Photovoltaik – Funktion und Vorteile von PV Anlagen

Photovoltaik wandelt Sonnenenergie direkt in Elektrizität um und spielt eine entscheidende Rolle im Klimaschutz. Erfahren Sie, wann sich eine PV-Anlage für Sie lohnt und welche wichtigen Aspekte bei der Planung zu beachten sind.
Inhaltsverzeichnis
22.05.2024
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    Funktionsweise

    Einführung in Photovoltaik

    Ohne Elektrizität ist unser modernes Leben undenkbar. Mittels Photovoltaik lässt sich die Solarenergie direkt in Strom umwandeln. 

    Mit dieser und den anderen erneuerbaren Energien will die Menschheit in naher Zukunft ihren gesamten Energiebedarf decken, ganz ohne Emission von Treibhausgasen. 

    Was bedeutet Photovoltaik?

    Was bedeutet Photovoltaik

    Was bedeutet Photovoltaik?

    Das Wort "Photovoltaik" (kurz: PV) setzt sich aus dem griechischen Wort "photo" (Licht) und dem Wort "Volt" (Maßeinheit für elektrische Spannung) zusammen.  

    Photovoltaik ist ein technisches Verfahren, bei dem Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. 

    Wie funktioniert Photovoltaik?

    Photovoltaik wandelt Sonnenlicht direkt in Strom um. Dies geschieht durch Solarzellen, die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen.  

    Diese Zellen bestehen aus Halbleitern wie dotiertem Silizium oder anderen Materialien wie Gallium-Arsenid oder Cadmium-Tellurid.  

    Durch die Dotierung entstehen Schichten mit Elektronenüberschuss (n-leitend) und Elektronenmangel (p-leitend), die an der Grenzschicht ein elektrisches Feld erzeugen. Wenn Licht auf diese Grenzschicht auftrifft, trennt dieses Feld Elektronen und Löcher, was einen Stromfluss erzeugt.  

    Die geringe Ausgangsspannung und Stromstärke einer einzelnen Zelle erfordern das Zusammenschalten vieler Zellen in Modulen.  

    Diese Module variieren in Technologie und Effizienz, wobei kristalline Zellen für Dächer üblich sind und Dünnschichtmodule für größere Flächen verwendet werden. 

    Einsatzgebiete von Photovoltaik  

    Photovoltaik findet breite Anwendung in Alltagsgeräten wie Taschenrechnern, Uhren und Solarleuchten sowie in Kühlboxen, Booten und Wohnmobilen. Auch elektrische Gartengeräte können mit Solarzellen ausgestattet sein. 

    Besonders verbreitet ist die Nutzung von Photovoltaik in netzgekoppelten Anlagen auf Privathäusern, Gewerbeimmobilien und öffentlichen Gebäuden. PV-Anlagen auf Hausdächern sind die Regel im privaten Bereich. Sie helfen, Stromkosten zu senken und CO2-Emissionen zu reduzieren. 

    Obwohl Photovoltaik am häufigsten auf Dächern installiert wird, gibt es auch andere Anwendungsmöglichkeiten wie Fassaden-Photovoltaik, Parkplatzüberdachungen, PV-Zäune, schwimmende Anlagen oder Agri-PV im landwirtschaftlichen Bereich. 

    Der erzeugte Strom kann für verschiedene Zwecke wie Heizen, Warmwasserbereitung und Elektromobilität genutzt werden. Die Technologie wird zunehmend attraktiver durch die steigende Effizienz der Solarzellen und dank sinkender Installationskosten. 

    Balkonkraftwerke bieten eine Möglichkeit, Photovoltaik auch ohne eigenes Haus zu nutzen, indem die Mini-PV-Anlagen auf Balkonen oder Terrassen installiert werden. Sie erfordern wie große Anlagen eine Anmeldung beim  Marktstammdatenregister. 

    Photovoltaik: Strom von der Sonne
    Sonnenkraft

    Vorteile von Photovoltaik

    Nutzung

    Photovoltaik leistet einen bedeutenden Beitrag zur Energiewende, da bereits rund 3,7 Millionen Photovoltaikanlagen in Deutschland installiert sind (Stand Februar 2024).  

    Im Jahr 2021 deckte Photovoltaik etwa 9,1 % des Bruttostromverbrauchs ab, aktuell liegt dieser Anteil bereits bei 12,4 %. Für Privatpersonen bietet Photovoltaik die Möglichkeit, kostengünstigen Strom selbst zu erzeugen und somit die Stromrechnung zu senken.  

    Die Vorteile der Photovoltaik im Überblick: 

    • Sonnenenergie ist frei verfügbar und kostenlos.
    • Photovoltaik arbeitet emissionsfrei und geräuschlos.
    • Photovoltaik ermöglicht eine unabhängige Energieversorgung.
    • Durch Stromspeicher kann der gewonnene Solarstrom auch nachts genutzt werden.
    • Die Nutzung von Photovoltaik erfüllt bereits jetzt zukünftige gesetzliche Auflagen, insbesondere im Hinblick auf die Solardachpflicht.
    • Solarstrom kann vielseitig verwendet werden, einschließlich zur Beheizung des Hauses und zur Warmwasserbereitung.
    • Die Größe einer Photovoltaikanlage kann individuell an den Strombedarf angepasst werden, und auch nachträgliche Erweiterungen sind meist möglich.
    • Photovoltaikanlagen haben eine lange Lebensdauer von 20 Jahren und mehr.
    • Sie sind wartungsarm.
    • Für die Installation einer Photovoltaikanlage stehen Fördermittel zur Verfügung.

    Klimaschutz und Umweltaspekte 

    Die Photovoltaik spielt eine entscheidende Rolle im Klimaschutz, da sie im Betrieb keine Treibhausgase erzeugt.  

    Eine Photovoltaikanlage amortisiert sich energetisch bereits nach etwa zwei Jahren. Dabei wird die zur Produktion benötigte Energie durch ihre Nutzung eingespart, obwohl bei der Herstellung CO₂ anfällt. 

    Im Vergleich dazu erfordert die Verbrennung fossiler Brennstoffe kontinuierlich neue Energiezufuhr und es entsteht ständig weitertes CO2. Zudem setzt die Photovoltaik nur wenige seltene Rohstoffe wie Silber ein, Hauptbestandteil ist Silizium aus Sand. 

    Photovoltaikanlagen benötigen häufig keinen zusätzlichen Platz (Dach, Fassade) und haben keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Großanlagen wie Solarparks werden oft auf ungenutzten Flächen errichtet, die sich nicht für die Landwirtschaft eignen und stehen somit nicht im Wettbewerb mit der Nahrungsmittelproduktion.  

    Die Agri-Photovoltaik kombiniert Stromerzeugung mit Pflanzenanbau und bietet empfindlichen Arten zusätzlichen Schutz vor zu viel Sonne.  

    Schwimmende PV-Anlagen auf Gewässern minimieren die Erwärmung des Wassers und das übermäßige Pflanzenwachstum. 

    Photovoltaik auf Hausdach
    Klimaschutz

    Planung und Installation

    Sinnvolle Planung einer PV-Anlage  

    Die sinnvolle Planung einer Photovoltaikanlage ist entscheidend für ihren wirtschaftlichen Betrieb.  

    Hier sind einige wichtige Aspekte zu beachten: 

    Ausrichtung

    Ideal ist ein nach Süden ausgerichtetes Dach mit einem Neigungswinkel von 30 Grad, aber auch bei Abweichungen liefert die PV-Anlage ausreichend Strom für einen wirtschaftlichen Betrieb. Das gilt auch für zweiteilige, Ost-West-Anlagen. 

    Stromverbrauch

    Der geschätzte Stromverbrauch bestimmt die Dimensionierung der Anlage. Ein hoher Eigenverbrauch ist wirtschaftlich sinnvoll. 

    Sektorenkopplung wie der Betrieb einer Wärmepumpe kann den Eigenverbrauch deutlich erhöhen. Darüber hinaus können intelligente Energiemanagement-Systeme dabei helfen, den Stromverbrauch zu optimieren. 

    Größe der Anlage

    Die Anlagengröße sollte zur verfügbaren Dachfläche passen. Eine Mindestgröße von etwa 5 kWp ist empfehlenswert. 

    Die richtige Größe der Anlage sollte mindestens den jährlichen Strombedarf decken. Es kann jedoch sinnvoll sein, die Anlage größer zu dimensionieren, um den überschüssigen Strom zu verkaufen oder für zukünftige Bedürfnisse vorzusorgen. 

    Solarmodule

    Die Leistung und Qualität der Module beeinflussen den Ertrag maßgeblich.  

    Für die Auswahl der Solarmodule sind monokristalline Module mit hoher Effizienz empfehlenswert. Sie bieten eine optimale Leistung und garantierte Langlebigkeit.  

     

    Kosten und Finanzierung einer Photovoltaikanlage

    Die Kosten einer Photovoltaikanlage sollten sich noch vor Ende ihrer Lebensdauer amortisieren, damit in der verbleibenden Zeit kostenloser Solarstrom bezogen werden kann.  

    Zu den einmaligen Kosten gehören: 

    • Kosten für die PV-Anlage
    • Kosten für den Wechselrichter (für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom)
    • Kosten für die Montage inklusive Elektroanschluss und gegebenenfalls Baugerüst

    Laufende Kosten entstehen für: 

    • Reinigung und Wartung der PV-Anlage
    • die Photovoltaik-Versicherung

    Den Kosten gegenüber stehen Einnahmen sowie verschiedene Förderungen.  

    Die Einnahme durch den Eigenverbrauch ergibt sich aus der Differenz zwischen dem aktuellen Strompreis und den Gestehungskosten, also den Kosten, zu denen der Solarstrom hergestellt wird.  

    Letztere liegen bei etwa 10 bis 15 Cent pro kWh. Je höher der aktuelle Strompreis, desto größer ist die Differenz und damit die rechnerische Einnahme. 

    Die wichtigste Förderung und gleichzeitig eine weitere Einnahme ist die Einspeisevergütung für Strom, der mit der Anlage produziert und ins Stromnetz eingespeist wird.  

    Weitere Fördermöglichkeiten bieten die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) und diverse Kommunen und Bundesländer. Die Finanzierung der PV-Anlage kann jedoch auch über Kredite erfolgen.  

    Hier erfahren Sie mehr über die Kosten, die für eine PV-Anlage anfallen.  

     

    Steuern und Genehmigungen von Photovoltaik

    Steuern 

    • Kleinunternehmerregelung reduziert bürokratischen Aufwand, da z.B. für Installation und Lieferung der Anlage die Umsatzsteuer entfällt
    • PV-Anlage abzuschreiben oder Batteriespeicher steuersparend anzuschaffen ist möglich

    Erfahren Sie hier alles Wichtige zum Thema Photovoltaik und Steuern.  

    Anmeldung und Genehmigung 

    • Anmeldung bei Netzbetreiber und Bundesnetzagentur (Marktstammdatenregister ) erforderlich
    • Inselanlagen sind ausgenommen
    • Hausbesitzer haben in der Regel freie Wahl zwecks Nutzung der PV-Anlage, außer örtliche Bauordnungen schränken ein
    • Zustimmung der Eigentümerversammlung für Eigentumswohnungen nötig
    • Mieter benötigen die Genehmigung des Vermieters, auch für kleine Balkonanlagen

    Erfahren Sie hier mehr darüber, wie eine PV-Anlage korrekt angemeldet wird. 

    FAQ: häufig gestellte Fragen zum Thema Photovoltaik

    Wann lohnt sich Photovoltaik?

    Die Nutzung von Photovoltaik kann sich grundsätzlich an allen Standorten in Deutschland lohnen.  

    Der Standort muss eine sinnvolle Ausrichtung der Photovoltaikanlage (idealerweise in Südrichtung, jedoch keinesfalls nach Norden hin) ermöglichen und frei von Verschattungen sein.  

    Eine Fachkraft für Solartechnik bestimmt unter Berücksichtigung der Gegebenheiten vor Ort und der Anforderungen, wie eine PV-Anlage dimensioniert und aufgebaut sein muss, um günstigen Solarstrom zu erzeugen. 

    Wie groß muss eine Photovoltaikanlage für ein Einfamilienhaus sein?

    Grundsätzlich sollte eine PV-Anlage zumindest rechnerisch den Jahresstromverbrauch des jeweiligen Haushalts decken können. Ein  

    Vier-Personen-Haushalt verbraucht im Jahr durchschnittlich 4.500 kWh Strom. Eine Photovoltaikanlage produziert pro Kilowatt-Peak Nennleistung im Jahr etwa 1.000 kWh Strom. Die Anlage für dieses Beispiel sollte daher mindestens eine Leistung von 4–6 kWp haben.  

    Je nach Größe der Solarmodule werden dafür etwa 16–24 m² Dachfläche benötigt (Faustformel: 4 m² Solarmodule pro Kilowatt-Peak Nennleistung, Annahme 400 Wp-Module). 

    Ist Photovoltaik für Strom oder Warmwasser gedacht?

    Mithilfe von Photovoltaik wird aus Sonnenenergie Strom gewonnen. Dieser wird in erster Linie genutzt, um elektrische Geräte im Haushalt mit Strom zu versorgen.  

    Mithilfe einer Wärmepumpe, die mit dem gewonnenen Solarstrom betrieben wird, kann jedoch auch Wasser erhitzt oder eine Heizung betrieben werden.  

    Was ist der Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie?

    Eine Solarthermieanlage nutzt Sonnenkollektoren, um aus dem Sonnenlicht Wärmeenergie zu gewinnen.  

    Diese kann dann beispielsweise zum Heizen genutzt werden. 

    Ist es sinnvoller, Photovoltaik zu kaufen oder zu mieten? 

    Auch wenn die Anschaffungskosten für eine Photovoltaikanlage einmalig hoch sind, empfiehlt die Verbraucherzentrale den Kauf anstatt der Miete.  

    Der Grund ist, dass die monatlichen Mietkosten über die Jahre gerechnet meist den Kaufpreis übertreffen – teilweise um ein Vielfaches.  

    Somit ist es ökonomisch sinnvoller, eine PV-Anlage zu kaufen, gegebenenfalls mithilfe einer Finanzierung. 

    Ist es möglich, Photovoltaik und Solarthermie zu kombinieren?

    Die Kombination von Photovoltaik und Solarthermie ist möglich und unter Umständen auch sinnvoll.  

    Solarthermieanlagen arbeiten bei der Erzeugung von Wärme effizienter als Photovoltaikanlagen und benötigen andererseits Strom, der durch die PV-Anlage erzeugt werden kann.  

    Voraussetzung ist allerdings, dass eine ausreichend große Dachfläche zur Verfügung steht, damit beide Anlagen installiert werden können.  

    Welche Heizung lässt sich sinnvoll mit Photovoltaik kombinieren?

    Ein System aus Photovoltaikanlage, Stromspeicher und Wärmepumpe kann sehr wirkungsvoll sein. 

    Die Photovoltaikanlage produziert günstigen Strom, mit dem die Wärmepumpe betrieben wird, die wiederum günstige Wärme erzeugen kann.  

    Ein Stromspeicher gleicht die Schwankungen in der Stromproduktion durch die PV-Anlage aus, sodass die Wärmepumpe bei Bedarf stets zuverlässig arbeitet.