Was ist Photovoltaik? Definition & Funktion im Überblick

Sonnenenergie zur Stromerzeugung zu nutzen, ist wirtschaftlich wieder sehr attraktiv – vor allem beim Eigenverbrauch der erzeugten Energie. Was Sie über Photovoltaik wissen müssen und ob sich eine Solaranlage für Sie eignet, erfahren Sie hier. Mit dem Photovoltaik-Rechner können Sie herausfinden, ob sich eine PV-Anlage für Ihr Dach lohnt.

SolardachCheck: Photovoltaik prüfen

Würde sich Photovoltaik auf Ihrem Dach lohnen? Was bringt ein Speicher in Ihrem Fall? Finden Sie heraus, mit welchen Erträgen Sie rechnen können:

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik – oder auch Fotovoltaik – meint die direkte Umwandlung von (Sonnen-)Licht in elektrischen Strom. „Photo“ leitet sich vom griechischen Wort für Licht ab. Der zweite Bestandteil bezieht sich auf Volt, die Einheit für die elektrische Spannung. Photovoltaik ist die Technologie, mit der Hausbesitzer*innen klimafreundlichen Grünstrom selbst erzeugen und auch direkt verbrauchen können.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Photovoltaik funktioniert einfach erklärt so: Eine Solarzelle besteht aus zwei unterschiedlich behandelten Schichten Silizium, bei denen sich folgendes abspielt:

1. Die Energie der Lichtphotonen bewirkt, dass sich Elektronen des Siliziums aus der einen Schicht lösen und in die andere Siliziumschicht wandern.
2. Zwischen den beiden Schichten entsteht so ein elektrisches Feld mit einer in Volt gemessenen Spannung.
3. Weitergeleitet wird der Strom durch metallene Kontakte auf dem Silizium. Als dünne Drähte sind sie mit bloßem Auge zu erkennen. Mehrere Reihen von Solarzellen werden in einem Modul zusammengeschaltet.

Die Funktion des Halbleiters Silizium können auch Verbindungen aus anderen Elementen erfüllen: Germanium, Zinn, Gallium, Arsen, Kupfer, Indium, Cadmium und Tellur. Die allermeisten Hersteller verwenden aber Silizium.

Wie ist der Aufbau einer Solaranlage?

Der Aufbau einer Photovoltaikanlage ist in wenigen Punkten erklärt:

1. Solarmodule mit Solarzellen
2. Verkabelung
3. Montagesystem für das Dach (oder Balkon, Carport, Fassade)
4. Wechselrichter: Wandelt den Gleichstrom aus dem Modul in Wechselstrom für das Hausnetz oder das Stromnetz.
5. Zweirichtungszähler: Misst den Strombezug aus dem Netz und die Einspeisung von Solarstrom in das Netz – meist auch den Eigenverbrauch von Solarstrom
6. Energiemanager: Diese Software kann bei entsprechender Einstellung automatisch Spülmaschine, Wärmepumpe oder Ladestation des Elektroautos anschalten, wenn die PV-Module genug Strom erzeugen.

Für viele gehört inzwischen auch ein Stromspeicher zu ihrer Photovoltaik-Anlage. Solarbatterie und Energiemanager erhöhen den Eigenverbrauch von Solarstrom, was finanzielle und ökologische Vorteile hat.

Welche Arten von Photovoltaik gibt es?

Für Ein- und Zweifamilienhäuser kommen vor allem zwei Arten von Photovoltaik-Modulen in Frage:

• polykristalline Siliziummodule und
• monokristalline Siliziummodule.

Siliziummodule haben verschiedene Größen (12 bis 96 Solarzellen), um jedes Dach optimal zu nutzen. Verschiedene Module können unterschiedlich kombiniert werden. Auch unterschiedliche Ausrichtungen der Module sindist kein Problem.

Neben den weit verbreiteten Siliziummodulen gibt es Dünnschichtmodule mit Halbleitern aus Kupfer und Indium als Nischenprodukt. Ihr geringeres Gewicht ist ein Vorteil, wenn die Statik des Daches nicht für Siliziummodule ausreicht. Nachteilig kann der dadurch deutlich größere Platzbedarf sein.

Wie viel Photovoltaik brauche ich?

Eine empfehlenswerte Größe von PV-Anlagen für Einfamilienhäuser liegt zwischen 4 und 10 kWp oder auch mehr. Hauseigentümer*innen sollten ihre Dächer und Vordächer voll ausnutzen. Dann lässt sich der elektrische Strombedarf des Hauses bis weit in den Herbst hinein decken. Und am besten denken Sie dabei auch gleich über ein Elektroauto oder eine Wärmepumpe nach – auch wenn es bis zum Kauf vielleicht noch ein paar Jährchen dauert.

Was bedeutet kWp (Kilowattpeak)?

Die Leistung in Watt (W) oder 1000 Watt (Kilowatt, kW) ist ein Maß für die elektrische Leistung. Bei Photovoltaik-Modulen wird von der Nennleistung in Kilowatt-Peak (kWp) gesprochen. Eine Photovoltaik-Anlage mit 10 kWp kann bei optimalen Bedingungen 10 Kilowatt Leistung bereitstellen.

Die Leistung von Solarmodulen wird unter Standardtestbedingungen ermittelt. Wie viel Strom Module tatsächlich erzeugen, hängt aber von vielen Faktoren ab:

• Bestrahlungsstärke: abhängig von Standort, Ausrichtung & Dachneigung, Tageszeit, Jahreszeit, Wolken, Luftverschmutzung
• Temperatur: Bei milden Bedingungen erzeugen PV-Module mehr Strom als bei Hitze.
• Windgeschwindigkeit: beeinflusst die Modultemperatur

Unter natürlichen Bedingungen liegt die Leistung der Module fast immer unter der Nennleistung. Nicht zu vergessen: Hinzu kommen noch Verluste der gesamten PV-Anlage, vor allem je nach Qualität des Wechselrichters und durch die Nutzung eines Speichers.

Wie hoch sind die Erträge von Photovoltaik?

Pro Kilowatt-Peak erzeugen Photovoltaik-Anlagen in Deutschland 750 bis 1.050 Kilowattstunden pro Jahr. Dabei sind Verluste der Anlage bereits abgezogen. Eine Solaranlage mit 4 Kilowatt-Peak erzeugt also 3.000 bis 4.200 Kilowattstunden Strom pro Jahr – etwa so viel, wie ein Zwei- bis Drei-Personen-Haushalt ohne Wärmepumpe oder Elektroauto verbraucht.

Allerdings fallen Eigenverbrauch und solare Stromerzeugung nicht immer zusammen. Das verdeutlicht schon ein Blick auf die Photovoltaik-Erträge in den verschiedenen Monaten eines Jahres.

Verteilung des PV-Ertrags im Jahresverlauf

Wer darf eine PV-Anlage installieren?

Photovoltaikanlagen sind elektrische Systeme, die nur von Fachpersonal installiert und in Betrieb gesetzt werden dürfen. Zudem brauchen sie regelmäßig eine professionelle Durchsicht. Die Anlagen müssen brandsicher sein, und sie sollten mindestens zwanzig Jahre laufen. Deshalb ist von einer Selbstinstallation unbedingt abzuraten. Fehler können zu einem Lichtbogen auf dem Dach führen, zu Kurzschlüssen oder Bränden.

Pflichten nach der Installation

Seit 2019 gibt es eine Pflicht zum Registrieren für neue und alte Photovoltaikanlagen. Neue Anlagen sind innerhalb von vier Wochen durch den Betreiber im Marktstammdatenregister anzumelden. Die Pflicht gilt auch für Speicher.

Wie finde ich den richtigen Montagebetrieb?

Einen geeigneten Installationsbetrieb für Photovoltaik und Haustechnik erkennen Sie an seinen Referenzen. Der Handwerksbetrieb sollte in Ihrer Region ansässig sein, um sich mit örtlichen Anforderungen wie Windlasten, Schneelasten oder Hagel auszukennen. Neben der Elektrik sollte er auch die Heizungstechnik beherrschen oder mit einem zuverlässigen Heizungsbauer kooperieren. Denn Photovoltaik lässt sich gut mit einer Wärmepumpe kombinieren.

Welche Vorteile und Nachteile hat Photovoltaik?

Im Großen und Ganzen wiegen die Vorteile von Photovoltaik die Nachteile auf:

+ Mit Photovoltaik können auch Hausbesitzer*innen an der Energiewende teilnehmen und ihren eigenen klimafreundlichen Strom erzeugen.

+ Mit Photovoltaik können Sie sich von den Energieversorgern und steigenden Strompreisen ein Stück weit unabhängig (autark) machen.

+ Der Eigenverbrauch lohnt sich finanziell am stärksten: Je weniger Strom zugekauft werden muss, desto höher ist die Einsparung.

+ Photovoltaik-Anlagen kommen ohne bewegte Teile oder Verbrenner aus und sind deshalb wartungsarm.

+ Außerdem stoßen sie im Gegensatz zu großen fossilen Kraftwerken oder auch fossilen Heizungen keine schädlichen Abgase aus.

Die Nachteile hingegen sind vergleichsweise gering:

- Nachts oder an sehr grauen Wintertagen liefert Photovoltaik fast keinen Strom.

- Durch Photovoltaik-Anlagen liegt zusätzliches Gewicht auf dem Dach, bei Wind- und Schneelasten noch mehr. Einige Dächer können diese zusätzliche Last nciht tragen und sind damit ungeeignet für die solare Stromproduktion.

Vorteile und Nachteile von Photovoltaik im Überblick

Photovoltaik: Was passiert nach 20 Jahren?

Normalerweise werden Photovoltaikanlagen auf zwanzig Jahre ausgelegt und berechnet, da auch die Einspeisevergütung nach Installation 20 Jahre gezahlt wird. Erfahrungen zeigen, dass ordentlich installierte Systeme durchaus länger laufen können. Besitzer*innen haben dann mehrere Möglichkeiten:

• Nach zwanzig Jahren könnten Sie die Anlage einfach vom Dach nehmen und bei kommunalen Sammelstellen kostenlos entsorgen lassen: als Elektroaltgeräte (Solarmodule, Wechselrichter, Kabel) und als Schrott (Montagegestelle aus Stahl oder Aluminium). Laut Umweltbundesamt können mehr als 80 Prozent recycelt oder anderweitig verwendet werden.
• Sinnvoller ist es allerdings meist, die Anlage nach zwanzig Jahren einfach weiter stromen zu lassen.
• Oder Sie lassen die alten Solarmodule abnehmen und neue, leistungsfähigere Module auf dem vorhandenen Montagegestell aus Metall installieren (Repowering).

Empfehlenswert ist es, bereits vor Ablauf der zwanzig Jahre Pläne zu machen, dabei Experten einzubinden und an Fördermittel zu denken. Denn je nach Entscheidung können zum Teil erhebliche Kosten für Demontage und Transport und/oder Repowering anfallen. Außerdem können Sie so frühzeitig an mit der Photovoltaik verbundene Dinge wie Elektromobilität, Heizung oder Warmwasserversorgung denken.

Ist Photovoltaik gefährlich?

Von einer korrekt geplanten und installierten Anlage geht normalerweise keine Gefahr aus. Prinzipiell gibt es eine Brandgefahr, die in der Realität aber sehr gering ist. Doch je nach Anlage sind die Spannungen und Ströme mitunter sehr hoch. Manchmal entstehen bei Photovoltaik von außen unsichtbare Schäden durch Hagelschlag, unbemerkte Blitzeinschläge oder Tierverbiss, die erhebliche Gefahren für Leib und Leben darstellen können. Deshalb sollten Sie die Photovoltaikanlage einmal im Jahr durch einen Fachmann inspizieren lassen, am besten im Frühjahr, kurz vor der nächsten Sonnensaison.

Autoren: Manuel Berkel (freier Energiejournalist), Heiko Schwarzburger (Fachjournalist für erneuerbare Energien)