Solarenergie Solarenergie ist neben der Windenergie eine wichtige Säule der Energiewende in Deutschland. Aber wie funktioniert Sonnenenergie?

Photovoltaikanlage auf dem Dach eines Bauernhofes

Inhalt

Wie kann Energie aus Sonnenlicht gewonnen werden?

Die Energiegewinnung aus Sonnenlicht ist keine neue Idee, ganz im Gegenteil. Bereits erste Hochkulturen zeigten leichte Ansätze von passiver Solarenergienutzung. Zum Beispiel waren Eingänge und Fensteröffnungen von Häusern in wärmeren Gebieten überwiegend von der Sonne abgewandt, damit die warme Mittagssonne ferngehalten werden konnte. Wohingegen im nördlichen Raum die Türen und Fenster der Mittagssonne zugewandt waren. Durch die Ausrichtung gen Süden wurden die wärmenden Sonnenstrahlen optimal genutzt.

In Deutschland wird Sonnenlicht hauptsächlich auf zwei Arten in Energie umgewandelt: entweder durch Photovoltaik in elektrische Energie, also Strom, oder durch Solarthermie in thermische Energie, also Wärme. Solarthermische Anlagen werden häufig in privaten Haushalten verwendet, für die Warmwasserversorgung und Heizung, wodurch auf konventionelle Energiequellen wie Gas und Heizöl ganz oder teilweise verzichtet werden kann.

Seit wann gibt es Photovoltaik?

Der photovoltaische Effekt wurde bereits 1839 vom französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Bei seinen Experimenten mit Batterien beobachtete er, dass durch Sonnenbestrahlungen die Leistung seiner Batterien positiv beeinflusst wurde. Daraus schloss er, dass entweder der Energieverlust geringer ausfiel, oder sogar durch Sonnenbestrahlung Energie produziert wurde. Im weiteren Experimenten konnte er den photovoltaischen Effekt nachweisen, sprich die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom.

Die erste Solarzelle auf Siliziumbasis wurde 1954 in den Bell-Laboratories (USA) der Öffentlichkeit vorgestellt. Ihren ersten Einsatz hatte die Technologie in der Raumfahrt im Jahr 1958 mit dem Satellit “Vandguard1”.

Im Zuge der Ölkrise 1973 und 1974 setzte ein Umdenken in der Energieversorgung ein. Als Folge dessen wurde zunehmend in die Erforschung alternativer Energiequellen investiert. In den 1980ern fand im Zuge der Tchnernobyl-Katastrophe ein weiteres Umdenken statt, wodurch schließlich der Einstieg in erneuerbare Energien geebnet wurde.

In Deutschland wurde der Ausbau des erneuerbaren Energienetzes durch das EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) gefördert. Ziel des EEG ist es, die Energiewende in Deutschland zu fördern und damit transnationalen Verpflichtungen wie z. B. im Kyoto-Protokoll und dem Pariser Klimaabkommen nachzukommen.

In welchen Teilen Deutschlands ist die Sonneneinstrahlung besonders hoch?

Das Bundesland Baden-Württemberg gehört mit ca. 2.053 Sonnenstunden im Jahr (Statista, 2020) zu den sonnigsten Bundesländern in Deutschland. Neben Baden-Württemberg liegen auch das Saarland und Bayern über dem landesweiten Durchschnitt an Sonnenstunden. Die Leistung einer PV-Anlage lässt jedoch nicht direkt aus den Sonnenstunden ableiten, sondern hängt immer auch von den entsprechenden Solarmodulen ab. Je besser das Solarmodul und der Standort, desto mehr Energie lässt sich generieren.

Mittlere Jahressummen der Sonneneinstrahlung in Deutschland

Wo stehen die meisten PV-Anlagen in Deutschland?

Aufgrund der hohen Anzahl an Sonnenstunden im Süden der Republik ist es kaum überraschend, dass dort auch die meisten PV-Anlagen zu finden sind. So stehen die meisten Photovoltaikanlagen in Deutschland in Bayern, dicht gefolgt von Baden-Württemberg (Statista, 2021). Im Jahr 2020 betrug die Nennleistung der Photovoltaikanlagen in Bayern 14,6 Gigawattpeak (14.560 Megawattpeak), wohingegen Baden-Württemberg mit 6,9 Gigawattpeak rund 50 % weniger Leistung aufwies.

Nennleistung nach Bundesländern 2020Daten: Statista, 2021

Wie ist die Gesamt-CO₂-Bilanz von PV?

Der Betrieb einer PV-Anlage ist emissionsfrei, jedoch setzt ihre Herstellung CO₂ frei. Daher errechnet sich die CO₂-Bilanz aus den freigesetzten Emissionen im Herstellungsprozess, der Leistung und Lebensdauer einer Anlage. Emissionsfrei ist eine solche Anlage nur, wenn sie die energetische Amortisationszeit (Energy-Payback-Time) erreicht, also den Punkt an dem so viel CO₂ eingespart wird, wie in der Herstellung freigesetzt wurde.

Einer Studie des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme zufolge beträgt die energetische Amortisationszeit in Europa für Photovoltaik-Dachanlagen nur noch 1-1,3 Jahre.

Solarpark in Sachsen nahe der Autobahn

CO₂-Bilanz Deutschland

Mit einem Anteil von ca. 2 % am weltweiten CO₂-Ausstoß wirkt Deutschland im direkten Vergleich mit anderen Ländern wie China (ca. 29,7 %) oder den USA (ca. 13,9 %) wie ein verhältnismäßig kleiner Klimasünder.

Ist Deutschland nun aus der Verantwortung?

Nein, denn den CO₂-Ausstoß ausschließlich an den jeweiligen Landesgrenzen fest zu machen, ist nur bedingt hilfreich. Auch wenn die deutsche Bevölkerung nur ca. 1,07 % der Weltbevölkerung ausmacht, emittieren wir mit ca. 2 % im Vergleich zu einem Großteil der Welt sehr viel. Aus diesem Grund ist es ratsam, sich immer auch den durchschnittlichen Pro-Kopf-Ausstoß anzuschauen.

In Deutschland emittiert ein*e deutsche*r Bürger*in ca. 11,63 Tonnen CO₂ im Jahr (Zahlen von 2020), wohingegen der weltweite Durchschnitt bei ca. 6,66 Tonnen liegt. Somit sind die 2 % zwar als absoluter Anteil sehr gering, aber der Pro-Kopf-Ausstoß zeigt, dass wir trotzdem handeln müssen.

Traubhausgas-Ausstoß eines deutschen Durchschnittsbürgers

CO₂-Einsparungen durch Photovoltaik

Zahlen aus dem Jahr 2020 belegen, dass durch PV-Anlagen netto 34,9 Mio. Tonnen Treibhausgase in Deutschland vermieden wurden. In dieser Berechnung sind die freigesetzten Treibhausgase bei der Herstellung dieser Anlagen näherungsweise eingerechnet (Fraunhofer ISE).

Der Anteil von Photovoltaik am gesamten erzeugten Strom in Deutschland lag im Jahr 2020 jedoch erst bei 8,9 % und ist damit noch stark ausbaufähig. Die Entwicklung der Photovoltaik ist in Deutschland leicht rückläufig, weshalb auch aus der Branche heraus gewarnt wird.

Wie viele Haushalte kann eine Solaranlage (Photovoltaik) versorgen?

Der durchschnittliche Stromverbrauch einer 4-köpfigen Familie liegt bei ca. 2900 - 4500 kWh (Kilowattstunden). Die Spannweite im Verbrauch kommt dadurch zustande, dass sich Familien beispielsweise in ihrem Warmwasserverbrauch und Heizverhalten unterscheiden können. Die Leistung einer PV-Anlage müsste daher jährlich mindestens 2900 kWh betragen, damit die benötigte Energie gedeckt werden kann. Die Leistung von Solarmodulen wird in Wp (Watt Peak) angegeben, welche sich direkt in kWh umrechnen lassen. Die Leistung einer Photovoltaikanlage wird wiederum in Kilowatt-Peak (kWp) angegeben. Eine PV-Anlage mit 1 kWp Leistung produziert im Schnitt 1000 kWh jährlich. Somit bräuchte ein 4-köpfiger Haushalt eine PV-Anlage mit einer Leistung von mindestens 2,9 kWp. Bei dieser Beispielrechnung basiert auf Durchschnittswerten und hat deshalb keinen Anspruch auf allgemeine Gültigkeit. Insbesondere Faktoren wie der Standort, der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung und die Qualität der PV-Anlage haben einen Einfluss auf die Leistung einer Anlage.

Definition Kilowatt Peak

Der Begriff kWp (Kilowatt Peak) ist eine Maßeinheit für die Leistung von Photovoltaikanlagen. Die Einheit beschreibt die maximale Leistung einer Anlage unter Standard-Bedingungen. Damit werden z.B. sowohl die klimatischen Bedingungen als auch die Sonnenstunden nicht in diese Kennzahl eingerechnet. Die Angabe in Kilowattpeak dient dem Vergleich flächengleicher Solarmodule aus unterschiedlicher Fertigung in ihrem Wirkungsgrad sowie der Dimensionierung der unterschiedlichen Komponenten einer Solaranlage. Diese Einheit beschreibt also die maximale Leistung eines Solarmoduls unter Standard-Bedingungen. Umrechnung: 1.000 Wp = 1 kWp).

Verbrauchen PV-Anlagen mehr CO₂ als sie einsparen?

Nein, denn im Rahmen der Herstellung von PV-Anlagen wird weniger CO₂ verbraucht als im Laufe ihres Betriebes eingespart wird. Diese Einsparung wird auch angegeben als Energy Returned on Energy Invested (ERoEI) oder auch Energy-Payback-Time (EPBT). Sie gibt Auskunft darüber, wie viel Energie im Verhältnis zur Aufgewandten erzeugt wird. Durchschnittlich müssen PV-Anlagen 1,6 bis 2,1 Jahre in Betrieb sein, damit die freigesetzte Menge an CO₂ aus der Herstellung eingespart wird. Das bedeutet, dass bei einer Lebensdauer von 25-30 Jahren mehr als das 10fache der aufgewendeten Energie eingespart werden kann.

Wie lange hält eine Photovoltaikanlage?

Die Lebensdauer einer Solaranlage hängt von mehreren Faktoren ab:

Qualität der Solarmodule

Auch wenn der Aufbau von Solarmodulen durchaus gleich erscheint, ergeben sich dennoch weitreichende Unterschiede in deren Qualität, welche wiederum Auswirkungen auf die Lebensdauer einer Photovoltaikanlage haben können. Sowohl die Verarbeitung, welche zumeist durch eine Gewährleistung gedeckt ist, als auch die Qualität der einzelnen Materialien sind ausschlaggebend für die Leistungs- und Lebensdauer von Solarmodulen. In der Regel geben Hersteller*innen von solchen Anlagen eine garantierte Laufzeit von ca. 20 - 25 Jahren an. In enigen Fällen kann sie sogar mehr als 30 Jahre betragen.Experten des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme zufolge können Anlage sogar 40 Jahre und länger einsatzfähig sein, dies setzt aber eine gute Verarbeitung voraus.

Deutschlands älteste PV-Anlage, die noch in Betrieb ist, befindet sich auf dem Energielabor der Universität Oldenburg und wurde 1976 installiert. Sie hat daher mittlerweile ein stolzes Alter von 45 Jahren.

Standort

Nicht nur die Materialien sind ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer von Photovoltaikanlagen, sondern auch ihr Standort. Anbieter*innen von Photovoltaikanlagen beraten ihre Kund*innen, damit die jeweilige Anlage optimal positioniert werden kann. Zum einen muss sichergestellt werden, dass die Anlage optimal nach der Sonne ausgerichtet ist und zum anderen, dass kein Baum oder Gebäude einen Schatten darauf werfen kann. Jegliche Reduktion der Sonneneinstrahlung kann zu einer verringerten Leistung führen.

Wartung

Die Anschaffung einer Anlage bedeutet nicht, dass automatisch 20-30 Jahre lang ohne weiteren Aufwand günstiger Strom bezogen werden kann. Die Anlagen müssen regelmäßig, wie ein Auto auch, geprüft werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Solarmodule auch weiterhin optimal funktionieren. Es kann jederzeit zu kleinen Störungen kommen, wodurch sich die Leistung einer Anlage verringern kann. Im Idealfall wird jährlich oder jedes zweites Jahr eine Wartung durchgeführt, um Haltbarkeit und Leistung zu gewährleisten.

Reinigung

Die Reinigung eines Solarmoduls ist wichtig, damit die Anlage weiterhin optimal funktionieren und den Haushalt mit Strom versorgen kann. Ähnlich wie bei einem Fenster, kann die glatte Oberfläche des Moduls durch Schmutzpartikel, Algen oder Blätter verdeckt werden. Daher muss regelmäßig kontrolliert werden, dass das Solarmodul frei von Schmutz ist. Achtung: Die Oberfläche eines Solarmoduls ist in keinem Fall wie ein herkömmliches Fenster zu reinigen, da sie häufig mit einer speziellen Schicht überzogen ist - diese kann bei zu starker Reibung beschädigt werden. Hersteller*innen von Solarmodulen geben daher immer Hinweise, wie ihre Produkte richtig zu pflegen sind.

Wie hoch sind die Kosten einer Solaranlage?

Die Kosten für eine Solaranlage hängen davon ab, ob du dich für eine Solarthermie- oder Photovoltaikanlage entscheidest.

Solarthermie

Check24 Grafik Solarthermie-Anlage Quelle: Check24

Die Anschaffungskosten von Solarthermieanlagen variieren je nachdem, ob diese für die Warmwasserversorgung, Heizung oder beides verwendet wird. Die Preise der Anlagen werden durch die Größe der Sonnenkollektoren und des Solarthermie-Speichers bestimmt. Je größer die Anlage, desto höher fallen die Anschaffungskosten aus, aber damit steigt auch das Einsparungspotential, da mehr Energie erzeugt wird.

Die Preise von kleineren Solarthermieanlagen beginnen bei ca. 4500 Euro ohne Warmwasserspeicher. Je nach Qualität, Standort und Größe, können die Preise stark variieren. Es gibt unterschiedliche Warmwasserspeicher, je nachdem ob das Warmwasser für den direkten Verbrauch genutzt werden soll, für die Beheizung oder sogar beides. Die Preise für Speicher zur Wasseraufbereitung beginnen bei ca. 1200 Euro und ca. 2000 Euro für Wärmespeicher.

Die Größe des Warmwasserspeichers richtet sich nach der Anzahl der im Haushalt lebenden Personen. Der Richtwert für große Warmwasserspeicher liegt bei ca. 60-80 Liter pro Person. Daraus ergibt sich, dass ein Warmwasserspeicher für einen Haushalt von 4 Personen, im Idealfall ein Fassungsvermögen von ca. 240-320 Liter haben sollte.

Photovoltaik

Die Anschaffungskosten für Photovoltaikanlagen sind im Durchschnitt etwas höher als die für Solarthermieanlagen. Die Preise für Photovoltaikanlagen beginnen bei ca. 5400 Euro ohne Energiespeicher oder ausgehenden Anschluss an das Energienetz.

Mit einer guten Anlage lässt sich der eigene Energiebedarf abdecken, aber erst durch die Verwendung eines Stromspeichers kann man auch viel Geld einsparen. Daher ist die Überlegung, den produzierten Strom selber einzuspeisen, ebenfalls lohnenswert.

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Kosten für Wartung von Solaranlagen

Die Wartungskosten für z. B. Photovoltaikanlagen liegen bei ca. 150-250 Euro für ein Einfamilienhaus. Solche Anlagen sollten spätestens alle 2 Jahre überprüft werden, damit sie auch weiterhin optimal funktionieren.

Die Reinigung von Solaranlagen, bei normaler Verschmutzung, wird alle 2 Jahre empfohlen. Anlagen, die sich in der Nähe von Industriestandorten oder landwirtschaftlichen Betrieben befinden, müssen unter Umständen häufiger gereinigt werden.

Worin besteht der Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik?

Photovoltaikanlagen nutzen die Sonneneinstrahlung um direkt elektrische Energie zu erzeugen. Solarthermieanlagen erzeugen thermische Energie, also Wärme. Diese kann dann zur Warmwasserbereitung oder zum heizen des Wohnraums benutzt werden.

Photovoltaik

Photovoltaik ist eine einfache und elegante Methode, die Sonnenenergie zu nutzen. Solarzellen bestehen in der Regel aus dünnen Silzium-Scheiben (Silizium-Wafer). Silizium ist das gleichen Material, aus dem auch Computerchips gefertigt werden. Durch eine gezielte und hochkontrollierte Verunreinigung des Silizum-Wafers entwickelt sich im Sonnenlicht eine Spannungsdifferenz zwischen der Vorder- und der Rückseite des Wafers. Bringt man nun elektrischen Kontake auf der Vorder- und Rückseite an, dann kann man diese Spannungsdifferenz zur Stromproduktion nutzen. Die Solarzelle wandlt also die einfallende Sonnenstrahlung direkt in Strom um. Dabei erzeugen sie keinen Lärm oder Umweltverschmutzung. Solarzellen haben zudem keine beweglichen Teile, was sie robust, zuverlässig und langlebig macht. Mehr zur Funktionsweise der Photovoltaik kann man bei Wikipedia oder bei pveducation.org (englisch) lernen.

Solarthermie

Solarthermieanlagen werden in Deutschland zumeist im privaten Bereich verwendet, um den Energieverbrauch für Warmwasser und Heizung zu reduzieren. Die Wärmeenergie wird verwendet, um andere Energiequellen wie Öl- oder Gasheizung zu reduzieren.

Wann lohnt sich eine Solar-PV-Anlage?

Wann sich eine Anlage lohnt, lässt sich nicht pauschal beantworten, weil neben der Nachhaltigkeit auch finanzielle Aspekte hinzukommen. Auch ist es wichtig, wo eine Solar-PV-Anlage installiert werden kann und darf.

Was spare ich durch die Installation (Amortisationszeit)?

Die Berechnung der Amortisationszeit für eine private Solaranlage hängt von den Einnahmen und Ausgaben ab, die mit der Anschaffung und Installation einhergehen. Ein wichtiger Faktor für die Berechnung sind die möglichen Förderungen, die von Bundesländern, Kommunen oder durch Energieversorger gestellt werden. Solche Förderprogramme können Zuschüsse oder zinslose Kredite sein.

Die Amortisationszeit ist daher eine Kosten-Einnahmen-Rechnung. Eine eigenfinanzierte Photovoltaikanlage hat eine durchschnittliche Amortisationszeit von ca. 10-14 Jahren. Da die Garantie von Photovoltaikanlagen bei ca. 20-25 Jahren liegt, ist die Anschaffung einer PV-Anlage in jedem Fall finanziell lohnenswert.

Welche Voraussetzungen muss ich/mein Haus erfüllen, um eine PV-Anlage zu installieren?

Die Entwicklung von PV-Anlagen ist in den letzten Jahren rasant vorangeschritten. Photovoltaikanlagen lassen sich mittlerweile fast überall Installieren. Ob auf dem eigenen Balkon, auf dem Dach oder sogar als Solardachziegel.

Die Art des Solarmoduls hängt jedoch nicht allein von der Wohnanlage ab, sondern ist gleichzeitig auch eine Preisfrage. Solardachziegel z.B. werden aufgrund ihrer hohen Anschaffungskosten zumeist nur für denkmalgeschützte Gebäude verwendet, um die Anforderungen des Denkmalschutzes zu wahren (hier steht die lediglich die Dachfläche zur Energiegewinnung zur Verfügung).

Mieter*innen und Wohnungseigentümer*innen

Neben ästhetischen Fragen kommt es bei der Installation von PV-Anlagen auch auf die Besitzverhältnisse der Wohnanlage an, denn Mieter*innen oder Wohnungseigentümer*innen können nicht einfach so Solarmodule auf dem Balkon oder dem Dach anbringen. Dies bedarf nämlich einer Zustimmung der Vermieter*in bzw. der Eigentumsgemeinschaft. Daher sollte vor der Installation unbedingt eine Erlaubnis bei dem*der Vermieter*in bzw. bei der Eigentumsgemeinschaft eingeholt werden.

Seit 2020 wird keine Einstimmigkeit mehr bei den Eigentumsgemeinschaften vorausgesetzt, sondern eine mehrheitliche Erlaubnis. Der Gesetzgeber reagierte damit auf die Schwierigkeiten für private Photovoltaikbetreiber*innen, eigene Anlagen installieren zu wollen und die Gefahr, bereits bei geringem Widerspruch direkt ausgebremst zu werden.

Sollte es dennoch nicht möglich sein, eine feste Photovoltaikanlage zu installieren, kann bspw. auf Stecker-Solar-Anlagen ausgewichen werden. Diese sind günstiger in der Anschaffung und bedürfen keiner Zustimmung. Der Nachteil einer solchen Anlage ist, dass sie nur für den eigenen Verbrauch genutzt werden kann. Der erzeugte Strom lässt sich demnach nicht in das Stromnetz einspeisen. Außerdem lässt sich durch sie nur ein Bruchteil an Energie einsparen.

Kann ich die erzeugte Energie speichern? Was passiert mit der Energie, die ich nicht verbrauchen kann?

Die PV-Anlage kann während der Stromerzeugung (tagsüber) den eigenen Verbrauch reduzieren und die restliche Energie in das Stromnetz einspeisen. Der eingespeiste Strom wird dann mit einer Förderprämie kompensiert, dessen Wert meist unter dem Einkaufspreis für Strom liegt. Die aktuelle Fördermenge lässt sich über die Bundesnetzagentur ermitteln. Da diese Förderung wesentlich geringer ist als der reguläre Strompreis von ca. 30 Cent pro Kilowattstunde, wird es für Besitzer*innen von PV-Anlagen immer lukrativer den eigenen Strom auch selbst zu verbrauchen.

Energiespeicher gibt es in verschiedenen Ausführungen und mit unterschiedlichen Kapazitäten. Um den richtigen Stromspeicher zu ermitteln, ist es wichtig, den eigenen Stromverbrauch zu kennen. Viele der Anbieter*innen von PV-Anlagen bieten die Systeme direkt mit an. Das Gute daran: Es kann weiterhin überschüssiger Strom in das Energienetz eingespeist werden, sodass es zu keinem Zeitpunkt zu einer Ressourcenverschwendung kommt.

Sind Solaranlagen dafür geeignet ganz Deutschland mit Energie zu versorgen?

Expert*innen zufolge stehen ca. 1000 km² Dachfläche in Deutschland zur Verfügung, welche für die Installation von PV-Anlagen infrage kommen würden. So könnten Anlagen mit einer 120-130 Gigawatt Leistung alle deutschen Haushalt fast ein Jahr lang mit Strom versorgen.

Theoretisch kann also ganz Deutschland mit Solarenergie versorgt werden, denn es gibt nicht nur die Möglichkeit Dachflächen mit Solarmodulen zu bestücken, sondern sie bereits direkt in das Gebäude zu integrieren. Auch Brachflächen und sogar die Meeresoberfläche können für die Solarverstromung nutzbar gemacht werden.

Solarpark in Sachsen nahe der Autobahn Quelle: Meerane - Solarpark

Auch wenn die Solarenergie das Potential hätte, unsere primäre Energiequelle zu sein, ist dies dennoch nicht ohne weiteres möglich. Zum einen müsste die Energie eingespeist werden, damit auch nachts der Energieverbrauch gedeckt werden kann, zum anderen ist die Sonneneinstrahlung nicht überall gleich intensiv in Deutschland. Es besteht daher das Risiko einer Energiefluktuation. Gleichzeitig sorgt das zunehmend unbeständige Wetter dafür, dass die Energieversorgung allein durch Solaranlagen nicht zu jedem Zeitpunkt 100 % gedeckt werden kann.

Aus diesem Grund ist es wichtig, Strom nicht nur von einer einzigen emissionsfreien Energiequelle zu beziehen, sondern z. B. auch die Windenergie als weiteres Standbein des zukünftigen Energiemixes zu nutzen.