Wissenswertes rund um die Photovoltaik

Solarzelltypen

Üblicherweise werden Solarzellen aus Silizium hergestellt. Aus Kristallblöcken werden ca. 0,3 mm dicke und meist 10 x 10 cm große Scheiben herausgesägt. Hieraus entstehen mono- bzw. polykristalline Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad (Waver). Solarzellen aus amorphem Silizium können kosten- und Material sparender hergestellt werden, indem Silizium wenige tausendstel mm dick auf ein Substrat aufgedampft wird. Diese Dünnschichttechnik kann großflächiger mit geringerem Verschaltungsaufwand hergestellt werden, ist aber im Ertrag je Flächeneinheit geringer (kleinerer Marktanteil).

Solarmodule

Ein Solarmodul ist die Zusammenschaltung mehrerer Solarzellen. Dadurch erhöhen sich Strom und Spannung. Im Solarmodul werden die gegen Feuchtigkeit, Bruch und Korrosion empfindlichen Solarzellen zu ihrem Schutz verkapselt.

Gebräuchlich sind hierfür:

Glas-Folien-Laminate (meist Standardmodule)
Glas-Glas Solarmodule (meist Spezialanfertigungen)
Solarmodule auf Metallbahnen (mit amorphem Silizium)

Polykristalline Photovoltaik-Module werden seit 1986 mit dem Casting-Verfahren hergestellt
Die Zellen der Photovoltaik-Module sind vom optischen Eindruck fast schwarz. Es handelt sich um Polykristalline, die durch Oberflächentexturierung einen Wirkungsgrad von bis zu 15% erreichen, der entscheidend von der Reflexion an der Zelloberfläche abhängig ist.
Diese Zelltexturierung wird durch ein sog. reaktive iron etching-Verfahren erreicht, das eine unregelmäßige Mikrostruktur von Kegeln auf der Zelloberfläche entstehen lässt. Besonderer Vorteil des Verfahrens ist, dass sich die Struktur unabhängig von der Orientierung der verschiedenen Polykristalle ausbildet, aus der die Zelle besteht. So wird in allen Bereichen der Zelloberfläche mehr auftreffendes Licht absorbiert und in Strom umgewandelt.

Solche marküblichen Module mit einer Fläche von z.B. 1,3 qm erreichen eine mögliche Leistung von mehr als 200 W (± 5% Toleranz).

Wichtig ist die erforderliche Ausstattung der Module mit konfektionierten Kabeln (Multikontaktstecker / -buchse) und TÜV ? bzw. CE- Komponenten- Zertifizierung.

Anlagen-Kennzahlen

Die Nennleistung von handelsüblichen Solarzellen liegt bei bis zu 4 Watt. Eine Zelle erzeugt eine Spannung von ca. 0,5 Volt. Um für solare (Groß-) Anlagen entsprechende Leistungseinheiten zu erzeugen, müssen mehrere (viele) Zellen zusammengefasst werden.

KWp = Kilowatt-Peak (Spitzenleistung) :
In der Photovoltaik wird die maximal mögliche Leistung eines Solargenerators bei Standardbedingungen als Peak-Leistung definiert; sie wird in Watt gemessen und als Wp (Watt Peak) angegeben.

Pro 1 kWp elektrischer Leistung wird bei polykrisallinen Modulen eine Fläche von ca. 8 m²benötigt.

Die Dachausrichtung sollte idealer weise genau nach Süden erfolgen.

Die produzierte Strommenge (kWh) hängt hauptsächlich vom regionalen Standort in Deutschland, von der Ausrichtung (Himmelsrichtung) und vom Aufstellungs-Neigungswinkel ab.

Die Neigung der Paneele beträgt idealer weise 35⁰ aus der Waagerechten.
Bei Aufständerungen wird meist 30⁰ Schräge gewählt weil die Ertragsminderung praktisch unbedeutend ist, die Windlast aber erheblich abgeschwächt wird.

Verschattungen auch in Teilbereichen sind über den ganzen Tages-Einstrahlungszyklus zu vermeiden, denn das Paneel mit der geringsten Einstrahlung einer Paneel- Verschaltungseinheit (= String ? je nach Paneel- und Wechselrichtertyp ca. 10 -50 Module) bestimmt den Ertrag dieser Einheit (dieses Strings).

Bei nahezu waagerechten oder flach geneigten Dächern bis ca. 10⁰ sind entweder reihenweise Aufständerungen vorzusehen, wobei der lichte Zwischenabstand mindestens dreimal der Aufständerungshöhe entsprechen sollte.
Als Ausnahme sind hier amorph-kristalline Paneele zu nennen, die zwar nach heutigem Stand nur 1/2 bis 2/3 der vergleichbarem Leistung bei nahezu gleichem Preis liefern, dabei aber fast keine Leistungsminderung bei geringeren Schrägen bis fast zur waagerechten Verlegung hin aufweisen.

Die Erträge erreichen als Mittelwerte in NRW ca. 850 – 920 KWh/KWp pro Jahr, bei Südwest- oder Südostausrichtung ca. 750 – 820 KWh/KWp. Diese Werte stellen ein langfristiges Mittel dar und werden in Spitzenjahren übertroffen. Regional differenzierte Ertragskennzahlen sind z.B. dem ?Solaratlas? der Energieagentur NRW zu entnehmen.

Die Globalstrahlung nimmt in Richtung Südwesten Deutschlands zu (mehr als 1.000 KWh/KWp pro Jahr), nach Norden ab.

Die Lebensdauer solcher Anlagen beträgt mehr als 30 Jahre, wobei namhafte Paneelhersteller mindestens 80% der Nennleistung für den Zeitraum von 25 Jahren garantieren.

Baurecht und Genehmigung

In der Regel sind Solaranlagen genehmigungsfrei, sofern sie an der Fassade oder Schallschutzwand, auf Flachdächern oder auf / in der Dachfläche errichtet werden.
Nach derzeitigen Baurecht sind Aufdachanlagen in NRW, sofern sie nicht besonders aufgeständert werden nicht genehmigungspflichtig.
Für eine Freiflächen- Anlage wird auf jeden Fall eine Baugenehmigung, evtl. zusätzlich noch eine Änderung des Flächen-Nutzungsplans der zuständigen Gemeinde erforderlich.
Zuständig für die Gesetzgebung sind die Länder (Landesbauordnungen).

Einige Bundesländer bestehen auf einer Genehmigungspflicht für Anlagen, die aus dem Baukörper hervorspringen.
Weitere Einschränkungen können durch örtliche Bebauungspläne oder andere Vorschriften für die bauliche Gestaltung vorgegeben werden (z. B. bei denkmalgeschützten Bauten).
Die evtl. erforderliche Genehmigung von Solaranlagen erfolgt durch die Bauordnungsämter der Gemeinden

Gebräuchlich sind hierfür:

Glas-Folien-Laminate (meist Standardmodule)
Glas-Glas Solarmodule (meist Spezialanfertigungen)
Solarmodule auf Metallbahnen (mit amorphem Silizium)

Solche marküblichen Module mit einer Fläche von z.B. 1,3 qm erreichen eine mögliche Leistung von mehr als 200 W (± 5% Toleranz).

Wichtig ist die erforderliche Ausstattung der Module mit konfektionierten Kabeln (Multikontaktstecker / -buchse) und TÜV ? bzw. CE- Komponenten- Zertifizierung

Elektrische Einspeisung

Kleinere Anlage unter 30 KWp können relativ problemlos in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Hier sind nur Sicherungen und Zählerinstallation erforderlich.
Bei Anlagenleistungen über 30 KWp sind Zusatzeinrichtungen wie z. B. Netztrennstellen, allpolige automatische Abschaltungen erforderlich. Die einzuspeisende Leistung muss möglichst gleichmäßig auf die drei Phasen des öffentlichen Stromnetzes verteilt werden. Abweichungen (Schieflast) von mehr als 4,6 KVA sind bei Anlagen von mehr als 30 KWp- Nennleistung unzulässig

Vergütung des erzeugten Stroms

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) bildet die Grundlage für die Förderung und schafft so Investitionssicherheit für den wirtschaftlichen Betrieb jeder bundesdeutschen Photovoltaik-Anlage. Das Gesetz schreibt auch die Einspeisevergütungen für den Solarstrom fest. Es stellt zudem sicher, dass der selbst produzierte Solarstrom in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Die Höhe der Vergütung bleibt für den gesamten gesetzlich garantierten Zeitraum gleich, beginnend mit dem Jahr der Inbetriebnahme der Anlage und danach noch 20 Jahre lang. Bei den Vergütungssätzen wird zwischen Strom aus Freilandanlagen und Aufdachanlagen unterschieden. Höhere Vergütungen bringt Strom, der auf Dächern oder an Fassaden produziert wird. Das einzigartige Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wird weltweit zwischenzeitlich von zahlreichen Nationen kopiert und erfolgreich umgesetzt.
(Stand 01.07.2010)

Es existieren interessante Förderwege für den Photovoltaik-Interessenten. So kommen Häuslebauer, Landwirte, Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft, gemeinnützige Investoren und auch Freiberufler in den Genuss günstiger Finanzierungskonditionen der KfW, der Kreditanstalt für Wiederaufbau. Das Programm „Solarstrom erzeugen“ ist dabei für kleinere und mittlere Anlagen bis 50.000 Euro Obergrenze vorgesehen. Größere Anlagen über 50.000 Euro decken das „KfW-Umweltprogramm“ oder das „ERP Umwelt- und Energiesparprogramm West“ ab. Speziell für Landwirte steht zusätzlich das Sonderkreditprogramm der Landwirtschaftlichen Rentenbank zur Verfügung.

Netz-Anschlusskosten

Nach EEG § 10 sind notwendige Kosten des Anschlusses der Anlage an den technisch und wirtschaftlich günstigsten Verknüpfungspunkt des Netzes vom Anlagenbetreiber, alle Kosten ab Verknüpfung zum und im Netz vom Netzbetreiber zu tragen. Dieser Übergabepunkt ist in der Regel der vorhandene Hausanschluss bzw. die Grundstücksgrenze, wobei erforderliche Installationen (z.B. Zählerplatz, Installationskasten oder -säule) vom Errichter der Anlage zu stellen sind. Bei unterschiedlichen Beurteilungen der Vertragspartner sind hier Schwierigkeiten und evtl. Rechtstreitigkeiten möglich und können an dieser Stelle nicht umfassend erläutert werden.
Die Kosten für Messeinrichtungen sind im EEG nicht explizit geregelt; hierzu ist § 448 BGB anwendbar; mit Kosten für den Einspeiser ist zu rechnen.

Finanzierung, Amortisation und Risiken

Zur Finanzierung dieser Photovoltaikanlagen können verschiedene Programme der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KFW) z. B. KFW erneuerbare Energien, KFW-Umweltprogramm, ERP-Umwelt- und Energiesparprogramm u. a. in Anspruch genommen werden. Auskünfte hierzu erteilt die Hausbank, die auch die Finanzierungskoordination übernimmt.
Seit Mai 2005 werden die KFW-Darlehn auch Rating-bezogen gewährt.
Bei gutem bis sehr gutem Rating durch die Hausbank gegenüber der KFW sind Zinsvorteile bis 0,5% möglich, bei mehr negativer Beurteilung werden aber die Regel-Konditionen mit Zuschlägen beaufschlagt.
Derzeitige günstige Finanzierungsmöglichkeiten liegen bei ca. 3% Jahreszins effektiv (Stand 09/2010).

Je nach Anlagenart und Konzeption sind Amortisationen zwischen 10 und 15 Jahren zu erwarten, so dass die Investition in Solarstrom bei geeigneten Voraussetzungen sich durchaus als lohnenswert darstellt, die bis zu 95% aus fremden Mitteln getätigt werden kann.

Da die Vergütung gesetzlich geregelt und faktisch über den gesamten Finanzierungszeitraum garantiert ist, bleibt die Investition überschaubar.

Alle sonstigen Risiken wahlweise bis zur Versicherung des Transports der Paneele aufs Dach sind bei Spezialversicherern relativ preisgünstig im Rahmen einer All-Risk Versicherung abzudecken. Weiterhin werden alle sonst möglichen Einwirkrisiken beim Betrieb einschließlich Nutzungsausfälle bei Betriebsstörungen sowie auch Diebstahl (!) mitversichert.
Für die Wechselrichter sind fünfjährige Garantien üblich; zu empfehlen sind Garantieverlängerungen auf mind. 10 Jahre gegen Zusatzvergütung.

Die Anlagen sind bei statisch und technisch einwandfreier Montage wartungs- und bei geeigneter Neigung (min 150 aus der Waagerechten) auch reinigungsfrei

Montage und Statik

Das zusätzliche Gewicht, welches durch eine PV-Anlage herbeigeführt wird, beträgt ca. 0,25 kN/m² und überschreitet in der Regel nicht 15 % der Gesamtlast, für die der Dachstuhl in Deutschland nach den Vorschriften der Landesbauordnungen auszulegen ist.
Das Gewicht eines Solarmoduls beträgt zwischen 12 und 16 kg.
Auf Schrägdächern werden die Solarmodule üblicherweise auf eine Aluminium-Unterkonstruktion mit einigen Zentimetern Abstand zum Dach montiert. Nicht nur bei windexponierten Standorten sollte auch bei kleineren Anlagen eine individuelle Prüfung der Dachstatik und des Befestigungssystems erfolgen.

Glücklicherweise sind durch fehlerhafte Befestigung und ungeeignete Unterkonstruktionen bisher nur geringfügige Schadensfälle bekannt; kommt es zukünftig zu Personenschäden, so sind schwerwiegende Folgen durch Aufsichts- und Genehmigungsbehörden zu erwarten:
z.B. generelle Baugenehmigungspflicht mit Vorlage des prüffähigen statischen Nachweises, Aufnahme der Bauteile in die Bauregelliste mit geforderter bauaufsichtlicher Zulassung u.a..

Bei Montage sollten nur allgemein bauaufsichtlich zugelassene Befestigungssysteme mit nachgewiesener objektspezifischer Dimensionierung verwendet und statische Berechnungen erstellt und nachgewiesen werden.

Wechselrichter-Anordnung und Verkabelung

Wechselrichter formen die erzeugte Energie von Gleichspannung zur Übergabe auf 230 V Netz-Wechselspannung um und sind notwendiger Bestandteil jeder Fotovoltaikanlage. Zwar können diese Geräte in der Regel je nach Hersteller auch im Freien (im Schatten) aufgestellt werden (Schutzart IP 64) und sparen bei kleineren Anlagen lange Leitungswege mit teuren Solarkabeln, bei größeren Anlagen mit langen Leitungswegen sind aber auch andere Kriterien zu beachten:

möglichst geringe Leitungsverluste bis zum Zähler: Eine generelle Konzeptionsempfehlung kann nicht gegeben werden, denn jede Kabeldimensionierung muss je nach Leistung und Entfernungen individuell berechnet werden.
UV-Beständigkeit der Kabel: Die Solar-Gleichstromkabel sind i.d.R. für den langfristigen Außeneinsatz mit Sonne konzipiert, nicht jedoch die Wechselstromkabel zwischen Wechselrichter und Übergabestelle.
Verluste durch Magnetfeld: Für Gleichstrom-Solarkabel nahezu unbedeutend ist die Bündelung von Wechselstromkabeln z.B. in Kabelkanälen sehr verlustträchtig und führt durch Induktion zu Erwärmung und somit zu Leitungsverlusten.

Bei der beschriebenen Anlage wurde mit Hilfe spezieller EDV-Berechnungsprogramme ermittelt, dass die zentrale Anordnung der Wechselrichter unmittelbar am Standort des Netz- Übergabepunktes die effektivste Auslegung darstellt. Dabei wurden Kabel-Mehrkosten für teurere und im Querschnitt vergrößerte Solarkabel in Kauf genommen, weil durch geringere Verluste sich die Amortisation dieser Zusatz-Investition in weniger als 1,5 Jahren vollzieht.

Mit dieser Kabelführung hätte auch ein zentraler Groß-Wechselrichter eingesetzt werden können. Die Anschaffungs- und Betriebskosten ergeben bei einem oder wenigen Zentralgeräten keinen wirtschaftlichen Vorteil, hingegen erhöht sich besonders im Teillastbetrieb die Effizienz durch die partielle Anpassung mehrerer kleinerer Einheiten.

Der Wechselrichtereinsatz muss daher, wie auch bei anderen Anlagenkomponenten, ganz individuell und anlagenspezifisch berechnet werden.
Da bei Großanlagen (ab ca. 100 kWp ) ganz andere Kriterien und Berechnungen wie bei Kleinanlagen ( bis ca. 30 kWp ) zu berücksichtigen sind, sollte der Anbieter insbesondere im Großanlagen- Segment über ausreichende Erfahrung möglichst mit eigenen Anlagen in der geplanten Größenordnung- verfügen, um optimale Auslegung nicht nur den günstigsten Preis zu erhalten.

Überwachung und Kommunikation

Bei der Konzeption von Photovoltaikanlagen sollte in Abhängigkeit zur Anlagengröße eine effektive Überwachung zur Fehlerdiagnose erfolgen:

Bei kleineren Anlagen mit einem oder wenigen Wechselrichtern: regelmäßige, möglichst tägliche Ablesung und Auswertung der Energielieferung.
Bei mehreren Umformern: Anzuraten ist eine ständige (EDV-) Überwachung, denn es sind genügend Fälle bekannt geworden, wo ein String oder ein Umformer unerkannt für mehr als eines halbes Jahr nicht geliefert hat. Der entstehende Schaden kann beträchtlich sein.

Mindestens ab Leistungen über 30 kWp sollten Anlagen zentral mit EDV- Datenlogger kontrolliert werden.
Zu empfehlen ist eine zentrale Messdatenerfassung und Diagnose-Einheit, sodass entsprechende Daten jederzeit intern möglichst auch extern abgerufen werden können.
Bei evtl. Anlagenstörungen sollte eine Benachrichtigung über SMS auf ein programmiertes Handy erfolgen.
Bei Demonstrationsanlagen empfiehlt sich ein Dokumentations-Display, auf welchem der Interessierte die aktuellen Leistungsdaten der Anlage und den durch die Einspeisung vermiedenen CO2 Ausstoß des laufenden Jahres ablesen kann.

Ökologische Auswirkungen (am Beispiel der Demonstrationsanlage Metallkonzept)

Bei einer durchschnittlich erzeugten Strommenge von ca. 195.000 kWh/Jahr lassen sich mindestens 55 durchschnittlichen Haushalte mit umwelt-unschädlichem Strom versorgen.
Von derzeitigen konventionellen Kraftwerken werden ca. 600 g CO2 je erzeugte kWh an die Umwelt abgegeben. Die Anlage ist somit imstande, für die Verbesserung der Umwelt zur Verminderung von Treibhausgasen mindestens 117 t Kohlendioxyd CO2 pro Jahr zu vermeiden.
Auch die Gesamt-Energiebilanz (Energetische Amortisation) ist mehr als positiv:
Die zur Herstellung aller Anlagenteile benötigte Gesamtenergie wird durch die Anlage selbst innerhalb von durchschnittlich 25-57 Monaten erzeugt, der Erntefaktor (gibt an, wie oft das System die zu seiner Herstellung benötigte Energie während seiner Lebensdauer wieder hereinspielt) beträgt 6,2 ? 14.
(Quelle: TU Berlin, Institut für Elektrische Energietechnik, unter Zugrundelegung einer Lebensdauer von 30 Jahren = 360 Monate und polykristallines Silizium, Wirkungsgrad 12-14%)

Übrigens: Im Jahre 2006 hat die Demonstrationsanlage insg. 233.486 kWh ins Netz geliefert, dies entspricht einem Ertrag von 925 kW / kWp,

Das prognostizierte Ergebnis wurde also um fast 20% übertroffen – Ergebnis nicht nur des außergewöhnen Sommers,sondern vorwiegend der optimalen Anlagen-Auslegung.

Übrigens:
Im Jahre 2006 hat die Demonstrationsanlage insg. 233.486 kWh ins Netz geliefert, dies entspricht einem Ertrag von 925 kW/kWp

Das prognostizierte Ergebnis wurde also um fast 20% übertroffen – Ergebnis nicht nur des außergewöhnen Sommers,sondern vorwiegend der optimalen Anlagen-Auslegung.

Erträge deutlich steigern mit PV-Schirmen (Nachführung)

Im Jahr 2005 wurde auf dem Werksgelände darüber hinaus noch in Betrieb genommen:

eine motorisch neigbare Anlage am Gebäude (11,0 kWp),
eine Aufdachanlage (5,1kWp) sowie
sechs PV-Schirme (davon einer in 2006) als Nachführsysteme mit je 4,08 kWp
Bei diesen motorisch betriebenen gebäudeintegrierten Solar-Anlagen mit je 24 Paneele in der Größe von ca. 8 x 4 m ist gegenüber konventionellen Anlagen mit einem Mehrertrag von ca. 30 bis 35% zu rechnen, da sich die photozellengesteuerten Paneelflächen mit dem Sonnenstand drehen und sich jeweils im optimalen Winkel zur Sonne auch in der Schräge anpassen.

Gegenüber konventionellen starren Anlagen liegt der Ertragszuwachs insbesondere im ständig optimalen Winkel zur Sonne: im Winter wegen tief stehender Sonne nahezu senkrecht, im Sommer relativ schräg und bei diesigem Wetter ohne Sonne und bei Sturm waagerecht immer dem hellsten Punkt am Firmament folgend.

Achtung: bei Freiland-Aufstellung ohne Gebäude geringere Vergütung und baurechtliche Genehmigung erforderlich.

Zusammenfassung und Ausblick

Bei Solaranlagen lässt sich sehr gut aufzeigen, daß Ökologie und Ökonomie sich nicht ausschließen, sondern bei entsprechenden gesetzlichen Rahmenbedingungen sehr gut ergänzen können.
Im heutigen Wirtschaftsumfeld gibt es, wenn überhaupt, nur ausgesprochen wenige so risikoarme und langfristig gesicherte Investitionen, denn faktisch gesehen besteht die einzige nicht abgesicherte Einflussgröße in einer lang andauernden Sonnenfinsternis.

Metallkonzept – Ihr Spezialist nicht nur für Fenster, Türen, Wintergärten, Treppen, Geländer
Wir haben darüber hinaus die besondere Erfahrung für Fotovoltaik-Anlagen jeder Größe. Wir beraten gern, sachverständig und unverbindlich.