Photovoltaik – Definition & Erklärung

Die Indach-Lösung vereint elegant Photovoltaik und Solarthermie. (Foto: Schlagmann Poroton)

Angesichts steigender Energiepreise lohnt es sich, selber Strom auf dem Hausdach zu erzeugen. Bessere und günstigere Stromspeicher, intelligentes Energiemanagement und virtuelle Strom-Communities lassen den Traum von der Stromautarkie wahr werden. Im folgenden erfährst du alles über Photovoltaik – von der Definition über das Speichern überschüssiger Energie bis hin zur Größe der Anlage.

Was ist Photovoltaik? 

Definition: Photovoltaik ist eine Methode, mit der Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt wird. „Photo“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet Licht. Außerdem ist das Wort Volt enthalten. Volt ist die Maßeinheit für elektrische Spannung, die eine Photovoltaik-Anlage erzeugt. Da bei dieser Art der Stromerzeugung weder CO2 noch andere Partikel ausgestoßen werden, zählt Solarstrom zu den saubersten Stromarten überhaupt. 

Wie funktioniert Photovoltaik?

Treffen elektromagnetischen Strahlen der Sonne auf eine photovoltaische Zelle, die so genannte Solarzelle, bringen sie dort Elektronen in Bewegung. Dadurch entsteht ein Stromfluss in der angeschlossenen Leitung. Um diesen solar erzeugten Gleichstrom nutzen zu können, muss er von einem Wechselrichter in den hierzulande gebräuchlichen Wechselstrom umgewandelt werden. So passt er ins öffentliche Stromnetz und wir können ihn verbrauchen. 

Für die Rentabilität der Photovoltaik sind Wirkungsgrad, Modulpreis und technisch-bauliche Voraussetzungen entscheidend. Die klassischen Solarzellen bestehen hauptsächlich aus Silizium, dessen Grundstoff wiederum Quarzsand ist. Sie werden als PV-Module zusammengefasst, die dann entweder auf Dächern von Häusern oder bei größeren Solarkraftwerken auch am Boden montiert werden. Zunehmend kommen aber auch andere Strom erzeugende Substanzen zum Einsatz, die in extrem dünnen Schichten beispielsweise auf Glas, aber auch auf flexible Trägermaterialien aufgebracht und zu Dünnschichtmodulen verarbeitet werden.

Photovoltaik ist ein wichtiger Pfeiler im Bereich erneuerbare Energien. Acht Prozent der deutschen Stromversorgung kommen mittlerweile von der Sonne. Die Bundesrepublik ist weltweit führend in Herstellung und Anwendung von PV-Anlagen. Motor dieser Entwicklung ist vor allem das Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG, ein erfolgreiches Instrument zur Förderung des Stroms aus erneuerbaren Energien. 

PV-Module in Flachziegelform als Dacheindeckung.
Nützlich und schön zugleich: PV-Module in Flachziegelform als Dacheindeckung. (Foto: Nelskamp)

Energie speichern

Ohne einen Speicher können wir die grüne und selbst erzeugte Energie nur zu circa 30 Prozent nutzen. Das liegt vor allem daran, dass um die Mittagszeit, wenn die Erträge besonders hoch sind, meist niemand zu Hause ist. Wohingegen morgens und abends, wenn die Sonne nicht mehr so freigiebig liefert, gekocht und geduscht und generell die meiste Energie verbraucht wird. 

Solarstromspeicher speichern den tagsüber erzeugten Strom, so dass er genutzt werden kann, wenn der Himmel bewölkt ist oder keine Sonne mehr scheint. Damit können sie den Eigenproduktionssanteil des verbrauchten Stroms auf bis zu 100 Prozent steigern. Ist die Batterie voll, kann überschüssiger Strom noch mittels Heizstab oder Wärmepumpe in Wärme umgewandelt und die Energie auf diese Weise im Heizwasserspeicher eingelagert werden. Solarstromspeicher werden meist als „Batteriespeicher“ bezeichnet, es handelt sich aber um wiederaufladbare Akkus, meist Lithium-Ionen-Akkus. Seit 2013 haben sich die Preise für Solar-Akkus halbiert; gleichzeitig sind sie leistungsfähiger und kleiner geworden.

Moderne Lithium-Ionen-Akkus bieten viel Leistung bei geringem Platzbedarf.
Kaum größer als eine Waschmaschine: Moderne Lithium-Ionen-Akkus bieten viel Leistung bei geringem Platzbedarf. (Foto: Senec)

Wer mehr Unabhängigkeit vom Netzstrom wünscht, sollte eine große PV-Anlage mit einem mittelgroßen Speicher kombinieren, um auch im Frühjahr und Herbst die Eigenversorgung in der Nacht zu sichern. Praktisch sind modular aufgebaute Speicher, bei denen sich bei Bedarf Module wie Schub laden einschieben lassen. Damit kann man die Speicherkapazität erhöhen, wenn sich der Haushalt vergrößert oder Elektroverbraucher dazukommen, zum Beispiel ein Elektroauto.

Heute schon möglich, aber noch selten genutzt: Die Batterie eines E-Autos kann nicht nur als Verbraucher, sondern auch als Speicher für PV-Strom dienen. Voraussetzung ist ein bidirektionales Ladegerät, das den Akku des Elektroautos aufladen, aber auch Strom zurück aus der Autobatterie ins häusliche Stromnetz absaugen kann. Zusätzlich zum Auto als mobilem Speicher braucht man dann noch einen kleinen Pufferspeicher, der überschüssigen Strom aufnimmt, wenn das Auto gerade nicht in der Garage steht. Mit dem steigenden Interesse an E-Mobilität könnte die derzeit noch recht teure Technik in Zukunft eine Option darstellen.

E-Mobilität und Photovoltaik beflügeln sich gegenseitig.
E-Mobilität und Photovoltaik beflügeln sich gegenseitig. In Zukunft könnte das E-Auto auch als Stromspeicher wichtig werden. (Foto: Senec)

Strom virtuell speichern

Eher eine Ergänzung als Alternative zu physischen Speichern sind Strom-Clouds oder -Communities. Das Prinzip: Überschüssiger Strom verschiedener PV-Betreiber wird in die virtuelle Cloud „hochgeladen“ beziehungsweise als Guthaben „eingezahlt“ und kann bei Bedarf „abgehoben“ werden. Es handelt sich um ein rein rechnerisches Verfahren, real fließt die Energie ins normale Stromnetz und wird aus diesem bezogen. Angeboten werden Cloud-Lösungen zum Beispiel von Akku-Herstellern (beispielsweise von Senec, Sonnen oder Viessmann), aber auch von Energieversorgern oder Hausherstellern. Rechnerisch ist mit solchen Modellen 100 Prozent Eigenverbrauch möglich. Ob sie sich finanziell lohnen – im Vergleich zu klassischer Netzeinspeisung – ist bei manchen Angeboten aufgrund komplizierter Tarifstrukturen nicht ganz einfach zu erfassen.

Mit einer sonnenBatterie kann man Strom virtuell speichern.
Speicher und Cloud aus einer Hand: Beim Erwerb einer “sonnenBatterie” kann man gleichzeitig Mitglied in einer Strom-Community werden. (Foto: sonnen)

Solarstrom einspeisen

Überschüssiger Solarstrom kann darüber hinaus auch ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Das bereits erwähnte EEG legt eine Einspeisevergütung fest. Das ist ein Betrag, den jeder Betreiber einer Photovoltaik-Anlage pro Kilowattstunde an eingespeistem Solarstrom bezahlt bekommt. Die Einspeisevergütung fällt allerdings nicht besonders hoch aus, so dass ein größtmöglicher Eigenverbrauch das Ziel sein sollte. 

Die richtige Größe der Photovoltaik-Anlage

Die Frage, wie groß eine Photovoltaik-Anlage für ein Einfamilienhaus sein sollte, lässt sich nicht pauschal beantworten. Die Größe ist zum einen abhängig vom durchschnittlichen Stromverbrauch. Der liegt bei einer vierköpfigen Familie bei 4.000 kWh pro Jahr. Weiterhin hängt die Größe auch von der verfügbaren Dachfläche ab und ob bei den Bauherren Autarkie oder Wirtschaftlichkeit vordergründig sind. Lassen Sie am besten zunächst den standortspezifischen mögliche Anlagenertrag pro Quadratmeter ermitteln und prüfen Sie im nächsten Schritt wie viel Quadratmeter Dachfläche überhaupt zur Verfügung steht. Auch die Neigung und Ausrichtung von Photovoltaik-Modulen hat Auswirkungen auf den Ertrag und somit auf die Anlagengröße. Weil eine einzelne Solarzelle nur wenig Strom erzeugt, werden pro Solarmodul im Durchschnitt 60 Solarzellen integriert. Eine PV-Anlage für Eigenheime besteht aus rund 10 bis 40 Solarmodulen, siehe Photovoltaik-Definition.

Photovoltaik oder Solarthermie?

Angehende Bauherren stehen oft vor der Frage, was denn nun der Unterschied zwischen Solar und Photovoltaik ist bzw. welche die richtige Anlage für die eigenen Zwecke ist. Sowohl die Photovoltaik als auch die Solarthermie nutzen die Energie der Sonne. Mit der Solarthermie wird das Sonnenlicht jedoch in Wärme umgewandelt und zum Beispiel das Trinkwasser im Haus erwärmt. Auch die Heizung kann mit dieser Wärme unterstützt werden. Eine Photovoltaik-Anlage eignet sich ausschließlich für die Stromgewinnung, siehe die eingangs genannte Photovoltaik-Definition. Eine Sache haben PV-Anlagen mit solarthermischen Anlagen jedoch gemeinsam: Beide Technologien benötigen Sonnenkollektoren, um die Sonnenstrahlen in nutzbare Energie umwandeln zu können. 

Solarkollektoren zur Wärmegewinnung
Es gibt zwei Arten vom Solarkollektoren zur Wärmegewinnung. Soll nur Brauchwasser erwärmt werden, ist das meist mit Flachkollektoren wie diesen am wirtschaftlichsten machbar. (Foto: Viessmann)
Schlagwörter: Dünnschichtmodule, EEG, Photovoltaik, Solaranlage