliche Stromnetz eingespeist.

Die netzunabhängige Anlage (Inselanlage) Diese Anlage verwendet man hauptsächlich in Schrebergärten, Berghütten, Bienenständen usw. Hier wird die erzeugte Gleichspannung direkt genutzt oder mit einem Wechselrichter in 230V-Wechselspannung umgewandelt

Eigenverbrauch lohnt sich!

Rechenbeispiel: Ein 3-Personen Haushalt mit einem Jahresverbrauch von 4.000 kWh zahlt einen Abschlag in Höhe von 80,- Euro monatlich (bei 25 Cent pro kWh brutto – Stand 06/2012).

Mit einer Solarstromanlage können Sie bis zu 70% Ihres Stromverbrauchs selbst abdecken und Ihre monatliche Abschlagszahlung deutlich senken. Und dabei sind die Kosteneinsparungen durch ständig steigende Strompreise noch gar nicht eingerechnet!
Den Strom, den Sie nicht selbst verbrauchen, können Sie nach wie vor in das öffentliche Stromnetz einspeisen und zusätzlich von der gesetzlich garantierten Einspeisevergütung profitieren.
Solarstrom selbst nutzen und von Strompreiserhöhungen unabhängig werden.

Solarthermie Warmwasser mit der Sonne

Eine Solarthermie-Anlage liefert Wärme, die zur umweltfreundlichen und langfristig kostengünstigen Warmwasserbereitung in Ihrem Haus genutzt werden kann. Auch die Heizung kann ganz oder teilweise damit gespeist werden. Wie Sie die Energie der Sonne in Ihrem Haus nutzen können, erfahren Sie hier.
Der einfachste Anlagetyp liefert warmes Wasser für Küche und Bad. Übers Jahr werden rund 70% des Bedarfs durch die Sonne, der Rest von der konventionellen Heizung gedeckt. Für einen Vier-Personen-Haushalt genügen vier bis sechs Quadratmeter Kollektorfläche (verglaste Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren) in Verbindung mit einem 400 bis 500 Liter Warmwasserspeicher. Während ihrer Lebensdauer von mindestens 25 Jahren spart die Solaranlage rund 60.000 Kilowattstunden (kWh) Energie und 25 Tonnen CO2- Emissionen ein. Darüber hinaus verlängert sie die Lebensdauer der konventionellen Heizung, da diese im Sommer nicht mehr betrieben werden muss.

Versicherungen im Überblick

Die einzelnen Photovoltaik-Versicherungen haben einen unterschiedlichen Leistungsumfang. Auch wenn man schon im Besitz einer Gebäude- oder Haftpflichtversicherung ist, muss bei der Installation einer PV-Anlage der Versicherer informiert werden. Da sie eine Wertsteigerung des Gebäudes darstellt, fallen die Prämien manchmal höher aus. Auch die Beitragssätze für die Haftpflichtversicherung müssen neu berechnet werden. So kann es vorkommen, dass die PV-Anlage wegen fehlerhafter Wechselrichter Schäden im Stromnetz anrichtet und teure Folgeschäden nach sich zieht. Eine Rundum-Absicherung bietet die spezielle Solaranlagenversicherung. Sie lässt sich individuell auf Bedürfnisse des Betreibers anpassen und bietet einen hohen Leistungsumfang. Die Tarife und Leistungen fallen sehr unterschiedlich aus. Daher ist es ratsam, mehrere Versicherer zu vergleichen.

Merkmale

Gebäudeversicherung
  • Prämien müssen nach dem Errichten der PV-Anlage neu berechnet werden
  • Schäden durch Feuer, Sturm, Hagel, Wasser und Blitz sind meistens abgedeckt
Haftpflichtversicherung
  • am besten schon vor der Installation abschließen, da auch bei der Montage Dritte gefährdet werden können
  • deckt Schäden an Fahrzeugen oder Menschen, wenn sich ein Modul löst
Solaranlagenversicherung
  • auch „All-Gefahren-Versicherung“ genannt
  • der Absicherungsumfang liegt meist höher als bei der Gebäudeversicherung
  • deckt auch Schäden durch Naturgewalten, Kurzschluss, Konstruktionsfehler, Bedienungsfehler, Diebstahl oder Vandalismus