Photovoltaikanlage

Es sieht so aus, als ob jeder Hausbesitzer über kurz oder lang sich mit dem Thema Photovoltaik auseinandersetzen muss. So gibt es bereits jetzt in einigen Bundesländern die Solarpflicht. Seit Mai 2022 müssen zum Beispiel in Baden-Württemberg Neubauten von Wohngebäuden mit Photovoltaik- oder Solarthermieanlagen ausgestattet werden und ab Januar 2023 sind Hausbesitzer, die eine grundlegende Dachsanierung vornehmen lassen, dazu verpflichtet, eine Photovoltaikanlage einbauen lassen. Damit Sie gut für diesen Fall vorbereitet sind, erfahren Sie hier alles Wissenswerte zum Thema Photovoltaik: Wie eine PV-Anlage funktioniert, ob eine Kombination mit einem Speicher sinnvoll ist, wie viel eine PV-Anlage kostet, welche Fördermöglichkeiten es gibt und vieles mehr.

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie (in der Regel Sonnenlicht) in elektrische Energie, wozu Solarzellen genutzt werden. Die Technologie wird seit 1958 in der Raumfahrt und später auch zur Energieversorgung von einzelnen elektrischen Geräten wie Taschenrechnern verwendet. Heute kommt Photovoltaik vor allem zur netzgebundenen Stromerzeugung auf Dachflächen und als Freiflächenanlage zum Einsatz. Genauso wie die Solarthermie ist auch die Photovoltaik ein Teilbereich der Solartechnik.

Die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom ist ein komplexer Prozess, der in einzelnen Solarmodulen stattfindet, die wiederum aus zahlreichen einzelnen Solarzellen bestehen. Die Elektronen in den Solarzellen werden von dem Sonnenlicht in Bewegung gebracht, wodurch elektrischer Strom, Gleichstrom, entsteht. Für die Verwendung im Haushalt wird der Gleichstrom durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Überschüssig produzierter Strom kann entweder für einen späteren Verbrauch in einem Speicher gespeichert oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Dafür erhalten Sie eine Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

• Solarkabel

Um den Gleichstrom vom Solarmodul an den Wechselrichter weiterzuleiten, werden Solarkabel benötigt. Diese sind besonders stabil und UV-beständig, wobei dickere Kabel mehr Sicherheit bieten. Um Leistungsverluste beim Transport zu minimieren, sollte der Weg zum Wechselrichter möglichst kurz sein.

• Stromzähler

Um festzuhalten, wie viel Solarstrom der Haushalt selbst verbraucht und wie viel in das öffentliche Netz eingespeist beziehungsweise daraus bezogen wird, ist ein Zweirichtungszähler notwendig. Er kombiniert Einspeise- und Bezugszähler und ersetzt beim Einbau einer Photovoltaikanlage den Einrichtungszähler.

• Wechselrichter

Der Wechselrichter (Solar-Wechselrichter) erfüllt mehrere Funktionen: Er wandelt den Gleichstrom aus den Solarmodulen in Wechselstrom um, misst Spannung, Stromstärke und Leistung der Anlage. Dadurch überwacht er die gesamte Photovoltaikanlage und kann schnell Störungen identifizieren. Wichtig ist, dass der Wechselrichter zur Größe der Photovoltaikanlage passt. 

Ist ein Stromspeicher mit der PV-Anlage kombiniert, wird außer dem Solar-Wechselrichter noch ein Speicher-Wechselrichter benötigt, der den Wechselstrom wieder in Gleichstrom für den Stromspeicher umwandelt, denn Wechselstrom kann nicht gespeichert werden. Alternativ kann bei vielen Photovoltaikanlagen ein Hybrid-Wechselrichter eingesetzt werden, der Solar- und Speicher-Wechselrichter kombiniert. 

• Batteriespeicher (optional)

Ein Solarstromspeicher (Batteriespeicher) speichert den bei Tageslicht produzierten Solarstrom für den Verbrauch zu einem späteren Zeitpunkt. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Der Eigenverbrauch des Solarstroms kann durch einen Speicher von 30 auf bis zu 80 Prozent gesteigert werden. Für ein klassisches Einfamilienhaus braucht man einen Speicher mit 5 bis 15 kWh Speicherkapazität – je nach Stromverbrauch. Dabei gilt: Je größer der Speicher, desto günstiger wird er.

• Energiemanagement (optional)

Ein Energiemanagementsystem steuert, wann der Stromspeicher mit produziertem Strom beladen, und wann er entladen wird. Es dient also dazu, die gespeicherte Solarenergie optimal auszunutzen. Das System funktioniert über WLAN und kann stromintensive Geräte, die an eine WLAN-Steckdose angeschlossen sind, eigenständig anschalten, wenn die Sonne am meisten nutzbaren Strom liefert

Für Solarzellen wird am häufigsten der Halbleiter Silizium verwendet. Silizium gewinnt man aus Quarzsand. Der Sand wird dazu gereinigt, kristallisiert und in drei Schichten aufbereitet. Das Sonnenlicht bringt die Elektronen in den Siliziumschichten der Solarzelle in Bewegung. Dabei gilt: Je höher die Sonneneinstrahlung, desto mehr Solarstrom kann produziert werden. Eine Zelle von 15 auf 15 Zentimetern erzeugt durchschnittlich etwa 5,5 Ampere Strom. Je nach Zelltyp ist der Wirkungsgrad höher oder niedriger.

Verschiedene Solarzellen im Vergleich:

Um Photovoltaikanlagen vergleichen zu können, gibt es verschiedene Werte:

• Nennleistung (Wp oder kWp)

Die Nennleistung gibt die maximale Leistung an, die eine Photovoltaikanlage erbringen kann. Sie wird unter Standard Testbedingungen (STC) ermittelt, die zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Photovoltaikanlagen. Angegeben wird die Nennleistung häufig in der Schreibweise Wp (Watt Peak) oder kWp (Kilowatt Peak). Die tatsächliche Leistung ist in der Praxis meist geringer als die Nennleistung. Der Wert Watt Peak ist somit weniger ein Maß zur Ermittlung der tatsächlichen Modulleistung und des Solarertrags einer PV-Anlage unter realen Bedingungen. Er gibt vielmehr eine Orientierung für die Leistungsstärke der PV-Anlage und dient als Richtwert, um einzelne Photovoltaikanlagen vergleichen zu können.

• Ertrag (Wh oder kWh)

Unter dem Ertrag einer Photovoltaikanlage, auch Solarertrag genannt, versteht man die durchschnittliche jährlich erzeugbare Solarstrommenge durch die PV-Anlage. Der Ertrag pro Jahr wird in Wattstunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh) gemessen. Einflussfaktoren auf die Höhe des Ertrags sind Standort, Ausrichtung und Verschattung der Module. In Mitteleuropa gilt eine Dachneigung von 30 bis 40 Grad und eine Ausrichtung nach Süden als optimal.

• Spezifischer Ertrag (Wh/Wp oder kWh/kWp)

Der spezifische Ertrag bezieht die tatsächliche Stromproduktion der Photovoltaikanlage in Wattstunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh) auf die Nennleistung der Photovoltaikanlage in Watt Peak (Wp) oder Kilowattpeak (kWp). Häufig wird hier ein Jahr als Zeitraum gewählt.

Spezifischer Ertrag = Jahresenergie/Nennleistung der Anlage = Wh/Wp oder kWh/kWp

Durch den spezifischen Ertrag kann man Anlagen unterschiedlicher Größe direkt vergleichen

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie viel Prozent der Sonnenenergie, die auf die Zelle trifft, in Strom umgewandelt wird. Je nach Zelltyp ist der Wirkungsgrad unterschiedlich. Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage berücksichtigt außerdem die Verluste, die bei der technischen Nutzung des erzeugten Solarstroms auftreten. Verluste entstehen zum Beispiel durch Wechselrichter, Leitungen, Verschmutzung oder Verschattung der Module. Durch diese Verluste liegt der Wirkungsgrad einer gesamten Photovoltaikanlage immer unter dem Wirkungsgrad der einzelnen Solarzellen beziehungsweise Module.

Bei Photovoltaikanlagen fürs Dach unterscheidet man zwischen drei Montagesystemen:

• Aufdach-Systeme für geneigte Dächer

Diese Art der Montage wird am häufigsten genutzt, weil sie bei bestehenden Dächern am einfachsten realisierbar ist. Die Photovoltaikanlage wird mit einem Montagegestell auf dem Dach befestigt. Durch einen bestimmten Abstand zwischen Photovoltaikanlage und Dachhaut wird eine ausreichende Hinterlüftung der Solarmodule hergestellt. Aufdach-Systeme eignen sich für Ziegeldächer, Blechdächer, Schieferdächer oder Wellplatten. In der Regel ist die Installation eines Aufdach-Systems günstiger als die eines Indach-Systems.

• Indach-Systeme für geneigte Dächer

Bei einem Indach-System ist die Photovoltaikanlage in die Dachhaut integriert. Als Teil der Dachhaut übernimmt sie entsprechende Funktionen wie Dachdichtigkeit und Wetterschutz. Der Vorteil gegenüber Aufdach-Systemen ist zum einen die Optik und zum anderen die Einsparung einer Dachdeckung (in Teilen). Dadurch kann der höhere Montageaufwand häufig ausgeglichen werden. Außerdem haben Indach-Systeme eine höhere mechanische Stabilität gegenüber Schnee- und Windlasten. Allerdings ist das Indach-System nicht bei allen Dachformen und Dacheindeckungen möglich. Für Blechdächer oder Bitumendächer zum Beispiel kommt das System nicht infrage, ebenso wenig für Dächer mit einem zu geringen Neigungswinkel. Da die Kühlung der Module beim Indach-System weniger effizient ist, fallen Leistung und Ertrag von Photovoltaikanlagen, die in die Dachhaut integriert sind, etwas geringer aus als von PV-Anlagen, die auf einem Dach montiert werden.

• Flachdachsysteme

Um die Solarmodule auf einem Flachdach ausreichend geneigt zu bekommen, werden spezielle Flachdach Montagesysteme verwendet. Sie winkeln die Module zwischen 10 und 15 Grad an. Bei dieser Neigung wird die Verschattung reduziert und die Materialkosten sinken. Flachdachanlagen werden entweder komplett nach Süden ausgerichtet oder in Ost-West-Richtung installiert. Während durch eine Süd-Ausrichtung die höchsten Jahreserträge erzielbar sind, sorgt eine Ost-West-Ausrichtung für eine gleichmäßig über den Tag verteilten Stromerzeugung. So können die Anlagenerträge besser genutzt und der Eigenverbrauch von Solarstrom erhöht werden.

Die Zeiten von Solarstromproduktion und Strombedarf sind etwas verschoben: So produziert eine Photovoltaikanlage tagsüber den meisten Strom, benötigt wird er in den meisten Haushalten allerdings insbesondere abends, wenn die Hausbewohner wieder zuhause sind. Um die zeitliche Lücke zwischen Produktion und Bedarf zu überbrücken, gibt es Batteriespeicher. Meistens werden Lithiumbatterien dafür verwendet. Für die Größe des Batteriespeichers gilt als Faustregel eine Kilowattstunde (kWh) Speicherkapazität pro Kilowatt Peak (kWp) Photovoltaik-Leistung. Da Lithium-Batterien regelmäßig entladen werden sollten, um leistungsfähig zu bleiben, ist die richtige Größe entscheidend für die Effizienz des Speichers.

Eine Alternative zum Batteriespeicher ist die Einspeisung des überschüssigen Solarstroms ins öffentliche Netz, wofür man eine bestimmte Vergütung erhält. Der Nachteil daran: Man macht sich nicht so unabhängig vom Stromversorger wie mit einem Batteriespeicher. 

Inzwischen gibt es noch eine Lösung dazwischen: Der Cloudspeicher. Dabei speisen Sie den Strom ins öffentliche Netz ein, bekommen aber statt der Einspeisevergütung ein Strom-Guthaben beim Netzbetreiber. Diese Lösung sollten Sie allerdings genau nachrechnen, denn die Energie- und Zahlungsflüsse sind häufig wenig transparent.

Die Lebensdauer von Photovoltaikanlagen, beziehungsweise ihre Degradation (die Abnahme des Wirkungsgrades im Laufe der Zeit), hängt vor allem von den Klima- und Witterungsverhältnissen ab. Dauerhaft erhöhte Temperaturen oder extreme Wetterlagen lassen die Degradation schneller voranschreiten. Daneben spielen die Art der Montage, die Nutzungsdauer, das Material und die Verarbeitung der Solarzellen eine Rolle. Was bei einer Photovoltaikanlage altert, sind weniger die Solarzellen, sondern vor allem die Verbindungsstücke. So leiten zum Beispiel rostende Metallkontakte weniger Strom und schützende Kunststoffschichten werden mit der Zeit vom UV-Licht aufgebrochen. 

Für Photovoltaik gibt es verschiedene Förderungen:

• Staatliche Förderung: KfW-Kredit

Die staatliche Förderbank „Kreditanstalt für Wiederaufbau“ (KfW) ermöglicht mit dem Programm „Erneuerbare Energien 270“ Photovoltaikanlagen und Batteriespeicher bundesweit zinsgünstig zu finanzieren. Man kann das Darlehen zur Finanzierung einer Photovoltaikanlage allein, in Kombination mit einem Batteriespeicher oder nur für einen Batteriespeicher beantragen. Gefördert werden die Kosten für die Anschaffung, die Planung, die Projektierung und die Installation der PV-Anlage. 

Die Kredite bekommt man nicht nur für neue Anlagen, sondern auch für gebrauchte. Voraussetzung ist, dass die Anlage entweder weniger als ein Jahr am Netz ist. Handelt es sich um eine ältere Anlage, muss diese so modernisiert werden, dass sich ihre Leistung erhöht. Nur dann sind KfW-Förderkredite möglich.

Die Laufzeiten der Förderkredite haben Laufzeiten zwischen fünf und 30 Jahren. Der effektive Jahreszins ist abhängig von der Dauer der Zinsbindung und der Bonität des Antragstellers.

• Regionale Förderung

Grundsätzlich steht es jedem Bundesland frei, eigene Förderprogramme aufzulegen. Anfang 2023 hat nur das Bundesland Berlin die Anschaffung einer Photovoltaikanlage in normaler Größe für Privatpersonen bezuschusst. Allerdings auch nur unter bestimmten Umständen. Für Stromspeicher gibt es 2023 voraussichtlich in Berlin, Schleswig-Holstein und Sachsen-Anhalt Zuschüsse. Viele ältere Programme in anderen Bundesländern wurden eingestellt, weil die Fördermittel erschöpft waren.

• Kommunale Förderung

Auf kommunaler Ebene gibt es einige Programme. Mehrere Städte bezuschussen den Bau von Photovoltaikanlagen. Fragen Sie am besten direkt bei Ihrer Stadt nach.

• Einspeisevergütung

Für Solarstrom, den man ins öffentliche Netz einspeist, gibt es eine bundesweit einheitliche Einspeisevergütung, deren Höhe vom Datum der Inbetriebnahme, von der Größe der Anlage und davon abhängt, ob es sich um eine Anlage mit Volleinspeisung oder mit Eigenversorgung handelt:

1. Die Einspeisevergütung für Eigenverbrauchs-Anlagen mit einer Leistung bis 10 Kilowatt Peak (kWp), die seit dem 30. Juli 2022 in Betrieb gegangen sind, beträgt 8,2 Cent pro eingespeister Kilowattstunde (kWh) Energie.
2. Für Eigenverbrauchs-Anlagen mit einer Leistung bis 40 kWp bekommt man für die ersten 10 kWp ebenfalls 8,2 Cent pro kWh, für alles darüber hinaus 7,1 Cent.
3. Die Einspeisevergütung für Anlagen mit Volleinspeisung beträgt 13 Cent pro kWh für die ersten 10 kWp Leistung. Darüber hinaus werden 10,9 Cent pro kWh gezahlt – bis 100 kWp Leistung

Die Sätze gelten für alle bis Januar 2024 in Betrieb gehenden Anlagen. Danach soll sich die Vergütung immer nach einem halben Jahr um jeweils ein Prozent verringern. Der Netzbetreiber zahlt die Einspeisevergütung im Jahr der Inbetriebnahme und darüber hinaus 20 weitere Jahre lang. 

• Steuerbefreiung

Seit dem 1. Januar 2023 fällt bei der Anschaffung einer Photovoltaikanlage und/oder eines Stromspeichers häufig keine Umsatzsteuer (Mehrwertsteuer) mehr an. Diese Regel gilt für die Lieferung und Installation einer Photovoltaikanlage inklusive aller Komponenten wie beispielsweise der Batteriespeicher. Auch wenn nur der Batteriespeicher nachgerüstet wird, ist keine Umsatzsteuer zu zahlen. Folgende Voraussetzung müssen erfüllt sein, damit die Mehrwertsteuer entfällt:

1. Die Photovoltaikanlage wird auf dem Dach eines Wohngebäudes oder in unmittelbarer Nähe installiert.
2. Die Photovoltaikanlage hat eine Leistung von höchstens 30 kWp.
3. Sie selbst sind der Betreiber der PV-Anlage und die Rechnung wird auf Ihren Namen gestellt.

Des Weiteren entfällt die Einkommensteuer auf Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von maximal 30 kWp, die auf einem selbst genutzten Einfamilienhaus installiert sind. Gleiches gilt für Anlagen auf gemischt genutzten Gebäuden, die überwiegend zum Wohnen genutzt werden, und für Mehrfamilienhäuser mit einer Leistung von maximal 15 kWp pro Wohn- oder Gewerbeeinheit.