Eigenschaften von Photovoltaik
Die Energiegewinnung mit Photovoltaikanlagen und aus Solarthermik ist die Zukunft der Energieversorgung. Im Kampf gegen den Klimawandel ist eine Umstellung auf erneuerbare Energieträger absolut notwendig. Der Preisverfall der Solarmodule macht die Stromerzeugung aus Sonnenenergie billiger als die aus fossilen Brennstoffen.
Wie groß ist eine Photovoltaikanlage für einen durchschnittlichen Haushalt?
Der mittlere Stromverbrauch im Haushalt für Elektrogeräte, Beleuchtung, Warmwasser und Raumwärme liegt pro Haushaltsmitglied bei 1,6 MWh. Dafür werden circa 6 PV-Module mit insgesamt 10m2 benötigt. Ein durchschnittlicher Haushalt benötigt etwa 10 PV-Module zur Deckung des Jahresstrombedarfs.
Wieviel Energie wird zur Produktion von Photovoltaikmodulen aufgewendet?
Der Erntefaktor beschreibt das Verhältnis der bereitgestellten zur aufgewendeten (Produktion) Energie. Die Energierücklaufzeit gibt die Zeitspanne an, die ein Kraftwerk betrieben werden muss, bis es die investierte Energiemenge zurück geliefert hat.
Die Energierücklaufzeit von PV-Modulen beträgt im Schnitt ein Jahr. Die Lebensdauer von PV-Modulen wird mit 25-30 Jahre garantiert. Das ergibt Erntefaktoren größer als 20. Windenergieanlagen bewegen sich in der gleichen Größenordnung.
Altern Photovoltaikanlagen?
Photovoltaikanlagen altern sehr langsam. Der Verlust an Nennleistung liegt bei etwa 0,15% pro Jahr. Die Hersteller garantieren Lebensdauern von 25-30 Jahren und einen maximalen Leistungsabfall in dieser Zeit von 20%.
Verschmutzen Photovoltaikanlagen?
Natürlich verschmutzen Photovoltaikanlagen. Die meisten Anlagen werden vom nächsten Regen gereinigt. Verschmutzung verursacht praktisch keine Leistungseinbußen. Flach aufgestellte Solarmodule (<10°) oder Laubabwurf können Leistungseinbußen mit sich bringen. In Regionen, die aufgrund des Klimawandels zunehmend unter Trockenheit leiden, lohnt sich eine gelegentliche Reinigung der Module (Staub).
Sind zur Anwendung von PV-Anlagen Speicher notwendig?
In den nächsten Jahren nicht. Speicher lohnen sich erst, wenn große Preisdifferenzen im Strombezug auftreten. Erst wenn der Ausbau von PV und Windkraft die Preise weiter massiv senkt und die Bevorzugung großer industrieller Abnehmer gegenüber den Normalbürgern zurückgeht, wird ein wirtschaftlicher privater Speicherbetrieb sinnvoll sein.
Die ausstiegsbedingte Verknappung des Atomstroms und die Verteuerung des Kohlestroms durch die Einrechnung der externen CO2-Kosten wird in der Zukunft einen rentablen Speicherbetrieb ermöglichen.
Was kosten Photovoltaikanlagen?
Je nach Größe und Effizienz einer Anlage kostet diese komplett umgerechnet 0,7-1,5 €/W. Die Stromkosten aus PV-Anlagen betragen derzeit (Tendenz sinkend) zwischen 5 bis 8 Cent/ kWh. Für einen Musterhaushalt mit einem Jahresverbrauch von 3,5 MWh wurde in Deutschland 2020 ein Strompreis von ca. 30 Cent/kWh verrechnet (gesamt 1.050 €).
PV-Anlagen können Strom ins Netz speisen oder diesen über Eigenverbrauch nutzen. Auf Grund der stark gesunkenen Preise sind die Renditen gut. Der Eigenverbrauch lohnt sich bei großen Differenzen zwischen regulärem Strompreis und PV-Strompreis. Haushalte erreichen derzeit abhängig von Anlagegröße und Typ eine Rendite von 20-40%.
Zerstören Photovoltaikanlagen die Umwelt?
Nein, ganz im Gegenteil. Beispielsweise erhöht die Umwandlung intensiver Landwirtschaft, die der Biodieselgewinnung dient, in Grünland in Kombinaten mit einer PV-Freiflächenanlage die Biodiversität und Energiebereitstellung.
Die Einzäunung mit PV-Modulen schützt landwirtschaftliche Flächen vor Unbefugten und streunenden Hunden, was den bodenbrütenden Vögeln entgegenkommt. Die Einsaat von Wildpflanzenmischungen an Stelle der Monokulturen lassen einen Biotop-Solarpark entstehen.
Global Warning House
Künstler: Robin Meyer und A. G. Saño
Photovoltaikanlagen arbeiten nur bei Sonneneinstrahlung – ist das nicht ineffizient?
Aufgrund der Einstrahlungsbedingungen arbeiten PV-Anlagen nur etwas weniger als die Hälfte der insgesamt 8760 Jahresstunden und dann auch meistens in Teillast. Im mehrjährigen Mittel wird mit 1.000 Vollbenutzungsstunden für PV-Freiflächenanlagen gerechnet.
Damit Strom auch in sonnenarmen Zeiten und des nachts zur Verfügung steht, wird auf Speicher und andere Energieerzeuger wie Wasserkraft, Windkraft, Kernkraft oder andere Kraftwerkstypen zurückgegriffen. Als aussichtsreiche Energieträger werden Wasserstoff oder Methan betrachtet.
Diese können mit solarer Energie in Zeiten des Stromüberschusses oder in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung gewonnen und über Brennstoffzellen in Energie rückverwandelt werden.
Elektrischer Strom kann in Batterien gespeichert und bei Mangel abgerufen werden. Lithium-Ionen-Batterien weisen einen ähnlich steilen Preisverfall wie PV-Module auf und haben im Jahr 2020 einen durchschnittlichen Preis von ca. 110 €/kWh erreicht. Bei 1.000 Ladezyklen entspricht das 11 Cent/kWh.
Mit kleinen, stationären Akkus im Haus lässt sich der Eigenverbrauch von PV-Strom in die Abendstunden ausdehnen und damit massiv erhöhen. Ende 2019 waren in Deutschland 180.000 PV-Stromspeicher installiert. Die gesamte installierte Batteriekapazität in Deutschland liegt derzeit noch unter 1 GWh.
Synthetische Energieträger können über stationäre Brennstoffzellen (Wirkungsgrad bis ca. 65%) oder thermische Kraftwerke rückverstromt werden oder als Kraftstoffe im Transportsektor Verwendung finden.
Gibt es überhaupt genug Flächen für die benötigten Photovoltaikanlagen?
Ja, es gibt ausreichend nutzbare Flächen. In Deutschland schätzt man die nutzbaren Flächen auf über 3.000 km2 .
Bei einem Flächenverbrauch von 1,4 ha/MW entspricht das nach aktuellem Stand der Technik einem Potenzial von 226 GW.
Mit Agro-Photovoltaik (APV) werden Landwirtschaft und Stromproduktion auf derselben Fläche kombiniert. Viele Nutzpflanzen zeigen kaum Ertragseinbußen bei reduzierter Einstrahlung, andere profitieren sogar.
Wird die aktuelle Anbaufläche dieser beiden Pflanzenklassen in Deutschland als technisches Potenzial angenommen, so entspricht dies einer Nennleistung von 1,7 TW.
Die für Energiepflanzenanbau (z.B. zur Erzeugung von Biodiesel) genutzte Fläche entspricht weiteren 700 GW.
Gebäudehüllen, Dächer und Fassaden, bieten ein Potenzial von mindestens 900 GW.
PV-Module werden nicht nur auf bestehende Flach- oder Schrägdächer montiert, auch Produkte für die Gebäudeintegration sind verfügbar. Dazu zählen PV-Dachziegel, PV-Dachfolien, Module für Kaltfassaden, Wärmedämm-Verbundsysteme mit PV, opake und transparente PV-Isoliergläser.
Der Braunkohletagebau hat in Deutschland alleine eine Fläche von 1.773 km2 zerstört. Die Nutzung eines Viertels dieser Fläche eröffnet ein zusätzliches Potenzial von weiteren 55 GW.
Eine Studie des deutschen Umweltbundesamtes geht von 670 km2 versiegelten Siedlungsflächen aus, entsprechend 134 GW für PV-Installationen. Hierzu zählen Siedlungsflächen ohne Gebäudeflächen und ohne Verkehrsflächen, wie Straße oder Schiene.
Ein Teil dieser Fläche lässt sich mit PV-Modulen als Schattenspender überdachen oder mit speziellen, befahrbaren Modulen belegen (Urbane PV).
Weiteres Potenzial im GW-Maßstab bieten Lärmschutzwände, ausgesuchte Verkehrsflächen, Gleiskörper und die Dächer von Elektrofahrzeugen.
Können Photovoltaikanlagen in den nächsten Jahren fossile und Atomkraftwerke ersetzen?
Nein, zumindest nicht in den nächsten Jahren. Solange zu wenig Strom-zu-Strom Speicherkapazitäten oder Speicherwasserkraftwerke im Netz zugänglich sind, reduzieren PV- und Windstrom zwar den Verbrauch an fossilen Brennstoffen, die Energieimporte und den CO2-Ausstoß, sie ersetzen aber keine Leistungskapazitäten.
Die Nagelprobe sind windstille, trübe Wintertage, an denen der Stromverbrauch Maximalwerte erreicht, ohne dass Sonne- oder Windstrom bereitstehen.
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Teil 1: Photovoltaikanlagen gegen den Klimawandel – Heute und in Zukunft
Teil 3: Photovoltaikanlagen gegen den Klimawandel – Technologie der Solarzellen
