page title icon Solarenergie – so wird Ökostrom und Wärme aus der Sonne gewonnen

Solarenergie ist eine wichtige Stütze der Energiewende. Gewerbliche und private Besitzer von Solaranlagen tragen dazu bei, unabhängig von fossilen und atomaren Energiequellen zu werden. Wer eigenen Solarstrom produziert, schont das Klima und profitiert langfristig von niedrigen Energiekosten. Das Prinzip, wie aus Sonnenenergie Strom und Wärme gewonnen wird, beruht auf einfachen physikalischen Gesetzmäßigkeiten.

Sonnenenergie für Ökostrom und Wärme nutzen

Für menschliche Dimensionen ist die Sonne – der größte Planet unseres Sonnensystems – eine schier unerschöpfliche Energiequelle. Rund fünf Millionen Jahre wird sie ausreichend Energie liefern, damit Menschen mithilfe von Solaranlagen Ökostrom und Wärme erzeugen können. Betrachtet man die technologische Entwicklung der PV-Module in den letzten Jahren, ist zu erwarten, dass sich die Technik und Bauweise der Solarmodule hinsichtlich ihrer Effizienz weiterhin verbessern wird. Je höher der Wirkungsgrad der Module ist, umso höher ist der Anteil an Solarstrom und Wärme, der sich bei gleichbleibender Sonneneinstrahlung gewinnen lässt.

Sonnenenergie mit einer PV-Anlage nutzen

Wichtige Aspekte bei der Installation von Solaranlagen sind die Ausrichtung nach der Himmelsrichtung sowie eventuell vorhandene Verschattungen. Anlagen, die nach Süden und Westen ausgerichtet sind, haben den höchsten Ertrag. Hinzu kommen viele kleine Faktoren, wie die Verkabelung der einzelnen Module untereinander und die Anzahl der Wechselrichter, welche den Ertrag einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) beeinflussen.

Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage ist nicht kompliziert. Im Wesentlichen ist jedes Modul ein eigenständiges kleines Sonnenkraftwerk, das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt. Dieser Vorgang wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet. Er ist eine Sonderform des photoelektrischen Effektes, der in jedem Physikunterricht mithilfe einer Zinkplatte anhand verschiedener Experimente und Lichtquellen veranschaulicht wird. Fallen Sonnenstrahlen auf eine einzelne Solarzelle, wird in ihrem Inneren Gleichstrom erzeugt. Viele miteinander verschaltete Solarzellen ergeben ein Solarmodul. Die Module wiederum werden zu einer kompletten Anlage zusammengeschlossen.

Ein wichtiges Gerät ist der Wechselrichter. Er wandelt den Gleichstrom, den Solarmodule produzieren, in haushaltsüblichen Wechselstrom um. Der Wechselstrom kann privat genutzt werden – durch direkten Verbrauch oder die Zwischenspeicherung in einem Batteriespeicher – oder im Falle einer netzgebundenen Anlage ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. In dem Fall erhält der Stromproduzent eine staatlich festgelegte Einspeisevergütung.

Ausgangsmaterial für Solarzellen – Halbleitermaterial Silizium

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium. Silizium ist ein Halbleiter, der durch Wärme und Licht elektrisch leitfähig wird. Das Element ist natürlichen Ursprungs und besitzt ein extrem häufiges Vorkommen. Im Moment bestehen keine Sorgen, dass die natürlichen Vorräte an Quarzsand und daher an Silizium zur Neige gehen. Für die Herstellung einer Siliziumscheibe wird der Quarzsand gereinigt, kristallisiert und in Scheiben gesägt. Der Halbleiter wird im Anschluss mit Bor und Phosphor verunreinigt und dadurch in seinen Eigenschaften gezielt beeinflusst. In die Siliziumscheiben integrierte Leiterbahnen dienen dem Stromtransport. Jedes PV-Modul besitzt eine positiv geladene, mit Bor verunreinigte Unterseite und negativ geladene, mit Phosphor verunreinigte Oberseite. Zwischen den beiden Schichten befindet sich die sogenannte p-n-Schicht – p für positiv und n für negativ.

Solarenergie - Mit Sonne Strom erzeugen
Solarenergie – Mit Sonne Strom erzeugen

Tagsüber treffen geladene Teilchen des Lichts – sogenannte Photonen – auf die negativ geladene Oberseite einer Siliziumscheibe. Dadurch lösen sich Elektronen aus dem Verbund und es entsteht ein Elektronenüberschuss. Auf der Unterseite des Moduls sammeln sich Protonen. Im Inneren einer Solarzelle entsteht – analog zur Funktionsweise einer Batterie – ein Minuspol durch negativ geladene Elektronen und ein Pluspol durch positiv geladene Protonen. Dadurch fließt der Strom.

Positive Korrelation zwischen Licht- und Stromstärke

Jeder Besitzer einer PV-Anlage weiß, dass die Stromstärke positiv mit der einfallenden Lichtstärke korreliert. Mit anderen Worten: Je mehr Sonnenstrahlen auf die Solarzellen treffen, umso höher ist der Stromertrag. Da die Sonneneinstrahlung im Sommer wesentlich stärker ist als im Winter, produzieren Photovoltaikanlagen in den Sommermonaten den meisten Solarstrom. Die Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage hängt mit den durchschnittlichen jährlichen Sonnenstunden zusammen. Ebenso wie es in Europa ein Nord-Süd-Gefälle gibt, gibt es auch innerhalb Deutschlands ein Nord-Süd-Gefälle. Witterungsbedingte Schwankungen innerhalb eines Jahres sind natürlich und gleichen sich über die gesamte Betriebsdauer einer Anlage in der Regel wieder aus.

Vorteile von Photovoltaik aus Betreibersicht

Für jedes produzierende Unternehmen gehört es zum guten Ton, eine eigene Solaranlage zu betreiben und einen Teil des Stromverbrauchs selbst zu produzieren. Verbraucher erwarten zunehmend klimaneutrale Produkte, die keinen unnötigen CO2-Ausstoß verursachen und den Klimawandel nicht zusätzlich beschleunigen. Auch energieintensive Branchen wie die Automobilindustrie streben eine CO2-neutrale Produktion an und möchten ohne Stromnutzung aus fossilen Energieträgern auskommen. Für Industriebetriebe ist die Gewinnung von Ökostrom aus Solarenergie ein wichtiges Marketing-Argument und trägt zur Etablierung einer ökologisch ausgerichteten Unternehmenskultur bei. Mitarbeiter identifizieren sich stärker mit einem Arbeitgeber, der das Thema Umweltschutz ernst nimmt und durch Taten überzeugt.

Einsparrenditen durch Nutzung von selbstproduziertem Ökostrom

Private Betreiber sehen Photovoltaikanlagen zum einen als Beitrag, den Klimawandel zu stoppen, zum anderen ergeben sich durch die Nutzung von Solarenergie finanzielle Vorteile. Durch den Eigenverbrauch des selbst produzierten Stromes lassen sich – in Zeiten von Niedrigzinsen auf Sparguthaben – ernstzunehmende Einsparrenditen erzielen. Wie hoch die Renditen im Einzelfall ausfallen, hängt von der Größe und Ausrichtung der PV-Anlage ab.

Eine wichtige Rolle spielen Verschattungen durch umstehende Gebäude oder hohe Bäume. Es ist wichtig, vor der Installation umfassende Berechnungen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage durchzuführen.

Ökostrom als Beitrag zum Umweltschutz

Wer seinen eigenen Ökostrom produziert und Solarthermie zum Heizen und für Warmwasser nutzt, leistet einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz. Jeder einzelne Haushalt, der weitgehend unabhängig von fossilen Energieträgern und Atomstrom wird, ist ein wichtiger Baustein für die Energiewende. Die Bundesregierung verfolgt ehrgeizige Klimaziele.

Aus dem Grund werden Solaranlagen – v. a. im Zusammenhang mit Neubauten und energetischen Gebäudesanierungen von Bestandsimmobilien – gefördert.

Lesen Sie weiter: Photovoltaik – Was sind die Kosten & welche Förderung gibt es?

Meist geschieht dies in indirekter Weise – z. B. über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG). Sie honoriert den Anteil an erneuerbaren Energiequellen in energiesparenden Gebäuden durch höhere Fördergelder. Durch Solarthermie – z. B. in Verbindung mit Wärmepumpen und großen Heizwasserspeichern – lassen sich Heizkosten dauerhaft senken. Förderungen auf Bundesebene für Batteriespeicher und Wall Boxen für Elektroautos sind ein wichtiger Beitrag, um die Nutzung von Solarenergie für private und gewerbliche Verbraucher attraktiv zu gestalten.

Argumente für Solarenergie aus Bundessicht

Es ist absehbar, dass die Energiewende eine größere Anstrengung erfordert, als nach aktuellen Berechnungen absehbar ist. Die Erzeugung von Wasserstoff erfordert einen hohen Energieaufwand. Die Genehmigungshürden für private PV-Anlagen waren in den letzten Jahren zu hoch. Dies soll sich in Zukunft ändern. Erste Erleichterungen sind bereits in Kraft. In vielen Köpfen der Verbraucher gibt es gefährliches Halbwissen, das sie daran hindert, in Photovoltaik zu investieren.

Zum Beispiel hält sich hartnäckig das Vorurteil, dass für die Produktion einer Solaranlage mehr Energieaufwand nötig ist, als sie innerhalb eines durchschnittlichen Lebenszyklus von 20 bis 30 Jahren produzieren kann. Das Gegenteil ist der Fall. Die energetische Amortisationszeit liegt zwischen zwei und vier Jahren. Dementsprechend groß ist der Erntefaktor, d. h. der Faktor der angibt, wie oft eine Anlage den kumulierten Energieaufwand einspart bzw. wieder abgibt.

In die Jahre gekommene Stromnetze sind ein weiterer Faktor, welche eine Förderung des Eigenverbrauchs des Ökostroms vorteilhaft machen. Industrie- und Haushaltsstrom, der direkt am Entstehungsort verbraucht wird, muss nicht in die Stromnetze fließen. Insbesondere die E-Mobilität wird als Gefahr für lokale Stromnetze und eine drohende Überlastung angesehen. Die Angaben hinsichtlich der Belastbarkeit lokaler Netze – insbesondere in Wohngebieten – variieren stark.

Wer als Immobilienbesitzer sicher gehen möchte, ausreichend Strom zur Verfügung zu haben und sich weitgehend autark machen möchte, trifft mit der Investition in Solarenergie eine solide Entscheidung.

Solarenergie – Vorteile für Mensch und Umwelt

Betrachtet man die Strompreisentwicklung in den letzten Jahren und berücksichtigt die Faktoren, die durch die Energiewende hinzukommen, ist es absehbar, dass die Strompreise weiter steigen werden. Bei einer durchschnittlichen Amortisationsdauer von zehn bis zwölf Jahren und einer vorhersehbaren Betriebsdauer von mindestens zwanzig Jahren lohnt sich die Investition in Photovoltaikanlagen aus wirtschaftlicher Sicht. Solarenergie hat Vorteile für Mensch und Umwelt. Durch die Unerschöpflichkeit der Sonne ist es sinnvoll, Anstrengungen in der Forschung und Entwicklung weiterhin in eine Erhöhung des Wirkungsgrades von PV-Modulen zu investieren. Entgegen kritischer Stimmen sind Solarmodule in hohem Maße recyclingfähig, sodass eine Wiederverwertung der Rohstoffe und des in den Herstellungsprozess geflossenen Energieaufwands sichergestellt ist.

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