Photovoltaik

Mittels Photovoltaik (PV) lässt sich Sonnenlicht in emissionsfreie elektrische Energie umwandeln, wobei sogenannter Solarstrom erzeugt wird. Die PV-Module nutzen dabei den photoelektrischen Effekt, mit dem die Sonnenenergie in Gleichstrom umgewandelt wird, der dann über einen Wechselrichter im Gebäude zu nutzbaren Wechselstrom transformiert wird. Der Solarstrom kann entweder für den Eigenbedarf (Insellösung) oder ganz oder teilweise ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden (netzparallele Lösung). Der dezentral am Gebäude erzeugte Strom ist vielfältig nutzbar, etwa zur Wärmeproduktion über eine Wärmepumpe, und ist deshalb ein wichtiger Hebel der Energiewende.

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Bereits 1839 wurde von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel erkannt, dass sich langwelliges Sonnenlicht für das Erzeugen einer elektrischen Spannung nutzen lässt. Wirklich anwendungsfähige PV-Systeme allerdings gibt es erst seit Mitte des. 20. Jahrhunderts. Seither hat sich die PV-Technologie stetig weiterentwickelt, sodass es heute eine Vielzahl an unterschiedlichen (Leistungs-)Größen, Farben und Positioniermöglichkeiten gibt. Vor einer geplanten Installation sollte man sich also individuell von Fachleuten beraten lassen.

Die Photovoltaik unterscheidet sich in Funktionsweise und Erscheinungsbild grundsätzlich von der Solarthermie, bei der die Strahlung der Sonne direkt in Wärmeenergie (für Heizung und Warmwasser) umgewandelt wird.

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Aufstellung von PV-Anlagen

Moderne PV-Module können auch bei relativ wenig Licht bereits Strom erzeugen. Deshalb ist es mit diesen Modulen nicht mehr zwingend notwendig, sie nach Süden auszurichten. Eine Nord-Ausrichtung allerdings sollte vermieden werden, da es hier keine direkte Sonneneinstrahlung gibt. Um die Stromausbeute jedoch so hoch wie möglich zu gestalten, sollte die PV-Anlage möglichst viel Licht für den jeweiligen Zweck erhalten. Verschattungen durch Bäume und benachbarte Gebäude sind deshalb zu vermeiden. Am häufigsten finden sich PV-Anlagen auf Dächern, da diese Flächen in der Regel verschattungsfrei und ungenutzt sind. Aber auch Installationen am Boden sind möglich, sofern hier die gewünschte Menge an Sonnenlicht zur Verfügung steht. Ebenso erfolgt die vertikale Installation an Fassaden. Eine Sonderform der PV-Module ist die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV = Building Integrated PV), bei der die Module nicht aufgesetzt installiert sind, sondern eine zusätzliche Funktion übernehmen, etwa bei speziellen Solarziegeln, die gleichzeitig den Dachabschluss bilden.

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Grundsätzlich gilt: Je größer die PV-Anlage, also ihre Fläche ist, desto mehr erneuerbaren Strom liefert sie und desto rentabler ist sie. Überschüssiger Strom, der nicht direkt genutzt werden kann, kann in Batterien bzw. Akkus (auch in der Elektromobilität) für die spätere Nutzung zwischengespeichert werden, oder man speist ihn ins öffentliche Stromnetz, das somit als virtueller Speicher genutzt wird.

Betriebsarten

Zur Solarstromerzeugung kommen entweder netzgekoppelte Anlagen oder Insellösungen zum Einsatz. Beide bieten spezifische Vor- und Nachteile, die im Einzelfall jeder Anlagenplanung gegeneinander abgewogen werden müssen.

Inselbetrieb
Ist kein Stromnetzanschluss vorhanden, bietet die Photovoltaik eine relativ einfache Lösung, um Strom in einem Gebäude zu erhalten, da keine Leitungen von der nächstgelegenen Stromquelle aus zum Gebäude verlegt werden müssen. Dies ist wirtschaftlich sinnvoll, wenn die Installation eines Netzanschlusses teurer wäre als die PV-Installation, etwa bei Parkschein-Automaten oder Straßenlaternen, Anzeige-Tafeln, Stau-Sensoren oder landwirtschaftlichen Anwendungen wie Weidetränken, Elektrozäunen, Bewässerungen, Gewächshäusern etc. Der Betrieb größerer Anlagen wie Gebäude mit elektrischer Energie in Größenordnungen von 5.000 kWh/a ist im Vergleich zum Betrieb über einen Energieversorger oftmals teurer und deshalb nur in Sonderfällen sinnvoll, beispielsweise bei Almhütten. Der Inselbetrieb erfordert in der Regel den Einsatz eines Stromspeichers, um die Nächte oder sonnenarme Phasen gut überbrücken zu können. Die Größe des Speichers hängt vom jeweiligen Bedarf ab.

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Netzparallelbetrieb
Im Netzparallelbetrieb (oder: netzgekoppelten Betrieb) wird der in den PV-Modulen erzeugte Strom zunächst direkt im Gebäude verbraucht. Der überschüssige, also zu viel gewonnene Strom wird in den Hausanschluss des öffentlichen Stromnetzes geleitet und somit im öffentlichen Stromnetz des Elektrizitätsversorgers verfügbar gemacht. Ein Stromspeicher ist somit nicht nötig, da das öffentliche Stromnetz als virtueller Speicher dient.

Die Installation einer PV-Anlage und der gleichzeitige Anschluss ans öffentliche Stromnetz erscheinen zwar wie eine doppelte Investition. Jedoch bietet dieser Parallelbetrieb die Flexibilität, möglichst viel des selbst erzeugten Stroms zu nutzen und gleichzeitig bei Bedarf Strom aus dem öffentlichen Netz zu beziehen oder überschüssigen Strom ins öffentliche Netz zu speisen. Für die Einspeisung ins öffentliche Netz gibt es außerdem in der Regel eine Vergütung, mit der die Investition in die PV-Anlage zum Teil kompensiert werden kann. Wie hoch die Einspeisevergütung ist, hängt von der derzeitigen Gesetzeslage sowie der Art der PV-Anlage ab. So gab es etwa im Jahr 2025 bei einer PV-Anlage bis 10 kWp 7,94 ct/kWh. Um die volle Einspeisevergütung zu erhalten, sind jedoch in der Regel ein Smart Meter sowie eine Steuerungseinrichtung erforderlich.

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Photovoltaik und die künftige Energieversorgung

In einer zukunftsträchtigen Energieversorgung spielt Strom eine wichtige Rolle, da er universell einsetzbar ist. Eine große Rolle spielt ebenfalls die dezentrale Energieerzeugung, denn dadurch muss der in Kraftwerken produzierte Strom nicht über lange Stromtrassen zu den Gebäuden (also zu den Verbraucher*innen) transportiert werden. Der erneuerbaren Energie aus der Photovoltaik kommt deshalb eine besondere Bedeutung zu. Dieser Strom kann für fast alle Geräte in einem Haushalt genutzt werden, außerdem kann er für die Trinkwarmwasserbereitung und für die Heizung über eine Wärmepumpe eingesetzt werden. Die Speicherung in Akkus und die Einspeisung in das Stromnetz erfordern keine komplexen Anlagen. Die Vorteile liegen also auf der Hand: Strom aus Photovoltaik ist umweltfreundlich, unerschöpflich und unabhängig von fossilen Energieträgern, in der Produktion also gänzlich emissionsfrei. Eine Investition in eine Photovoltaikanlage amortisiert sich in der Regel bereits nach wenigen Jahren. Über ihren Lebenszyklus hinweg produziert eine PV-Anlage so viel erneuerbare Energie, dass der Aufwand für Herstellung, Betrieb und Entsorgung kaum ins Gewicht fällt.

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Materialität und Herstellung

Photovoltaik-Module bestehen überwiegend aus Silizium, das als Hauptmaterial für Solarzellen genutzt wird und in der Erdkruste häufig vorkommt. Allerdings kommen in bestimmten Solarzellentechnologien auch seltene und wertvolle Metalle zum Einsatz, darunter Indium, Tellur, Silber, Kupfer und in geringeren Mengen auch sogenannte Seltene Erden. Insbesondere Indium ist einer der knappsten Ressourcen der Erde und wird vor allem in Dünnschicht-Solarzellen (wie CIGS-Zellen) verwendet. Die größten Herausforderungen bestehen darin, dass der Abbau und die Verarbeitung dieser Metalle mit Umweltbelastungen und schlechten Arbeitsbedingungen verbunden sein können und Recyclingverfahren für diese Stoffe noch nicht flächendeckend etabliert sind.

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