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Das Dach als Energiequelle: Photovoltaik

Als der französische Physiker Alexander Edmund Bequerel im Jahr 1839 den Photoeffekt entdeckte, schuf er auch die Voraussetzung für Solarzellen – die Grundkomponente jeder Photovoltaikanlage. Anwendungsfähige Photovoltaiksysteme gab es allerdings erst Mitte des 20. Jahrhunderts. Seitdem wird die Technik der Photovoltaik ständig weiterentwickelt. Die neuste Innovation ist eine Materialsynthese aus photoreaktiven Partikeln und Baustoffen auf Zementbasis. Dieses Verfahren basiert auf den Prinzipien der Farbstoffsolarzellen (Forschungsplattform Universität Kassel).

Einstrahlungswerte in Deutschland in kWh pro Quadratmeter und Jahr

Bild: Beratungsmappe Photovoltaik, 5. Auflage, Beuth Verlag / Rudolf Müller Verlag

Abhängigkeit des Ertrages von Neigung und Ausrichtung der Solarmodule

Bild: Beratungsmappe Photovoltaik, 5. Auflage, Beuth Verlag / Rudolf Müller Verlag

Netzgekoppelte PV-Anlage mit Volleinspeisung

Bild: Beratungsmappe Photovoltaik, 5. Auflage, Beuth Verlag / Rudolf Müller Verlag

Solarzellen bestehen aus zwei Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Bei Lichteinfall baut sich elektrische Spannung auf, die in Gleichstrom oder mithilfe eines Wechselrichters auch in Wechselstrom umgewandelt werden kann. Es gibt verschiedene Zellentypen, die sowohl nach dem verwendeten Halbleitermaterial als auch nach der Zelltechnologie differenziert werden:

monokristallines Silizium
moly- bzw. multikristallines Silizium
amorphe Silizium-Solarzellen
Dünnschichtzellen

Die Zelltypen unterscheiden sich nicht nur im Wirkungsgrad, sondern auch im Rohstoffverbrauch und den Fertigungskosten. Der Wirkungsgrad ist zudem abhängig von Neigung und Ausrichtung der Module. Ideal sind Neigungswinkel zwischen zwanzig und sechzig Grad sowie eine Orientierung nach Süden. Bevor man eine Nutzung des Daches für Solaranlagen plant, sollten einige Grundlagen berücksichtigt bzw. sichergestellt werden:

Statik des Daches
Funktionsfähigkeit der Dachabdichtung
ausreichende Dachdämmung
Dachaufbauten wie Antennen bzgl. Verschattung prüfen
Wachstum von Bäumen

Für eine nachträgliche Aufrüstung mit einer PV-Anlage bieten sich Aufdachlösungen an. Dabei werden die Photovoltaikmodule auf Metallkonstruktionen befestigt, die über der eigentlichen Dachdeckung verlaufen. Von Vorteil hier ist neben der günstigen Nachrüstungsmöglichkeit die Hinterlüftung der Zellen, denn bei zunehmender Erwärmung nimmt deren Wirkungsgrad ab. Daher gibt es mittlerweile Elemente, welche die Wärme mittels Wärmetauscher abführen und ebenfalls nutzen.

Bei Indachlösungen werden die Solarmodule in die Ebene der Dachdeckung integriert und diese somit in Teilen oder in Gänze ersetzt. Die Lösung ist optisch ansprechender und die Elemente liegen geschützter. Zudem sind der Verbrauch an Eindeckungsmaterial und die vom Dach zu tragenden Lasten geringer. Diese Lösung bietet sich insbesondere bei Neubauten an.

Berücksichtigt werden sollte bei der Auslegung der Anlage außerdem die Leistungsabnahme durch Alterung der Module (Degradation). Man unterscheidet zwischen Anfangs- und Langzeitdegradation. Des Weiteren ist eine effiziente Erhöhung des selbst verbrauchten Stromanteils nur durch den Einsatz von elektrischen Speichern möglich. Die Kosten für eine gespeicherte kWh Strom reichen heute noch von ca. 25 Cent bis zu einem Euro. Mit der fortschreitenden technischen Entwicklung der Akkusysteme werden die Kosten allerdings sinken.

“Das Ende der Dominanz der fossilen Brennstoffe ist näher, als manch einer denkt", meint der Zukunftsforscher Lars Thomson. Schon bald seien die erneuerbaren Energien weltweit günstiger als die fossilen. Eines der größten Wachstumsfelder und zugleich eine der größten Herausforderungen werde dabei die Zwischenspeicherung sein, so Thomson.