Photovoltaik - Alles in einem Band für Dummies
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DAS FINDEN SIE IN UNSEREM BUCH

Wir behandeln in diesem Buch die Photovoltaik und das mit ihr verbundene Energieerzeugungssystem, so wie es heute ist und wie es in Zukunft aussehen könnte, wenn wir uns klimaneutral mit elektrischer Energie versorgen. Die folgende Grafik visualisiert, in welchen Teilen dieses Buches sich die jeweiligen Aspekte wiederfinden.

DIE WICHTIGSTEN BEGRIFFE DER PHOTOVOLTAIK

• Photovoltaik (PV) ist die direkte Umwandlung der Strahlungsenergie des Lichtes in elektrische Energie. Sie beruht auf dem photoelektrischen Effekt, der schon 1839 von Alexandre Becquerel entdeckt wurde.
• Die Energie oder ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie kann einem System zugeführt oder entnommen werden, bleibt aber insgesamt erhalten.
• Die Leistung ist die verrichtete Arbeit oder umgesetzte Energie pro Zeitspanne, also ein Maß dafür, wie schnell Arbeit getan wird oder Energie umgesetzt wird.
• Der Wirkungsgrad eines Prozesses ist das Verhältnis von nutzbarer Energie zu eingesetzter Energie. Er ist ein Maß dafür, wie effizient eine Energieumwandlung erfolgt.

DIE WICHTIGSTEN BEGRIFFE DER PHOTOVOLTAIK

• Solarzellen sind die Komponenten eines Solarmoduls, die den photoelektrischen Effekt technisch realisieren. Sie erzeugen Gleichstrom und haben meist eine Spannung von unter einem Volt. Die allermeisten Solarzellen bestehen heute aus Silizium, dem zweithäufigsten Element der Erdkruste.
• In einem Solarmodul sind mehrere Solarzellen miteinander elektrisch verbunden (meist in Reihenschaltung), wodurch sich die erzeugte elektrische Leistung technisch günstig weiterleiten lässt. Es ist so konstruiert und wird so montiert, dass es über einen möglichst langen Zeitraum Sonnenlicht in Solarstrom konvertiert. In der Regel wird eine Garantie von 25 bis 30 Jahren gewährt, die Funktionsdauer ist aber oft sogar noch länger. Solarmodule sollten mindestens nach den Normen IEC 61215 (Performance) und IEC 61730 (Sicherheit) zertifiziert sein.
• Wechselrichter wandeln den Gleichstrom (DC) eines Solarmoduls in netzkompatiblen Wechselstrom (AC) um. Erst dadurch kann der Strom im Haushalt verwendet oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Zusätzlich optimiert ein moderner Wechselrichter die Leistungsabgabe des Moduls und überwacht Anlage und Stromnetz, um im Notfall die Verbindung zum Stromnetz zu trennen.
• Mit einem elektrischen Speicher wird die elektrische Energie einer Solaranlage in elektrochemischen Zellen gespeichert (umgangssprachlich Akku oder Batterie). So kann die erzeugte Energie auch dann genutzt werden, wenn die Sonne nicht scheint. Mit einem Heimspeicher lässt sich der Eigenverbrauch einer Solaranlage erheblich steigern.
• Notstromfähigkeit: Üblicherweise sind PV-Systeme auf Netzbetrieb ausgelegt - aber was passiert, wenn das Netz fehlt und man trotzdem Strom haben will? Hierfür gibt es sogenannte Insel- oder Hybridwechselrichter, die weiterhin Strom liefern - natürlich nur, sofern auch ein Batteriespeicher/Heimspeicher und eine Steuerung (Trennung vom Netz und Umschaltung auf Inselbetrieb) vorhanden sind.
• Ein Energiemanagementsystem (EMS) überwacht die Energieflüsse im Haushalt. Es sollte die Batterie und zumindest die großen Verbraucher steuern können. Die Bedeutung von EMS wird weiter zunehmen, insbesondere wenn variable Stromtarife die Regel werden und ein Elektrofahrzeug geladen werden soll.

FAUSTREGELN IN DER PHOTOVOLTAIK

• Dachfläche: Ein Quadratmeter Solarmodulfläche liefert unter Optimalbedingungen eine elektrische Gleichstromleistung von etwa 200 Watt. An einem guten Sommertag erntet man damit 1,6 kWh, an einem richtig schlechten Wintertag in Deutschland nur 0,1 kWh. Übers Jahr ergeben sich insgesamt circa 200 kWh an elektrischer Energie für 1 m2 Modulfläche.
• Mehr oder weniger Erträge: Hohe direkte und indirekte Einstrahlung steigern den Ertrag einer typischen PV-Anlage, Wärme reduziert ihn hingegen. Wenn die Solarmodule 20 K wärmer sind als jene 25 °C, für welche die Nennleistung auf dem Typenschild angegeben ist, so reduziert sich der Ertrag um etwa 8 Prozent. Bei 30 K Temperaturerhöhung gegenüber der Nenntemperatur (das heißt, 55 °C Modultemperatur) werden es sogar 12 Prozent Leistungsverlust.
• Batteriealterung: Elektrochemische Energiespeicher sollten an einem möglichst kühlen Ort installiert werden. 10 K mehr halbieren manchmal die Lebensdauer. Tiefentladungen schaden ebenfalls. Lithiumakkus sollten zudem nicht dauerhaft zu 100 Prozent geladen sein.

WICHTIGE ERREICHTE TECHNOLOGISCHE MEILENSTEINE DER PHOTOVOLTAIK

• Die Photovoltaik hat sich seit der Entdeckung des photoelektrischen Effekts im 19. Jahrhundert von einer wissenschaftlichen Kuriosität zu einer der wichtigsten Technologien der globalen Energieversorgung entwickelt. Entscheidende Meilensteine waren die Entwicklung der Siliziumsolarzelle, ihr Einsatz in der Raumfahrt, der Markteintritt netzgekoppelter Anlagen und schließlich die Skalierung auf Anlagengrößen im GW-Bereich, wie es konventionellen Kraftwerkstypen entspricht.
• Keine energiewirtschaftliche Technologie ist so modular skalierbar wie Photovoltaik. Sie kann sowohl Taschenrechner (im mW-Bereich) als auch Industriebetriebe und ganze Städte und Gesellschaften (im GW-Bereich) mit elektrischer Energie versorgen.
• Keine Form der elektrischen Energieerzeugung ist effizienter als die der Photovoltaik: Sonnenenergie ist nahezu unbegrenzt verfügbar. Das solare Energieangebot beträgt das 10000-fache des gesamten Weltenergiebedarfs. Das technisch-wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik entspricht immer noch dem 12-fachen des jährlichen Weltenergiebedarfs.
• Kaum ein anderes technisches Produkt gewährt Garantien von 25 bis zu 40 Jahren - und hat auch nachgewiesen, dass dieses Versprechen zu erfüllen ist.

WICHTIGE ERREICHTE ÖKOLOGISCHE MEILENSTEINE DER PHOTOVOLTAIK

• Eine Photovoltaikanlage benötigt nur ein bis zwei Jahre, um die Energie zu erzeugen, die für ihre Herstellung aufgewendet wurde. Diese Kennzahl wird Energy Payback Time (EPBT) genannt. Bei konventionellen Kraftwerken müssen dagegen zum Betrieb ständig Brennstoffe nachgekauft werden. Deshalb werden kontinuierlich Ressourcen verbraucht und die EPBT ist unendlich.
• Die wesentlichen Bestandteile eines Siliziummoduls sind Glas, Aluminium, Silizium und Kupfer. Sie lassen sich sehr gut recyceln.
• Die zentralen Bestandteile von Siliziummodulen sind weltweit in ausreichender Menge vorhanden, sodass eine globale elektrische Energieversorgung auf ihrer Basis realisiert werden kann.
• Die Hauptbestandteile von Photovoltaikmodulen stellen keinerlei Gefährdung der Umwelt dar. Glas, Aluminium und Silizium sind ungiftig. Zu beachten ist lediglich, dass die Lötverbindungen mit bleifreiem Lot realisiert werden müssen und der Einbettungskunststoff mittelfristig durch einen recyclingfähigeren Typ ersetzt wird.
• Bei der Herstellung von PV-Anlagen entsteht Kohlenstoffdioxid. Legt man dies auf die Lebensdauer einer PV-Anlage um, so entspricht dies aktuell etwa 50 Gramm CO2 pro kWh erzeugten Solarstroms. Dies hängt vor allem davon ab, wie die elektrische Energie, die für die Herstellung von PV-Anlagen benötigt wurde, gewonnen wurde. Zum Vergleich: Ein Braunkohlekraftwerk stößt über 1000 Gramm pro kWh erzeugter elektrischer Energie aus.
• Insgesamt lag der deutsche Strommix im Jahr 2025 bei 337 Gramm je kWh, dank mehr Photovoltaik und Windenergie. Der jetzige Wert ist niedriger als während der gesamten Zeit, während der in Deutschland die Kernkraft genutzt wurde.

WICHTIGE ERREICHTE ÖKONOMISCHE MEILENSTEINE DER PHOTOVOLTAIK

• Die Modulkosten lagen in den 1980er Jahren bei etwa 20 ?/Wp. Heute liegen sie bei unter 10 Cent pro Wp. Die Kosten sind damit um einen Faktor 200 gesunken. Der Quadratmeterpreis liegt bei 20 ? und ist billiger als viele Baumaterialien.
• Photovoltaik ist in weiten Teilen der Welt die günstigste Form der elektrischen Energiegewinnung, dank stark gesunkener Modulpreise und immer höherer Wirkungsgrade, sodass Preise unter 2 ct/kWh möglich sind. Selbst in Deutschland wird Solarstrom unsubventioniert bereits für unter 5 ct/kWh ins Stromnetz eingespeist.
• Seit 2022 ist die Photovoltaik die elektrische Energiequelle mit den höchsten Zuwachsraten, sowohl relativ als auch in absoluten Zahlen. Insgesamt wurde damit bis Ende des Jahres 2025 eine globale PV-Kapazität von knapp 3 TWp Leistung erreicht. Dies entspricht dann 2026 voraussichtlich schon 15 Prozent des weltweiten elektrischen Energieverbrauchs.
• Photovoltaik ist eine besonders zuverlässige und sowohl technisch als auch finanziell risikoarme Technologie, auch bei der Umsetzung sehr großer Energieprojekte. Sie ist die Energietechnologie, welche Budgets und Termine am besten einhält.
• Auch die Kosten für Batteriespeicher, die...