Mit den erneuerbaren Energien aus Photovoltaik ist die Bürgerenergie-Genossenschaft BERR gut aufgestellt und leistet einen lokalen Beitrag im Kampf gegen die Klimakatastrophe. Verknüpft mit diesem Engagement sollen Impulse zu privaten Initiativen zur Klimawende gegeben werden. Dazu gehören Informationsveranstaltungen, wie der Workshop am 21. April zum Balkonkraftwerk, aber auch informative Artikel, um Überlegungen rund um die Möglichkeiten es eigenen Engagements zur Klimathematik anzustoßen.    

Im folgenden Artikel möchte Georg Scharfenberg mit der Übersicht zur Geothermie einen Impuls zur Wärmewende geben, der außerhalb der Aktivitätsfelder der BERR liegt und zu privaten Überlegungen zu Möglichkeiten der effizienten Wärmeversorgung im eigenen Wohnbereich geben kann. 

Georg Scharfenberg ist emeritierter Professor der OTH in Regensburg und ein ausgewiesener Experte für Energietechnik und hält unter anderem eine Vorlesung zur Geothermie.

Erdwärme zwischen Sonnenstrahlung und dem Erdinneren
– Heizen und Kühlen mit einem System

Zum Einstieg müssen wir zwischen „Oberflächennaher Geothermie“ und der „Tiefengeothermie“ unterscheiden. Die Tiefengeothermie gilt formal ab einer Tiefe von 400 m und ist ein Thema, für das ich an dieser Stelle nur die Zahl der sogenannten „Geothermischen Tiefenstufe“ liefere. Diese Zahl benennt die durchschnittliche Temperaturzunahme mit zunehmender Tiefe und beträgt 3 ^oC je 100 m oder, gut zu erinnern: 30 ^oC je 1000 m.
Am Ende dieses Artikels gebe ich als Hintergrundinformation ein paar interessante Aspekte zur Tiefengeothermie. Dabei geht es um die Entstehung der Erdwärme und um große Projekte, die in der Öffentlichkeit von Interesse sind. 

Die geothermische Energie wird den erneuerbaren Energieformen zugerechnet.
Diese versteht sich im menschlichen Maßstab als unerschöpfliche Energiequelle.

Impuls zur Wärmewende in unserer Umgebung

Der Impuls zur Wärmewende wird von mir zur Oberflächennahen Geothermie-Nutzung für die private Bereitstellung von Wärmeenergie für Heizung und Warmwasser im Wohnbereich gegeben. Hier müssen grundsätzlich drei verschiedene Tiefen im Erdboden unterschieden werden, die jeweils spezifische Möglichkeiten bieten, aber auch Begrenzungen haben.

Abschnitt 1 Saisonale Zone
Direkt unter der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 10 bis 20 m befindet sich der Bodenbereich, der im Verbund mit der Sonnenstrahlung und dem Regenwassereintrag die Wärme aus der Oberfläche erhält. Der Temperaturgang der Bodenwärme variiert erheblich mit der Jahreszeit. In diesem Abschnitt ist der geothermische Wärmefluss aus dem Inneren der Erde nicht feststellbar. In unseren Breiten stellt sich etwa in der Tiefe von 15 m eine konstante Temperatur von 10 ^oC ein. 

Abschnitt 2 Neutrale Zone
In diesem Bodenabschnitt schließt sich unter dem Abschnitt 1 bis zu einer Tiefe von bis zu 50 m die sogenannte neutrale Zone an, in der die Temperatur von 10 ^oC etwa konstant ist. 

Abschnitt 3 Geothermische Zone
Erst ab der Tiefe von 50 m ist der geothermische Wärmefluss mit dem Temperaturanstieg von 3 ^oC je 100 m (Geothermische Tiefenstufe), wie oben ausgeführt, bestimmend.
Der Temperaturanstieg kann allerding je nach geologischen Verhältnissen, stark variieren.

Drei Systeme zum Gewinnen

Oberflächennah unterscheiden wir zur Raumbeheizung und Warmwassererzeugung, bezogen auf private Projekte, drei unterschiedliche Konzepte zur Wärmegewinnung:

• Erdwärmekollektor 
• Erdwärmesonde 
• Grundwasserwärmenutzung 

Abbildung 2: Konzepte der Oberflächennahen Geothermie-Wärmegewinnung [1]

Oberflächennah Heizen und Kühlen

Wärmepumpe
Alle drei Konzepte benötigen eine Wärmepumpe, um das notwendige Temperaturniveau für Heizung und Warmwasser bereitzustellen. Die Wärmepumpe erhält die Wärme über ein flüssiges Wärmeträgermedium (Sole; Wasser mit Frostschutzmittel) in einem geschlossenen Umlauf aus dem Erdwärmekollektor oder der Erdwärmesonde. Bei der Grundwassernutzung wird die Wärmepumpe in einem offenen Kreis über Brunnenwasser versorgt, dass über einen zweiten Brunnen dem Untergrund wieder zugeführt wird.
Der Effizienz der Wärmepumpe kommt als zentraler Komponente in der Anlage besondere Bedeutung zu. Hier kommen verschiedene Parameter zum Tragen, die nicht nur die Erdwärmeanlage (siehe nächsten Absatz), sondern auch das erforderliche Temperaturniveau (Vorlauftemperatur) für das Gebäude betreffen. Wärmepumpen profitieren besonders von niedrigen Vorlauftemperaturen für das Heizungssystem. Sie können zudem phasenweise die für den Warmwasserspeicher erforderliche höhere Temperatur erzeugen. In der Regel haben Wärmepumpen im Einsatz von Erdwärmeanlagen keine Probleme, um die Wärme effizient zu erzeugen.

Auslegung der Anlage
Die zu fördernde Wärmeenergie muss im ausreichenden Maße und auf Dauer (mehr als 30 Jahre) für die Heizung (Heizlast) und das Warmwasser bereitgestellt werden. Der Gebäudebedarf wird zuvor berechnet und damit die Auslegung der Erdwärmeanlage mit der erforderlichen Wärmepumpe bestimmt. Ein Teil der Energie wird aus dem elektrischen Betrieb der Wärmepumpe zugeführt und wird grundsätzlich mitberücksichtigt. Ein Beispiel ist, dass die Wärme mit drei Teilen (75 %) aus dem Boden gewonnen wird und ein Teil (25 %) als elektrische Antriebsenergie der Wärmepumpe zugeführt wird. Besonders sinnvoll ist dabei die elektrische Versorgung aus einer Solaranlage (PV-Anlage), weil damit die Versorgung der Wärmepumpe CO₂-frei lokal erfolgt.

Grundsätzlich ist die oberflächennah zu gewinnende Energie begrenzt. Ein Bespiel wäre, dass ein Gebäude des KW40 – Standards mit 4 Bewohnern auf 150 m² Wohnfläche etwa mit einer thermischen Leistung von 7 kW aus Oberflächennaher Geothermie versorgt werden kann.

Kühlung im Sommer
Interessant ist mit den zunehmend warmen Sommern, dass die geothermische Anlage zum Kühlen des Gebäudes genutzt werden kann. Dieses funktioniert, in dem die sommerliche Wärme aus dem Gebäude in den deutlich kühleren Boden transportiert wird. Der Wärmetransport erfolgt unter Einsatz der Wärmepumpe, die dazu eine Richtungsumschaltung hat. Alternativ dazu kann ein Rohrsystem bestehen, dass die Wärme an der passiven Wärmepumpe vorbeiführt und im Kreislauf das gekühlte Medium in die Räume transportiert. Die im Winter genutzten Heizflächen dienen im Sommer zum Abbau der Wärme aus den Räumen. 

Fündigkeit
Unter Fündigkeit wird die erfolgreiche Entdeckung und Erschließung einer geothermischen Ressource zur Nutzung verstanden. Im Bereich der Oberflächennahen Geothermie besteht lediglich für die Grundwasserwärmenutzung der Aufwand, einen geeigneten Grundwasserleiter aufzufinden (siehe weiter unten).  

Genehmigung der Erdwärmeanlage
Ein wichtiger Gesichtspunkt zum Einstieg in die Planung der Erdwärmenutzung ist die erforderliche Anzeige oder ggf. Genehmigung des Bodeneingriffs bei der unteren Wasserrechtsbehörde (Landratsamt oder kreisfreie Stadt). Die Entscheidungsgrundlage betrifft stets die Fragestellung, ob das Risiko besteht, dass das Grundwasser schädlich verunreinigt oder seine Beschaffenheit nachteilig verändert werden könnte.
Dieses muss während des Baus sowie während des Betriebs der Anlage ausgeschlossen sein.

Fachliche Grundlage
Als fachliche Grundlage nutzen Planer zur Berechnung der Oberflächennahen Geothermie-Systeme die Richtline des Verbands Deutscher Ingenieure VDI 4046 [2].

Jedes System gewinnt, hat auch Grenzen

• Erdwärmekollektor 

Der Erdwärmekollektor wird frostfrei in der Tiefe von 1,5 m (mind. 30 cm unter der örtlichen Frostgrenze) z.B. horizontal in Kunststoff-Rohrschleifen (wie bei einer Fußbodenheizung) oder spiralförmig in Gräben oder Gruben (Erdwärmekorb) in den Erdboden des Grundstücks eingebracht. Der Flächenbedarf einer horizontalen Anlage ist erheblich. Ein Richtwert ist, dass der Kollektor etwa die doppelte Fläche im Verhältnis zur beheizten Fläche benötigt. Die Entzugsleistung aus der Bodenfläche beträgt etwa 25 W/m².
Die Fläche, unter der der Kollektor liegt, darf nicht überbaut werden, damit Regenwasser eindringen kann. Tief wurzelnde Pflanzen dürfen nicht eingebracht werden, um auftretende Kräfte durch Wurzelwerk am Rohrsystem zu vermeiden.
Erdwärmekörbe werden in bis zu vier Metern Tiefe unter der Erdoberfläche eingebracht. In der Regel ist die Beheizung eines Einfamilienhauses mit drei bis vier Erdwärmekörben möglich. Körbe benötigen weniger Fläche, so dass z.B. ein Garten darüber eingerichtet werden kann. Als Nachteil muss infolge des Entzugs der Bodenwärme ein verzögertes Wachstum im Frühjahr hingenommen werden.  
Es besteht grundsätzlich kein Genehmigungsaufwand. In Wasserschutzgebieten hat die Trinkwasserressource Vorrang vor der Erdwärmenutzung. Es können Einschränkungen bestehen, so dass Anzeige- und Genehmigungspflicht bei den zuständigen Fachbehörden besteht.

• Erdwärmesonde 

Erdwärmesonden gewinnen zunehmend an Bedeutung. Die Erdwärme wird dabei aus vertikalen Erdbohrungen in Tiefen zwischen 70 m und 100 m Tiefen gewonnen. In das Bohrloch ist ein geschlossenes Kunststoffrohr (U-Sonde), meistens aber eine Doppel-U-Sonde) eingeführt, in dem das Wärmeträgermedium (Sole) zur Wärmepumpe zirkuliert. Sofort nach Einbringen der Sonden in den Boden wird das ca. 15 cm große Bohrloch aus der Tiefe bis zur Erdoberfläche mit einer flüssigen Zementmischung eingespült (via Verfüllrohr). Diese Zementmischung stellt durch Zusätze eine gute Wärmeübertragung zum Erdreich her und fixiert die Sonden im Bohrloch mit der Aushärtung.
Die Erdwärmesonde bezieht die Wärme größtenteils aus dem Wärmestrom der Erde. Eine einzelne Doppel-U-Sonde mit einer Tiefe von 70 m kann etwa 3 bis 4 kW thermische Leistung bereitstellen. Je nach Heizlast des zu versorgenden Gebäudes können ein bis zwei Sonden für ein Einfamilienhaus ausreichend sein. Es werden zunehmend Sondenfelder für Schulen, Geschäftshäuser oder Wohnsiedlungen eingesetzt. Auf dem Uni-Gelände in Regensburg erfolgt derzeit die Untersuchung, die Heizwärme in Zukunft über Erdwärmesonden bereitzustellen. Es sind bereits einige Sonden im Einsatz.

Der Bau und Betrieb einer Sondenanlage bedarf der wasserrechtlichen Genehmigung. Mit dem Antrag wird die Zulässigkeit eingeholt und die wasserwirtschaftlichen Vorgaben zur Bohrtiefe vorgegeben. Die Bohrtiefe wird z.B. begrenzt, um stockwerkstrennende Schichten nicht zu durchbohren. 

Sind die geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse am Standort nicht bekannt, können vom geologischen Dienst des Bundeslandes Informationen zur Bodenbeschaffenheit erfahren werden. Eventuell kann eine anzeigenpflichtige Erkundungsbohrung durchgeführt werden. 

Es sind aus thermischen Gründen Abstände der Sonden zur Grundstücksgrenze in der Regel 3 – 5 m und untereinander mindestens 6 m einzuhalten. 

Regeneration des Bodens
Eine besondere Bedeutung im Zusammenhang mit mehreren Sonden bzw. Sondenfeldern stellt die Gefahr der langjährigen Auskühlung des Untergrunds dar. Die Auskühlung entsteht, weil die vertikalen Sonden im Boden den Wärmestrom aus der seitlichen Zuführung (horizontal) beziehen. Je nach geologischer Schichtung kann der Wärmestrom nicht im erforderlichen Zeitmaß hinzufließen, so dass die Gefahr besteht, dass der Boden von Jahr zu Jahr weiter auskühlt und die Anlage nach Jahren nicht mehr effizient arbeitet.
Eine vorteilhafte Lösung zur Vermeidung des Effizienzverlustes ist es, im Sommer die Anlage zur Kühlung zu nutzen. Mit dem Kühlbetrieb wird die Wärme aus dem Gebäude in den Boden transportiert, der damit regeneriert und letztlich einen Teil der sommerlichen Energie für den Winter speichert. 

Herstellung der Erdwärmesonden-Anlage
Die Bohrung einer Erdwärmesonden-Anlage kann je nach geologischem Aufbau des Untergrunds im Regelfall innerhalb eines Tages mit Einbringung der Sonden erstellt werden. Zu berücksichtigen ist die Zufahrt und der Aufwand, den das Bohrgerät und die Container zur Aufnahme des Bohrguts darstellen. Es wird ein Graben zum Gebäude für den frostfreien Anschluss der Soleleitungen an das Gebäude erforderlich (mit Sammelverteiler bei mehreren Bohrungen).

Im Neubaubereich wird die Erdwärmesonden-Anlage mit der Bebauung des Grundstücks eingebracht. Im Umfeld von Bestandsgebäuden kann der Aufwand eine Herausforderung durch die notwendige Zufahrt und Arbeitsfläche sein. Zudem benötigen Gebäude und Bäume mechanischen Schutz und Spritzschutz.

•  Grundwasseranlage 

Eine Anlage zur Grundwasserwärmenutzung nutzt das natürliche Grundwasser als Wärmequelle oder Wärmesenke für Heizungs- und Kühlungszwecke. Die Grundvoraussetzung für eine Geothermie-Grundwasseranlage ist das Vorhandensein eines geeigneten Grundwasserleiters in ausreichender Wasserqualität und Menge. Der Salzgehalt, chemische Inhaltsstoffe (gelöstes Eisen oder Mangan), Sedimente oder auch der pH-Wert im Wasser könnten zu Störungen für einen dauerhaften Betrieb führen und stellen damit die Einrichtung einer Grundwasseranlage infrage.

Die Anlage benötigt einen Förderbrunnen (mit Tauchpumpe), aus dem das Grundwasser zur Wärmepumpe gefördert wird. Im Wärmetauscher der Wärmepumpe wird die benötigte Wärme entzogen und das abgekühlte Wasser in einen zweiten Brunnen (Schluckbrunnen) demselben Grundwasserleiter wieder zugeführt. Bei der Anordnung der Brunnen ist die Grundwasserfließrichtung zu beachten, d.h. der Förderbrunnen muss sich bezogen auf die Fließrichtung vor dem Schluckbrunnen befinden. Außerdem benötigen die beiden Brunnenbohrungen einen Mindestabstand von 10 bis 15 m. Als Richtwert kann angenommen werden, dass aus 0,25 m³/h Grundwasser etwa 1 KW Heizleistung gefördert wird. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sind Grundwasseranlagen etwa ab 35 kW Wärmebedarf sinnvoll. 

Befindet sich der Grundwasserleiter in der Saisonalen Zone ist der Einfluss durch atmosphärischen Temperatureintrag auf die Grundwassertemperatur gegeben. Ab einer Tiefe von 10 bis 15 m ist etwa mit einer Temperatur von 8 bis 12 ^oC zu rechnen. Damit kann die Anlage vorteilhaft auch zum Kühlen eingesetzt werden. Allerdings dürfen die Temperaturen im Grundwasser 20 °C nicht überschreiten.  

Rahmenbedingungen der Grundwasseranlage
Neben der Fündigkeit (erfolgreiche Exploration) hat die Wasserqualität einen bestimmenden Einfluss auf die Brunnenanlage. Einerseits muss die Tauchpumpe der Problematik der Wasserqualität und der Materialaggressivität des Leitungssystems entsprechen. Andererseits muss entschieden werden, ob die Direktnutzung des Grundwassers in der Wärmepumpe durch einen Zwischenkreis vermieden werden muss. Ähnlich wie bei der Erdwärmesonden-Anlage müssen die Zufahrt und der Platzbedarf für das Bohrgerät und die Container zur Aufnahme des Bohrguts vorhanden sein. Allgemein haben die Brunnen Tiefen bis zu 20 m. Der Bohrdurchmesser für den Förderbrunnen im Vergleich zum Schluckbrunnen kann erheblich variieren. Der Versickerung im Rücklauf wird mehr Volumen gegeben, damit der Schluckbrunnen nicht überläuft.  

Wasserrechts- und Umweltgenehmigungen
Die Nutzung des Grundwassers für geothermische Zwecke unterliegt strengen regulatorischen Anforderungen, einschließlich Wasserrechts- und Umweltgenehmigungen. Diese Genehmigungen sind erforderlich, um sicherzustellen, dass die Entnahme und Einleitung von Grundwasser die Umwelt und andere Wassernutzer nicht negativ beeinflusst.

Erdwärme aus der Tiefe

Die Tiefengeothermie liefert die Erdwärme aus Tiefen zwischen 400 und mehreren tausend Metern. Die Wärme im Inneren der Erde ist einerseits gespeicherte Restwärme aus der Entstehungszeit der Erde, verursacht durch Kometeneinschlag und Umwandlung der kinetischen Energie in thermische Energie. Andererseits entsteht permanent thermische Energie durch radioaktiven Zerfall in den Gesteinsschichten. Im inneren festen Kern der Erde beträgt die Temperatur ca. 5000 bis 6000 ^oC.    

Thermalquellen
Thermalquellen als natürliche Quellen mit Warmwasser sind seit mehreren tausend Jahren bekannt und werden bis heute z.B. für Badezwecke genutzt. Das Quellwasser wird durch natürlichen Druck an die Oberfläche gefördert „Artesischer Brunnen“. Wasser mit einer Temperatur von 20 bis 30 °C stammt aus einer Tiefe von bis zu 1000 m.
In vulkanischen Gegenden oder geologischen Strukturen wie Bruchzonen oder mit eingelagerten Magmakammern kann Wasserdampf aufsteigen, so dass Temperaturen von mehr als 100 °C aus mehr als 3000 m Tiefe gefördert werden (Beispiele: Dampf-Kraftwerke in der Toskana in Larderello/Italien und Island).  

Großtechnische Nutzung der Erdwärme
Die Bereitstellung von Wärme (Fernwärmesystem) aus Tiefengeothermie hat in Deutschland einen Anteil von 9%. Geothermische Anlagen zur Stromerzeugung haben heute in Deutschland einen Anteil weniger als ½ Promille.  
Großtechnische Anlagen erfordern Erdwärme-Tiefenbohrung und sind technisch sehr aufwendig und kostenintensiv. Daher wird Tiefengeothermie nur im Rahmen von Großprojekten eingesetzt. Dies können z. B. Fernwärmenetze sein, die ganze Städte und Ortschaften mit Wärme versorgen.

Es gibt verschiedene technische Systeme, die als offene Systeme mit zwei Bohrungen (Förder- und Injektionsbohrung) oder auch geschlossen mit einer Tiefensonde ausgeführt sind.

Eine neuartige Entwicklung, deren Bau im August 2023 begonnen wurde, ist das sogenannte Eavor-Loop Projekt in der Nähe von München (Geretsried). Dieses geschlossene System mit einem in 4000 bis 5000 m tiefen gebohrten Wärmetauscher soll mittels selbstständig zirkulierendem Wärmemedium implementiert werden. Der oberirdische Generator soll elektrischen Strom mit einer Leistung von ca. 8,2 MW erzeugen und Wärme im Umfang von 64 MW bereitstellen.

Literatur

[1] https://www.geothermie.de

[2] https://www.dinmedia.de/de

[3] https://eavor-geretsried.de/

Im folgenden Artikel erläutert Georg Scharfenberg, welche brillanten Eigenschaften die Photovoltaik bietet, um gegen die Klimaveränderung anzukämpfen. Der folgende Artikel ist der fünfte in einer kleinen Serie zur Erzeugung Erneuerbarer Energien aus Photovoltaik.

Georg Scharfenberg ist emeritierter Professor der OTH in Regensburg und ein ausgewiesener Experte für Energietechnik. Er liefert uns mit seiner Reihe eine Einführung, die in die Tiefe geht, aber trotzdem auch für interessierte Laien verständlich sein sollte.

(1) Grüner Strom aus der Steckdose

(2) Energiewende mit Photovoltaik

(3) Mitgestalten der Energiewende durch Erneuerbare Energien vor Ort

(4) Aus Sonne wird Strom

Wo Licht ist, ist auch Schatten

Mit dem Aphorismus „Wo Licht ist, ist auch Schatten!“ lässt sich kaum besser auf den Punkt bringen, dass Strom, aus der direkten Sonnenstrahlung gewonnen, andere Energieerzeuger zum Teil wie im Schattenwurf hinter sich lässt. 

Es ist leicht zu erklären, dass die Solartechnik, oder umfassender, die Energieerzeugung aus Sonnenenergie, fossilen Stromerzeugungen z.B. bei den Kosten um Längen voraus ist:

• Die Investitionskosten sind stark gefallen:
  – Photovoltaikanlagen 700 €/kWp bis 1.800 €/kWp
  – Windkraftanlagen 1.200 €/kW bis 1.500 €/kW
• Die Betriebskosten sind ausgesprochen niedrig, weil die Sonnenenergie frei zur Verfügung steht; siehe dazu auch Abb. 1.

Bei fossilen Stromerzeugern fallen neben den Investitionskosten erhebliche Betriebskosten an, wobei mit der Verknappung der fossilen Ressourcen in Zukunft mit kaum schätzbaren Steigerungen der Betriebskosten zu rechnen ist. Die Betriebskosten, auf die gesamte Betriebsdauer der Anlage gerechnet, können die Investitionskosten übersteigen.

Nachfolgend möchte ich Beispiele für die Investition von fossilen Stromerzeugern zeigen, wobei die extrem hohen Kosten für AKW, hier als Warnhinweis zu verstehen, noch untertrieben sind, denn Kosten für die Risikoeinstufung sowie für die bisher nicht gelöste Entsorgung sind nicht berücksichtigt:

• Investitionskosten für ein Kohlekraftwerk ca.  1.500 €/kW
• Investitionskosten für ein Gaskraftwerk ca.  1.800 €/kW 
• Investitionskosten für ein Atomkraftwerk ca.         10.000 €/kW

Das Bild wird dann allerdings vollständiger, wenn zudem etwa Vollbetriebsstunden der Erzeugungsanlagen (für Deutschland) pro Jahr mit in die Betrachtung einbezogen werden:

• Photovoltaikanlagen     800 h bis 1.100 h 
• Windkraftanlagen 2.200 h bis 4.500 h
• Gaskraftwerk 2.500 h bis 3.000 h
• Kohlekraftwerk 3.000h bis 6.000 h

Die nachfolgende Graphik, von der internationalen Plattform „Our World in Data“ herausgegeben, zeigt eine 10-jährige Preisentwicklung für elektrischen Strom neu errichteter Stromerzeugungsanlagen. Die Darstellung berücksichtigt sowohl die Investitionskosten als auch die Kosten der zugeführten Energie sowie die Betriebskosten über die gesamte Betriebsdauer der Anlage [1].

Die in Abb. 1 gezeigte Kostenminderung für Strom aus PV-Anlagen (89%) hat sich auch über das Jahr 2019 hin fortgesetzt. Eine deutliche Abschwächung der Kostensenkung ist nicht zu erwarten, zumal der positive Kreislauf aus steigender Nachfrage und sinkenden Preisen noch keine Sättigung erreicht hat.  Aus meiner Sicht sollten für ein vollständiges Bild zudem die zukünftigen Kosten für elektrische Speicher zur wirtschaftlichen Kostenbestimmung der Photovoltaik- und Windkraftanlagen angerechnet werden. Bis zum Jahr 2030 soll die Erzeugung elektrischer Energie durch Photovoltaikanlagen auf 215 GW und durch Windkraftanlagen auf 110 GW ausgebaut sein [9]. Damit ist der Ausbau von Speichersysteme unerlässlich, um die Fluktuation der erneuerbaren Energien aufzufangen und um Regelenergie für ein stabiles Netz zur Verfügung zu stellen. Bei Vollversorgung aus Erneuerbaren Energien, etwa im Jahre 2050, wird eine gesamte Speicherkapazität im Worst-Case für mehrere Wochen erforderlich. Der Grund dafür liegt darin, dass die Erzeugung im Winter bei geschlossener Schneedecke und Windflaute weitgehend ausfallen kann [4].

Stärken der Photovoltaikanlage nutzen

Mit der Darstellung und dem Gesagten sind die zunehmenden Kostenvorteile für Elektrizität aus Photovoltaikanlagen parallel zu denen der Windkraftanlagen aufgezeigt. Dieses sind die Energieerzeugungsanlagen, mit denen wir gegen die Klimaveränderung ankämpfen. 

In der jetzt vorläufig abschließenden Serie zur Photovoltaik möchte ich, ausgehend von den Schwächen, die für diese Energieform zu nennen sind, die starke Seite dieser Technologie im vorliegenden Artikel erarbeiten, um zu zeigen, wie ein Optimum mit Photovoltaik erreichbar ist.

Die Schwächen der Photovoltaik liegen hauptsächlich in der Fluktuation der Sonnenenergie infolge des Tag-Nachtzyklus, des regelmäßig veränderten Einstrahlungswinkels der Sonne im Tages- und Jahresverlauf sowie infolge der Abschwächung der Sonnenstrahlung durch Wolken. 

Zudem müssen wir uns mit dem Aufstellungsort (Breitengrad) auseinandersetzen und den Wirkungsgrad der Solarzelle in Betracht ziehen. 

• Sonneneinstrahlung am Breitengrad

Die Dauer und Intensität der Sonneneinstrahlung, gemessen in Sonnenstunden, variieren mit dem Breitengrad. Grundsätzlich nehmen die Sonnenstunden zu, je weiter südlich sich der Aufstellungsort der Photovoltaikanlage befindet. In tropischen Regionen nahe dem Äquator, die einen Breitengrad von etwa 0° bis 23,5° (Neigung der Erdachse) haben, sind die Sonnenstunden am höchsten. Die Sonneneinstrahlung wird dort das ganze Jahr über intensiv sein, mit relativ geringen Unterschieden zwischen den Jahreszeiten. In unseren gemäßigten Breiten nehmen die Sonnenstunden mit steigendem Breitengrad, bedingt durch die Jahreszeiten, weiter ab. Zudem wird die Intensität zum Norden hin schwächer, weil die Sonnenstrahlen einen längeren Weg in der Atmosphäre zurücklegen.

In Abb. 2 zeigen die Sonnenbahndiagramme den Bahnverlauf der Sonne in der Tageszeit über dem Horizont (Elevationswinkel) für Regensburg und Oslo. Am Beispiel für den 21.Juni, jeweils mittags um 12 Uhr ist erkennbar, dass die Sonne in Regensburg um knapp 11^o höher über dem Horizont steht als in Oslo. Der geringere Gewinn in nördlichen Regionen ist aber zudem in der schwächeren Intensität der Sonnenstrahlen infolge des längeren Weges in der Atmosphäre begründet. Der Unterschied in der Intensität beträgt fast 20 % (Oslo 1.163 kWh/m²; Regensburg 1.390 kWh/m²) [3].

• Neigung und Ausrichtung des Solargenerators 

Die Neigung und Ausrichtung der PV-Module beeinflussen die Effizienz der Anlage. Für Deutschland ist eine Neigung zwischen 39 ^o im Norden und 35 ^o im Süden anzustreben, um eine optimale Energieerzeugung über das Jahr hinweg zu gewährleisten. Die Ausrichtung sollte idealerweise nach Süden gerichtet sein, um auf den höchsten Elevationswinkel der Sonne zu optimieren.

Grundsätzlich sind allerdings lokale Wetterbedingungen oder Verschattungsrichtungen zu berücksichtigen. So kann es notwendig sein, in Regionen mit häufig länger auftretendem Frühnebel eine Ausrichtung in westlicher Abweichung zu untersuchen. 

Die aufgezeigten Parameter können im Neubaubereich, z.B. bei der Planung der Ausrichtung und Neigung von Schrägdächern, einbezogen werden. Etwas anders stellt es sich bei der Aufständerung von Solarmodulen auf Flachdächern oder bei Freiflächenanlagen dar. Hier ist die gegenseitige Verschattung der Solarmodule zu berücksichtigen. Es muss ein Kompromiss hinsichtlich der Belegungsdichte der Fläche und der Neigung der Solarmodulen gefunden werden. Nach den Erfahrungen für Freiflächenanlagen mit reduzierten Neigungswinkeln (ca. 20° – 25°) und passenden Reihenabständen können Solarleistungen von 1 MW/ha erreicht werden. Diese Aussage gilt für den Einsatz von Modulen mit Wirkungsgrad von 21 % [4].  

In diesem Zusammenhang sei auf die Möglichkeit zur Nachführung der Solarmodule auf Freiflächen hingewiesen. Die Nachführung steigert die jährliche Solarernte und vermindert die Fluktuation der jahreszeitlichen Ernteausbeute. Das Montagegestell kann die Solarmodule entweder einachsig oder zweiachsig dem Sonnenstand angleichen. Eine einachsige Nachführung kann entweder horizontal in Ost-West-Richtung erfolgen oder, dem Elevationswinkel der Sonnenbahn folgend, vertikal angepasst sein. Die zweiachsige Nachführung realisiert die vollständige Ausrichtung zur Sonnenbahn.  

Die Anlagen sind technisch aufwendig (mechanische Stabilität und Motorantrieb), benötigen Antriebsenergie und erfordern sorgfältige Nachrechnungen, damit die Abstände eine gegenseitige Verschattung vermeiden.

Die Installation von Solargeneratoren auf Dächern von Bestandsgebäuden müssen an die vorhandenen Strukturen der Gebäude angepasst werden. Dabei ist von der Installation mit einer Neigung von nur 15° oder weniger abzuraten, weil bei so geringer Neigung die anfallende Verschmutzung nicht mehr ausreichend vom Regen von der Moduloberfläche heruntergewaschen wird. 

Liegt eine Steildach-Ost-/West Ausrichtung, z.B. mit einer Neigung von 40° vor, ist mit etwa 24 % weniger Stromertrag als auf einem optimalen Süddach zu rechnen [4]. Unter dem Gesichtspunkt, dass bei Eigennutzung ggf. der Strombedarf im Vormittag sowie im Nachmittag höher als in der Mittagszeit ist, kann die Ost-/Westausrichtung des Generators wirtschaftlich vorteilhaft sein. 

Es sei außerdem auf eine Flachdachaufständerung in Ost-/Westanordnung mit relativ flacherer Neigung (> 15°) hingewiesen, mit der z.B. die Energieversorgung von Klimaanlagen in Bürogebäuden für den Sommer optimiert ist und eine gegenseitige Verschattung vermieden und zudem eine hohe Belegungsdichte erreicht wird. 

Weitere Möglichkeiten bestehen in der Fassadenmontage der Solarmodule, für die eine Minderung von ca. 30 % im Vergleich zu einem optimalen Süddach akzeptiert wird. Der Vorteil dieser Ausrichtung liegt in der geringeren Abhängigkeit von der Jahreszeit. Die Fassadenmontage kann besonders ästhetisch und zudem mit der Funktion zum Sonnenschutz gestaltet sein.

	Position	Volllaststunden je kWp	Optimale Dachneigung	Optimale Dachausrichtung
Flensburg	54,8oN; 009,44oE	932	39 °	1 °
Erfurt	50,98oN; 011,03oE	1001	39 °	– 3 °
Regensburg	49,02oN; 012,1oE	1061	37 °	0 °
München	48,14oN; 011,58oE	1072	38 °	0 °

• Stärken der Solarzellen-Technologien 

Im vorherigen Artikel hatte ich mich mit den Solarzellen-Technologien auseinandergesetzt. 

Zur Planung einer Anlage wird grundsätzlich unter den wirtschaftlichen und energetischen Aspekten, dem Platzbedarf und ggf. hinsichtlich der Ästhetik entschieden, welche Technologie genutzt wird. Die größten Marktanteile haben kristalline Solarzellen auf der Basis von Siliziummaterial, wobei monokristalline Solarmodule trotz der höheren Kosten aufgrund des besseren Wirkungsgrads bevorzugt werden. Bei der Planung einer Neuanlage kann, aus meiner Sicht, ein erster Analyseschritt mit Bezug auf monokristalline Solarmodule zeigen, welche maximale Energieernte z.B. auch bei problematischen Parametern der Anlage erreicht werden kann.

Für Dünnschicht-Solarzellen ist der geringere Wirkungsgrad und eine deutlich höhere Anfangs-Degradation bei geringeren Modulkosten im Vergleich zu kristallinen Modulen eines der Rechenexempel. Allerdings sind Kriterien zu nennen, die einen vorteilhaften Einsatz der Dünnschicht-Technologie gegenüber kristallinen Modulen sinnvoll machen können:

• Schlechte Lichtverhältnisse
  Dünnschichtmodule weisen eine bessere Leistung bei diffusem Licht auf. Sie eignen sie sich daher besser für Standorte mit bewölktem Himmel oder schwächerer Sonneneinstrahlung. Dieses gilt insbesondere auch für Standorte, an denen zeitweise mit Verschattung zu rechnen ist. Sie sind damit auch weniger schmutzanfällig.
• Bessere Wärmebeständigkeit
  Dünnschichtmodule haben im Allgemeinen eine geringere Temperaturabhängigkeit. Damit sind die Leistungsverluste relativ geringer, trotz der höheren Wärmeverluste aufgrund des geringeren Wirkungsrades.
• Flexibler und leichter
  Dünnschichtmodule sind flexibler und können auf eine Vielzahl von Oberflächen montiert werden, einschließlich gebogener oder unebener Oberflächen. Aufgrund ihres niedrigen Gewichts können Dünnschichtmodule ggf. auf Dächern eingesetzt werden, die keine schwereren Konstruktionen tragen können. 

• Wechselrichter schultern den Solargenerator 

Dem Wechselrichter (WR) kommen hinsichtlich der Nutzung und Optimierung der solaren Energie zwei primäre Aufgaben zu:

• DC/AC Wandlung:
  Umwandlung des Gleichstroms des Solargenerators in netzkonformen Wechselstrom 
• MPP-Tracking:
  Kontinuierliche Aufsuche des optimalen Arbeitspunktes auf der Kennlinie des Solargenerators. MPP steht für ‚Maximum Powerpoint‘ und ist der Arbeitspunkt, an dem bei der momentanen solaren Einstrahlung das Produkt aus Spannung und Stromstärke des Solargenerators maximal ist. 

Eingangsseite Wechselrichter

Die Dimensionierung des Wechselrichters berücksichtigt auf der Generatorseite die maximale Stringspannung und muss die angeschlossene Generatorleistung übertragen können. Besteht der Solargenerator aus verschiedenen Gruppen z.B. mit unterschiedlichen Ausrichtungen bzw. Neigungen oder sind verschiedene String-Konfigurationen zu steuern, bietet der Multistring-Wechselrichter mehrere Stromkreiseingänge mit getrenntem MPP-Tracker an.

Zentrales oder modulares Konzept

Größere Solargeneratoren, z.B. bei Freiflächenanlagen, kann ein zentraler Wechselrichter und damit die Gesamtleistung steuern. Alternativ kann ein modulares Konzept mit einer Anzahl von Wechselrichtern für Teilleistungen gewählt werden. Das modulare Konzept bietet eine größere Flexibilität sowie Gesamt-Zuverlässigkeit und kann zudem einfacher erweitert werden. Es ist beim modularen Konzept ein etwas niedriger Wirkungsgrad des WR hinzunehmen. Zu erwähnen sind noch Mikrowechselrichter, die einzelnen Solarmodulen zugeordnet sind.

• Ausgangsseite Wechselrichter

Die Umwandlung der anstehenden Solarleistung wird vom Wechselrichter mit einem hohen Wirkungsgrad zwischen 95 % bis 99 % auf der Ausgangsseite dem Wechselstromnetz zur Verfügung gestellt. Solarleistungen bis 4,6 kW können dabei einphasig, größere Leistungen müssen grundsätzlich im 3-Leiternetz eingespeist werden. 

Die Einspeisung erfolgt bei niedrigen bis mittleren Leistungen im Niederspannungsnetz. Größere Leistungen, etwa im Bereich mehrerer hundert kW und im Umfang von MW, werden dem Mittelspannungsnetz zugeführt. Oft werden in diesem Zusammenhang auch Transformatorstationen erforderlich, um die Spannung der PV-Anlage auf das Niveau des Mittelspannungsnetzes zu heben.

Weitere Wechselrichter-Funktionen

Netzüberwachung: Zur Vermeidung von Netzüberlastungen und im Falle eines Netzausfalls überwacht der Wechselrichter Änderungen der Spannung oder Frequenz am Netz und kann bei Fehlerbedingungen die Solaranlage vom Netz trennen.

Fehlererkennung, Diagnose und Fernüberwachung: Der Wechselrichter erkennt und meldet Fehler und Betriebsstörungen, die in der PV-Anlage auftreten, wie z.B. Modulfehler, Überspannung, Unterspannung oder Überstrom. Über eine Datenleitung werden Betriebs- und Fehlerzustände mitgeteilt. Dies ermöglicht eine schnelle Fehlerbehebung und reduziert die Ausfallzeiten der Anlage.

Sicherheitsfunktionen: Der Wechselrichter überwacht auch die elektrische Sicherheit der Anlage, einschließlich der Erdung, Isolationswiderstände und Schutzschalter. Im Falle eines Fehlers oder einer Störung kann der Wechselrichter automatisch mittels DC-Schalter die Stromerzeugung der Anlage abschalten und damit den Wechselrichter freischalten, um Personen- und Sachschäden zu vermeiden.

Hybridwechselrichter, Solarbatterie und Inselanlagen: Die genannten Themen führen zu weit und werden in der vorliegenden Artikelserie nicht näher behandelt. Nur so viel dazu: Der Hybrid-Wechselrichter hat die oben erläuterten Funktionen des WR und kann zudem die Aufgaben zur Speisung bzw. Rückspeisung einer Solarbatterie übernehmen. Eine Inselanlage benötigt einen Wechselrichter, der nicht netzgeführt ist. Dieser Wechselrichter übernimmt autark die Frequenz- und Spannungsregelung und benötigt im Allgemeinen auch eine Solarbatterie. Dieses System kann auch für Notstrombetrieb erforderlich sein.

Brillante Stärken von PV-Anlagen

• Umweltfreundlichkeit 

Photovoltaikanlagen erzeugen geräuschlos, saubere, erneuerbare Energie, ohne schädliche Emissionen oder Umweltverschmutzung zu verursachen. Sie tragen im vollen Umfang zur Bekämpfung des Klimawandels bei.

• Nachhaltigkeit

Die Sonne stellt eine unerschöpfliche Energiequelle dar, und die Nutzung von Photovoltaik ermöglicht eine nachhaltige Energieerzeugung über einen langen Zeitraum hinweg. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, deren Vorräte begrenzt sind, ist Solarenergie im menschlichen Maßstab unbegrenzt verfügbar.

• Unabhängigkeit, Dezentralisierung und Sicherheit

Photovoltaikanlagen bieten den Betreibern eine Teilunabhängigkeit von traditionellen Energieversorgern. Sie fördern die Dezentralisierung der Energieerzeugung, indem sie die Erzeugung näher an die Verbraucher heranbringen und die Abhängigkeit von großen zentralen Kraftwerken verringern. Durch die eigene Stromerzeugung werden die persönlichen Energiekosten gesenkt. Die Nutzung der Solarenergie erhöht damit die Energieunabhängigkeit des Landes von externen Ressourcen.

• Vielfache Dachflächen vorhanden

Die für die Energiewende benötigten Flächen, insbesondere Dachflächen, sind in Deutschland vorhanden. Nach Angaben [5] müssten neben dem massiven Ausbau von Freiflächenanlagen etwa 17% der Dächer in Deutschland dazu mit PV-Solaranlagen ausgerüstet werden, um die Energiewende zu schultern.

• Doppelnutzung von Freiflächen; AgriPV

Die Doppelnutzung von Freiflächen sieht eine Fläche für die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion (Photosynthese) und mit spezieller Aufständerung der PV-Anlage, gleichzeitig zur Stromproduktion vor. Die landwirtschaftliche Nutzung kann Sonderkulturen oder Ackerkulturen bis hin zur Beweidung oder der Schaffung artenreicher Biotope vorsehen [6]. Die Fläche geht damit der Landwirtschaft nicht verloren. Gem. einer Nachrechnung [7] kann mit Abständen zur Befahrung mit Ackerfahrzeugen und einachsig nachgeführten PV-Modulen eine elektrische Leistung von 0,7 MWp/ha Grünland und bis 0,5 MWp/ha auf Ackerflächen installiert werden. 

• Wirtschaftliche Vorteile

Solaranlagen können langfristig beträchtliche Kosteneinsparungen ermöglichen, da sie eine kostenlose Energiequelle nutzen und somit niedrige Betriebskosten haben. 

• Technologische Fortschritte

Die Technologie der Photovoltaik hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt, was zu effizienteren und kostengünstigeren PV-Modulen geführt hat. Bereits heute ist im Forschungsbereich zu sehen, dass in Zukunft eine Verdopplung des Wirkungsgrads der PV-Zelle erreichbar sein kann. Parallel dazu hat der Skaleneffekt zur Optimierung der Herstellung und einer massiven Preisminderung geführt. Dieses stützt den erforderlichen flächendeckenden Ausbau der PV-Energie und ermöglicht breitere Anwendungen in verschiedensten Bereichen.

• Netzstabilität 

Photovoltaikanlagen können zur Verbesserung der Netzstabilität beitragen. Dieses versteht sich darin, dass Wechselrichter automatisch und zudem auf Anforderung des Netzbetreibers hierzu Aufgaben übernehmen. Wie bereits ausgeführt, werden beim weiteren Ausbau der Erneuerbaren Energien Speicher zwingend erforderlich. Diese können dann Aufgaben zur Netzregelung übernehmen.

• Brillante energetische Amortisationszeit von PV-Solaranlagen

Die energetische Amortisationszeit (Energy Payback Time / EPBT) oder Energierücklaufzeit gibt die Zeitspanne an, die ein Kraftwerk betrieben werden muss, um die investierte Primärenergie zu ersetzen. Die Energierücklaufzeit von PV-Anlagen variiert mit Technologie und Anlagenstandort. Eine Analyse im Auftrag des Umweltbundesamtes hat die energetische Amortisationszeit für PV-Kraftwerke bei einem Anlagenbetrieb in Deutschland von 1,6 Jahren für multi- bzw. 2,1 Jahren monokristalline Si-Module ermittelt (Annahme: mittlere jährliche Einstrahlungssumme in der Modulebene 1200 kWh/(m²·a)). Berechnungen des Fraunhofer ISE auf Basis neuester Produktionsdaten weisen eine EPBT von unter 1,3 Jahren für Anlagen mit marktüblichen monokristallinen Si-Modulen in Deutschland aus. Bei einer Lebensdauer von 25 – 30 Jahren und einer jährlichen Ertragsdegradation von 0,35% kann daraus gefolgert werden, dass die PV-Anlage das 11 bis 18-fache der Energie erzeugt, die zur Herstellung erforderlich war (Erntefaktor) [5], [8]. 

Literatur

[1] https://ourworldindata.org/cheap-renewables-growth

[2] https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php#google_vignette

[3] PVGIS ©European Union, 2001-2024; https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html

[4] Fraunhofer Institut ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland; 16.01.2024

[5] https://energiewende.eu/flaechenbedarf-der-energiewende-in-deutschland/

[6] https://www.ise.fraunhofer.de/de/leitthemen/integrierte-photovoltaik/agri-photovoltaik-agri-pv.html

[7] Pustet, A.: liotec Projektentwicklung, Präsentation Konzept Agri-PV, V1.4, Januar 2023

[8] Fraunhofer Institut ISE: PHOTOVOLTAICS REPORT; Freiburg, 21. Februar 2023

[9] Fürmetz, P.: BERR „Solarpaket steckt Kurs ab für Verdreifachung des Zubautempos“, 9/2023

Im folgenden Artikel erklärt Georg Scharfenberg, wie aus der Solarzelle der Solargenerator aufgebaut ist, mit dem aus der Sonne der elektrische Strom für die Energiewende erzeugt wird. Der folgende Artikel ist der vierte in einer kleinen Serie zur Erzeugung Erneuerbarer Energien aus Photovoltaik.

Hier geht’s zu den ersten drei Bausteinen:

(1) Grüner Strom aus der Steckdose

(2) Energiewende mit Fotovoltaik

(3) Mitgestalten der Energiewende durch Erneuerbare Energien vor Ort

Georg Scharfenberg ist emeritierter Professor der OTH in Regensburg und ein ausgewiesener Experte für Energietechnik.Er liefert uns mit seiner Reihe eine Einführung, die in die Tiefe geht, aber trotzdem auch für Interessierte Laien verständlich sein sollte.

Photovoltaik-Anlage – Stromgenerator der Sonnenenergie 

Den Aufbau einer Photovoltaik-Anlage, ausgehend von einem Hausdach, habe ich bereits im Artikel zur „Energiewende mit Fotovoltaik“ gezeigt. Es ist hier noch einmal in Abb. 1 als Anlagenprinzip wiedergegeben, mit dem elektrische Energie aus der ‚unendlichen Energiequelle‘, der Sonne, Strom erzeugt werden kann. Das gilt für jedes Hausdach, aber auch für Industrie- und Gewerbedächer, für Parkplatzüberdachungen oder für Freiflächenanlagen. 

Die Photovoltaikzelle ist Energiewandler 

Der Schlüssel zur direkten Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie liegt in der Photovoltaikzelle. Das Prinzip ist vor mehr als 180 Jahren durch den französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel entdeckt worden. Die ersten Anwendungen haben wir aber erst Ende der 50er Jahre in der Raumfahrt zur elektrischen Versorgung von Satelliten kennengelernt. 

Heute ist die Photovoltaikzelle das tragende Basiselement der erneuerbaren Energien neben den Erzeugern aus Windenergie. Die Photovoltaikzelle, auch PV-Zelle oder auch Solarzelle genannt, ist ein Halbleiterbauelement, das typischerweise aus zwei unterschiedlichen Silizium-Halbleiterschichten (unterschiedlich ‚dotiert‘) besteht, die in der Solarzelle in zwei Ebenen übereinander liegen. Ohne zu tief einzusteigen, soll hier erläutert werden, dass das Sonnenlicht von außen die obere Schicht durchdringt und in der Übergangszone (Grenzschicht) zur darunterliegenden Halbleiterebene absorbiert wird. Die Absorption, der in der Zelle nutzbaren Lichtenergie, führt zur Ladungstrennung und stellt zwei entgegengesetzte Ladungen bereit. Die unterschiedlichen Ladungen liegen als elektrische Gleichspannung an unterschiedlichen Elektroden (Anschlüssen) mit der positiven Elektrode (Plus +) und der negativen Elektrode (Minus -).

Die Nutzenergie kann an den Elektroden, in Abb. 2 an den Anschlüssen (Plus +) und (Minus -) durch elektrische Leiter abgenommen werden. Die Bezeichnung „Verbraucher“ in Abb. 2 ist symbolisch zu verstehen, denn eine einzelne Silizium-Solarzelle stellt lediglich eine elektrische Gleichspannung von ca. 0,5 Volt (0,5 V) bei optimaler Solarbestrahlung zur Verfügung. 

Das Solarmodul

Um eine nutzbare Einheit („Solarmodul“) zu erhalten, befinden sich z.B. 60 Solarzellen in serieller Kontaktierung (Leiterbahnen) gemeinsam auf einem Träger und sind z.B. unter Glas in einem Aluminiumrahmen als montagefähiges Solarmodul verbaut. Das Solarmodul bietet auf der Rückseite je einen Plus- und Minus-Anschluss. Bezogen auf das aufgeführte Beispiel mit 60 Solarzellen im Solarmodul, wird eine Modul-Leerlaufspannung (unbelastetes Modul) von 60 x 0,5 V = 30 V an den Anschlüssen auftreten. Die mechanischen Maße eines Solarmoduls sind stark abhängig von der Anzahl der Solarzellen im Modul, während die typischen Maße einer Silizium-Solarzelle 156 mm x 156 mm bis 217 mm x 217 mm betragen.

Der Solargenerator

Der für ein Projekt benötigte „Stromgenerator“ (PV-Generator oder Solargenerator genannt) muss je nach Anwendungsfall eine spezifische Leistung bereitstellen. Ohne im ersten Schritt auf Details einzugehen, ist ein Generator in Abb. 3 mit den gezeigten Teilen wie folgt strukturiert:  

Der Solarstring bestimmt die Generatorspannung

Aufbauend auf dem Konzept des Solarmoduls, bestehend aus einer Anzahl seriell geschalteter Solarzellen, wird ein Solarstring gleichermaßen nun aus einer Anzahl seriell, durch Kabelverdrahtung verbundener Solarmodule aufgebaut. Damit wird die Höhe der Generatorspannung durch die Anzahl der in Serie verbundenen Modulen festgelegt. 

Zum Beispiel:  Modulspannung 30 V, Anzahl der Module im String 20
ergibt eine Stringspannung (Generatorspannung) von 600 V (Leerlauf)

Parallele Solarstrings bestimmen die Generatorleistung

Wie in Abb. 3 gezeigt, kann der Generator zwei oder drei parallel geschaltete Strings enthalten. Der String, der an den Wechselrichter angeschaltet ist, stellt den Stringstrom zur Verfügung. Wie ich nachfolgend zeige, ist am „Arbeitspunkt“ eine bestimmte Stringleistung als Produkt aus Stringspannung mit Stringstrom zu erwarten. Wird für den PV-Generator eine Leistung benötigt, die die Stringleistung eines einzelnen Strings übersteigt, sind entsprechend, mit gleichem Aufbau, parallele Strings zu ergänzen. Die Generatorleistung ergibt sich dann aus der Summe der parallel geschalteten Strings.

Ein Blick hinter die Kulissen

Um im zweiten Schritt stärker die Hintergründe zu erläutern, dem sich ein reales Projekt unterwerfen muss, möchte ich auf wichtige Details der Solarzellen eingehen. 

• Sonnenlicht erreicht den Erdboden 

Die solare Leistung der Sonne außerhalb der Erdatmosphäre beträgt 1.361 W/m². Der Wert wird als Solarkonstante bezeichnet. 

Auf dem Weg durch die Atmosphäre sind verschiedene Effekte gegeben, die die maximal am Erdboden auftretende solare Leistung der Sonne abschwächen. Es wird mit einer maximalen Einstrahlungsleistung von 1.000 W/m² in unserer Region auf einer optimal zur Sonne ausgerichteten Solargeneratorfläche gerechnet.

Wie wir wissen, setzt sich das Sonnenlicht (Photonen) aus allen Farben (Spektralfarben) zwischen Infrarot (niedrigere Leistung, hier Leistungsdichte) bis hin zum Ultraviolett (hohe Leistung) zusammen. Dieses Farbspektrum kann mit Wellenlängen charakterisiert werden. Es können dem Sonnenlicht infrarote Anteile bis 2.500 nm (Nanometer Wellenlänge) bzw. dem UV-Anteil (Ultraviolett) etwa bei 380 nm Wellenlänge zugeordnet werden (siehe Abb. 4). Die grau unterlegte Fläche entspricht der terrestrischen Sonnenstrahlung. Hierbei wird erkennbar, dass die auf der Erde auftreffende solare Leistungsdichte nicht kontinuierlich ist und auch Einschnitte hat. Dieses ist z.T. durch die Wechselwirkungen des Sonnenlichts in der Atmosphäre bedingt.

• Spektrale Empfindlichkeit der Solarzelle 

Aus Abb. 4 ist zudem der Verlauf eines Leistungsanteils als rote Fläche zu entnehmen. Dieses ist der energetische Anteil, der von der Silizium-Solarzelle aus dem Sonnenlicht am Erdboden genutzt werden kann. Es ist erkennbar, dass ein erheblicher Anteil der Sonnenenergie durch die Solarzelle nicht nutzbar ist, was bedeutet, dass das Sonnenlicht nur zu einem Teil in elektrischen Strom gewandelt wird. Dieser Anteil bestimmt den Wirkungsgrad der Solarzelle (siehe weiter hinten). Der nicht nutzbare Anteil entsteht als Wärme und muss über das Solarmodul abgeführt werden. Hier setzen Entwicklungen zu Hybrid-PV/T-Kollektor-Modulen an, die Solarmodule mit thermischen Absorbern kombinieren, damit die thermische Energie nicht verloren geht. 

• Solarzellen-Technologien und Wirkungsgrade

Im bisherigen Anteil des Artikels habe ich Solarzellen auf der Basis von Siliziummaterial behandelt. Dieses Halbleitermaterial dominiert den Markt für die Photovoltaiktechnologie. Dabei ist zwischen monokristallinem und polykristallinem Material zu unterscheiden. Monokristalline Solarzellen sind aus einem Einkristall entstanden. Die Herstellung ist aufwendiger und damit teurer gegenüber polykristallinen Solarzellen. Aktuell haben monokristalline Solarmodule den größten Marktanteil aufgrund des besseren Wirkungsgrads. 

Neben den genannten Technologien auf der Basis von kristallinem Siliziummaterial, sind zudem Dünnschicht-Technologien in amorphem Silizium und anderen Halbleitermaterialien mit kleinem Marktanteil angewandt. 

Technologien	Wirkungsgrad	Bemerkung
Monokristalline Solarzellen	20 % bis 22,5 %	Aufwendige Herstellung, Schwachlichtnutzung vorteilhaft,  Zuverlässigkeit 25 Jahre
Polykristalline Solarzellen	17 % bis 20 %	Herstellung relativ einfacher, Schwachlichtnutzung weniger vorteilhaft,  Zuverlässigkeit 25 Jahre
Dünnschicht Solarzellen	10 % bis 13 %	Einfache Herstellung, geringes Gewicht, gute Schwachlichtnutzung Zuverlässigkeit 20 Jahre
Forschungs- und Entwicklungsbereich
Multijunction-Solarzellen	ca. 25 %	Mehrere Halbleitermaterialien (z.B. 3 Ebenen) wandeln unterschiedliche Lichtwellenlängen in elektrische Energie
III-V Solarzellen	ca. 40 %	Kombination verschiedener Halbleiter-Elemente auch in Verbindung mit Linsen zur Fokussierung des Sonnenlichts

Tabelle 1: Zusammenstellung der Kerneigenschaften zu Zelltechnologien  

• Die Solarzelle ist kein statisches Element  

Im Tagesverlauf erfährt der Solargenerator erhebliche Unterschiede in der Bestrahlungsstärke. Die größten Auswirkungen haben die Rotation der Erde mit dem Tagesgang und die Änderung der Höhenwinkel der Sonne infolge der Jahreszeiten. Aber auch die Bewölkung nimmt starken Einfluss auf die eingestrahlte solare Leistung am Solargenerator. 

Betrachten wir die erzeugte elektrische Leistung eines Solarmoduls. Die elektrische Leistung eines Solarmoduls ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke, entstehend aus der Summe der Einzelleistungen der geschalteten Solarzellen. Damit ist das technische Verhalten des Solargenerators insgesamt von den Charakteristika der einzelnen Solarzellen abhängig.  Nachstehend erfolgt die Darstellung auf Basis der Solarmoduln. 

Die Modulkennlinie in Abb. 5 zeigt die typische Strom-Spannungs-Charakteristik eines Solarmoduls in einem solaren Bestrahlungszustand. Die Beispiels-Kennlinie wird aufgespannt zwischen zwei kennzeichnenden Eckpunkten:

Leerlauf:  Modulspannung 30 V (keine Last), die Stromstärke beträgt 0 A

Kurzschluss:  Modulspannung  0 V (extrem hohe Last), die Stromstärke beträgt 4,5 A

Der „Arbeitspunkt“ des Moduls liegt zwischen den beiden Eckpunkten und erreicht das Optimum an einem Punkt, in dem das Produkt aus Stromstärke und Spannung das Maximum hat. Dieser Punkt wird „Maximum Power Point“ (MPP) genannt.

Ohne detaillierte Ausführung soll hier gesagt werden, dass jede sich ändernden Umgebungsbedingung zu einem neuen Bestrahlungszustand führt und damit die Kennlinie dynamisch verändert, wodurch der MPP stets neu bestimmt werden muss. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter. Der Wechselrichter mit seinen Aufgaben und die Einbettung des solaren Gesamtsystems in die Umgebung des Niederspannungs- bzw. Verteilnetzes wird in einem zu dieser Serie abschließenden Artikel behandelt.  

Georg Scharfenberg ist emeritierter Professor der OTH in Regensburg und ein ausgewiesener Experte für Energietechnik. Der folgende Artikel ist der dritte in einer kleinen Serie, Georg Scharfenberg liefert hier gründliche, aber doch gut verständliche Einsichten und Positionen zu aktuellen und grundsätzlichen Energie-Themen:

(1) Grüner Strom aus der Steckdose

(2) Energiewende mit Fotovoltaik

Es wir immer heisser

Mit dem Jahreswechsel in das Jahr 2024 mussten wir zur Kenntnis nehmen, dass das vergangene Jahr 2023 das heißeste Jahr mit 1,45^oC über dem vorindustriellen Niveau seit der Wetteraufzeichnung war [1]. Lag der Rekordwert im Jahr 2016 bereits mit 1,29^oC über dem Niveau, so ist ein weiterer Anstieg der Temperatur in der Atmosphäre über den neuen Rekordwert von 2023 fast unvermeidlich. 

Damit ist das im Jahre 2015 auf der Weltklimakonferenz in Paris vereinbarte Abkommen, den weltweiten Temperaturanstieg auf möglichst 1,5^oC, auf jeden Fall aber auf deutlich unter 2^oC zu beschränken, als sehr kritisch zu betrachten. Die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Weltmeere wurde 2022 mit einer Steigerung um 0,67^oC über dem Mittel des 20. Jahrhunderts festgestellt [2], während das Forschungsschiff „Polarstern“ bereits 2019 einen drastischen Temperaturanstieg in der Arktis und im vergangenen Sommer 2023 sehr ungewöhnliche Verhältnisse im Polareis der Arktis und am Nordpol, bedingt durch Wind und Wetter mit gerade nur einjährigem, brüchigem Eis, vorgefunden hat.

Weltweit müssen sich die Industriestaaten, die die Verursacher des Klimawandels sind (OECD-Länder, China), der Verantwortung stellen und die Nutzung fossiler Brennstoffe massiv vermindern und damit den Ausstoß von Treibhausgasen eingrenzen. 

CO2-Preis & Co: Nichtstun wäre noch viel teurer

Ein wichtiges Instrument zur Verminderung der Nutzung fossiler Energien ist der Emissionshandel. Europa und viele andere Industriestaaten haben Emissionshandelssysteme installiert. Diese Systeme sehen schrittweise Kostensteigerungen für den Ausstoß von CO₂ vor und schaffen so das Potenzial für Vermeidungswege wie den Umstieg auf Erneuerbare Energien. Allerdings, um faire wirtschaftliche Verhältnisse zwischen den Emissionshandelssystemen der Länder zu schaffen, dürfen Zertifikate nicht kostenfrei sein und die Systeme müssen länderübergreifend miteinander verbunden werden (Linking). Zudem sind die Systeme noch nicht harmonisiert. Dieses ist international der Fall. So auch mit einer Weiterentwicklung in Deutschland gegenüber der EU: In der EU greift der Emissionshandel in die Segmente Industrie, Kraftwerke und Luftverkehr (2015) ein. In Deutschland erfolgte 2021 eine Erweiterung mit dem ‚Nationalen Klimahandel‘, der die Wärmeerzeugung und den Verkehr einbezieht (diese Erweiterung soll 2027 in der europäischen Gesetzgebung ebenfalls vollzogen werden). Zudem ist seit 1/2024 in Deutschland der Abfallbereich einbezogen.

Maßnahmen zur Klimawende in Deutschland

Gesetzlich verabschiedete Maßnahmen zur Klimawende in Deutschland werden aus den europäischen Vorgaben (Green Deal [3]) abgeleitet. Dieses betrifft rechtliche Regelungen und Fördermaßnahmen. Einfluss nahmen in den vergangenen Jahren allerdings im weiten Maße kriegsbedingte Änderungen in der Energieversorgung, Gerichtsentscheidungen und die sich ändernde Finanzsituation in Deutschland.

Global beruhen die Initiativen zur Klimawende in erster Linie auf dem Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (⁠UN⁠ Convention on Climate Change), dem Kyoto Protokoll und dem Übereinkommen von Paris, wie oben bereits angeführt. 

Die aktuellen Beschlüsse der Klimakonferenz in Dubai (COP 28), im Dezember 2023, zeigen Beschlüsse zum Weg aus fossilen Brennstoffen und setzt dazu das Ziel 43 % weniger Emissionen bis 2030 zu erreichen. Weiterhin wurde festgelegt, die CO₂-Nettoemissionen bis 2050 auf Null zu senken. Im gleichen Zeitraum sollen der Anteil an Erneuerbaren Energien verdreifacht und die Energieeffizienzrate verdoppelt werden.

Die Klimaschutzpolitik in Deutschland ist dann erfolgreich, wenn in allen klimarelevanten Bereichen, Sektoren genannt (Energiewirtschaft, Industrie, Verkehrs- und Gebäudesektor, Landwirtschaft, Abfallwirtschaft), CO₂-Einsparziele gesetzt sind, die bezahlbar und sozial ausgewogen sind. Diese Ziele sollten getrennt voneinander mit den notwendigen Fördermaßnahmen erreicht werden. Die Vorgaben sind im Klimaschutzgesetz von 12/2019 verankert. Nachdem die gesetzten Klimaziele im Verkehrs- und Gebäudesektor in den vergangenen Jahren (2021 und 2022) verfehlt wurden, könnten mit einem in 2024 neu zu erwartenden Klimaschutzgesetz die differenzierten Vorgaben für die Segmente zum Nachteil des Gesamtziels entfernt werden. 

BERR: alle können mithelfen

Photovoltaikanlagen vor Ort sind der Kern des Engagements der Bürger Energie Region Regensburg (BERR), sodass der vorliegende Artikel sich mit dem Stromsegment weitergehend befasst.

Andere Segmente sind parallel Ziele in der Gesetzgebung zur Klimawende. So stand z.B. der Gebäudesektor mit dem Gebäudeenergiegesetz in der zweiten Hälfte des Jahres 2023 im Fokus der Öffentlichkeit oder der Verkehrssektor mit der Förderung der Bahn oder der Veränderung der Förderung für E-Fahrzeuge. 

Protagonist Stromsegment in der Energiewirtschaft

Für Deutschland ist hervorzuheben, dass vor fast 35 Jahren im Segment der Erzeugung elektrischer Energie der Start mit dem Stromeinspeisungsgesetz (heute EEG) gesetzt wurde. Heute erzeugen wir mehr als 50 % des elektrischen Stroms aus Erneuerbaren Energien. 

Dem gegenüber steht allerdings auf dem Plan des im Jahre 2022 verabschiedeten EEG 2023, dass bis zum Jahre 2030 mit dem Vorrang Erneuerbarer Energien die Nutzung im Segment Strom zu 80 % erreicht werden soll. Auf diese kurze Distanz sind damit erhebliche und progressive Anstrengungen verbunden. So ist im Gesetz für Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) die Steigerung der Ausbaurate auf 22 Gigawatt (GW) pro Jahr vorgesehen. Für das Jahr 2030 sollen Photovoltaikanlagen (im Gesetz: ‚Solaranlagen‘) im Umfang von insgesamt rund 215 GW installiert sein [4]. Zudem sind höhere Vergütungssätze und Vereinfachungen von Regelungen vorgesehen. Dazu gehört z.B., dass für Bürgerenergiegenossenschaften seit 2023 die Notwendigkeit zur Ausschreibung von Wind- und PV-Projekten entfallen ist.

Der Wind weht auch in Bayern

Damit sind für die Bürgerenergiegenossenschaften, und so auch für die BERR, neue Chancen zur Weiterentwicklung des Engagements gegeben. Im EEG 2023 ist zudem der Ausbau der Windenergie adressiert. Dem Gesetz zufolge ist der Zubau an Land mit 10 GW pro Jahr und für die installierte Gesamt-Kapazität mit rund 115 GW (2030) zum Ziel gesetzt. Windenergieanlagen werden im Vergleich zu Photovoltaikanlagen grundsätzlich mit deutlich höheren Einzelleistungen z.B. bis 5 MW installiert und erreichen bei einem Standort in Bayern mehr als das Doppelte an Vollbetriebsstunden gegenüber einer PV-Anlage in der gleichen Region. Die Vergütung einer Windkraftanlage in Bayern wäre zudem mit einem standortbezogenen Rechenmodell für ‚windschwache Standorte‘ verbessert und die Degression des Höchstwertes der Förderung ist für zwei Jahre ausgesetzt. Damit kann eine Windkraftanlage bei einem genehmigten und passenden Standort in der Bürgerbeteiligung deutlich von Vorteil sein. 

Mit Blick auf die anderen Komponenten des EEG 2023 sollen der Abbau der Bürokratie für die Genehmigungen und die Vereinheitlichung der Umlagen gemäß Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) und die Offshore-Netzumlage erwähnt werden.

Das Stromsegment benötigt Stromspeicher

Der Bedarf an elektrischer Energie in Deutschland benötigt die Betrachtung der massiven Dynamik der Verbraucher im Leitungsnetz durch die abgerufene elektrische Leistung. Grob gesagt, muss für die Grundlast permanent eine Leistung von ca. 40 GW bereitgestellt werden. Im Tagesverlauf wird mit der steigenden Last ein Spitzenwert von 80 bis 90 GW abgerufen (Tagesgang). Dem gegenüber ist die Stromerzeugung durch Erneuerbare Energien, abhängig von Tag-/Nachtzyklus, von der Jahreszeit, vom Wetter oder vom Standort, starken Schwankungen unterworfen. Eher geeignet zur Bereitstellung der Grundlast sind Offshore Windkraft- oder Biogasanlagen bzw. Wasserkraftwerke. Der Ausbau dieser Erzeugungsanlagen ist z.T. begrenzt (foot security beim Biogas oder durch Kapazitätsgrenzen). 

Wenn heute die Grundlast mit fossil betriebenen Großkraftwerken (z.B. Kohlekraftwerke) bereitgestellt wird, muss mit den Erneuerbaren Energien bei Unterdeckung die Energie im großen Maße aus Speichern bereitgestellt werden. Andererseits kann bei den gesetzten Zielgrößen für 2030 (PV mit 215 GW und Windenergie mit 115 GW) die heute erreichte Netz-Gesamtleistung von 80 bis 90 GW leicht überschritten werden, sodass die Netzkapazität erschöpft wird. Die dann auftretende Spitzenleistung kann in den dafür zu schaffenden Stromspeichern gepuffert werden. Damit wird die Abregelung der Stromerzeugungsanlagen aus Erneuerbaren Energien und somit der Verlust der von der Sonne gelieferten Energie vermieden. Die gespeicherte Energie steht damit zu einem nachfolgenden Zeitpunkt bei Unterdeckung der Erzeugung zur Verfügung (Ausgleich Tag- Nachtzyklus bzw. saisonaler Ausgleich).

Noch (viel) mehr Speicher

Werden Stromspeicher verteilt, dezentral aufgebaut, können zudem Netzerweiterungen vermindert werden.

Wie erläutert, muss unter Nutzung Erneuerbarer Energien zur Sicherung der elektrischen Energieversorgung und Gewährleistung der Netzstabilität im großen Maße der Ausgleich zwischen Verbrauch und Erzeugung geregelt werden. Dazu bedarf es verschiedener Speicherbereiche: 

• Netzstabilisierung (Primärreserve, erfordert sekundenschnelle Speicher)
  z.B. Elektrische Speicher / weitgehend noch im Anfangsstadium [5]
• Verschiebespeicher (Sekundärreserve, Ausgleich des Tagesgangs)
  z.B. Pumpspeicherkraftwerke 
• Langzeitspeicher (saisonaler Ausgleich)
  Elektrochemische Speicher (Wasserstoff, synthetisches Gas z.B. Methan)

Die gezeigten Speichertypen sind exemplarisch zu verstehen. So können z.B. Gaskraftwerke in allen drei Speicherbereichen zur Anwendung kommen, und es sind zudem ganz unterschiedliche Speicherkonzepte in Entwicklung. Gaskraftwerke werden heute noch mit (fossilem) Erdgas betrieben und müssen in Zukunft durch Wasserstoff bzw. synthetisches Gas betrieben werden. 

Somit müssen zeitgleich mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien gesetzliche Vorgaben und Förderungen für alle Speicherkonzepte eingearbeitet werden. Dieses ist im EEG 2023 lediglich als innovativ für wasserstoffbasierte Stromspeicher bzw. für PV-Gebäudeanlagen berücksichtigt. Für die privat betriebenen PV-Gebäudeanlagen ist bereits der Trend zu Speichern mit einem Anteil von 70% bei Neuanlagen in 2023 durch Einbindung eines Batteriespeichers festzustellen.

Offenbar wird meiner Ansicht nach, dass alle Akteure im Stromsegment das Thema Stromspeicher dringend adressieren müssen.

Quellen

[1] Weltwetterorganisation (WMO) 

[2] US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)

[3] Europäische Kommission „Der europäische Green Deal“

[4] Peter Fürmetz; BERR „Solarpaket steckt Kurs ab für Verdreifachung des Zubautempos“, 9/2023

[4] Härter, Hendrik; Elektronik Praxis, „In Niedersachsen entsteht ein Speicher von 275 Megawattstunden“ 11.01.2024

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 (53,5^o 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 30^o 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 64^o im Sommer am 21. Juni, im Winter von 18^o und zur Tagundnachtgleiche (Äquinoktium) von 41^o 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

[8] Fraunhofer Institut ISE, Pressemitteilung vom 22.11.2018: Konzentrator-Photovoltaik mit höchster Effizienz – 41,4% Modulwirkungsgrad

[9] Fraunhofer Institut ISE, Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland 12/2023

(Georg Scharfenberg ist emeritierter Professor der OTH Regensburg und setzt sich in der BERR für die Realisierung von Konzepten zur Erzeugung erneuerbarer Energien ein und agiert im Kontrollorgan der BERR als Aufsichtsrat.)

In einem ersten Artikel unter dem Titel „Grüner Strom aus der Steckdose“ konnte ich die technische Grundlage zur elektrischen Energie mit den Begriffen Spannung, Strom, Leistung und Energie legen. Die Regensburger Bürgerenergiegenossenschaft BERR versorgt seit mehr als ein Jahrzehnt die Mitglieder und Kunden mit dezentraler, konzernunabhängiger und ökologischer elektrischer Energie, auch ‘Grüner Strom‘ genannt. 

Das Engagement zielt auf einen wichtigen, lokalen Einsatz zur Energiewende. Grünen Strom zu verwenden ist aber nur ein Anteil, wie ich meinen Beitrag zur Klimaproblematik gestalte. Gleichzeitig muss es mir gelingen, meinen Bedarf an Strom niedrig zu halten oder sogar zu senken. 

Der vorliegende Artikel setzt sich im Schwerpunkt mit den elektrischen Verbrauchern im eigenen Wohnbereich und den Möglichkeiten zur Optimierung auseinander. Das persönliche Engagement sollte sich nicht nur beim Kauf von Neugeräten darauf beschränken, Energie-Label zu beachten. Vielmehr geht es darum, dass ich mir einen Überblick darüber verschaffe, wo meine ‘Stromfresser‘ sind. Welches sind versteckte Verbraucher und welche Möglichkeiten habe ich zur Vermeidung nicht notwendiger Verbräuche, und welche Anstrengungen kann ich zur Einsparung elektrischer Energie in meinem Wohnbereich unternehmen?

Welchen Stromverbrauch hat etwa ein 3-Personen-Haushalt?

Der elektrische Energiebedarf im Wohnbereich wird besonders durch die großen Verbraucher bestimmt. Allerdings sind einige Verbraucher auf Anhieb nicht so sichtbar. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK (damals als BMWE) hat 2017 für Deutschland folgenden relativen Stromverbrauch für einen 3-Personenhaushalt angegeben ⁷⁾:

• 27% Informationstechnik, TV und Audio 
• 17% Kühl- und Gefriergeräte
• 13% Waschen und Trocknen
• 11% Kochen
•   9% Licht
•   7% Spülen
• 16% Sonstiges

Ins Auge springt dabei der überbordende Energiebedarf für Geräte der Informationstechnik. Dieses sind Router, Drucker, Monitor, Notebook, Mobiltelefone und Videospiele. Mit der smart-Technologie, die auf die Vernetzung der Haushaltsgeräte zukünftig abzielt (Digitalisierung), wird dieser Energiebedarf zwangsläufig weiter steigen. Die Anstrengungen zur klimaneutralen und nachhaltigen Energieerzeugung müssen, wie oben erläutert, im Gleichschritt mit Effizienzmaßnahmen stehen. In Deutschland gibt es nach Angaben des Umweltbundesamtes UBA ca. 41 Mio. Haushalte ⁸⁾. Allein durch die große Zahl besteht im Wohnbereich ein erhebliches Energie-Einsparpotenzial.

Chancen zur Energieeffizienz mit dem Energiemessgerät

Die persönlichen Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung bestehen im ersten Schritt darin, sich mit einem Energiemessgerät über den elektrischen Leistungsbedarf und den Verbrauch der über die Steckdose versorgten Geräten zu informieren. Dieses wäre der Einstieg für die Einschätzung des privaten Energiebedarfs. In der unten aufgeführten Tabelle habe ich eine Aufstellung zum Energieverbrauch eines 2-Personenhaushalts wiedergegeben, der im weiten Umfang mit einem Energiemessgerät ermittelt wurde. 

Die Orientierung bei der Beschaffung von Neugeräten sollte nach der EU-Energieverbrauchskennzeichnung erfolgen (Energie-Label). Die Kennzeichnung ist 2021 mit dem Wegfall der ‘+‘-Klassen geändert worden. Die Herstellerangabe zum jeweiligen Stromverbrauch muss allerdings stets kontrolliert werden, weil sich Geräte darin stark unterscheiden können, obwohl sie in derselben Effizienzklasse eingeordnet sind. Dieses versteht sich dadurch, dass zur Energie-Label Klassifizierung weitere Kriterien einbezogen sind, die bei der Kaufentscheidung mit berücksichtigt werden sollten.
Für Geräte der Informationstechnik ist die Kennzeichnung allgemein nicht eingeführt, so dass hierzu eine spezifische Analyse erforderlich ist. 

Anregungen zur Geräteauswahl

Mit den nachstehenden Vorschlägen sollen Anregungen gegeben werden, die einerseits auf direkte Möglichkeiten zur Vermeidung und andererseits auf Möglichkeiten zum Einsparpotential von elektrischer Energie im Nutzungsbereich der Geräte aufzeigen sollen. 

Elektroherd

• Deckel auf Topf und Pfanne, Kurzes Vorheizen und Restwärme nutzen, Einsatz einer „Garkiste“, Induktionsherde sind in der Regel energieeffizienter und schneller als Ceranherde

Kühl-Gefrierschrank

• Vermeiden von häufigem und langem Türöffnen, Vermeiden von Eisansammlungen, Einstellen der optimalen Temperatur, ggf. Nutzen der ‘Holiday-Einstellung‘ in der Urlaubszeit

Beleuchtung

• LED-Leuchtmittel und dimmbare Varianten gezielt verwenden, Bewegungsmelder nutzen, Beleuchtung ausschalten, wenn nicht erforderlich

Geschirrspüler, Waschmaschine 

• Eco-Programm bzw. Programm mit niedriger Temperatur, vollständige Beladung

Trockner

• Aufgrund des hohen Energiebedarfs vermeiden; ggf. effizientere Version des Wärmepumpentrockners anwenden (nutzt Wärme aus Abluft)

Computerarbeitsplatz

• Steckdosenleiste mit Ausschalter anwenden

Im Folgenden habe ich exemplarisch Verbrauchs- und Stand-Bye Leistungswerte von Geräten gelistet und eine Abschätzung des elektrischen Energieeinsatzes für ein laufendes Jahr eines 2-Personenhaushalt vorgenommen. Die angegebenen Werte werden in der Summe durch die ermittelte Jahresbilanz gestützt. 

Beispiel einer konkreten Analyse für meinen 2-Personenhaushalt mit dem Energiemessgerät

Tabelle zum Energieverbrauch meines 2-Personenhaushalts

Quellenangaben und Erläuterungen

1) Angaben abgeleitet vom BMWi, BUND,  www.ingenieur.de und Herstellerangaben; am 10. und 11. Okt. 2023
2) gemittelte Schätzwerte nach Messung mit Energiemessgerät EM230 brennenstuhl
3) Messwert mit Energiemessgerät EM230 Fa. brennenstuhl
4) Warmhalteplatte ca. 10 Sek. im Intervall von 9 Minuten je 1000 W in Warmhaltephase
5) Leistungsbedarf während der Druckphase
6) Geschätzter elektrischer Energiebedarf für die Wohnungsbeleuchtung
7) BMWE: Energieeffiziente Produkte im Handel – ein Beitrag zum Klimaschutz; 2017
8) UBA: Datensuche, Statistik 2022

„Bei mir kommt der Strom aus der Steckdose. Wer so flapsig daher redet, macht sich meistens auch nicht viele Gedanken darüber, wo sein Strom wirklich herkommt und welche Auswirkungen das auf das Klima hat. Dem gegenüber stehen die Bürger einer Bürgerenergiegenossenschaft, wie die BERR, oder auch deren Kunden, für die dezentrale, konzernunabhängige und ökologische Energiegewinnung. 

Der vorangestellte Ausspruch lässt im gleichen Zuge keinen hohen Ehrgeiz an die Effizienz des eigenen Stromverbrauchs vermuten, solange die Kosten nicht zu einem treibenden Thema werden.

Grünen Strom zu verwenden ist gut, weniger Strom ist noch besser. Alle, die sich für die Themen einer Energiegenossenschaft interessieren, werden sich also bemühen, Strom zu sparen, wo‘s nur eben geht. Und das kann man am besten, wenn man sich auskennt: mit den allereinfachsten Grundlagen von Energie, Strom und Stromverbrauch. Diese Grundlage erklärt uns im vorliegenden Artikel Georg Scharfenberg. Er ist emeritierter Professor der OTH Regensburg und setzt sich in der BERR für die Realisierung von Konzepten zur Erzeugung erneuerbarer Energien ein und agiert im Kontrollorgan der BERR als Aufsichtsrat.

In nachfolgenden Artikeln werden Möglichkeiten zur Analyse und Effizienzsteigerung des eigenen Stromverbrauchs aufgezeigt. Zudem wird dargelegt, wie die Regensburger Bürgerenergiegenossenschaft BERR ihre Mitglieder und Kunden mit Grünem Strom versorgt.

Kurz und bündig: Das elektrische Netz und die elektrische Energie

Die elektrische Energie wird vom örtlichen Netz über den Hausanschluss und die Messstelle geliefert, und liegt an der Unterverteilung der Wohnung an. Der Bewohner der Wohnung findet die Unterverteilung in der Nähe der Wohnungstür oder im Nebenraum hinter einer kleinen Metall- oder Plastiktür. Dort finden sich die Absicherung mittels Fehlerstrom Schutzschalter (FI-Schalter) und eine Anzahl von Leitungsschutzschalter (meist als Sicherung bezeichnet), mit einer Kennzeichnung, so dass jeder Leitungsschutzschalter einem Stromkreis zugeordnet ist. 

Elektro für Einsteiger

Hier möchte ich die genannten Begriffe vertiefen:
Elektrische Versorgung: allgemein wird Elektrizität als „Kraftstrom“ oder „Drehstrom“ oder „im 3-Leiternetz“ in die Wohnung eingespeist. Bleiben wir bei „Kraftstrom“! Dieser Begriff wird für den Nutzer lediglich im Anschluss eines Elektroherdes oder z.B. zur Versorgung eines E-Mobils relevant.
Betrachten wir in der Wohnung die Versorgung z.B. an der Steckdose oder am Schalter zur Lampe, dann liegt dort die elektrische Spannung von 230 V (V ≡ Volt). Wird ein Gerät eingeschaltet, treibt die Spannung einen elektrischen Strom durch den „Verbraucher“. Ich formuliere: es fließt Strom, und z.B. die Lampe leuchtet. Die Stromstärke wird in Ampere ≡ A angegeben und je nach Bedarf, kann eine Stromstärke von z.B. 0,005 A (Stand-By) oder z.B. 4 A (Gerät in Betrieb) fließen.

Watt, Volt & Co.

Allgemein werden wir nicht die Stromstärke hinterfragen, sondern dem Nutzer geht es um die elektrische Leistung eines Gerätes. Die Leistungsangabe finden wir stets in Watt ≡ W angegeben. So kann eine Tischlampe eine Leistung von 4 W haben, während bzw. die Stand-By Leistung eines Fernsehers 0,5 W beträgt. Um den Zusammenhang zu den genannten Größen ‘Spannung‘ und ‘Stromstärke‘ herzustellen, ist zu verstehen: die Netzspannung 230 V bleibt unverändert, die Stromstärke hängt von der elektrischen Leistung des Gerätes ab. Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Stromstärke und Spannung. Es gilt: je höher die Leistung, desto größer die Stromstärke. Die genutzte („verbrauchte“) elektrische Energie eines Gerätes ist das Produkt aus der Leistung des Gerätes und Zeitdauer der Leistungsaufnahme.
Der Verlauf einer Momentanleistung in der Wohnung setzt sich aus dem Bedarf aller gerade in Betrieb befindlichen Geräte bzw. der Stand-By Leistungen zusammen. Plausibel: am Ende des Jahres zeigt die Messstelle („Stromzähler“) die genutzte elektrische Energie an. Die Abrechnung erfolgt auf der Basis kWh, d.h., um die Zahl „handlich“ anzugeben, mit dem Faktor k ≡ 1000 und für die Nutzungsdauer wird auf die Zeitspanne auf Stunden ≡ h gerechnet.

Mit Sicherheit: der FI-Schalter

Nun möchte ich noch zur Absicherung der Leitungen mit den Leitungsschutzschaltern kommen: Ein Leitungsschutzschalter überwacht einen Stromkreis z.B. die Steckdose zum Geschirrspüler oder die Steckdosen in einem Raum auf eine maximal zulässige Stromstärke z.B. 16 A. Wird der Grenzwert überschritten, schaltet der Leitungsschutzschalter das bzw. die angeschlossenen Geräte ab („die Sicherung hat ausgelöst!“). 

Der Fehlerstromschutzschalter (FI- Schalter) schützt die gesamte Wohnung und damit alle Stromkreise gleichzeitig, sollte z.B. ein Gerät durch Feuchtigkeit eine unzulässige Stromableitung zulassen.
Dieser Schutzschalter schützt zudem Leben, sollte eine Person eine spannungsführende Leitung berühren. Bei einer Stromstärke von 30 mA (Milliampere), die in dieser Stärke über den Körper fließen könnte, wird die Wohnung komplett abgeschaltet. Die Stromstärke von 30 mA wäre schmerzhaft und würde als Elektroschock empfunden. Der Grenzwert ist gut begründet, denn ab der Größe von 50 mA müsste mit einer tödlichen Gefährdung gerechnet werden.