Start einer Serie von Fach-Artikeln zur Photovoltaik von Prof.Georg Scharfenberg. Wissbegierige Einsteiger, aber auch der eine oder andere Profi können sich hier nochmal die Basics auffrischen. Gründlich, fundiert, und trotzdem verständlich…
Die größte Bedrohung der Menschen ist der Klimawandel, der durch negatives Handeln des Menschen verursacht wird. Die entscheidenden negativen Auswirkungen auf das Klima haben die energiebedingten Kohlendioxidemissionen (CO2) infolge der extensiven Nutzung fossiler Energien seit 200 Jahren. Die verschiedenen Bereiche, Sektoren genannt, in denen fossile Energien wie Kohle, Erdöl und Erdgas genutzt werden, sind die Energiebranche (38,1%), der Verkehr (20,7%, die Industrie (17%) und der Gebäudebereich (8,9%) [1] (Angaben global für das Jahr 2022).
In Deutschland konnte über einen Zeitraum von 30 Jahren die Nutzung fossiler und nuklearer Energien durch Erneuerbare Energien für die Stromerzeugung im Umfang von 55.6% [2] (2022) abgelöst werden. Wir haben uns in Deutschland Klimaneutralität bis zum Jahre 2045 zum Ziel gesetzt [3]. Dieses ist eine große Herausforderung, da mit deutlich steigendem Strombedarf zu rechnen ist, weil der elektrische Strom eine zentrale Rolle zur Ablösung der fossilen Energienübernimmt. So erwarten wir bis zum Jahr 2030 einen Anstieg im Strombedarf um 11% [4]. Haupttreiber für den Anstieg sind die E-Mobilität, die elektrischen Wärmepumpen, die Erzeugung von Elektrolyse-Wasserstoff sowie die Produktion von Batterien.
Engagement als ‚Öko-Energieunternehmer‘ und Klimaschützer
Jeder kann durch sein Handeln etwas für die Klimawende tun. Aber nicht jeder hat die Chance, z.B. ‚Grünen Strom‘ zu erzeugen. Hier setzt die Bürger Energie Region Regensburg(BERR) an. Die BERR bietet ihren Mitgliedern durch Zeichnung von Genossenschaftsanteilen ‚Öko-Energieunternehmer‘ zu werden oder durch Bezug des durch die BERR erzeugten Stroms einen Beitrag zur dezentralen, regionalen und CO2-neutralen Energieversorgung zur Klimawende zu leisten.
Im Schwerpunkt erzeugt die BERR den elektrischen Strom aus Sonnenenergie durch Solaranlagen, sogenannten Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen). Der elektrische Strom wird selbstgenutzt und/oder in das öffentliche Netz gespeist. Die dem Netz zur Verfügung gestellte Energie wird gemäß Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet. Vorteilhafter ist aber, die elektrische Energie selbst zu nutzen und somit den Bezug vom Netz zu vermindern oder weitgehend zu vermeiden (Kostenersparnis und Vermeidungsstrategie/Klimaschutz). Der Kostenvorteil kann bei Anwendung in einem Mietshaus nicht nur für den Eigentümer, sondern auch für den Mieter zum Vorteil gereichen (Mieterstrom-Konzept im EEG). Das Konzept wird, wenn umsetzbar, von der BERR verfolgt oder auch zur Beratung angeboten.
Hier soll erwähnt werden, dass mit der gesetzlichen Vergütung des Stromes aus PV-Anlagen von Deutschland aus die Energiewende mit weltweitem Impuls aus Bayern, und gerade auch aus Regensburg 1990 gestartet wurde [5]. Die Photovoltaik ist gegenüber allen anderen erneuerbaren Energiequellen die langfristig wichtigste Energiequelle weltweit. Das prognostiziert der jährlich erscheinende World Energy Outlook der Internationalen Energieagentur (IEA) in seiner aktuellen 2022er-Ausgabe [6].
Photovoltaik-Anlagen verursachen keine Emissionen in Form von Schadstoffen und erzeugen geräuschlos in der direkten Umwandlung der Sonneneinstrahlung elektrischen Strom. Das Ziel der BERR ist, den elektrischen Strom lokal, dezentral in der Region Regensburg und Umgebung zu erzeugen, also dort, wo er verbraucht wird.
Photovoltaik-Anlage – Stromgenerator der Sonnenenergie
Der Aufbau einer Photovoltaik-Anlage ist im Prinzip sehr einfach. Die Anlage kann auf jedem Hausdach, als Parkplatzüberdachung, auf Industrie- und Gewerbedächern, als Freiflächenanlage an Autobahnen oder Bahntrassen eingerichtet werden. Das Konzept kann zudem an Fassaden von Gebäuden oder als Balkonanlage angewendet werden.
Abbildung 1: Aufbauprinzip einer Photovoltaik-Anlage
Im vorliegenden Artikel setzte ich mich, wie oben abgebildet, mit der grundsätzlichen Struktur einer Photovoltaik-Anlage und den Parametern auseinander, die einen guten energetischen Ertrag sichern.
Folgeartikel „Photovoltaik in Funktion und Anwendung“
In einem nachfolgenden Artikel behandele ich volkswirtschaftliche Aspekte zu PV-Anlagen, unterschiedliche Anlagenkonzepte, sowie die Technologie der Solarzellen und u.a. PV-Freiflächenanlagen, die parallel zur landwirtschaftlichen Nutzung sich auf der gleichen Fläche befinden (Agri-PV).
Energetischer Ertrag einer Photovoltaik-Anlage
Der PV-Generator besteht in der Basis aus Photovoltaikzellen, die in einer größeren Zahl zu Solarmodulen zusammengefasst sind. Die Solarmodule sind in Abb. 1 als blaue Felder dargestellt und bilden in der Gesamtheit den PV-Generator.
Der energetische Ertrag einer Photovoltaik-Anlage hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die hier gelisteten einzelnen Faktoren sind nachfolgend näher erläutert:
- Breitengrad des Aufstellungsorts der Anlage
- Ausrichtung der Anlage zur Himmelsrichtung
- Neigungswinkel der Solarmodule zur Solarstrahlung
- Wirkungsgrad der Solarzellen
- Wirkungsgrad des Wechselrichters
- Wirkungsgrad der Gesamtanlage
Breitengrad des Aufstellungsorts der Anlage
Die Stärke der Solarstrahlung ist bedingt durch den Neigungswinkel der Sonne über der Position der Anlage. Je weiter die Anlage im Norden steht, umso geringer ist die einfallende Energie. Der Grund liegt darin, dass die Sonne im Norden im Jahresmittel flacher über der Fläche steht als über einem südlicheren Ort.
In Norddeutschland, etwa im Bereich Hamburg (53,5o nördlicher Breite), beträgt die Einstrahlung ca. 1.050 kWh/m 2, während in Regensburg (49 o nördlicher Breite) mit einer Einstrahlung von ca. 1.260 kWh/m 2 gerechnet werden kann.
Ausrichtung der Anlage zur Himmelsrichtung
Bei optimaler Ausrichtung nach Süden und einem Neigungswinkel von 30o wird eine PV-Anlage in Hamburg eine Solarernte von ca. 900 kW/kWp erbringen, während in Regensburg bei gleichem Neigungswinkel etwa mit bis zu 1000 kW/kWp gerechnet werden kann.
Im Durchschnitt über mehrere Anlagen, deren Parameter den jeweiligen Gegebenheiten unterliegen, ist in Regensburg ein Abschlag von mindestens 5% auf die angegebene optimale Solarernte zu erwarten. Für vertikale Anlagen an Fassaden muss etwa ein Abschlag von 30% gerechnet werden.
Abbildung 2: Sonnenstandsdiagramm für Regensburg [7]
Mit dem Sonnenstandsdiagramm in Abb. 2 wird die scheinbare Bahn der Sonne im Jahresverlauf über dem Standort Regensburg jeweils für die Höhe der Sonne zwischen Sonnenaufgang und -untergang angegeben. Aus dem Diagramm können als markante Winkel, jeweils zum Mittag, die Sonnenhöhen (Einfallswinkel der Sonnenstrahlung / Ekliptik) über Regensburg abgelesen werden. Berücksichtigt sind der Breitengrad von Regensburg mit 49 o N und die Neigung der Erdachse von 23 o (genau 23,27 o zur Ekliptik).
Da sich die Nordhalbkugel der Erde im Sommer zur Sonne hin bzw. im Winter weg neigt, ergeben sich folgende markante Einfallswinkel der Sonnenstrahlung von 64o im Sommer am 21. Juni, im Winter von 18o und zur Tagundnachtgleiche (Äquinoktium) von 41o am 21. März bzw. 23. September. Die Einstrahlungswinkel sind der Ausgangspunkt für die Entscheidung zur Festlegung des Neigungswinkels im Zusammenhang mit der Ausrichtung des PV-Generators einer zu planenden PV-Anlage.
Neigungswinkel der Solarmodule zur Solarstrahlung
Zu den „örtlichen Gegebenheiten“ ist nicht nur die Ausrichtung der PV-Anlage zur Himmelsrichtung, sondern auch der Neigungswinkel der Solarmodule des PV-Generators zu nennen. Zuvor sind die markanten Einfallswinkel der Sonnenstrahlung genannt. Trifft die Strahlungsenergie genau senkrecht auf die Fläche der Solarmodule ist die Ernte maximal. Dem Sonnenstandsdiagramm ist aber zu entnehmen, dass mit der Rotation der Erde im Tagesverlauf und im Jahresumlauf um die Sonne sich die Einstrahlungswinkel permanent verändern. Die Solarmodule werden in den meisten Fällen mit festen Winkeln und nicht der Sonnenstrahlung folgend, also nicht ‚nachgeführt‘ aufgestellt. Dass bedeutet, dass aus der jeweils vorliegenden Situation mit der Ausrichtung zur Himmelsrichtung und für die Neigung des PV-Generators eine Optimierung entschieden werden muss.
Dachanlagen auf Gebäuden, sind so der architektonischen Situation anzupassen. Mit der Nachrechnung des energetischen Ertrages kann das Optimum zu den vorgegebenen Parametern bestimmt werden. Dazu gehört zudem auch die Beurteilung von Ost-West-Lagen der Dachflächen oder die Nutzung der Gebäudefassade. In die Beurteilung fließt zudem die Zellentechnologie der PV-Module (siehe Folgeartikel) und die Ästhetik der Anlage ein.
Bei Freiflächenanlagen nimmt im Regelfall das Gefälle der Geländefläche einen Einfluss auf die Parameter. Oft kann aber mit passenden Abständen der Anlagenreihen eine Dimensionierung mit weniger Einschränkungen erfolgen.
Wirkungsgrad der Solarzellen
Die Umwandlung der Sonneneinstrahlung findet in den Photovoltaikzellen des PV-Generators statt. Die bodennah eingestrahlte solare Energie ist als elektromagnetisches Spektrum zu betrachten. Das Lichtspektrum, auch Farbspektrum, ist der für den Menschen sichtbare Anteil von Tiefrot (größere Wellenlänge) bis zu Violett (kürzere Wellenlänge, höchster Energieanteil).
Die Solarzellen können grundsätzlich nur einen Teil des Spektrums, und damit nur einen Teil der solaren Energie in elektrischen Strom umwandeln. Je nach Zellentechnologie sind das unterschiedlich große Anteile des Spektrums, so dass sich erhebliche Wirkungsgrad-Unterschiede einstellen. Die Unterschiede reichen bei kommerziellen Solarzellen von 6% (Dünnschichtzelle) bis etwa 25% (kristalline Zelle), während im Labor mit aufwendigen Konstruktionen ein Wirkungsgrad bis 41,4% gemessen wurde [8]. Der jeweils erreichte Wirkungsgrad schlägt mit entsprechendem Material- und Herstellungsaufwand bei den Zellkosten zu Buche und geht damit in erheblichem Maße in die Wirtschaftlichkeitsberechnung einer Anlage ein.
Weitere Einflüsse sind durch die Umgebungstemperaturen am PV-Generator und mit der Alterung (Degradation) der Solarzellen zu berücksichtigen. Grundsätzlich vermindert eine hohe Umgebungstemperatur den Wirkungsgrad einer Solarzelle, während die Degradation zur altersbedingten Verminderung des Wirkungsgrades führt.
Die unterschiedlichen Typen der Solarzellen mit ihren Eigenschaften werden im Folgeartikel erläutert.
Wirkungsgrad des Wechselrichters
Wie erläutert, wandelt der Wechselrichter den Gleichstrom in netzkonformem Wechselstrom entweder einphasig zu einer Spannungshöhe von 230V um, während bei größeren Anlagenleistungen die Einspeisung in das 3-Leiternetz mit einer Spannungshöhe von 400 V erfolgt, jeweils synchron zur Netzfrequenz 50 Hz.
Moderne Wechselrichter schaffen die Umwandlung nahezu verlustfrei, d.h. mit einem Wirkungsgrad von 98%, und geben damit lediglich 2% der Energie als Verlustwärme an die Umgebung ab.
Weitere wichtige Aufgaben des Wechselrichters werden im Folgeartikel erläutert.
Wirkungsgrad der Gesamtanlage
Die wichtigsten Parameter einer Photovoltaik-Anlage, die Einfluss auf den energetischen Ertrag haben, sind damit genannt.
Für die Gesamtanlage bleibt festzustellen, dass die Verschattung des PV-Generators z.B. durch Schlagschatten eines Mastes oder Schattenwurf einer Hochspannungsanlage auf eine Freiflächenanlage oder gar der Schattenwurf eines Baumes für kristalline PV-Zellen erhebliche Verluste darstellen, während Verschattungen bei Dünnschichtzellen geringeren Einfluss haben.
Ertragseinbußen treten zudem durch Verschmutzung der PV-Module ein. Problematische Ablagerungen können entstehen durch lokale Effekte wie Laubabwurf, Vogelkot, Staub von Baustellen oder aus der Landwirtschaft, Ruß aus nahen Schornsteinen, durch regionale Effekte wie Pollenflug oder überregionale Effekte wie Saharastaub-Ereignisse. Intensiver Regen wird die Module größtenteils wieder reinigen. Über die Jahre nehmen allerdings Verschmutzung und damit Ertragsverluste zu. Dieses gilt insbesondere für Module mit sehr flacher Neigung (unter 15°). Oft sind die unteren Kanten und insbesondere die unteren Ecken der Module besonders stark verschmutzt [9].
Mit der Energiewende werden zunehmend Großkraftwerke aus dem Netz genommen. Damit entstehen für große dezentrale Erzeugungsanlagen aus Erneuerbaren Energien, die an das Verteilnetz angeschlossen sind, neue Aufgaben zur Spannungshaltung (Netzstabilität). Diese Aufgaben werden von den Wechselrichtern übernommen und benötigen einen Teil der Energie zur Regelung.
Quellen
[1] statista, „Verteilung der CO2-Emissionen weltweit nach Sektor 2022“
[2] AG Energiebilanzen e.V., „AG Energiebilanzen legt Bericht für 2022 vor“
[3] Die Bundesregierung, „Anteil der Erneuerbaren Energien steigt weiter“
[4] Prognos AG, im Auftrage des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie BMWi 10/2021, „Entwicklung des Bruttostromverbrauchs bis 2030“
[5] Stromeinspeisungsgesetz (heute EEG) zu 12/1990 in die Gesetzgebung des Bundestages eingebracht von Wolfgang Daniels (GRÜNE/Regensburg) und Matthias Engelsberger (CSU/Traunstein)
[6] World Energy Agency: World Energy Outlook 2022
[7] Sonnenstandsdiagramm erstellt mit SunEarthTool.com am 21.12.2023
[9] Fraunhofer Institut ISE, Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland 12/2023