HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

8.5 Photovoltaik

8.1 Begriffe beim Wechselstrom
8.2 Elektroinstallation
8.3 Bedarfsanalyse und Verbrauchskontrolle
8.4 Geräte
8.5 Photovoltaik

8.5.1 Energetische Bedeutung

8.5.1 Energetische Bedeutung – 8.5.2 Funktionsweise – 8.5.3 Photovoltaik-Anlagen – 8.5.4 Wirtschaftlichkeit – 8.5.5 Planung

Bis etwa 2010 galt Photovoltaik (PV) eher als Prestige-Elektrizitätserzeuger mit grossem Entwicklungsbedarf, vor allem bezüglich Kosten. Seit die Modulpreise stark gesunken sind, nähern sich die Stromgestehungskosten den Strompreisen für Kleinbezüger. Gleichzeitig steht ein hoher Bedarf an zusätzlicher erneuerbarer Elektrizität an (Abkehr von der Kernkraft). Damit hat die Photovoltaik als Netzstromerzeuger enormes Potenzial gewonnen, welches auf 10 bis 20 % des gesamten Elektrizitätsbedarfs geschätzt wird, in der Schweiz also 6 bis 12 TWh/Jahr. Zur Produktion der letzteren Menge Solarstrom braucht es eine Leistung von etwa 12 GW. Bei Verwendung von leistungsfähigen Solarzellen (kristalline Siliziumzellen) wird für 1 kW Photovoltaik-Leistung eine Fläche von rund 7 m2 benötigt. Für die Produktion von 12 TWh Solarstrom braucht es gesamtschweizerisch somit eine Fläche von etwa 90 Quadratkilometern. Das entspricht etwa 12 m2 pro Einwohner. Diese Anlagen müssen allerdings in der Praxis realisiert werden. Es wird daher für grössere Bauprojekte aller Art immer selbstverständlicher, dass Netzverbund-Photovoltaikanlagen zur Gebäudetechnik gehören.

8.5.2 Funktionsweise

8.5.1 Energetische Bedeutung – 8.5.2 Funktionsweise – 8.5.3 Photovoltaik-Anlagen – 8.5.4 Wirtschaftlichkeit – 8.5.5 Planung

Solarzellen bestehen aus Halbleitern, wie sie bei der Herstellung von Computerchips verwendet werden. Diese Halbleiter erzeugen unter Licht Elektrizität. Der Strom wird durch metallische Kontakte gesammelt. Der erzeugte Gleichstrom kann mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und so direkt ins öffentliche Elektrizitätsnetz eingespeist werden. Als Halbleiter wird in den meisten Fällen Silizium verwendet, das nach Sauerstoff zweithäufigste Element der Erdkruste.

Kristalline Zellen: Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschliessend in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade. Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschliessend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich grosse Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.

Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Silizium- oder andere Halbleiterschicht abgeschieden, spricht man von Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50–100 µm), sodass die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade von Dünnschichtzellen liegen allerdings noch unter jenen der kristallinen Zellen.

Ein Solarmodul besteht aus mehreren, meistens in Serie geschalteten, Solarzellen. Diese Solarmodule – auch Solarpanels genannt – werden, geschützt vor Umwelteinflüssen in einer Verpackung aus Glas und Kunststoff, als Bauteile für Solaranlagen eingesetzt. Der Modulwirkungsgrad hängt von der verwendeten Zelltechnologie ab (Bild 8.12). Er ist nicht zu verwechseln mit dem Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage, der etwas tiefer liegt. Die angegebenen Wirkungsgrade gelten für kommerziell erhältliche Module; im Labor können z.T. deutlich höhere Werte erzielt werden. Photovoltaikmodule werden nach international anerkannten Normen geprüft [EN 61215] [EN 61646] [EN 61730]. Die Leistung von Modulen wird in «Watt-Peak» (Wp) deklariert, was der abgegebenen Leistung unter Standard-Testbedingungen (Einstrahlung 1000 W/m2, 25 °C Zellentemperatur) entspricht. Diese Leistung kann an sehr klaren, kalten Tagen erreicht oder (mit Reflexion z.B. durch Schnee) sogar überschritten werden. Die Zellenleistung verhält sich etwa proportional zur eingestrahlten Leistung. Sie sinkt mit zunehmender Zellentemperatur.

Modulwirkungsgrad kommerziell erhältlicher Module bei Standard-Testbedingungen
Bild 8.12 Modulwirkungsgrad kommerziell erhältlicher Module bei Standard-Testbedingungen [Häb]

8.5.3 Photovoltaik-Anlagen

8.5.1 Energetische Bedeutung – 8.5.2 Funktionsweise – 8.5.3 Photovoltaik-Anlagen – 8.5.4 Wirtschaftlichkeit – 8.5.5 Planung

Die Energienutzung kann auf verschiedene Weise erfolgen:

  • Netzverbundanlage: Der Gleichstrom wird unmittelbar in Wechselstrom umgewandelt und ins Netz eingespeist. Dazu ist ein netzsynchronisierter Wechselrichter (Inverter) mit den nötigen Steuer- und Sicherheitsvorrichtungen erforderlich. Selbst kleine Wechselrichter (3 kW) erreichen Jahres-Nutzungsgrade über 95 %. Weltweit sind mehr als 97 % der neu installierten Anlagen Netzverbundanlagen
  • Inselanlage: Die Energie wird in einer Pufferbatterie zwischengelagert. Kleine Inselanlagen werden für die elektrische Versorgung von nicht ans Netz gekoppelten Einrichtungen wie z.B. von Parkuhren, Navigationshilfen, Telekommunikationseinrichtungen oder zur Beleuchtung von abgelegenen Gebäuden eingesetzt. Bei mittleren bis grösseren autonomen Stromerzeugungsanlagen, z.B. für die elektrische Versorgung von netzfernen Gebäuden, wird meist über einen Wechselrichter ein kleines Wechselstromnetz mit 230 V betrieben. Dabei werden die Photovoltaikanlagen häufig mit zusätzlichen Stromerzeugern wie Diesel- oder Windgeneratoren zu hybriden Energieerzeugungssystemen kombiniert.

Der Elektrizitätsertrag wird von den Strahlungsverhältnissen mitbestimmt. Die Erfahrungen zeigen, dass im Mittelland eine Volllastzeit von 900 bis 1100 Stunden zu erwarten ist, d.h. für eine 10-kW-Anlage 9000 bis 11000 kWh/Jahr. Der maximale Jahresertrag resultiert bei Südorientierung und 30° Neigung. Aber selbst eine südorientierte Fassadenanlage (90°) erreicht noch 70 % des Maximums (Bild 8.13). Eine solche Anlage erreicht einen relativ hohen Ertragsanteil im Winter. Eine Neigung von unter 20° erlaubt Flachdächer und Schrägdächer Richtung Ost bis West mit hohem Jahresertrag zu nutzen. Allerdings ist dann der Winterertrag klein, nicht zuletzt wegen des Schnees.

Abweichung vom maximalen Jahres-Energieertrag in Funktion von Ausrichtung und Neigungswinkel
Bild 8.13 Abweichung vom maximalen Jahres-Energieertrag in Funktion von Ausrichtung und Neigungswinkel [BFK8]

8.5.4 Wirtschaftlichkeit

8.5.1 Energetische Bedeutung – 8.5.2 Funktionsweise – 8.5.3 Photovoltaik-Anlagen – 8.5.4 Wirtschaftlichkeit – 8.5.5 Planung

In der Schweiz entsprechen die Kosten einer kWh Solarstrom etwa der kostendeckenden Einspeisevergütung gemäss Energieverordnung [EnV]. Bei Inselanlagen fallen zusätzlich die Batteriekosten ins Gewicht. Für Inselanlagen ist Photovoltaik eine interessante Alternative zu einer langen Netzanschlussleitung oder zum Dieselgenerator. Netzverbundanlagen werden durch die kostendeckende Einspeisevergütung (KEV), durch Solarstrombörsen und durch Anbieter «grünen» Stroms gefördert, weil sich Kunden finden lassen, denen nachhaltig produzierter Strom einen hohen Aufpreis wert ist. Verschiedene Anbieter [Top1] liefern Solarstrom auf Zertifikatbasis, d.h., der gekaufte Solarstrom wird ins Netz eingespeist, aber der Käufer bezieht ihn nicht physikalisch. Der bezahlte Preis ist effektiv ein Aufpreis zum regulär bezogenen Strom. Wenn Elektrizitätswerke Solar- oder anderen Ökostrom anbieten, wird die entsprechende Menge auch so auf der Rechnung ausgewiesen.

Da die Modulkosten weniger als 50 % der Investition ausmachen (2012), sind auch eine rationellere Fertigung der übrigen Komponenten und der Montagesysteme notwendig. Dank Förderung ist ein grosses Wachstum möglich. Mögliche Hindernisse für dieses Wachstum liegen vor allem bei Anschluss- und Abnahmemöglichkeiten seitens des Stromnetzes.

8.5.5 Planung

8.5.1 Energetische Bedeutung – 8.5.2 Funktionsweise – 8.5.3 Photovoltaik-Anlagen – 8.5.4 Wirtschaftlichkeit – 8.5.5 Planung

Als Richtzahlen pro m2 Modulfläche lassen sich für gut geplante und ausgeführte Anlagen annehmen: 150 kWh/a Stromertrag (± 20 % je nach Meteo-Bedingungen und Exposition), 140 bis 190 W Peak-Leistung. Günstig sind ungefähr nach Süden orientierte, geneigte und zusammenhängende Flächen von mehr als 50 m2 oder Flachdächer von mehr als 125 m2. Darauf lässt sich eine Anlage mit einer Leistung von 6 kW oder mehr unterbringen. Grössere Anlagen sind natürlich wirtschaftlicher. Die Solarmodule sollten möglichst wenig beschattet sein. Auch kleine Schatten können grosse Produktionseinbussen bewirken, wenn ein ganzer Strang stillgelegt wird. Die Module können dach- bzw. fassadenbündig oder aufgesetzt montiert werden. Sie müssen zugänglich sein und einwandfrei verankert werden. Die ästhetische Einordnung ist wichtig für die Baubewilligungsbehörde, den Ortsbildschutz und die Denkmalpflege. Es sind Module in verschiedenen Farbvarianten sowie als vorgefertigte Bauelemente (Solarziegel etc.) erhältlich. Da die Module in der Regel über Steckverbindungen angeschlossen werden, ist die Montage vor allem eine Sache des Dachdeckers bzw. des Fassadenbauers. Die Anbieter der Photovoltaikanlagen übernehmen in der Regel die wenig umfangreiche Detailplanung (Einbau, Elektroinstallation). Der Wechselrichter muss wegen der Lüftergeräusche zweckmässig platziert werden. Mit dem Elektrizitätsversorgungsunternehmen muss die Stromabnahme vertraglich geregelt werden.