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Geschichte der Photovoltaik
Photovoltaik (abgekürzt PV oder Solarstrom genannt) ist die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie.
Dies geschieht in einer Solarzelle aufgrund des physikalischen Photoeffekts völlig bewegungs-, geräusch- und emissionsfrei.
Der physikalische Effekt, der der Photovoltaik zugrunde liegt, wurde bereits 1839 vom Physiker Becquerel entdeckt. Albert Einstein lieferte 1904 in seiner berühmten Arbeit zur Quantenphysik des Lichts die Erklärung dazu. Bis zur Erfindung des Transistors 1949 schenkte man den beobachteten Effekten jedoch keine weitere Beachtung. Erst im Zeitalter der Halbleitertechnik Anfang der 1950er Jahre wurde die Idee von Becquerel wieder aufgegriffen und im Jahre 1953 die erste Solarzelle in den USA entwickelt (Bell Laboratories). 1958 fliegt der erste mit einer Solarzelle bestückte Satellit ins Weltall und 1981/82 werden in der Schweiz die beiden ersten PV-Anlagen ans Netz angeschlossen: erst die am Eidgenössischen Institut für Reaktorforschung (heutiges Paul-Scherrer-Institut), dann die auf der heutigen Fachhochschule der Südschweiz (SUPSI) in Locarno. Die zweitere liefert bis heute zuverlässig Strom! 1991 führt die Stadt Burgdorf mit dem "Burgdorfer Modell" ein Vergütungssystem für PV-Strom ein. Auf dessen Basis entwickelte Deutschland später das Erneuerbare-Energien-Gesetz, welches der Photovoltaik weltweit zur Wirtschaftlichkeit verhalf.
Grundlagen
Zelltypen
Die Solarzellentechnologien lassen sich in drei Gruppen unterteilen:
- kristalline Silizium-Zellen
- Dünnschicht-Zellen
- neue Materialien
Netzverbund- oder Inselanlage
Photovoltaikanlagen können in Netzverbund- und Inselanlagen eingeteilt werden.
Bei Inselanlagen wird der solare Energieertrag mit dem Energiebedarf abgestimmt. Da der solare Energieertrag oft zeitlich nicht mit dem Energiebedarf der angeschlossenen Verbraucher übereinstimmt, werden Batterien als Energiespeicher eingesetzt.
Bei netzgekoppelten Anlagen wirkt das öffentliche Stromnetz als Energiespeicher. Die Batterien können weggelassen oder als zusätzliche Komponenten zur Steigerung des Eigenverbrauchs eingebaut werden.
In den meisten Fällen gilt also die Regel: Ist ein öffentliches Stromnetz vorhanden, wird eine netzgekoppelte Anlage realisiert - fehlt eine öffentliche Stromversorgung, muss auf ein Inselsystem zurückgegriffen werden.
Montagearten: "aufdach" und "indach"
Bei der Installation von Photovoltaikanlagen gibt es zwei gängige Montagearten: Indach- und Aufdachmontage. Beide Methoden haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, die je nach den spezifischen Gegebenheiten und Anforderungen des Projekts berücksichtigt werden sollten.
Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede im Detail:
"aufdach"
"indach"
Beschreibung
Bei der Aufdach-Montage werden die PV-Module mittels einer geeigneten Unterkonstruktion auf die bestehende Dacheindeckung (Ziegel, Blech, Faserzement) montiert. Die PV-Anlage wird als "aufgesetztes" Element betrachtet. Es besteht ein Zwischenraum zwischen der Dacheindeckung und der PV-Anlage.
Bei der Indach-Montage bildet die PV-Anlage die äusserste/ wasserführende Schicht des Daches. Die Module ersetzen dabei Teile des Daches, es besteht keine zusätzliche Dacheindeckung. Die PV-Anlage bildet die Dachhaut oder wird in diese eingelassen.
Ästhetik
Aufdach-Anlagen verändern das Erscheinungsbild eines Daches mehr und werden eher als "Fremdkörper" empfunden.
Dachintegrierte PV-Anlagen bieten ein elegantes und modernes Erscheinungsbild und werden meistens als ästhetisch ansprechender empfunden.
Kosten
Aufdach-Anlagen sind in der Regel eher günstiger.
Diese Installationsart kann teurer sein, da der Planungsaufwand höher ist, die Bauteile teurer sind und in der Regel weitere Anschlussarbeiten eines Spenglers anfallen.
Zugänglichkeit
Bei den Aufdach-Anlagen sind Wartungsarbeiten in der Regel einfacher durchzuführen, da die Module beser zugänglich sind.
Bei den Indach-Anlagen sind Wartungsarbeiten in der Regel aufwändiger.
Hinterlüftung / Wärmeentwicklung
Bei Aufdach-Anlagen besteht in der Regel zwischen den PV-Modulen und der darunter liegenden Schicht ein grösserer Zwischenraum, was zu einer besseren Hinterlüftung der Anlage führt.
Es ist nicht immer einfach, einen durchgängig grossen Zwischenraum zwischen PV-Modulen und Unterdach zu realisieren, was zu einer eher schlechteren Hinterlüftung führt.
Brandschutz
Durch die Dachhaut ist die Dachkonstruktion von den elektrischen Komponenten der PV-Anlage getrennt, was zu einer weiteren Sicherheit punkto Brandschutz führt.
Die Installation einer dachintegrierten PV-Anlage erfordert erhöhte Sorgfalt punkto Brandschutz. Im (seltenen) Fall eines grossen elektrischen Defekts in der PV-Anlage (Brand in einer Anschlussdose, Lichtbogen) besteht ein erhöhtes Brandrisiko.
Anwendung
Auf bestehenden Gebäuden, an denen keine Dachsanierung fällig ist, werden meist Aufdach-Anlagen installiert.
Bei Neubau eines Hauses oder im Falle einer Dachsanierung kann eine Indach-Anlage in Betracht gezogen werden.
Bezeichnung
Pronovo
Angebaut
Integriert
Temperatur- und Einstrahlungsverhalten
Leistung
Die Leistung von Photovoltaikmodulen ist primär abhängig von zwei Einflussfaktoren. Diese sind zum einen die Einstrahlungsintensität und zum anderen die Modultemperatur.
Die elektrische Spannung einer Solarzelle hat nur eine sehr geringe Abhängigkeit von der Einstrahlung. Das bedeutet, dass schon bei geringer Einstrahlung an einem Modul annähernd die volle elektrische Spannung anliegt. Der Modulstrom wird durch eine Änderung der Einstrahlung am stärksten beeinflusst. Die Abhängigkeit ist in etwa linear. Bei halber Einstrahlung liefert das PV-Modul also nur noch den halben Strom, und somit auch nur noch die halbe Leistung.
Dies ist aus abgebildeten Diagramm 'Einstrahlung' ersichtlich.
Einstrahlungs-Diagramm
Temperaturkoeffizient
Der Temperaturkoeffizient beschreibt das Verhalten des Moduls bei sich ändernder Temperatur.
Während der Modulstrom einen kleinen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt, ist der Koeffizient der Spannung deutlich negativ. Das ergibt in Summe einen negativen Koeffizienten für die Modulleistung.
Die Temperaturabhängigkeit von kristallinen PV-Modulen beträgt rund -0.3%/°C. Das bedeutet, dass die Leistung bei 10°C höherer Modultemperatur rund 3% sinkt. Im Sommer kann so die Modulleistung gegen 30% sinken.
Dies ist aus abgebildeten Diagramm 'Temperatur' ersichtlich.
Temperatur-Diagramm
Degradation
Degradation bezeichnet die Leistungsminderung von Photovoltaikmodulen im Laufe der Zeit durch Alterung. Es wird ein Zeitraum von 20 bis 25 Jahren betrachtet. Bisher übliche Annahmen zur Degradation liegen bei rund 0.5% Leistungsverlust pro Jahr. Diese widerspiegeln sich in den Leistungsgarantien der meisten Modulherstellern. So werden z.B. 10 Jahre 90% der Leistung garantiert, und in den nächsten 10 Jahren noch 80% Leistung.
Neuere wissenschaftliche Untersuchungen gehen allerdings nur noch von rund 0.1% Leistungsminderung pro Jahr aus (Fraunhofer ISE).
Wie es scheint, wird die Degradation mehr oder weniger durch die steigende Einstrahlung kompensiert.
Umweltbelastung
Die Nutzung der Photovoltaik zur Erzeugung von Solarstrom ist nicht nur nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten effektiv: auch die Umwelt profitiert von dieser Technologie. Die Umweltbilanz der Photovoltaik ist aus mehreren Gründen positiv, denn die Anlagen sparen nicht nur fossile Brennstoffe ein und reduzieren so die Kohlendioxidemissionen - über ihre Lebensdauer erzeugen Photovoltaik Anlagen insgesamt viel mehr Energie, als zu ihrer Herstellung benötigt worden ist (siehe Energierücklaufzeit).
Weitere Infos: Studie zur Ökobilanz
Energierücklaufzeit
Anlagen für die Gewinnung erneuerbarer Energie nutzen im Betrieb nur kostenlose und unschädliche Umweltenergie, beispielsweise Sonnenenergie. Jedoch entsteht bei ihrer Herstellung ein gewisser Aufwand an Energie, die auch als graue Energie bezeichnet wird. Ein Netto-Gewinn an Energie entsteht erst nach einer gewissen Betriebszeit, der energetischen Amortisationszeit (Energierückzahlungszeit, Energy payback time), innerhalb derer die für die Herstellung aufgewendete Energie von der Anlage erzeugt (quasi zurückgezahlt) wird. Diese Zeit ist normalerweise deutlich kürzer als die finanzielle Amortisationszeit. Bei kristallinen Modulen beträgt die Energierücklaufzeit zwischen 1 und 2 Jahren - Tendenz weiter sinkend.
Weitere Infos: Studie zur Energierücklaufzeit (de)
More infos: Study on the energy payback time (en)
Smart Energy
Was bedeutet Smart Energy
Mit dem Begriff Smart Energy sind intelligente Technologien in den Bereichen der Energieerzeugung, Energiespeicherung, Energieübertragung sowie der Verbrauchersteuerung gemeint. Smart Energy steht für die gesamte Kette, d. h. von der Erzeugung bis zum schlussendlichen Verbrauch der Energie. Neben dem Begriff Smart Energy wurden in den letzten Jahren auch andere Begriffe wie Smart Grid, Smart Home oder Smart Metering populär. Diese sind als Teilbereiche von Smart Energy zu verstehen. Smart Grid steht kurz für intelligente Übertragung und Verteilung von Energie, Smart Metering für das intelligente Messen und Steuern des Energieverbrauchs. Smart Home ist der Teilbereich von Smart Metering, bei welchem es ausschliesslich um die Anforderungen von Privathaushalten geht.
In der Photovoltaik werden Smart Energy - Konzepte verwendet, um den Eigenverbrauch des mit der Anlage erzeugten Stroms zu erhöhen. Es gelten folgende groben Richtwerte für den Eigenverbrauch:
Optimierung | Eigenverbrauch |
|---|---|
keine Optimierung | 20-30 % |
grosse Verbraucher
(Boiler, WP, Elektromobil) | 30-50 % |
Batteriespeicher | 50-70 % |
Eigenverbrauch
Unter Eigenverbrauch versteht man den Anteil des erzeugten Solarstroms, der direkt im eigenen Haushalt genutzt wird, anstatt ins öffentliche Stromnetz eingespeist zu werden. Dies bedeutet, dass der Strom, der von der PV-Anlage produziert wird, zur Deckung des eigenen Energiebedarfs verwendet wird, was zu einer Reduzierung der Stromkosten führt.
Da der eingespeiste Strom mit einem geringeren Tarif vergütet wird, als der bezogene Strom verrechnet wird, besteht ein Anreiz, möglichst viel des produzierten Stroms selbst zu nutzen. So wird beispielsweise versucht, grosse elektrische Verbraucher (Wärmepumpe, Boiler, Geschirrspüler, Waschmaschine) dann einzuschalten, wenn genügend PV-Strom zur Verfügung steht.
Ansteuerung Wärmepumpe
Mit einer intelligenten Steuerung kann man mit einer Wärmepumpe den zeitgleichen Eigenverbrauch von Photovoltaikanlagen steigern. Dazu braucht es jedoch ein System mit optimal aufeinander abgestimmten Komponenten, mit der richtigen Integration, mit der passenden Hydraulik und einer sinnvollen Parametrierung.
Der Eigenverbrauchsanteil steigt so auf ca. 35 bis 45 %. Insbesondere wenn im Sommer mit der Wärmepumpe auch gekühlt wird, kann ein grosser Teil der PV-Energie dafür bereitgestellt werden.
Ansteuerung Boiler
Unter den elektrischen Verbrauchern im Haus bietet vor allem warmes Trinkwasser eine gute Möglichkeit, den Eigenverbrauch des Solarstroms zu steigern.
Der Warmwasserbedarf ist übers Jahr ungefähr gleich gross. Er hängt von der Zahl der Bewohner und ihren Gewohnheiten ab. In der Regel ist ein Warmwasserspeicher vorhanden, der nun durch Sonnenstrom angesteuert und versorgt wird. Die Ansteuerung kann entweder durch eine leistungsabhängige Ein-/Aus-Steuerung des Heizstabs oder Wärmepumpen-Boilers geschehen, oder durch eine stufenlose Ansteuerung eines Heizstabs.
Batteriespeicher
Mit einem Batteriespeicher können Sie den Eigenverbrauch Ihrer PV-Anlage auf bis zu 75% erhöhen.
Je nach Bedarf wird der Strom direkt im Haushalt verbraucht, in der Batterie gespeichert, oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Der Speicher wird in der Regel auf den Nachtverbrauch ausgelegt: er soll am Tag so viel Energie aufnehmen, damit der nächtliche Strombedarf gedeckt werden kann. Es geht also nicht um eine saisonale Speicherung.
