Photovoltaik

Mit Photovoltaik (PV) lässt sich die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln. Genutzt wird dabei der sogenannte photoelektrische Effekt, der die Sonnenenergie in Gleichstrom umwandelt. Dies geschieht in der Solarzelle, die das Herzstück der PV-Anlage bildet. Der auf diese Art emissionsfrei gewonnene Strom kann im Gebäude vielfach genutzt oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden, wobei die Neufassung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) die Einspeisevergütung seit Januar 2023 verbessert. Gemeinsam mit einer Wärmepumpe ist die PV-Anlage eine ideale Grundlage für die Energieversorgung im Gebäude und somit ein wichtiger Hebel in der Energiewende.

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Funktionsweise und Arten

Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort für Licht (phos) und der Einheit der elektrischen Spannung (Volt) zusammen. Im Jahr 1839 erkannte Alexandre Edmond Becquerel bereits, dass sich das langwellige Sonnenlicht für elektrischen Strom nutzen lässt. Er schuf damit die Voraussetzung für Solarzellen und gilt deshalb als Erfinder der Photovoltaik. Anwendungsfähige PV-Systeme gibt es jedoch erst seit Mitte des 20. Jahrhunderts. Seitdem wird die PV-Technologie permanent weiterentwickelt.

Solarzellen bestehen aus zwei Schichten eines Halbleiters mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften (negativ und positiv). Die Grenzschicht zwischen beiden ist der sogenannte p-n-Übergang, in dem ein elektrisches Feld besteht. Die Sonnenstrahlung bewirkt nun, dass Photonen der Lichtenergie in dieser Grenzschicht Elektronen lösen, die durch das elektrische Feld bewegt werden, wodurch eine elektrische Spannung entsteht, die abgeleitet werden kann. Am häufigsten wird für diesen Prozess das Material Silizium verwendet, das auf ein Wellenspektrum von 300 bis 1.400 nm reagiert. Zum Einsatz kommen hauptsächlich Solarzellen mit monokristallinem Silizium und polykristallinem Silizium (Si). Einen geringeren Marktanteil haben Dünnschichtsolarzellen oder Solarzellen mit anderen Halbleitermaterialien wie amorphem Silizium (a-Si), Cadmium-Tellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-(Gallium-)Diselenid (CIS/CIGS).

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Produktion von verwertbarem Strom

Der für eine Siliziumzelle typische Wert von 0,5 bis 0,8 V ist zu niedrig für eine technische Anwendung, weswegen Solarzellen üblicherweise in Reihe oder parallel verbunden werden. Die Parallelschaltung der Zellen führt zu einer Addition des Stroms bei gleichbleibender Spannung, die Reihenschaltung bewirkt eine Addition der Spannung bei gleichbleibendem Strom. Die zu Modulen zusammengeschalteten Solarzellen werden in Rahmen eingefasst und mit einer Glasabdeckung versehen. Über Wechselrichter wird der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und anschließend für den Eigenbedarf genutzt oder ins öffentliche Netz eingespeist. Weitere Bauteile einer PV-Anlage sind Schaltvorrichtungen, Sicherungen und Blitzschutzeinrichtungen.

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Aufstellung von PV-Anlagen

Die Aufstellflächen sollten möglichst nach Süden ausgerichtet und frei von Verschattungen sein, etwa durch Bäume oder benachbarte Gebäude. Dabei kommen Dach- ebenso wie Fassadenflächen in Betracht. Die Dimensionierung einer PV-Anlage richtet sich in erster Linie nach der verfügbaren Fläche, der zu gewinnenden Strommenge und nach den finanziellen Möglichkeiten des/der Bauherr*in. Anders als bei einer solarthermischen Anlage, deren Größe genau auf den Energiebedarf des betreffenden Gebäudes ausgelegt ist, gibt es bei der Photovoltaik keine Faustregel. Es gilt: Je größer die Anlage, desto rentabler wird sie, da überschüssiger Strom ins Netz eingespeist und vergütet werden kann.

In unseren Breiten gelten folgende Richtwerte, bei einer optimalen Südausrichtung von rund 25 bis 35°:

• 1 kW installierter Photovoltaikleistung erzeugt im Jahr etwa 900 kWh Strom
• 1 KW installierter Photovoltaikleistung bedeuten etwa 8 m² Modulfläche
• 1 m² Modulfläche erbringt eine Leistung von rund 120 Watt
• Ein durchschnittlicher Haushalt (4 Personen) benötigt jährlich rund 3.600 kWh Strom.

• Inselsysteme sind unabhängig vom Stromnetz und benötigen zusätzlich Komponenten zur Stromspeicherung, um Versorgungssicherheit zu garantieren. Typische Anwendungsfälle sind etwa Gartenlauben oder Wohnmobile.
• Netzgekoppelte oder netzparallele Systeme speisen den gewonnenen Strom vollständig oder teilweise (Überschuss) ins öffentliche Netz, wobei dieser dann vergütet wird.

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Photovoltaik als Baustein künftiger Energieversorgung

Strom ist das wichtigste Energiemedium der Zukunft, da er universell einsetzbar ist. Im Sinne einer dezentralen Energieerzeugung kommt Photovoltaikanlagen deshalb eine besondere Bedeutung zu. Der Strom, der direkt am Gebäude gewonnen wird, kann im Gebäude vielfältig genutzt werden, etwa zur Warmwasserbereitung oder für sämtliche Haushaltsgeräte. Da Wärmpumpen ebenfalls mit Strom betrieben werden, kann er auch die Beheizung eines Gebäudes unterstützen. Die Speicherung von Strom erfolgt in Akkus bzw. Batterien oder in Form von Wärme in Pufferspeichern. Auch die Einspeisung ins öffentliche Stromnetz ist möglich. Die Vorteile liegen dabei klar auf der Hand: Strom aus Photovoltaik ist umweltfreundlich, unerschöpflich und unabhängig von fossilen Energieträgern. Photovoltaikanlagen amortisieren sich energetisch außerdem bereits nach ein bis zwei Jahren. Nach dieser Zeit hat die Anlage so viel Energie produziert, wie für Herstellung, Betrieb und Entsorgung aufgewendet werden müssen (Anlagen mit fossilen Brennstoffen amortisieren sich energetisch nie).

Staatliche Förderung

Der Einbau einer PV-Anlage wird staatlich gefördert. Wichtigstes Instrument dafür ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das diesbezüglich im Juli 2022 grundlegend umgestaltet wurde und im Januar 2023 vollständig in Kraft getreten ist. Bei den gesetzlich festgelegten Vergütungssätzen je eingespeister Kilowattstunde wird nach Leistung der Anlagen unterschieden (je kleiner die Anlage, desto höher die Vergütung pro kWh). Ein weiteres Kriterium ist die Volleinspeisung (höhere Vergütung) oder die Überschusseinspeisung (geringere Vergütung):

• Kleine Dachanlagen bis 10 kWp, die seit dem 30. Juli 2022 in Betrieb gegangen sind, erhalten für die Volleinspeisung ca. 13 Cent pro kWh, bei Überschusseinspeisung sind es noch 8,2 Cent pro kWh (Stand: März 2023). Dabei muss die Gewerbe- als auch die Einkommensteuer beachtet werden: Anlagen bis 10 Kilowatt Leistung sind gemäß § 3 Nr. 32 GewStG von der Gewerbesteuer befreit. Für die Einkommensteuer bleiben Anlagen bis 10 Kilowatt steuerlich unberücksichtigt; es wird für diese Anlagengröße generell keine Gewinnerzielungsabsicht aus den Einnahmen der Einspeisevergütung unterstellt („Liebhaberei“). Beide Ausnahmeregelungen müssen schriftlich beim zuständigen Finanzamt beantragt werden.
• Für Anlagen über 10 und unter 40 kWp liegt die aktuelle Einspeisevergütung bei 10,9 Cent pro kWh für die Volleinspeisung, für die Überschusseinspeisung gibt es 7,1 Cent pro kWh (Stand: 03/2023).
• Über 1 MW hinausgehende PV-Anlagen auf Dächern und Freiflächen müssen an Ausschreibungen teilnehmen, die durch die Bundesnetzagentur durchgeführt werden. Dabei wird der Vergütungssatz wettbewerblich bestimmt.

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