Photovoltaik

Solarmodul-Fassade

Dem Sonnenstand nachgeführte Photovoltaikanlage in Berlin-Adlershof

Thermografie an einer Photovoltaik - Anlage / Nachweis fehlerhafte Zelle

Unter Photovoltaik bzw. Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Seit 1958 ist sie zur Energieversorgung der meisten Raumflugkörper im Einsatz. Inzwischen wird sie auch auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet unter anderem Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an Schallschutzwänden und auf Freiflächen.

Der Name leitet sich aus dem Wortstamm φωτ- phot- des altgriechischen Substantivs φῶς phos „Licht“ (der Wortstamm ist im Nominativ nicht erkennbar, aber z. B. im Genitiv φωτός photós) sowie aus der abgeleiteten SI-Einheit für die elektrische Spannung, dem Volt (nach Alessandro Volta) ab. Die Photovoltaik ist ein Teilbereich der Solartechnik, die weitere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschließt.

Geschichte der Photovoltaik

→ Hauptartikel: Geschichte der Photovoltaik

Teil eines Solarzellenflügels der Raumsonde Juno

Der photoelektrische Effekt wurde bereits im Jahre 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. 1905 gelang es Albert Einstein, den Photoeffekt richtig zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekam. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über 4 %, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von 6 %. Die erste technische Anwendung wurde 1955 bei der Stromversorgung von Telefonverstärkern gefunden.^[1][2] Seit Ende der 1950er Jahre werden Photovoltaikzellen in der Satellitentechnik verwendet: Als erster Satellit mit Solarzellen startete Vanguard 1 am 17. März 1958 in die Erdumlaufbahn. In den 1960er und 1970er Jahren führte die Nachfrage aus der Raumfahrt zu entscheidenden Fortschritten in der Entwicklung von Photovoltaikzellen.

Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird seitdem verstärkt versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Zu nennen sind dabei das 70.000-Dächer-Programm in Japan (1994), welches im Jahr 2002 bereits 144.000 Dächer erreicht hatte, das 1.000.000-Dächer-Programm in den USA (1997); in Deutschland kann man dabei das 1000-Dächer-Programm (1990), das „Sonne in der Schule“-Programm (1994), das 100.000-Dächer-Programm (2003 wurden ca. 65.000 Dächer erreicht) sowie das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) nennen, welche finanzielle Anreize zum Bau einer PV-Anlage boten bzw. immer noch bieten.

Das 100.000-Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben. Im Jahr 2005 erreichte die gesamte Nennleistung der in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen ein Gigawatt, im Jahr 2010 wurde die Grenze von zehn Gigawatt überschritten.

Grundlagen

Technische Beschreibung

Parkscheinautomat als photovoltaisches Inselsystem

Die als Licht und Wärme auf die Erdatmosphäre auftreffende Menge an Sonnenenergie beträgt jährlich 1,5 × 10¹⁸ kWh; dies entspricht in etwa dem 15.000-fachen des gesamten Primärenergieverbrauchs der Menschheit im Jahre 2006 (1,0 × 10¹⁴ kWh/Jahr). Der Lichtenergieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 × 10¹⁸ kWh, wird aber noch durch die Atmosphäre, insbesondere durch Wolken, reduziert. Die verbleibende Strahlungsenergie kann prinzipiell aufgefangen und teilweise in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt.

Die photovoltaische Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Photovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Ein bekanntes Beispiel für akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind Parkscheinautomaten.

Stromerzeugung mittels Photovoltaik ist derzeit (2011) in Deutschland aufgrund hoher Herstellungskosten der Solarmodule deutlich teurer als mittels herkömmlicher Kraftwerke. Bei den konventionellen Kraftwerken sind allerdings teilweise hohe Folgekosten zu berücksichtigen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Photovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt, nicht langfristig exakt vorhersehbar, tages- und jahreszeitlich bedingt und ist weiterhin von der Wetterlage abhängig. So kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag aufweisen. Die photovoltaische Energiewandlung kann als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse betrachtet werden. Ohne die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im großen Maßstab ist es fraglich, ob hierbei konventionelle Kraftwerke ersetzbar werden können. Das Stromeinspeisungsgesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz haben zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1000 MW installierter elektrischer Nennleistung von Photovoltaikanlagen überschritten; das entspricht einer Verhundertfachung in den letzten zehn Jahren.

Organische Photovoltaik

→ Hauptartikel: Organische Solarzelle

Farbstoffsolarmodule in verschiedenen Designs

Photovoltaik auf Basis von Solarzellen aus organischen Kunststoffen wird als Organische Photovoltaik (OPV) bezeichnet. Der Wirkungsgrad und die Haltbarkeit der augenblicklich verfügbaren Materialien liegen noch deutlich hinter denen vergleichbarer Zellen auf Siliziumbasis. Jedoch lassen sich aus organischen Materialien bei angestrebt deutlich geringeren Produktionskosten Solarzellen herstellen, die transparent, biegsam und dünn wie Kunststofffolien sind und daher wesentlich vielfältiger und breiter einsetzbar wären. So könnten beispielsweise Fenster vollständig mit organischen Solarzellen beschichtet werden. Aus diesem Grund hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Juni 2007 gemeinsam mit Industriepartnern eine Förderinitiative begonnen, um diese Technologie gezielt voranzutreiben und zu dem bestehenden technologischen Vorsprung amerikanischer Startup-Firmen aufzuschließen.^[3][4]

Als Technologien kommen momentan hauptsächlich entweder die Grätzel-Zelle oder kunststoffbasierte Zellen zum Einsatz. Während bei der Grätzel-Zelle ein Gemisch aus Farbstoffmolekülen zur Lichtsammlung und Titandioxid-Nanopartikeln als Halbleiter zur Stromerzeugung verwendet wird und meist eine flüssige Komponente benötigt wird, erfolgt die Lichtsammlung bei kunststoffbasierten Zellen etwa mit Fullerenen in Zusammenwirken mit elektrisch leitfähigen Polymeren oder kleinen Molekülen.

Solarzellen aus organischen Materialien sind – wie jede andere Solarzelle – beim Betrieb ultravioletter Strahlung ausgesetzt. Photonen aus diesem Energiebereich sind in der Lage, die meisten organischen Verbindungen zu schädigen oder zu zerstören; dieser Vorgang macht beispielsweise Kunststofffolien porös. Bei Solarzellen aus dünnen Schichten organischen Materials führt dies zu einer beschleunigten Alterung des Materials und somit zu einer beschleunigten Abnahme des Wirkungsgrads. Prinzipiell ist jedoch der Einsatz von UV-Filtern denkbar.

Schreibweise

Wie oben erwähnt, stammt der erste Bestandteil des Wortes aus dem Altgriechischen (φωτ- phot-), so dass ursprünglich nur die Schreibweise Photovoltaik gebräuchlich war. Üblicherweise wird die Abkürzung PV verwendet. Seit der deutschen Rechtschreibreform (Stand 2006) ist die Schreibweise Fotovoltaik die neue Hauptform, Photovoltaik jedoch eine weiterhin zulässige Nebenform. Im Deutschen Sprachraum^[5] ist die Nebenform Photovoltaik (im Vergleich zur Hauptform) die weitaus gebräuchlichere Variante, insbesondere unter Fachleuten. Die Abkürzung FV ist noch ungebräuchlicher als PV. International sind Schreibweisen sowohl mit Ph- (englisch photovoltaics) als auch mit F- (spanisch fotovoltaica) anzutreffen. Auch im Spanischen ist PV eine verbreitete gebräuchliche Abkürzung für Photovoltaik.

Leistungsfähigkeit

Installierte PV-Nennleistung in der EU in MW_p

Nr.	Staaten	2010[6]	2009[7]	2008[8]	2007[9]	2006[10]	2005[11]
1	Deutschland	17370	9959	6019	3846	2743	1910
2	Spanien	3808	3438	3421	734	175	57,6
3	Italien	3479	1157	458	120	50.0	46,3
4	Tschechien	1953	463	54,7	4,0	0,8	0,5
5	Frankreich	1054	335	104	46,7	33,9	26,3
6	Belgien	787	374	70,9	21,5	4,2	2,1
7	Griechenland	205	55,0	18,5	9,2	6,7	5,4
8	Slowakei	144	0,2	< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1
9	Portugal	131	102	68,0	17,9	3,4	3,0
10	Österreich	103	52,6	32,4	27,7	25,6	24,0
11	Niederlande	96,9	67,5	57,2	53,3	52,7	50,8
12	Vereinigtes Königreich	74,8	29,6	22,5	18,1	14,3	10,9
13	Slowenien	36,3	9,0	2,0	1,0	0,4	0,2
14	Luxemburg	27,3	26,4	24,6	23,9	23,7	23,6
15	Bulgarien	17,2	5,7	1,4	0,1	0,1
16	Schweden	10,1	8,8	7,9	6,2	4,9	4,2
17	Finnland	9,6	7,6	5,6	5,1	4,5	4,0
18	Dänemark	7,1	4,7	3,3	3,1	2,9	2,7
19	Zypern	6,2	3,3	2,2	1,3	1,0	0,5
20	Rumänien	1,9	0,6	0,5	0,3	0,2
21	Polen	1,8	1,4	1,0	0,6	0,4	0,3
22	Ungarn	1,8	0,7	0,5	0,4	0,3	0,2
23	Malta	1,7	1,5	0,2	0,1	0,1	< 0,1
24	Irland	0,6	0,6	0,4	0,4	0,4	0,3
25	Litauen	0,1	0,1	0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1
26	Estland	0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1
27	Lettland	< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1
EU27 GWp		29,33	16,30	10,38	4,94	3,15	2,17
Daten für 2010 beruhen auf Schätzungen, tatsächliche Werte können abweichen.

Nennleistung

Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird häufig in der nicht-wissenschaftlichen Schreibweise W_p (Watt Peak) oder kW_p angegeben. „Peak“ (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen. Sie dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarmodule. Die elektrischen Werte der Bauteile, unter diesen Bedingungen, werden in Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einer Luftmasse von 1,5 gemessen, was einem Zenitwinkel des einfallenden Lichtes von 48,2° (= arccos 2/3) entspricht. Dies sind die Standard-Testbedingungen (meist abgekürzt STC, engl. standard test conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden.

Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen niedrigeren Wirkungsgrad.

Die zu erwartende mittlere Produktion an elektrischer Energie einer jeweils neu errichteten netzgekoppelten Photovoltaikanlage in Deutschland steigt seit Jahren mit Verbesserung der Technik kontinuierlich an und lag 2006 bei Werten zwischen 700 und 1180 kWh pro kW_p und Jahr.^[12][13] Typischerweise sind die Erträge im Süden höher als im Norden, wobei selbst in Norddeutschland teilweise immer noch beachtliche Erträge generiert werden können – so hat eine Anlage in Norddeutschland 1085  kWh pro kW_p im Jahr 2008 generiert.^[14] Für eine Nennleistung von 1 kW werden Solarzellen mit einer Fläche von etwa 8–10 m² benötigt. Daraus ergibt sich für eine neue Anlage ein tatsächlicher Energieertrag von etwa 70–125 kWh pro Quadratmeter und Jahr (entspricht einer mittleren Leistungsabgabe von 8 bis 14,3 W pro Quadratmeter).

Mit einem Online-Photovoltaikanlagen-Rechner^[15] lässt sich der potentielle Energieertrag je nach Ort, Ausrichtung, Dachneigung, Fläche und Effizienz berechnen.

Tatsächliche Einspeisung in Deutschland

Im Jahr 2009^[16][17] errechnet sich für Deutschland aus der installierten Leistung von 9,8 GWp und der im Jahresmittel wirksamen Leistung von 710 MW (erzeugte Energie von 6.200 GWh/a) die mittlere Einschaltdauer von 821 h. Gemessen an den 8760 Stunden pro Jahr ergibt sich eine mittlere Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit von 9,37 %, wenn dabei die halbe im Jahr 2009 zugebaute Leistung als im Mittel des Jahres wirksam berücksichtigt wird.

Entsprechend der Sonnenstrahlungsintensität erreicht die Photovoltaik in der Mittagszeit ihren Leistungspeak, zum Abend hin nimmt die eingespeiste Strommenge wieder ab. Wie aus dem Lastprofil ersichtlich, wird in Deutschland der meiste Strom zwischen 8.00 Uhr morgens und 19.00 Uhr abends benötigt. Durch die Überdeckung des Lastprofils des Stromverbrauchs mit der zeitlichen Verteilung der Photovoltaikeinspeisung verringert sich die Notwendigkeit, Spitzenlastkraftwerke anzufahren.

Im Internet finden sich auf der EEX-Transparenzplattform die tagesaktuelle Berechnung des Leistungsprofils und die Produktionsdaten für elektrische Energie für Deutschland und Österreich aufgeschlüsselt nach Erzeugungsart und Regelzonen. Für Deutschland werden die gemessenen Photovoltaikdaten aus den vier Regelzonen gemeldet und sind seit dem Beginn der Meldungen am 19. Juli 2010 auch abzurufen^[18]. Auch eine Berechnung des aktuellen Leistungsprofils der in Deutschland installierten Photovoltaik mit Visualisierung nach Postleitzahlgebieten ist bei einem Wechselrichterhersteller abrufbar^[19]. Die vier Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland setzen seit 2010/2011 für die Planung der Regelleistung unter anderem die Berechnungen großer Betreiber von Datenportalen zu Photovoltaikanlagen ein. Deren Berechnungen basieren jeweils auf Ertrags- und Leistungsdaten von etwa 10 % der installierten Anlagenleistung in Deutschland.

Ein Forschungsprojekt der EU beschäftigt sich ebenfalls mit der tatsächlichen Leistung von Photovoltaik je nach Region. Hierzu gibt es eine Internetseite, auf der man sich, unter Angabe der Nennleistung, die tatsächliche Leistung von Photovoltaik für alle größeren Städte in Europa und Afrika schätzen lassen kann.^[20]

Entwicklung der Stromerzeugung bei Photovoltaik in Deutschland^[21]

Jahr	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010[22]
Globalstrahlung in Deutschland in Watt/m²[23]	119	121	119	139	123	125	127	125	124	126	123
Erzeugung in GWh	64	116	188	313	557	1282	2220	3075	4000	6200	12000
installierte Leistung in MWpeak	100	178	258	408	1018	1881	2711	3811	5311	9800	16914

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist der Quotient aus in einem gegebenen Zeitintervall entnommener elektrischer Energie und eingestrahlter Lichtenergie. Er kann für unterschiedliche Systemgesamtheiten betrachtet werden:

• die nackte Solarzelle
• das Solarpanel oder -Modul
• die gesamte Anlage inklusive Wechselrichter bzw. Laderegler und Akkus.

Die heutzutage mit Solarzellen in der Photovoltaik erzielbaren Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent bis zu über 40 %. Organische Solarzellen erzielen derzeit bis zu 8,13 % Wirkungsgrad,^[24] Dünnschichtmodule auf Basis von amorphem Silizium etwa 5 bis 13 %,^[25] Dünnschichtmodule auf der Basis von Cadmiumtellurid ca. 12 %,^[26] Solarzellen aus polykristallinem Silizium 13 bis 18 %,^[27][28] Zellen aus monokristallinem Silizium zwischen 14 und 24 %.^[29] Sogenannte Konzentratorzellen können in Laborsituationen über 40 % Wirkungsgrad erzielen.^[30][31]

Je größer der Wirkungsgrad, desto kleiner kann die Anlage für eine gegebene Nennleistung ausgelegt werden. Das heißt aber nicht, dass sie billiger ist, denn bessere Solarzellen sind auch teurer.

Zum Vergleich: Sonnenwärmekraftwerke kommen auf einen Wirkungsgrad von ca. 14–16 %.

Konzentrator-Photovoltaikmodule weisen einen höheren Wirkungsgrad als konventionelle Photovoltaikmodule auf.^[32] Zum einen, weil effizientere, teurere Zellen verwendet werden können, und zum anderen steigt der Wirkungsgrad mit einer höheren Lichtintensität, da der Kurzschlussstrom der Zelle proportional zur Lichtintensität ansteigt und gleichzeitig die Zellenspannung zunimmt.^[33] Da der optische Konzentrator die Solarstrahlung von einer großen Eingangsfläche auf die relativ kleine Solarzelle bündelt, ist eine wirksame (Wasser-)Kühlung der Solarzelle notwendig, weil sonst deren Temperatur unzulässig ansteigen und der Zellen-Wirkungsgrad zudem abnehmen würde. Da Konzentrator-Photovoltaikmodule wegen der Lichtbündelung zwingend auf Nachführsysteme angewiesen sind, erhöht sich der Energieertrag gegenüber einer konventionellen Photovoltaikanlage wesentlich. Wegen der Lichtbündelung können Konzentrator-Photovoltaikmodule aber nur in Gebieten mit hoher direkter Sonneneinstrahlung effektiv eingesetzt werden. Sie konkurrieren diesbezüglich also im Wesentlichen mit Solarwärmekraftwerken. Die höheren Investitionskosten von Konzentrator-Photovoltaik haben deren höheren Energieertrag verglichen mit konventionellen Photovoltaikanlagen bisher nicht wettmachen können.^[34]

Heutige Solarmodule absorbieren einen Teil des Sonnenlichts nicht, sondern reflektieren es an ihrer Oberfläche. Schwarzes Silicium vermeidet diese Reflexionen fast vollständig.^[35] Allerdings sind auch heutige Solarmodule in der Regel mit einer Antireflexionsschicht ausgestattet, die die Reflexion bereits stark vermindert.

Performance Ratio und Systemwirkungsgrad

Der Systemwirkungsgrad beschreibt den Wirkungsgrad des gesamten Solarsystems einschließlich der Verluste durch die Umwandlung im Wechselrichter, die Länge der Stromleitungen, Verschattungen und ggf. weitere Faktoren.

Die Performance Ratio (PR) beschreibt das Verhältnis zwischen Nutzertrag und Sollertrag einer Anlage und wird häufig auch Qualitätsfaktor (Q) genannt. Sie gibt an, wie viel von dem theoretisch möglichen Stromertrag tatsächlich zur Nutzung bereitsteht.^[36] Die Performance Ratio einer Photovoltaikanlage sollte im Allgemeinen einen Wert von mindestens 70 % erreichen.^[37][38]

Durch Verbesserungen in der Invertertechnologie, sowie durch den Zugewinn an Erfahrung bei den Installationsbetrieben, kann man mit Werten zwischen 80 % und 90 % für neue Anlagen rechnen. Da die PR als Ausdruck der Qualität von Planung und Ausführung einer Anlage auch die geplante Rentabilität einer Anlage beeinflusst, ist es normalerweise üblich, dass feste PR-Zusagen gegenüber Investoren bzw. Banken gegeben werden. Die PR wird dort zum Kriterium der Kreditvergabe bzw. der Investitionszusage.

Verschmutzung und Reinigung

Wie auf jeder Oberfläche im Freien (vergleichbar mit Fenstern, Wänden, Dächern, Auto etc.), können sich auch auf Photovoltaikanlagen unterschiedliche Stoffe absetzen. Dazu gehören beispielsweise Blätter und Nadeln, klebrige organische Sekrete von Läusen, Pollen und Samen, Ruß aus Heizungen und Motoren, Staub und organische Substanzen aus Stallablüftungen (aus der Landwirtschaft im Allgemeinen), Futtermittelstäube aus der Landwirtschaft, Wachstum von Pionierpflanzen wie Flechten, Algen und Moosen sowie Vogelkot. Die „Selbstreinigung“ der Module (durch Regen und Schnee) reicht oftmals nicht aus, um die Anlage über Jahre bzw. Jahrzehnte sauber zu halten. Durch Ablagerung von Schmutz auf der Photovoltaikanlage gelangt weniger Sonnenenergie in das Modul. Die Verschmutzung wirkt wie eine Verschattung und ein Ertragsverlust ist die Folge.^[39] Dieser Ertragsverlust kann bei extremen Verschmutzungen über 30 % betragen. Im bundesdeutschen Durchschnitt wird von einem schmutzbedingten Ertragsverlust von 6–8 % ausgegangen.^[40][41] Um gleich bleibende Erträge zu sichern, müssten eine Vielzahl von Anlagen regelmäßig auf Verschmutzung hin kontrolliert und, falls notwendig, gereinigt werden. Stand der Technik ist die Verwendung von vollentsalztem Wasser (Demineralisiertes Wasser) um Kalkflecken zu vermeiden. Als weiteres Hilfsmittel kommen bei der Reinigung wasserführende Teleskopstangen zum Einsatz. Die Reinigung sollte schonend durchgeführt werden, um die Moduloberfläche z.B. durch die Verwendung von kratzenden Reinigungsgeräten nicht zu beschädigen. Zudem sollten Module überhaupt nicht und Dächer nur unter entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen betreten werden. Auch mit einer Wärmebildkamera kann man die Verschmutzung feststellen.Liegt ein Schmutzfilm auf den Modulen sind die Module wärmer und somit produzieren sie weniger Strom. Deshalb ist es auch sehr wichtig die Anlage regelmäßig zu reinigen.

Energetische Amortisation

→ Hauptartikel: Erntefaktor

Die CO₂-Kreislaufbilanz ist abhängig von der Erzeugungsart des eingesetzten Stroms im Rahmen der Herstellung, also innerhalb der gesamten Produktions- und Transportkette. Im Idealfall sind die CO₂-Emissionen durch den Einsatz regenerativer Energien im Rahmen der Herstellung gleich null, erhöhen sich aber typischerweise durch Grauenergien während des Transportes (etwa durch den Betrieb von Verbrennungsmotoren in Schiffen und LKW), bzw. durch weitere Grauenergien im Rahmen der Anfahrt und den Inbetriebnahme-Arbeiten des Monteurs vor Ort.

Aus der Absicht, durch Photovoltaik Strom zu erzeugen, ergibt sich ein Interesse an der kurzfristigen Amortisation des während der Herstellung eingesetzten Stroms. Die Zeiten bis zur energetischen Amortisation betragen technologieabhängig zwischen etwa drei Monaten bei in Drucktechnik hergestellten Dünnschichtmodulen, etwa 1 Jahr bei typischen Cadmiumtellurid-Dünnschichtmodulen, bis zu deutlich über fünf Jahren bei monokristallinen Siliziummodulen. Die Energieaufwendigkeit verschiedener Herstellungsverfahren korreliert in etwa mit den Herstellungskosten, wodurch sich beim Kauf von Modulen aus weniger energieaufwändigeren Verfahren typischerweise ein Preisvorteil bei den Anschaffungskosten ergibt.

Verwendung der erzeugten Energie

Stromgewinnung

Solarmodule erzeugen Gleichstrom mit einer niedrigen Spannung. Die meisten elektrischen Energieverbraucher sind auf Wechselstrom (zum Beispiel im Haushalt 230 V, 50 Hz) angewiesen, da das Energieversorgungssystem aus verschiedenen technischen Gründen (Leitungsverluste, Transformatoren, Drehstrommotoren und Sicherheit) in Wechselstromtechnik gebaut wurde. Bei der Umwandlung und Übertragung des Gleichstroms in Wechselstrom entstehen Verluste (meist 3 bis 7 %). Als Umwandler werden Wechselrichter verwendet. Dies sind – technisch gesehen – starke Oszillatoren der Frequenz 50 Hz. Ohne diese ließe sich der erzeugte Strom nicht in das öffentliche Netz einspeisen.

Bei einem Einsatz in Deutschland wird die Energie, die zur Herstellung einer Photovoltaikanlage benötigt wird, in zwei bis sieben Jahren wieder hergestellt. Der Erntefaktor liegt zwischen 1,5 und 38. Die Lebensdauer wird auf 30 bis 40 Jahre geschätzt. Der energieintensive Teil der Solarzelle kann 4- bis 5-mal wiederverwertet werden.

Weitere Anwendungen

Neben der Stromgewinnung zur Einspeisung in das Netz wird die Photovoltaik auch für mobile Anwendungen eingesetzt, beispielsweise bei Solarfahrzeugen, Solarflugzeugen und Solarluftschiffen. Zum Zwischenspeichern der gewonnenen Energie werden zumeist Solarbatterien eingesetzt. Auch für den Einsatz in Bereichen ohne Netzversorgung ist die Photovoltaik eine gute Lösung wie beispielsweise in der Raumfahrt, bei Solarleuchten, elektrischem Weidezaun oder allgemein als Inselanlage.

Nutzungspotenzial

Weltweites Potenzial

Strahlungsatlas

Sehr viel besser als in Deutschland ist das weltweite Potenzial der Photovoltaik. Aufgrund der hohen Einstrahlungsdichte und den damit verbundenen deutlich höheren Energieertragswerten lassen sich in Chile (2400 kWh/kW_p/Jahr), Kalifornien (2150 kWh/kW_p/Jahr), Australien (2300 kWh/kW_p/Jahr) oder Indien (2200 kWh/kW_p/Jahr) deutlich günstigere Stromgestehungskosten erzielen. Hinzu kommt, dass in vielen Entwicklungsländern kein Stromnetz existiert und somit die Photovoltaik eine preisgünstigere Möglichkeit bietet, elektrischen Strom zu erzeugen, als dies mit Dieselgeneratoren möglich ist.

Standortfragen

In Deutschland installierte Anlagen liefern nach dem aktuellen Stand der Technik einen Jahresertrag von etwa 700 bis 1100 kWh pro kWp.

Ein immer wieder genanntes Konzept aus europäischer Sicht ist die Erzeugung von Solarstrom in Nordafrika, wo höhere spezifische Erträge durch die höhere Sonneneinstrahlung möglich sind, und dessen Transport via Hochspannungsgleichstromübertragung nach Europa.^[42] Allerdings sind bei solchen Modellen die notwendigen Investitionen zum Aufbau der gesamten technischen Infrastruktur und die Übertragungsverluste angesichts der Entfernung zu berücksichtigen. Berücksichtigt werden müsste außerdem die politische Instabilität in einigen Ländern dieser Region.

Flächenabschätzungen für Deutschland

Solarstrahlungspotenzial in Europa

Energieertrag

Solarstrahlung in Deutschland

Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist deren Leistung pro Fläche mit maximal 1 kW/m² verhältnismäßig gering. Deshalb benötigt die Photovoltaik relativ viel Fläche, was aber dadurch relativiert wird, dass Photovoltaik im Gegensatz zu Großkraftwerken auf bebauter Fläche (Dächer, Fassaden, Parkplätze, Brücken, Schallschutzwände etc.) installiert werden kann. Wirtschaftlich ausschlaggebend für die Amortisation ist nicht die Spitzenleistung einer Photovoltaikanlage, sondern die Stromerzeugung pro Jahr.

Flächenabschätzung für Erzeugung des gesamten elektrischen Energiebedarfs durch PV

In Deutschland betrug im Jahr 2010 die erzeugte Strommenge 621 TWh. Unter der Voraussetzung, die Energie sowohl tageszeitlich als auch unterjährig verlustfrei speichern zu können, wären bei einem durchschnittlichen Ertrag von 900 kWh je kWp insgesamt 690 GWp zu installieren. Die hierfür nötige Fläche hängt von der Installation ab: Auf nach Süden ausgerichteten schrägen Dächern ist bei Verwendung leistungsstarker Module je kWp lediglich eine Fläche von unter 8 Quadratmetern je kWp notwendig, wogegen bei Verwendung von Dünnschichtzellen auf Freiflächen der Platzbedarf bei etwa 30 Quadratmetern je kWp liegt. Hieraus ergibt sich eine benötigte Gesamtfläche zwischen 5500 und 20700 Quadratkilometern. Dies entspricht 1,5 bis 5,7 % der Gesamtfläche Deutschlands. Als Vergleich: 2007 belegte die Siedlungs- und Verkehrsfläche 46789 km² oder 13,1 % der Bodenfläche Deutschlands.^[43] Nach Ecofys eignen sich mehr als 2300 km² Dach- und Fassadenfläche (0,65 % der Gesamtfläche Deutschlands) für die Nutzung durch PV-Anlagen.^[44]

Flächenabschätzung für einen nachhaltigen Beitrag der PV an der Stromerzeugung

Eine vollständige Elektrizitätsversorgung durch die Photovoltaik wird aufgrund der großen jahreszeitlichen Schwankungen und dem damit verbundenen hohen Speicherbedarf für Deutschland nicht als sinnvoll erachtet. Ein anstrebenswerter Beitrag zu einer vollständig regenerativen Elektrizitätsversorgung könnte in der Größenordnung von 200 GW liegen. ^[45] Damit ließen sich knapp 30% des deutschen Elektrizitätsbedarfs decken. Hierfür wäre dann weniger als 1 % Gesamtfläche Deutschlands erforderlich. Bei einem Zubau von etwa 8 GW pro Jahr (im Vergleich Installation 2010: 7,1 GW) ließe sich dieser Anteil bis 2035 realisieren.

Integration in das Stromnetz

Schwankung des Angebots

• Statistik der Erzeugung
• 

  Jahres- und Tagesgang der Stromerzeugung aus Photovoltaik

• 

  Häufigkeitsdichte der erzeugten Leistung aus der Photovoltaik

• Statistik der Erzeugung
• 

  Jahresgang in Tagesdarstellung

• 

  Jahresgang in Monatsdarstellung

Die Erzeugung von Solarstrom ist statistisch sehr gut vorhersagbar (Log-Normalverteilung der Häufigkeitsdichte der erzeugten Leistung). Sie unterliegt einem typischen Tages- und Jahresgang. Diese Kurve wird überlagert durch die Wetterabhängigkeit der Sonneneinstrahlung. Auch diese lässt sich inzwischen durch Wetterbeobachtung sehr gut vorhersagen. Deshalb kann Solarstrom im Sommer zur Deckung eines Teils der Mittellast um die Mittagszeit genutzt werden. Allerdings kann auch im Sommer die Erzeugung von Solarstrom wetterbedingt bis auf die Grunderzeugung von Solarstrom aus diffusem Licht einbrechen. Im Winter aber kann Solarstrom zur Deckung der Mittellast nicht genutzt werden. Die Mittellasterzeugung muss im Winter mehr oder weniger komplett durch andere Kraftwerke übernommen werden.

Die Log-Normal-Verteilung der Häufigkeitsdichte der erzeugten Leistung hat zur Folge, dass hohe Einspeiseleistungen nur relativ selten auftreten. Das ist auf die Tages-, Wetter- und Jahresabhängigkeit der Erzeugung zurückzuführen. Der daraus resultierende Netzausbau wird deswegen nur selten genutzt und hat damit Effizienzprobleme. Deswegen sollte für den Strom aus Photovoltaik (und Windkraft, da dort derselbe Verteilungstyp festzustellen ist) zur Verbesserung der Grundlastfähigkeit

• Speichermöglichkeiten und
• schaltbare Lasten zur Verbrauchsanpassung (smart switching in Verbindung mit smart metering) vorhanden sein.

(Hinweis: Auch die erzeugte Leistung aus der Windenergie lässt sich mit der Log-Normalverteilung beschreiben.)

Konformität zum Verbrauch

Da Strom aus Photovoltaik naturgemäß tagsüber, zu Zeiten hohen Verbrauchs zur Verfügung steht, trägt sie bei sonnigen Bedingungen zur Deckung der Mittellast bei und ergänzt damit Grundlastkraftwerke, kann diese allein aber nicht ersetzen. Photovoltaikleistung entsteht zwar „ungesteuert“ aber vorhersagbar und hat ihr Maximum gerade in der mittäglichen Tageshöchstlast. Sie mindert somit den Mehrbedarf um diese Uhrzeit und unterstützt die vorhersehbare (geplante) Spitzenlast in diesem Teil des Tageslastgangs. Unvorhergesehene Spitzenlast muss wie bisher durch dafür geeignete Spitzenlastkraftwerke bereitgestellt werden.

Übertragung

Bei einer dezentralen Stromversorgung aus vielen großflächig verteilten und kleinen Photovoltaikanlagen im Leistungsbereich einiger 10 kVA werden Leitungsverluste aufgrund der geringen Entfernungen zwischen Quelle und Verbraucher verringert. Die erzeugte Leistung verlässt den Niederspannungsbereich praktisch nicht, sondern wird lokal verbraucht. Es speist der Betreiber einer häuslichen Photovoltaikanlage jene Mehrleistung die er nicht selbst verbraucht in den lokalen Strang des Niederspannungsnetzes ein: Diese Mehrleistung wird durch unmittelbar benachbarte Niederspannungsverbraucher aufgebraucht. Im Rahmen von Kleinanlagen ist ein Ausbau der Hochspannungsnetze daher nicht notwendig. Erst bei einem weiteren erheblichen Ausbau der Photovoltaik entstünden regional Überschüsse, die dann überregional ausgeglichen werden müssten.

Energiespeicherung

→ Hauptartikel: Energiespeicher

Bei Inselanlagen wird die gewonnene Energie in Speichern, meist Akkumulatoren, gepuffert. Die deutlich häufigeren Verbundanlagen speisen den erzeugten Strom direkt in das Verbundnetz ein, wo er sofort verbraucht wird. Photovoltaik wird so zu einem Teil des Strommixes.

Inselanlage

Bei Inselanlagen müssen die Unterschiede zwischen Verbrauch und Leistungsangebot der Photovoltaikanlage durch zusätzliche Energiespeicher ausgeglichen werden. Beispielsweise um elektrische Verbraucher auch während der Nachtstunden oder bei ungenügender Sonneneinstrahlung betreiben zu können. Die Speicherung erfolgt aufgrund der kleinen Leistungen meistens über einen Gleichspannungszwischenkreis mit Akkumulatoren, welche die elektrische Leistung bei Bedarf an den Verbraucher abgeben können. Neben den meist noch üblichen und kostengünstigen Bleiakkumulatoren kommen auch neuere Akkutechnologien mit besserem Wirkungsgrad wie Lithium-Titanat-Akkumulatoren zur Anwendung. Mittels Wechselrichter wird daraus die übliche Netzwechselspannung mit 230 V und 50 Hz gebildet.

Anwendung finden Inselanlagen beispielsweise in entlegenen Gebirgsregionen, für die sich ein direkter Anschluss an das öffentliche Netz aufgrund der langen Leitungslängen nicht rechnet. Darüber hinaus ermöglichen autonome photovoltaische Systeme auch die Elektrifizierung einzelner Gebäude (wie Schulen oder Ähnliches) oder Siedlungen in „Entwicklungsländern“, in denen kein flächendeckendes öffentliches Stromversorgungsnetz vorhanden ist.

Verbundanlage

Bei im Verbundnetz betriebenen Anlagen kann die wartungsintensive Energiespeicherung in einem Zwischenkreis entfallen, der eingespeiste elektrische Strom wird sofort verbraucht, der Ausgleich der unterschiedlichen Verbrauchs- und Angebotsleistungen erfolgt über das Verbundnetz. Eine Zwischenspeicherung ist nicht notwendig, solange das momentane Gesamtangebot aus Photovoltaik nicht häufig über der momentanen Last im Stromnetz liegt. Stattdessen wird die Produktion in regelbaren Kraftwerken zurückgefahren, die Anlage wird als „negativer Stromverbraucher“ behandelt. Bei kleineren Anlagen wird immer dann elektrische Leistung von der Photovoltaikanlage mittels Wechselrichter in das Verbundnetz abgegeben, wenn entsprechende Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Fehlt diese Primärenergie, beispielsweise in der Nacht, wird elektrische Leistung aus dem Verbundnetz von anderen Erzeugern des Energiemixes bezogen. Bei größeren Photovoltaikanlagen kommt wie bei allen größeren Kraftwerken noch eine zusätzliche Leistungsregelung über eine Fernsteuerung hinzu, die es erlaubt je nach Bedarf weniger Leistung in das Netz abzugeben als möglich wäre, um einen stabilen Betrieb des Versorgungsnetzes zu gewährleisten.

Da auch in einem großen Verbundnetz Verbrauchsschwankungen kurzfristig ausgeglichen werden müssen, erfolgt die Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie beispielsweise in dedizierten Speicherkraftwerken, wie es Pumpspeicherkraftwerken darstellen. Diese speichern die elektrische Energie in Form von potentieller Energie mit Speicherwirkungsgraden von rund 80 % und können diese Energie bei Verbrauchsspitzen kurzfristig als elektrische Energie in das Verbundnetz abgeben. Die erreichbaren Spitzenleistungen liegen je nach Größe des Speicherkraftwerkes im Bereich von einigen 100 MVA. Diese Energiespeicherung ist nicht spezifisch auf die Photovoltaik bezogen, sondern dient dem allgemeinen Leistungsausgleich innerhalb eines Verbundnetzes.

Versorgungssicherheit

Trotz des schwankenden Angebots steht die etwa 24 Stunden vorher (auf Basis von Wettervorhersagen) prognostizierte Leistung aus Photovoltaik deutlich sicherer zur Verfügung als die eines einzigen Großkraftwerks. Ein unvermuteter Ausfall eines solchen großen Stromerzeugers hat im Stromnetz eine stärkere Störwirkung als der Ausfall einer einzelnen Photovoltaikanlage. Durch die breite Streuung und die hohe Anzahl der Photovoltaikanlagen ergibt sich eine im Vergleich zu einer einzelnen Großanlage extrem hohe Betriebssicherheit.

Um einen ungeplanten Ausfall großer Stromerzeuger abzusichern, muss permanent Reserveleistung bereitgehalten werden, dies ist für den Anteil Photovoltaikleistung nicht notwendig und spart somit Kosten, da aufgrund der vielen Einzelanlagen kein ungeplanter Totalausfall eintreten kann. Aber auch ein geplanter Stillstand eines Großkraftwerks (beispielsweise für eine Revision) muss durch ein anderes Kraftwerk abgesichert sein, was bei der Photovoltaik ebenfalls nicht erforderlich ist, da es bei allen PV-Anlagen zusammen nie eine gleichzeitige Revision oder Reparatur geben kann. Andererseits erbringen PV-Anlagen ihre Leistung wetterabhängig und ausschließlich während des Tages, damit kann sowohl bei der langfristigen Planung von Kraftwerksbauten als auch bei der täglichen Planung der Produktion nur ein Teil der PV-Leistung berücksichtigt werden. Dies führt zu deutlich höheren Zusatzkosten (Netz und Energiespeicher) pro kw als bei Großkraftwerken.

Die Netzanschlussbedingungen schreiben vor, dass bei einem Stromausfall keine Kleinproduzenten (PV, aber auch Windkraft oder BHKW) mehr Strom einspeisen dürfen. Daher können übliche PV-Anlagen nichts gegen einen bereits eingetretenen Stromausfall bewirken. Anlagen, die ein komplettes Gebäude vom Netz- auf Inselbetrieb umschalten können, sind technisch möglich, aber nicht üblich. Bei steigender Einspeisung von dezentral erzeugtem Solarstrom aus Photovoltaik-Kleinanlagen müsste eine zentrale Steuerung der Anlagen durch die Netzbetreiber erfolgen, wie dies bei größeren Windparks bereits der Fall ist, um das Netz nach einem Totalausfall wieder in einen stabilen Zustand zu bringen. Dies würde aber eine Ausstattung eines großen Anteils von Kleinanlagen mit entsprechender Steuerungstechnik bedeuten.

Volkswirtschaftliche Kostenbetrachtung

Gesetzliche Förderung

Die Erzeugung von Strom aus Photovoltaik wird in Deutschland durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz mit Einspeisevergütungen gefördert. Das Rheinisch-Westfälische Institut für Wirtschaftsforschung (RWI) berechnete im Jahr 2007, dass die Förderung von Solarstrom durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz bis 2020 insgesamt 63 Mrd. Euro kosten wird, sofern die damals geltenden Vergütungssätze beibehalten würden.^[46] Die Studie wurde maßgeblich vom US-amerikanischen Institute for Energy-Research finanziert, welches als eine von Öl- und Kohlekonzernen finanzierte Lobbyorganisation bekannt ist.^[47] Claudia Kemfert vom Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung (DIW) bezeichnete diese Berechnungen hingegen als „Horrorzahlen“, die „vom oberen Rang der Kosten ausgehen als so genanntes worst case Szenario, als schlimmstes Szenario, was angenommen werden kann“. Realistisch seien Kosten von summiert 55 Mrd. Euro über einen Zeitraum von 30 Jahren.^[47]

Inzwischen wurden die Fördersätze deutlich gesenkt, sodass die vorgelegten Kostenberechnungen nicht mehr akkurat sind. Eine schrittweise Senkung der Fördersätze wird auch von der Solarindustrie begrüßt, sofern die Kürzung nicht schlagartig erfolgt und wirtschaftliche Verwerfungen mit sich bringt.^[48]

Die Netzparität wird in Deutschland laut dem Bundesverband Solarwirtschaft im Jahr 2013 erreicht. Bereits im Jahr 2014 wird der Solarstrom aus großen Photovoltaik-Anlagen das Förderniveau von Windkraftanlagen auf dem Meer (Offshore) erreichen. Schon 2017 könnten neue Solarstromanlagen auf Gebäuden ohne finanzielle Förderung rentabel betrieben werden.^[49] Australien erreichte bereits 2011 erstmals die Netzparität bei der Photovoltaik. Der Erzeugungspreis für Photovoltaik lag das erste Mal in einigen Gebieten Australiens unter dem Erzeugungspreis von Netzstrom. Das bedeutet, dass die Erzeugungskosten (+ 8 % Gewinn) pro Kilowattstunde einer Photovoltaikanlage in Australien damit kleiner sind, als der Endverbraucherpreis für den Bezug von fossil produziertem Strom. Damit reiht sich Australien neben Teilen der USA (Kalifornien und Hawaii), Japan und Spanien in die Reihe von Ländern ein, die Netzparität im Bereich der Solarenergie erreicht haben.^[50]

Reduzierung externer Kosten

Solarstrom verursacht geringere Umweltschäden als Energie aus Öl, Kohle, Gas oder Atomkraft. Photovoltaik senkt daher die externen Kosten der Energieerzeugung.

Die Kosten der Solaranlagen zur Vermeidung von CO₂-Emissionen ergeben derzeit (2009) 300^[51] bis 741 Euro^[52] je vermiedener Tonne CO₂-Emissionen. Die Vermeidung klimaschädlicher Emissionen mittels Photovoltaik ist derzeit in Deutschland teurer als beispielsweise mittels anderer erneuerbare Energiequellen, der Modernisierung des konventionellen Kraftwerksparks oder Maßnahmen zur Energieeinsparung (Gebäudeisolierung), welche Kosten von bis zu 65 Euro je Tonne CO₂ verursachen oder sogar Kostenersparnisse erwirtschaften. Andere durch die Subventionierung verfolgte Ziele wie nachhaltige Versorgungssicherheit, Forschungs- und Standortförderung sind allerdings in dieser Betrachtung ebenso unberücksichtigt wie das Gesamtpotenzial einer angewandten Technologie.

Wertschöpfung

Laut dem Bundesverband Solarwirtschaft waren im Jahr 2008 die Steuereinnahmen aus der Photovoltaik-Industrie höher als die Solar-Förderung. Der volkswirtschaftliche Nutzen wird nach dieser Berechnung bis zum Jahr 2030 bei 135 Milliarden Euro liegen.^[53]

Trotz neuer Konkurrenz durch chinesische Solarmodule-Hersteller profitiert auch die deutsche Wirtschaft weiterhin von der Förderung der Photovoltaik. Eine Wertschöpfungsstudie der Agentur für Erneuerbare Energien ermittelte, dass die regionale Wertschöpfung nicht nur durch die Modulherstellung, sondern vor allem durch Planung, Installation, Betrieb und Wartung profitiert.^[54]

Wirtschaftlichkeit

Anschaffungskosten und Amortisationszeit

Eine Photovoltaik-Anlage benötigt ca. 8–9m² Fläche pro Kilowatt Leistung. Die Kosten sind u. a. abhängig von Art und Qualität der Komponenten. Als Faustregel gilt: Pro Kilowatt Leistung ist derzeit mit Anschaffungskosten für eine schlüsselfertige Anlage von 1700 bis 2300 Euro zu rechnen.^[55] Der Bundesverband Solarwirtschaft gibt für das dritte Quartal 2011 einen durchschnittlichen Endkundenpreis von 2199 Euro an.^[56] Diese Preise enthalten neben den Modulen auch Wechselrichter, Montage und Netzanschluss. Eine hierzulande installierte Anlage liefert in Deutschland nach dem aktuellen Stand der Technik einen Jahresertrag von etwa 700 bis 1100 kWh pro kW_p.

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) garantiert in Deutschland den Betreibern von Photovoltaik-Anlagen gesetzlich festgelegte Mindestvergütungen für den ins Netz eingespeisten Strom (ab 2011: 21,11 bis 28,74 Cent pro kWh über 20 Jahre). Der Betrieb von Photovoltaik-Anlagen wird dadurch betriebswirtschaftlich lohnend. Die betriebswirtschaftliche Amortisationszeit liegt bei acht bis zwölf Jahren, d. h., in dieser Zeit spielt die Photovoltaik-Anlage die Kosten wieder ein, bei einer Lebensdauer von mind. 20 Jahren (Garantie der Hersteller). Die konkrete Amortisationszeit ist abhängig vom Jahr der Inbetriebnahme (aufgrund sinkender gesetzlicher Vergütungen), der Sonneneinstrahlung, der Ausrichtung und Neigung der Anlage, sowie dem Anteil der Fremdfinanzierung.^[57]

Ist die Anlage abbezahlt, fallen bis zum Ende der Lebensdauer nur noch die geringen Betriebs- und Wartungskosten an, welche wie auch beim konventionellen Vergleichskraftwerk aus dem Betriebskostenanteil gedeckt werden.

Stromgestehungskosten

Die folgende Tabelle bildet die Stromgestehungskosten in Cent je Kilowattstunde ab. Der zugrunde gelegte Kapitalkostensatz beträgt 4 %, die jährlichen Betriebskosten 1 % der Investitionssumme und die jährliche Minderung des Ertrags 0,5 %. Weiterhin wird von einer Nutzungsdauer von 25 Jahren ausgegangen. Da Photovoltaikanlagen keine beweglichen Teile enthalten sind sie sehr langlebig; es ist durchaus denkbar, dass Sie auch über diesen Zeitraum hinaus nutzbar bleiben. Für die Berechnung der durchschnittlichen Kosten je Kilowattstunde sind sowohl Kosten als auch Ertrag mit dem Kapitalkostensatz von 4 % abdiskontiert.

Zur besseren Veranschaulichung sind die Werte in der Tabelle farbig hinterlegt. Grüne Kästchen stehen hierbei für Kosten, die unter dem Börsenstrompreis von circa 5,8 Cent pro Kilowattstunde liegen, gelbe Kästchen für Kosten, die zwischen dem Börsenpreis und dem Strompreis für Industriekunden von 11,9 Cent pro Kilowattstunde.^[58] Orange hinterlegt sind jene Kästchen, deren Wert zwischen Industriekundenpreis und dem Privatkundenpreis von 24,9 Cent je Kilowattstunde liegt. Liegt der Wert darüber, sind die Kästchen rot hinterlegt. In Deutschland liegen die Erträge zwischen 700 und 1100 Kilowattstunden Ertrag je Jahr und kWp. Die Werte für den durchschnittliche Ertrag sind in der Tabelle fett hervorgehoben.

Stromgestehungskosten von Photovoltaikanlagen in Cent pro Kilowattstunde^[59]

Investition/Ertrag	700 kWh	800 kWh	900 kWh	1000 kWh	1100 kWh	1500 kWh	2000 kWh	2500 kWh
200 €/kWp	2,2	1,9	1,7	1,6	1,4	1,0	0,8	0,6
400 €/kWp	4,4	3,9	3,5	3,1	2,8	2,1	1,6	1,2
600 €/kWp	6,7	5,8	5,2	4,7	4,2	3,1	2,3	1,9
800 €/kWp	8,9	7,8	6,9	6,2	5,7	4,1	3,1	2,5
1000 €/kWp	11,1	9,7	8,6	7,8	7,1	5,2	3,9	3,1
1200 €/kWp	13,3	11,7	10,4	9,3	8,5	6,2	4,7	3,7
1400 €/kWp	15,6	13,6	12,1	10,9	9,9	7,3	5,4	4,4
1600 €/kWp	17,8	15,6	13,8	12,4	11,3	8,3	6,2	5,0
1800 €/kWp	20,0	17,5	15,6	14,0	12,7	9,3	7,0	5,6
2000 €/kWp	22,2	19,4	17,3	15,6	14,1	10,4	7,8	6,2
2200 €/kWp	24,4	21,4	19,0	17,1	15,6	11,4	8,6	6,8
2400 €/kWp	26,7	23,3	20,7	18,7	17,0	12,4	9,3	7,5
2600 €/kWp	28,9	25,3	22,5	20,2	18,4	13,5	10,1	8,1

Modulpreise

Entwicklung der Modulpreise in €/Wp^[60]

Modultyp	Kristallin			Dünnschicht
Herkunft/Typ	Deutschland	China	Japan	CdS/CdTE	a-Si	µ-Si
Juli 2007	~ 3,25	~ 3,00	~ 3,22	~ 2.35	~ 2.35	-
Januar 2009	3,19	2,95	3,16	2,10	–	2,21
Januar 2010	2,03	1,55	1,91	1,61	–	1,38
Januar 2011	1,71	1,47	1,63	1,25	1,08	1,26
Oktober 2011	1,29	0,92	1,22	0,84	0,74	0,89
Preisverfall Jan. 2011 – Okt. 2011	24,5 %	37,6 %	25,3 %	32,8 %	31,6 %	29,2 %
Preisverfall Jan. 2009 – Okt. 2011	59,6 %	68,8 %	61,4 %	60,0 %	–	59,7 %

Die Modulpreise sind in den letzten Jahren stark gesunken, getrieben durch Skaleneffekte, technologische Entwicklungen, Normalisierung des Solarsiliziumpreises und durch den Aufbau von Überkapazitäten und Konkurrenzdruck bei den Herstellern. Die durchschnittliche Preisentwicklung seit Januar 2009 nach Art und Herkunft ist in der nebenstehenden Tabelle dargestellt. Die weitere Preisentwicklung hängt von der Entwicklung der Nachfrage sowie von den technischen Entwicklungen ab. Die niedrigen Preise für Dünnschichtanlagen relativieren sich teilweise für die fertige Anlage durch den aufgrund des geringeren Wirkungsgrades höheren Installationsaufwand für Anlagen gleicher Leistung.

Multikristalline Module chinesischer Hersteller sind seit April 2009 für rund 2 Euro pro Watt erhältlich, europäische Module unterschritten diese Grenze im Februar 2010. Im April 2011 lagen die Großhandelspreise für a-Si-Dünnschichtmodule erstmals unter 1 Euro pro W_p.^[60]

Staatliche Förderung

Photovoltaikanlagen werden in Deutschland durch verschiedene staatliche Maßnahmen gefördert. Die wichtigste hiervon sind die Einspeisevergütungen.

Einspeisevergütung

Die Vergütung des Solarstroms in Deutschland ist im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) geregelt, in der Schweiz durch die kostendeckende Einspeisevergütung. Sie wird in beiden Ländern auf alle Stromverbraucher umgelegt und ist abhängig von:

• Jahr des Betriebsbeginns: je früher, desto höher
• Anlagengröße: je kleiner, desto höher
• Art der Aufstellung: auf Häusern höher als auf Freiflächen

So wird beispielsweise in Deutschland eine 30-kW_p-Anlage auf einem Dach, die 2004 erstmals Energie lieferte, mit 57,4 ct/kWh vergütet. Bei Anlagen, die im ersten Halbjahr 2011 in Betrieb genommenen wurden, beträgt die Vergütung nur noch 28,74 ct/kWh. Eine Freiflächenanlage von 2009 wird mit 31,94 ct/kWh vergütet, Anlagen aus dem ersten Halbjahr 2011 hingegen mit 21,11 ct/kWh.

Andere Fördermaßnahmen

Neben der Einspeisevergütung gibt es zwölf weitere Programme, die die Anschaffung einer Photovoltaikanlage fördern sollen.

Auf Bundesebene kann die sogenannte Investitionszulage für Photovoltaikanlagen im produzierenden Gewerbe und im Bereich der produktionsnahen Dienstleistungen in Form von Steuergutschriften genehmigt werden.

Daneben stellt die KfW-Förderbank folgende Programme zur Verfügung:

• KfW – erneuerbare Energien – Standard
• KfW – Kommunalkredit
• BMU – Demonstrationsprogramm
• KfW – kommunal investieren.

Die Fördergelder der KfW-Förderbank werden im Gegensatz zur Investitionszulage ausschließlich als Darlehen genehmigt und über die jeweilige Hausbank zur Verfügung gestellt.

Des Weiteren haben folgende Bundesländer eigene Solarfördergesetze erlassen:

• Bayern – rationelle Energiegewinnung und -verwendung im Gewerbe – (Zuschuss)
• Niedersachsen – Innovationsförderprogramm (Gewerbe) – (Darlehen / in Ausnahmen Zuschuss)
• Nordrhein-Westfalen – progres.nrw „Rationelle Energieverwendung, Regenerative Energien und Energiesparen“ – (Zuschuss)
• Rheinland-Pfalz – energieeffiziente Neubauten – (Zuschuss)
• Saarland – Zukunftsenergieprogramm Technik (ZEP-Tech) 2007 (Demonstrations-/Pilotvorhaben) – (Zuschuss).^[61]

Steuerliche Behandlung

Betreiber von Photovoltaikanlagen beziehen Einkünfte aus Gewerbebetrieb und müssen mit der Einkommensteuererklärung die Anlage G abgeben. Erst ab einer Leistung von 30 kW_p ist eine Gewerbeanmeldung Pflicht. Bei Empfängern von Arbeitslosengeld 2 (ALG2) ist zu berücksichtigen, dass die Einkünfte den ALG2-Betrag mindern.

Umsatzsteuer

Bei einem Jahresumsatz von weniger als 17.500 Euro ist es möglich, die Kleinunternehmerregelung nach § 19 UStG anzuwenden, so dass keine Umsatzsteuer erklärt werden muss. Das wäre bei den meisten kleineren Anlagen möglich, ist aber fast nie sinnvoll. Registriert sich der Betreiber beim Finanzamt freiwillig als umsatzsteuerpflichtiger Unternehmer, hat er auch das Recht, die Vorsteuer auf alle Investitionen gegen zu rechnen. Die im EEG aufgeführten Vergütungen sind Nettopreise, wählt der Unternehmer die Umsatzsteueroption, bekommt er zusätzlich noch die Umsatzsteuer auf die Einnahmen bezahlt, welche er an das Finanzamt weiterleiten muss. Der Vorteil der Umsatzsteueroption ist, dass sich der Unternehmer die Steuer auf die Anschaffung der Anlage spart, der Nachteil ist ein höherer Bürokratieaufwand. Anfangs müssen die Umsatzsteuervoranmeldungen monatlich abgegeben werden, nach 1 bis 2 Jahren vierteljährlich. Photovoltaikanlagen mit einem Jahresumsatz von über 17.500 Euro haben diese Wahlmöglichkeit nicht, sie sind zwangsläufig umsatzsteuerpflichtig.

Einkommensteuer

Die Einkünfte aus der Photovoltaikanlage fallen unter die gewerblichen Einkünfte des § 15 EStG. Ein eventueller Verlust mindert die Steuerlast (s. aber w.u.). Fast alle Photovoltaikanlagen liegen unter der Buchführungsgrenze, das heißt es muss keine Bilanz erstellt werden. Es genügt eine Einnahme-Überschuss-Rechnung nach § 4 Abs. 3 EStG, in der alle Einnahmen und Ausgaben des Jahres (inkl. Umsatzsteuer und Abschreibung) berücksichtigt werden. Die Abschreibungsdauer von Photovoltaikanlagen liegt bei 20 Jahren. Bei Photovoltaikanlagen ist der Grundsatz der Totalgewinnprognose zu beachten. Die deutsche Finanzverwaltung erkennt Verluste aus dem Betrieb der Photovoltaikanlage dann nicht an, wenn sich anhand einer auf 20 Jahre Betriebsdauer der Anlage gerichteten Berechnung ergibt, dass die Anlage einen Totalverlust abwirft. Die Berechnung erfasst neben einer Leistungsberechnung sämtliche Kosten (Abschreibung, Zinsen, Versicherung, Reinigung u.ä.m.). Soweit einschlägige Renditeberechnungsprogramme einen Steuervorteil berücksichtigen, muss diese Problematik berücksichtigt werden.

Gewerbesteuer

Da es für die Gewerbesteuer einen Freibetrag von 24.500 Euro für natürliche Personen und Personengesellschaften gibt (§ 11 Abs. 1 Nr. 1 GewStG), fallen meist große Anlagen unter die Gewerbesteuer.

Umweltschutz

Die Umweltauswirkungen bei der Silizium-Technologie und bei der Dünnschichttechnologie sind die typischen der Halbleiterfertigung, mit den entsprechenden chemischen und energieintensiven Schritten. So ist der sensibelste Punkt bei der Silizium-Technologie die Reinstsiliziumproduktion, aufgrund des hohen Energieaufwandes und dem Aufkommen an Nebenstoffen. Für 1 kg Reinstsilizium entstehen 19 kg Nebenstoffe. Da Reinstsilizium meist von Zulieferfirmen produziert wird, ist die Auswahl der Lieferfirmen unter Umweltaspekten entscheidend für die Umweltbilanz eines Moduls. Bei der Dünnschichttechnologie ist die Reinigung der Prozesskammern ein sensibler Punkt. Hier werden oft die klimaschädlichen Stoffe Stickstofftrifluorid und Schwefelhexafluorid verwendet. Der CdTe-Technologie wird auf Grund seiner kurzen Energierücklaufzeit das beste Umweltverhalten auf einer Lebenszyklus-Basis zugeschrieben^[62][63].

In 2011 bestätigte das Bayerische Landesamt für Umwelt darüber hinaus, dass CdTe-Solarmodule selbst im Fall eines Brandes keine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen^[64].

Durch die absolute Emissionsfreiheit im Betrieb weist die Photovoltaik sehr niedrige externe Kosten auf. Liegen diese bei Stromerzeugung aus Stein- und Braunkohle bei circa 6 bis 8 ct/kWh, betragen sie bei Photovoltaik nur etwa 1 ct/kWh. Zu diesem Ergebnis kommt ein Gutachten^[65] des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung. Negative Effekte fossiler Stromerzeugung wie die Kosten für CO₂-Zertifikate und die Steinkohlesubventionen sind bei dieser Betrachtung ausgenommen. Auch sind die von der Gesellschaft getragenen, betriebswirtschaftlich wohl nicht darstellbaren Versicherungs-, Rückbau- und Entsorgungskosten bei nuklearen Kraftwerken nicht berücksichtigt.

Siehe auch

• Füllfaktor (Solarzelle)
• Dember-Effekt
• Strahlungshaushalt der Erde

Literatur

• Falk Antony, Christian Dürschner, Karl-Heinz Remmers: Photovoltaik für Profis – Verkauf, Planung und Montage von Solarstromanlagen. 2.  Auflage. Verlag Solare Zukunft, Erlangen 2009, ISBN 978-3-933634-24-5.
• Sylvio Dietrich: PVProfit 2.2 – Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen. 3. Auflage. Verlag Solare Zukunft, Erlangen 2006, ISBN 3-933634-23-7 (mit Berechnungsprogramm auf CD-ROM, Softwarestand: 2009).
• Adolf Goetzberger, Bernhard Voß, Joachim Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik – Physik und Technologie der Solarzelle. 2. Auflage. Teubner-Verlag, Stuttgart 1997, ISBN 3-519-13214-1.
• Heinrich Häberlin: Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen. VDE Verlag, Berlin 2010, ISBN 978-3-8007-3205-0.
• Ingo B. Hagemann: Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Integration der Photovoltaik in die Gebäudehülle. Rudolf Müller Verlag, Köln 2002, ISBN 3-481-01776-6.
• Jascha Schmitz, Benjamin Volkmann: Ihr Photovoltaik-Ratgeber. 1. Auflage. (PDF 6,5 MB)
• Ralf Haselhuhn: Leitfaden Photovoltaische Anlagen. 4. Auflage. Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e. V., 2010, ISBN 978-3-00-030330-2. (3. Auflage: mit Claudia Hemmerle)
• Ralf Haselhuhn: Photovoltaik – Gebäude liefern Strom. 5. Auflage. Solarpraxis Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-8249-0854-9 (Ein BINE-Informationspaket).
• Björn Hemmann, Tatjana Abarzúa, Christian Dürschner, Michael Vogtmann, Helmut Dillinger: Handbuch Bürger-Solarstromanlagen: Das solid-Konzept. 2. Auflage. Solare Zukunft, Erlangen 2005, ISBN 3-933634-15-6.
• Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. 7. Auflage. Hanser Verlag, München 2011, ISBN 978-3-446-42732-7.
• Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 2. Auflage. Hanser Verlag, München 2009, ISBN 978-3-446-41961-2.
• Simon Roberts, Nicoló Guariento: Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Ein Handbuch. Birkhäuser Verlag, Basel 2009, ISBN 978-3-7643-9949-8.
• Thomas Seltmann: Photovoltaik – Solarstrom vom Dach. 2. Auflage. Stiftung Warentest, Berlin 2011, ISBN 978-3-86851-037-9. (Ratgeber)
• Thomas Seltmann: Meine Solaranlage – Photovoltaik: Strom ohne Ende: Netzgekoppelte Solarstromanlagen optimal bauen und nutzen. 4. Auflage. Solarpraxis Verlag / Beuth Verlag, Berlin 2009, ISBN 978-3-410-20033-8.
• Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich: Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung – Solarstrahlung, Halbleitereigenschaften, Solarzellenkonzepte. Teubner-Verlag, Stuttgart 1994, ISBN 3-519-03218-X.
• Andreas Wagner: Photovoltaik Engineering – Handbuch für Planung, Entwicklung und Anwendung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2006, ISBN 3-540-30732-X.
• Daniel Pohl, Patrick Jonas: Solarenergie – CleanTech Treiber im Fokus. Deutsches CleanTech Institut (DCTI), Bonn 2009. (PDF 10.3 MB)
• Stefan Hausmann, Daniel Pohl, Patrick Jonas: CleanTech Spezial: Photovoltaik. Deutsches CleanTech Institut (DCTI), Bonn 2010. (PDF 11,1 MB)

Weblinks

 Wiktionary: Photovoltaik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Photovoltaik – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Portal "Sonnenenergie" bei der Agentur für Erneuerbare Energie
• Städte mit Solarkataster im Portal für energieffizentes Bauen und Sanieren
• Photovoltaic Geographical Informationssystem der EU (PVGIS) – Schätzung der tatsächlichen Leistung von Photovoltaik mit Hilfe der Watt peak-Angabe je nach Region
• Photovoltaik auf den Seiten vom Forschungsverbund Erneuerbare Energien
• Erträge von Photovoltaik Anlagen in Deutschland täglich aktualisiert
• Bundesnetzagentur: Monatliche Neuinstallationen

Einzelnachweise

1. ↑ History of Solar Cells, abgerufen am 11. Januar 2011
2. ↑ What is a (PV) Photovoltaic System?, abgerufen am 11. Januar 2011
3. ↑ Bekanntmachung des BMBF zur Förderinitiative Organische Photovoltaik vom 6. Juni 2007, Abgerufen am 14. September 2009.
4. ↑ Niels Boeing: Politik und Industrie wollen Organische Photovoltaik fördern. In: Heise online. 27. Juni 2007, Abgerufen am 14. September 2009.
5. ↑ Google-Suche im Deutschen Sprachraum (Top-Level-Domains .de, .at, .ch) ergibt 1.230.000 Treffer für Photovoltaik und 157,000 Treffer für Fotovoltaik. Stand Januar 2009
6. ↑ Photovoltaic energy barometer 2011 – EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables nº 5 – 2011, S. 148
7. ↑ Photovoltaic energy barometer 2011 – EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables nº 5 – 2011, S. 148
8. ↑ Photovoltaic energy barometer 2010 – EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables nº 3 – 2010, S. 132
9. ↑ Photovoltaic energy barometer 2009 – EurObserv’ER Systèmes solaires - Le journal des énergies renouvelables nº 1 - 2009, S. 76
10. ↑ Photovoltaic energy barometer 2008 – EurObserv’ER Systèmes solaires - Le journal des énergies renouvelables nº 184, S. 52
11. ↑ Photovoltaic energy barometer 2007 – EurObserv’ER Systèmes solaires - Le journal des énergies renouvelables nº 178, S. 52
12. ↑ Solarstrom - Geld verdienen auf dem Dach - Meldung - Stiftung Warentest
13. ↑ PV-Messdaten Bayern, Schräg Sonnenstrom, PV-Messdaten Bayern
14. ↑ Freilandanlage Victorbur (Link nicht mehr abrufbar)
15. ↑ Photovoltaikanlagen-Rechner
16. ↑ Bundesnetzagentur EEG Statistikbericht 2008 mit Zahlen zur Installation 2009
17. ↑ Energiestatistische Daten der Bundesregierung veröffentlicht vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (siehe Tabellenblatt 20)
18. ↑ Transparenzplattform der EEX, Erwartete PV-Produktion, Tatsächliche PV-Produktion
19. ↑ PV Leistung in Deutschland, Internetseite der SMA Solar Technology
20. ↑ PV potential estimation utility
21. ↑ BMU (2008): Erneuerbare Energien in Zahlen, online
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47. ↑ ^{a b} Die Lüge vom teuren Ökostrom. Beitrag im ARD-Magazin Monitor, 21. Oktober 2010
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54. ↑ Kommunale Wertschöpfung durch erneuerbare Energie
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56. ↑ Bundesverband Solarwirtschaft: Preisindex Photovoltaik
57. ↑ SBWW GmbH: Photovoltaik
58. ↑ statista: Eurostat: Elektrizität - Industrieabnehmer - halbjährliche Preise - Ab 2007 erstes Halbjahr 2010, Verbrauchssegment: 70 bis 150 GWh, inklusive aller Steuern und Abgaben
59. ↑ Die Berechnung des Strompreises p erfolgt nach folgender Formel, wobei I für die Investitionssumme und E für den Ertrag im ersten Jahr steht. Der Parameter i gibt die Kapitalverzinsung, b den jährlichen Betriebskostensatz als Anteil der Investitionssumme und v die jährliche Ertragsminderung an. Schließlich steht T für die um eins verringerte Anzahl der Betriebsjahre. $p = \frac{I\cdot (1+i)+\sum_{t=0}^T \frac{I \cdot b}{(1+i)^t}}{\sum_{t=0}^T\frac{E\cdot (1-v)^t}{(1+i)^t}}$
60. ↑ ^{a b} Solarserver: PVX Spotmarkt Preisindex Solarmodule. Bis einschließlich Juli 2010 gelten die Werte in der Spalte „Deutschland“ für Europa.
61. ↑ Übersicht der Fördermöglichkeiten für Photovoltaikanlagen in Deutschland
62. ↑ http://www.solarwirtschaft.de/fileadmin/content_files/Hintergrund_CdTe_0309.pdf
63. ↑ http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/es071763q
64. ↑ http://www.lfu.bayern.de/luft/doc/pvbraende.pdf
65. ↑ Wolfram Krewitt, Barbara Schlomann: Externe Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Vergleich zur Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern. Gutachten im Rahmen von Beratungsleistungen für das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, 6. April 2006.