Die Energie der Sonne nutzen

Die Sonne liefert zwei Energiearten. Diese sind Wärme- und Lichtenergie.

Physikalisch gesehen handelt es sich bei beiden Energiearten um Strahlungsenergie.

Eine der Strahlungen ist die IR-Strahlung, also nicht sichtbare Infrarotstrahlen. Sie lösen ein Wärmeempfinden aus, wenn sie auf die Haut treffen. Ferner kann sie feste Körper und Flüssigkeiten erwärmen. Genau genommen sendet die Sonne also keine Wärme aus, sondern eine energetische Strahlung, die Wärme erzeugen kann. Diese Strahlung wird in sogenannten Sonnenkollektoren (Solarabsorber) zum Erwärmen von Flüssigkeiten genutzt.

Die andere Strahlung ist sichtbares Licht. Diese erzeugt in Photovoltaikmodulen, die kurz auch als PV-Module bezeichnet werden, elektrischen Strom. Eine Besonderheit von Siliziumkristallen macht diese zu Stoffen, die weder reine Leiter noch Nichtleiter sind. Sie werden als Halbleiter bezeichnet. Sobald Lichtenergie auf diese trifft, fließt elektrischer Strom.

Zunächst solltest du wissen, dass es ganz unterschiedliche Ausführungen gibt. Die einfachste Art sind

• Schwimmbadabsorber, meist einfache Absorbermatten. Sie bestehen aus mehreren Schichten UV-beständigem schwarzem Kunststoff, zwischen denen sich Wasser befindet, das auf direktem Weg meist über den Filter in den Pool geleitet wird.
• Aufwendiger sind Flächen- oder Plattenabsorber, in denen sich eine Wärmeüberträgerflüssigkeit in Kupferrohren befindet oder Röhrenabsorber, bei denen die Rohre gleichzeitig Absorber sind. Die Flüssigkeit kreist in einem geschlossenen System und gibt die Wärme an Trinkwasser oder einen Heizungskreislauf über einen Wärmetauscher ab.

Ähnlich wie bei einer PV-Anlage mit Speicher ohne Einspeisung ist es möglich, die Energie für einen späteren Verbrauch zu speichern. Privathaushalt haben aber nicht die Option, die gespeicherte Wärme beispielsweise in ein Fernwärmenetz einzuspeisen.

Obwohl eine PV Anlage teurer ist als ein Solarabsorber, sind die Stromerzeuger in der Regel die sinnvollere Lösung, um Energie vom eigenen Dach zu nutzen. Strom lässt sich länger ohne größere Verluste speichern. Selbst wenn du auf einen Akku als Speicher bei der Photovoltaik verzichtest, verschwendest du keine Energie, denn du kannst Strom, den du nicht selber verbrauchst, in das öffentliche Stromnetz einspeisen.

Doch welche Daten sind für die Kaufentscheidung wichtig? Welche Bedeutung haben Angaben wie Nennleistung, Ertrag oder Wirkungsgrad?

Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird in Wp (Watt Peak) oder kWp (Kilowatt Peak) angegeben. Sie bezieht sich auf die Leistung des Moduls unter Standard-Testbedingungen (STC von englisch standard test conditions). Diese Größe dient der Normierung, um Module zu vergleichen. Die elektrischen Werte der Bauteile ermitteln die Prüfer bei einer Modultemperatur von 25 °C und einer Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m² sowie einer Luftmasse von 1,5. Eine Anlage mit 5 Wp liefert unter diesen Bedingungen 5 Watt. Aber in der Praxis produzieren die Anlagen deutlich weniger Strom.

• Die Strahlungsstärke der Sonne im erdnahen Weltall beträgt im Mittel 1.367 W/m². Da die Luft einen Teil der Strahlung absorbiert, kommen selbst bei klarem Wetter maximal 75 % dieser Energie auf dem Boden an. Es ist also ein Unterschied, ob die Solaranlage sich auf einem hohen Berggipfel befindet oder auf Meeresniveau.
• Auch die Neigung und Ausrichtung des Daches hat Einfluss auf den tatsächlichen Ertrag. In Deutschland sollte das Dach eine Neigung von 30 – 40° aufweisen und nach Süden weisen.
• Die Modultemperatur von 25° Celsius ist selten gegeben, denn die Sonne erwärmt die PV-Module und die Leistung sinkt.

Die Nennleistung ist für den Vergleich der verschiedenen Anlagen von Bedeutung. Für deine Kaufentscheidung ist aber der Ertrag ausschlaggebend. Da es starke jahreszeitliche Schwankungen gibt, musst du den Jahresertrag betrachten. In Deutschland ist bei einer optimal ausgerichteten, fest installierten Anlage mit 1 kWp Nennleistung mit einem Jahresertrag von durchschnittlich 1.000 kWh zu rechnen. Das Verhältnis von erzielbarer Leistung und Nennleistung wird als spezifische Ertrag bezeichnet und in Wh/Wp oder kWh/kWp angegeben.

Die Anlage kostet Geld und daher ist der finanzielle Ertrag eine der wichtigsten Größen. Dieser lässt sich allerdings noch schwieriger ermitteln als der Stromertrag. Das macht die Berechnung der Amortisationsdauer, also des Zeitpunkts, ab dem die Kosten der Installation erwirtschaftet sind, fast unmöglich.

Die Amortisationsdauer hängt von vielen Faktoren ab:

• Menge des erzeugten Stroms
• Fördergelder
• Eigenverbrauch oder Einspeisung ins Netz
• Kosten für Reinigung, Reparaturen und Wartung
• Stärke der Degradation, also der Abnahme des Wirkungsgrades mit zunehmendem Alter

Überschlagsrechnung über den finanziellen Ertrag eine Anlage mit 10 kWp
Vermutlicher Jahresertrag bei optimalen Bedingungen 10.000 kWh
- 15 % Sicherheitsabschlag (Verschmutzung, Degradation, etc.) 1.500 kWh
- vermutlich sicherer Ertrag 8.500 kWh

In 10 Jahren kannst du also bis zu 18.100 Euro erwirtschaften. Hinzukommt, dass ein Haus mit PV-Anlage auf dem Dach einen höheren Verkaufspreis erzielen kann. Es lohnt sich also in der Regel eine PV-Anlage anzuschaffen. Wenn du das Haus beispielsweise vermietest, bleibt dir ein Jahresertrag von 1.105 Euro, denn du musst den Strom vom Dach dem Mieter nicht zur Verfügung stellen. Stellt sich nur die Frage, ob deine Dachfläche ausreicht?

Der Fachmann versteht unter dem Wirkungsgrad das Verhältnis zwischen erzeugter elektrischer Leistung und eingestrahlter Lichtleistung. Beim Wirkungsgrad, der vom Zellmaterial abhängt, gibt es verschiedene Möglichkeiten:

• maximaler Zellwirkungsgrad im Labor
• maximaler Wirkungsgrad (Serienproduktion) und der
• typische Modulwirkungsgrad

Der Wirkungsgrad unter Laborbedingungen ist wenig praxisbezogen, denn er bezieht sich auf optimal gefertigte Module, die unter optimalen Bedingungen getestet werden. Auch der Wirkungsgrad der Serienprodukte ist kein Alltagswert. Die meiste Aussagekraft hat der typische Modulwirkungsgrad.

Erklärung: Konzentratorzellen sind Stapelsolarzelle (Mehrfachsolarzellen), die aus Schichten mehreren Solarzellen bestehen und mit einer speziellen Optik das Sonnenlicht auf die Solarzellen fokussieren.

Um eine 10 kWp-Anlage zu installieren, sind bei Zellen aus

• Amorphem Silizium 167 m²,
• Polykristallinem Silizium 59 m²,
• Monokristallinem Silizium 53 m² und
• Konzentratorzellen nur 33 m² erforderlich.

Die Größe der PV Anlage muss also nicht durch die vorhandene Dachfläche begrenzt werden. Mit Zellen aus monokristallinem Silizium oder Konzentratorzellen reichen nahezu allen Hausdächern aus, um Anlagen mit einer Leistung von 10 kWp und mehr zu installieren.

Einen nennenswerten Ertrag werden Minianlagen, die Flächen von oft weniger als einen Quadratmeter einnehmen, nicht erbringen. Aber dafür sind die Anlagen billig und das Preis-Leistungs-Verhältnis ist optimal. Zu unterscheiden ist zwischen Mini-Solaranlagen, Plug & Play-Solaranlage auch Balkonmodule genannt und Inselsystemen. Theoretisch kann man, sofern ein Wechselrichter mit Konformitätserklärung gemäß VDE AR 4105 verwendet wird eine Inselanlage als Balkonmodul verwenden.

Das Phaesun Solarmodul »Energy Generation Kit Solar Rise«, 270 W, (Set), 270 W für 2.317,52 Euro ist primär als Inselanlage konzipiert. Deren größter Vorteil ist, an Orten für Strom zu sorgen, die keinen Netzanschluss haben. So erhöht sich beispielsweise der Komfort eines Gartenhäuschens, weil du nun darin auch Fernsehen oder den Laptop nutzen kannst. Auch im Hinblick auf E-Bikes sind die Module ein echter Gewinn, denn mit Ihnen kannst du das Rad auch in einer Garage ohne Stromanschluss aufladen. Ferner eignen sich die Anlagen, um ein Wohnmobil oder ein Boot auszustatten, damit du auch unterwegs jederzeit über ausreichend Strom verfügst.

Vielseitiger sind Anlagen, die du dir selbst aus Modulen zusammen stellst, beispielsweise ein Solarmodul »AS 180« mit Solarladeregler 20 A, Anschlusskabel und Batteriepolklemmen und eine offgridtec »AGM Solarbatterie« Solarakkus 101000 mAh. Für beide Teile musst du 942,96 Euro ausgeben. Die Anlage lässt sich mit den Solarmodulen »AS 180« erweitern. Jedes Modul kostet 607,36 Euro.

Solche Kombinationen eignen sich für den Betrieb von 12 V Verbrauchern. Mit einem Wechselrichter für 280,79 Euro, kannst du auch 230 V Geräte betreiben oder den Strom auf 24 V transformieren.

Der Einsatz als Plug & Play-Solaranlage ist etwas komplizierter, du solltest einen Elektriker um Rat bitten. Du brauchst Solarmodule und einen Wechselrichter, den du über eine Steckdose an das Stromnetz anschließt. Nun fließt der Strom, den die Module erzeugen statt in eine Batterie in das häusliche Stromnetz. Angenommen, du entnimmst 1.000 kWh über diverse Verbraucher an unterschiedlichen Steckdosen und speist 300 Watt aus der Solaranlage ein, dann entnimmst du über den Zähler nur 700 Watt. Du hast also einen um 30 % geringeren Stromverbrauch.

Das Geniale ist, dass du in jede Steckdose einspeisen und aus jeder anderen Steckdose den Strom entnehmen kannst. Die Kleinanlagen können Mieter auf ihrem Balkon installieren, um so den Stromverbrauch zu senken. Auch für Hausbesitzer, die bereits seine Solaranlage in Betrieb haben, eröffnen sich neue Möglichkeiten.

Ein Beispiel:

• Du installierst Solarmodule auf dem Dach der Garage.
• Der Strom fließt über einen Wechselrichter in die Steckdose der Garage.
• Der Strom ist nun im Stromkreislauf des Hauses.
• Eine Entnahme ist an jeder Steckdose im gleichen Stromkreis möglich.

So kannst du auch die Batterie von Elektro-Fahrzeugen günstig aufladen. Rechnerisch ist es dabei egal, ob das Auto in der Nacht mit Strom aus dem Netz geladen wird oder am Tag zum Teil mit Solarstrom. Der am Tag erzeugte Strom wird von anderen Verbrauchern genutzt und geht nicht verloren.

Da du keinen Strom in das öffentliche Netz einspeisen solltest, denn dieser wird nicht vergütet, sollte die Solarmodule etwa 200 bis 400 Watt erzeugen.

In der Regel sind PV Anlagen sinnvoller als Solarthermie. Dank der neusten technischen Entwicklungen sind auch Kleinstanlagen eine interessante Lösung, die sogar Mieter nutzen können, um die Kosten für elektrische Energie zu senken.