Photovoltaik: Vom Albert Einstein zur modernen Stromerzeugung

Wie Sonnenlicht zu elektrischem Strom wird Photovoltaikanlagen gehören heute zu den wichtigsten Technologien der Energiewende. Auf Einfamilienhäusern, Gewerbehallen und Freiflächen erzeugen sie Strom direkt aus Sonnenlicht – ohne bewegliche Teile, ohne Brennstoffe und ohne lokale Emissionen. Die physikalische Grundlage dieser Technik wurde bereits vor über 100 Jahren beschrieben. Interessanterweise erhielt Albert Einstein seinen Nobelpreis nicht für die Relativitätstheorie, sondern für die Erklärung eines Phänomens, das heute als Grundlage der Photovoltaik gilt:

Der photoelektrische Effekt

Im Jahr 1905 veröffentlichte Einstein seine Arbeit über die Wechselwirkung von Licht und Materie.

Er konnte zeigen, dass Licht nicht nur als Welle, sondern auch in Form einzelner Energiepakete – sogenannter Photonen – betrachtet werden kann.

Trifft ein Photon auf ein geeignetes Material, kann es Elektronen aus ihrer Bindung lösen.

Genau dieser Effekt wird in Solarzellen genutzt.

Für diese wissenschaftliche Arbeit erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.

Wie eine Solarzelle Strom erzeugt

Moderne Solarzellen bestehen überwiegend aus Silizium.

Die Zelle enthält zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten:

• • p-Schicht
  • n-Schicht

Zwischen beiden entsteht ein elektrisches Feld.

Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle:

1. 1. Photonen treffen auf das Silizium.
   2. Elektronen werden freigesetzt.
   3. Das elektrische Feld trennt die Ladungen.
   4. Über elektrische Leiter fließt Gleichstrom.

Mehrere Solarzellen werden zu Modulen zusammengefasst.

Der erzeugte Gleichstrom wird anschließend über einen Wechselrichter in den im Haushalt nutzbaren Wechselstrom umgewandelt.

Welche Arten von Photovoltaikanlagen gibt es?

Klassische Aufdachanlage

Die häufigste Variante.

Die Module werden auf einer vorhandenen Dachfläche montiert.

Vorteile:

• • vergleichsweise günstig
  • nachrüstbar
  • bewährte Technik

Nachteile:

• • optisch sichtbar
  • zusätzliche Dachaufbauten

Indachanlage

Hier ersetzen die Module Teile der Dacheindeckung.

Vorteile:

• • harmonische Optik
  • weniger Dachaufbauten

Nachteile:

• • höhere Kosten
  • aufwendigere Wartung

Solardachziegel

Bei Solardachziegeln übernimmt jeder Dachstein gleichzeitig die Funktion einer Solarzelle.

Bekannte Systeme stammen beispielsweise von Tesla oder verschiedenen europäischen Herstellern.

Vorteile:

• • sehr hochwertige Optik
  • kaum von normalen Dächern zu unterscheiden

Nachteile:

• • deutlich höhere Investitionskosten
  • geringerer Wirkungsgrad pro Quadratmeter
  • aufwendigere Installation

Fassaden-Photovoltaik

Solarzellen werden in Fassaden integriert.

Besonders interessant für:

• • Bürogebäude
  • Hochhäuser
  • Gewerbeobjekte

Da die Module meist nicht optimal zur Sonne ausgerichtet sind, liegen die Erträge häufig unter denen klassischer Dachanlagen.

Freiflächenanlagen

Große Solarparks auf freien Flächen.

Vorteile:

• • höchste Wirtschaftlichkeit
  • einfache Wartung

Nachteile:

• • hoher Flächenbedarf
  • Genehmigungsaufwand

Wie wirkt sich Bewölkung auf die Leistung aus?

Ein häufiges Missverständnis:

Photovoltaik funktioniert nicht nur bei direkter Sonneneinstrahlung.

Auch diffuses Licht erzeugt Strom.

Typische Leistungswerte:

Volle Sonneneinstrahlung:

100 %

Leicht bewölkt:

60–80 %

Stark bewölkt:

20–50 %

Dichter Regen:

5–20 %

Selbst an grauen Wintertagen produziert eine Anlage noch Strom.

Allerdings sinkt der Ertrag deutlich.

Temperatur beeinflusst den Wirkungsgrad

Viele Menschen glauben:

Je heißer die Sonne, desto besser die Anlage.

Das Gegenteil ist oft der Fall.

Solarzellen arbeiten bei niedrigen Temperaturen effizienter.

Die Standard-Messbedingungen beziehen sich auf:

• • 25 °C Zelltemperatur
  • 1000 W/m² Einstrahlung

Steigt die Zelltemperatur auf 60 °C oder mehr, sinkt die Leistung moderner Module typischerweise um 10–20 %.

Deshalb liefern sonnige Frühlingstage oft höhere Erträge als extrem heiße Sommertage.

Wirkungsgrad moderner Solarmodule

Frühere Module:

8–12 %

Moderne Standardmodule:

20–23 %

Hochleistungsmodule:

24–26 %

Laborzellen:

über 40 %

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Wie lange halten Photovoltaikanlagen?

Photovoltaikanlagen besitzen keine beweglichen Teile.

Dadurch sind sie außerordentlich langlebig.

Typische Lebensdauer:

Module:

30–40 Jahre

Wechselrichter:

10–20 Jahre

Batteriespeicher:

10–20 Jahre

Leistungsverlust im Laufe der Zeit

Jede Solarzelle altert.

Dieser Prozess wird als Degradation bezeichnet.

Typische Werte moderner Module:

erstes Jahr:

ca. 1 %

danach:

0,3–0,5 % pro Jahr

Nach 25 Jahren besitzen hochwertige Module häufig noch:

85–90 % ihrer ursprünglichen Leistung.

Wann amortisiert sich eine Photovoltaikanlage?

Die wichtigste Frage vieler Bauherren lautet:

Wann hat sich die Investition bezahlt gemacht?

Ein Beispiel:

10-kWp-Anlage

Investition:

ca. 14.000 bis 18.000 Euro

Jahresertrag:

9.000–10.000 kWh

Eigenverbrauch:

35–50 %

Strompreis:

35 Cent/kWh

Bei einem durchschnittlichen Haushalt ergibt sich häufig:

jährlicher Vorteil:

1.200 bis 2.000 Euro

Damit liegt die typische Amortisationszeit heute häufig zwischen:

8 und 12 Jahren.

Warum steigende Strompreise die Wirtschaftlichkeit verbessern

Photovoltaik produziert den größten Teil ihres Wertes nicht durch Einspeisevergütung.

Der entscheidende Faktor ist heute:

vermeideter Strombezug.

Wenn Strompreise steigen:

• • steigt der Wert jeder selbst erzeugten Kilowattstunde
  • verkürzt sich die Amortisationszeit
  • erhöht sich die Gesamtrendite

Deshalb rechnen viele Wirtschaftlichkeitsmodelle mit jährlichen Strompreissteigerungen von 2–4 %.

Beispielrechnung über 30 Jahre

Anlagenkosten:

16.000 Euro

Leistungsabnahme:

0,4 % pro Jahr

Strompreissteigerung:

3 % pro Jahr

Ergebnis:

Gesamterzeugung über 30 Jahre:
ca. 260.000–280.000 kWh

vermiedene Stromkosten:
deutlich über 70.000 Euro

abzüglich Investition und Wartung:
mehrere Zehntausend Euro wirtschaftlicher Vorteil

Die genauen Werte hängen natürlich von Standort, Ausrichtung, Eigenverbrauch und zukünftigen Strompreisen ab.

Fazit

Photovoltaik basiert auf einer physikalischen Entdeckung, die Albert Einstein bereits vor mehr als 100 Jahren beschrieben hat. Aus dem damals noch theoretischen photoelektrischen Effekt entwickelte sich eine Technologie, die heute weltweit Milliarden Kilowattstunden Strom erzeugt.

Moderne Anlagen arbeiten selbst bei Bewölkung zuverlässig, besitzen Lebensdauern von mehreren Jahrzehnten und erreichen häufig Amortisationszeiten zwischen acht und zwölf Jahren.

Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit sind dabei nicht nur Anschaffungskosten und Sonneneinstrahlung, sondern vor allem der Eigenverbrauch und die langfristige Entwicklung der Strompreise.

Mit steigenden Energiekosten gewinnt jede selbst erzeugte Kilowattstunde zusätzlich an Wert – weshalb Photovoltaik für viele Gebäude heute nicht nur eine ökologische, sondern auch eine wirtschaftliche Investition darstellt.