Die Definition von Photovoltaik: Sonnenstrom vom Dach

von Dr. rer. nat. Jens-Peter Meyer

Die Sonne lässt nicht nur Blumen blühen und Gemüse gedeihen – auch in Ihrem Eigenheim können Sie die Energie der Sonne nutzen. Die Solaranlage auf dem Dach fängt zuverlässig umweltfreundliche Sonnenenergie ein und verarbeitet die Energie zu Wärme und/oder Strom. Dabei ist zwischen Photovoltaik und Solarthermie zu unterscheiden. Erfahren Sie in unserem Ratgeber alles, was Sie zur Abgrenzung und Definition der Photovoltaik wissen müssen.

Photovoltaik Definition: Solarmodule auf Hausdach in Sonne

Inhaltsverzeichnis

Definition Photovoltaik

Photovoltaik: Per Definition bezeichnen Experten die Solaranlagen, die aus Sonnenlicht Strom gewinnen, als Photovoltaikanlagen.

Im Unterschied zur Photovoltaik spricht die Fachwelt von solarthermischen Anlagen, wenn die Solaranlage Wärme statt Strom generiert. Diese Sonnenwärme nutzen Sie dann entweder in Form von Warmwasser zum Beispiel zum Duschen oder zum Beheizen Ihrer Wohnräume.

Ohne freie Dachfläche keine Solaranlage

Jeder, der eine freie Dachfläche mit einer Ausrichtung von Südost bis Südwest besitzt, kann eine Solaranlage installieren. Photovoltaik lohnt sich auch, wenn das Dach eine West-Ost-Ausrichtung aufweist. In diesem Fall produziert die Anlage schon frühmorgens auf der Ostseite und abends auf der Westseite Strom. Theoretisch ist eine Montage an der Südfassade ebenfalls möglich. Die Anlage und Solarmodule müssen in diesem Fall um die Fensterflächen herum gebaut werden, was optisch Geschmackssache ist.

Praxistipp Einspeisevergütung

Dank der staatlichen Förderung ist das Geld, das Sie für die Einspeisung des Solarstroms in das Stromnetz erhalten, für 20 Jahre garantiert.
Entscheidend für die Höhe Ihrer persönlichen Einspeisevergütung ist der Zeitpunkt der Inbetriebnahme.
Prinzipiell ist die Vergütung degressiv – das heißt, sie sinkt von Monat zu Monat.
Wer nach dem 30.Juli 2022 eine Photovoltaikanlage mit nicht mehr als 10 Kilowatt Leistung in Betrieb nahm, bekommt zum Beispiel die nächsten 20 Jahre eine Einspeisevergütung von 8,6 Cent pro Kilowattstunde. Wer davor startete, erhält entsprechend mehr.

Auch eine steuerliche Abschreibung der Photovoltaikanlage ist möglich. Für Solarthermie gibt es ebenfalls eine Förderung. Aktuelle Informationen hierzu finden Sie in unserem Artikel zu den Fördermitteln für die Heizung.

Definition im Detail: Die Solarzelle als Basis der Photovoltaik

Das Sonnenkraftwerk zur Stromerzeugung auf dem Dach besteht meist aus Silizium-Solarzellen. Silizium gibt es buchstäblich wie Sand am Meer, da sich Sand aus Silizium und Sauerstoff zusammensetzt.

Funktionsweise einer Solarzelle

Der Trick bei einer Solarzelle besteht darin, auf der einen Seite ein wenig Phosphor und auf der anderen Seite ein wenig Bor in das Silizium unterzumischen.
Das Phosphoratom sorgt für eine überschüssige Ladung. Hingegen benötigt das Boratom eine weitere Ladung.
Wenn nun die Sonne auf die Solarzelle scheint, kann sich die Ladung von der einen Seite der Solarzelle zur anderen bewegen.
Dadurch baut sich eine elektrische Spannung auf.
Dieser Effekt erklärt die Definition und das Wort Photovoltaik: Durch Licht – das die griechische Sprache als „Photo“ bezeichnet – entsteht elektrische Spannung, die in Volt gemessen wird.

Viele Solarzellen ergeben ein Photovoltaikmodul

Diese elektrische Spannung ist der Treiber, der den Strom erzeugt. In einer Solarzelle entsteht etwa 0,5 Volt Spannung. 60 Solarzellen zusammen ergeben dann ein handelsübliches Photovoltaikmodul, auch Solarmodul genannt, mit rund 30 Volt Spannung, wie man es auf dem Dach montiert. Ein gutes Modul kann bei voller Sonne ungefähr 280 Watt Leistung bereitstellen.

Die effizientesten Photovoltaikmodule bestehen aus monokristallinen Solarzellen. Jede Solarzelle besteht nur aus einem einzelnen Siliziumkristall. Diese Module erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 22%. Das heißt, sie können mehr als ein Fünftel der im Sonnenlicht verfügbaren Energie in Strom umwandeln.

Andere Photovoltaikmodule nennt der Experte polykristallin oder amorph. Hier ist die Ordnung der Siliziumkristalle nicht so gut und es wird weniger Strom gewonnen. Photovoltaikmodule aus anderen Stoffen als Silizium sind technisch ebenso machbar, aber erreichen keinen besseren Wirkungsgrad als das kristalline Silizium.

Exkurs Solarthermie: Sonnenkollektoren wandeln Sonnenlicht in Wärme

Der Unterschied von Solarthermie und Photovoltaik ist schnell erklärt. Das Modul ist bei der Photovoltaik per Definition die Einheit, die den Strom gewinnt. Im Unterschied dazu nennen Fachleute die Geräte, die Sonnenlicht in Wärme umwandeln, Sonnenkollektoren.

Heizungsbauer finden

Solarkollektoren bestehen heutzutage fast immer aus einer Aluminiumplatte, die mit einer blauen Beschichtung überzogen ist. Jene Schicht sorgt für eine besonders hohe Effizienz. Diese erreicht sie, indem sie fast das ganze Sonnenlicht einfängt und nur sehr wenig durch Infrarotstrahlung wieder verliert.

Sonnenkollektoren können einen Wirkungsgrad von mehr als 80% erzielen. Im Betrieb einer normalen Hausanlage lässt sich dann mit einem tatsächlichen Wirkungsgrad von 50 bis 70% rechnen. Da Sonnenkollektoren so viel effizienter sind als Photovoltaikmodule, fallen Solarwärmeanlagen meist deutlich kleiner aus als Photovoltaikanlagen. Eine kleine Fläche reicht schon aus, um genug Wärme von der Sonne einzufangen.

Besonders klein ist die Fläche bei Vakuumröhrenkollektoren. Experten unterscheiden sogenannte Flachkollektoren, die wie Photovoltaikmodule als flache Platten ausgeführt sind, und Vakuumröhrenkollektoren, die aus Röhren bestehen. Dank der Isolierung mit Vakuum sind Letztere besonders effizient. Dafür sind Flachkollektoren enorm robust und halten locker 30 Jahre und länger.

Welche Voraussetzungen benötigen Sie für eine Photovoltaikanlage?

Photovoltaikmodule lassen sich einfach auf der Dacheindeckung installieren. Diese Aufdachvariante ist besonders kostengünstig. Optisch ansprechender – aber teurer – ist die Integration der Module in die Dachfläche, auch Indachmontage genannt. Alternativ dazu bietet der Markt Dachziegel an, die mit Solarzellen ausgestattet sind. Außerdem gibt es Hybridkollektoren, die gleichzeitig Strom und Wärme produzieren.

Photovoltaik Definition: Frau entspannt auf Couch im Sonnenlicht

Für alle Varianten benötigen Sie ein Montagesystem, mit dem sich die Photovoltaikmodule auf dem Dach befestigen lassen. Eine Kabelverbindung führt vom Dach zum Wechselrichter. Dieser ist notwendig, um aus dem Gleichstrom, den die Photovoltaikmodule produzieren, Wechselstrom zu machen.

Nur Wechselstrom lässt sich im Haushalt verbrauchen und in das Stromnetz einspeisen. Theoretisch könnten Sie auch den Gleichstrom direkt verbrauchen, allerdings müssten Sie sich dann dafür zahlreiche elektrische Spezialgeräte auf Gleichstrombasis anschaffen.

Batteriespeicher als sinnvolle Ergänzung?

Bei rund der Hälfte aller heute in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen kommt ein Batteriespeicher zum Einsatz. Einige Hersteller bieten Geräte an, bei denen der Wechselrichter schon im Speichersystem enthalten ist. Batterien können nur Gleichstrom sichern. Einige Systeme nehmen den Gleichstrom direkt von der Solaranlage und wandeln ihn dann in Wechselstrom um, wenn der Strom im Haus gebraucht wird. Andere speichern den Wechselstrom ein, der vom Wechselrichter kommt und wandeln ihn dazu erstmal wieder in Gleichstrom um.

Mithilfe des Batteriespeichers können Sie mehr von Ihrem produzierten Solarstrom selbst nutzen und speisen weniger Überschüsse in das Netz ein. Heute sind Photovoltaikanlagen darauf ausgelegt, möglichst viel Eigenverbrauch zu erzielen. Der Grund: Die Einspeisevergütung sinkt stetig und bringt mit etwas mehr als 8 Cent pro Kilowattstunde deutlich weniger Nutzen als die durchschnittlichen 32 Cent pro Kilowattstunde, die Strom heute kostet. Darum lohnt sich der Eigenverbrauch.

Photovoltaik: Größe und Kosten

Wie groß sollte eine Photovoltaikanlage sein und was kostet sie mich insgesamt? Hier kommen Sie zum Exkurs, ob Photovoltaik sich für Ihre Objekt lohnt. Die benötigte Größe hängt von Ihrem Stromverbrauch ab. Im Folgenden finden Sie ein Beispiel auf Basis von Daten des Landesverbandes Franken der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.

Rechenbeispiel ohne Batteriespeicher

Eine sparsame vierköpfige Familie verbraucht 4.000 Kilowattstunden Strom im Jahr.
Entscheidet sich die Familie für eine Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 6 Kilowatt, kann sie damit 29% ihres Strombedarfs decken.
Die restlichen 71% müssen sie weiterhin vum Stromversorger beziehen.
Etwa ein Viertel des Solarstromes, den die Anlage produziert, kann die Familie selbst verbrauchen. Drei Viertel speist sie in das Netz ein.
Eine solche Anlage kostet durchschnittlich 11.300 Euro.
In 20 Jahren macht die Familie durch die Solaranlage einen Gewinn von 5.800 Euro. So viel zahlt sie nach Abzug aller Kosten weniger an den Stromversorger als sie das ohne Solaranlage getan hätte. In den Kosten sind neben der Investitionssumme auch Wartung und Betrieb enthalten, die in etwa 250 Euro pro Jahr ausmachen.

Entscheidet sich die Beispielfamilie nun für einen zusätzlichen Batteriespeicher, sollte sie ein Modell mit 6 Kilowattstunden Speicherkapazität nehmen. Das entspricht der Faustformel: Je Kilowatt Leistung der Solaranlage sollte eine Kilowattstunde Speicherkapazität vorhanden sein.

Rechenbeispiel mit Batteriespeicher

Durch den Batteriespeicher steigt der Anteil des Stroms, den die Solaranlage nun zum Gesamtverbrauch der Familie beiträgt, auf 60%. Sie muss nur noch 40% hinzukaufen.
Auch der Eigenverbrauch erhöht sich natürlich: Mehr als die Hälfte ihres Solarstromes nutzt die Familie jetzt selbst.
Die Kosten steigen für eine Anlage mit Speicher auf 15.600 Euro.
Der Gewinn der Familie durch die Solaranlage macht nun in 20 Jahren nur noch 2.600 Euro aus.
Photovoltaik mit Batteriespeicher ist also ökonomisch, der Speicher reduziert aber den Gewinn.
Der Hintergrund: Batteriespeicher befinden sich heute erst an der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit.

Wenn die Beispielfamilie mehr eigenen Strom produzieren will, kann sie durchaus eine größere Photovoltaikanlage mit 8 oder 10 Kilowatt Leistung kaufen. Dadurch lässt sich bis zu 70% ihres Strombedarfs selbst abdecken. Jedoch ist die Anlage ab einem gewissen Punkt nicht mehr wirtschaftlich.

Die Familie tut dann zwar etwas Gutes für die Umwelt, zahlt aber über 20 Jahre gesehen mehr, als wenn sie Netzstrom bezogen hätte. Fährt die Familie ein Elektroauto, sieht es wiederum besser aus: Das Elektroauto steigert den Eigenverbrauch und damit die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage.

Mit Strom heizen

Der Vorteil der Photovoltaikanlage liegt in der Energieform Strom, den Sie im Haus vielseitig einsetzen können:

Strom liefert Licht.
Strom treibt Motoren von Staubsaugern, Waschmaschinen oder Autos an.
Ohne Strom wäre die moderne Kommunikation nicht denkbar.

Wärme erhöht dagegen nur die Temperatur, weshalb Strom als die hochwertigere Energieform gilt. In Ihrem Haushalt sollten Sie den Solarstrom vorrangig für das verwenden, was nur der Strom kann. Mit dem Batteriespeicher lässt sich der tagsüber produzierte Strom bis in die Nachtstunden hinein für die Lichter oder den Fernseher nutzen.

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Und wie sieht es mit dem Heizen aus? In Deutschland benötigen Sie fast immer viel mehr Wärmeenergie als Strom. Nur in sehr gut gedämmten Häusern, wie Passivhäusern, kann sich der Stromverbrauch dem Wärmebedarf annähern. Sollten Sie daher den hochwertigen Strom zum Heizen verschwenden? Das ist umstritten.

Wenn die Solaranlage auf dem Dach mehr Strom liefert als der Haushalt benötigt, ist es sinnvoll, die Überschüsse für Wärme zu nutzen. Am besten eignet sich eine Wärmepumpe, da sie aus einem Teil Strom vier bis fünf Teile Wärme macht.

Funktionsweise einer Wärmepumpe: Die Energieumwandlung Grafik — Die Energieumwandlung in der Wärmepumpe basiert auf vier Schritten: Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen.

Doch auch ein einfacher, elektrischer Heizstab kann, im Wärmespeicher montiert, Stromüberschüsse in Wärme umwandeln.

Intelligente Steuerungen passen Verbrauch an Erzeugung an

Moderne Energiemanagementsysteme erkennen, wenn die Photovoltaikanlage mehr Energie liefert, als Sie gerade im Haus benötigen. Diese intelligenten Steuerungen verknüpfen die Stromproduktion der Solaranlage mit dem Stromverbrauch des Hauses. Auch sind die Systeme in der Lage, die Waschmaschine oder den Geschirrspüler zu starten, wenn Überschussstrom vorhanden ist.

Falls es immer noch einen Überschuss an Strom gibt, wird dieser direkt in die Batterie des Elektroautos weitergeschickt oder das System startet die Wärmepumpe. Um den eigenen Sonnenstrom besonders gut selbst verwerten zu können, heizt die Wärmepumpe den Wärmespeicher um 1°C höher auf, als eigentlich notwendig wäre.

Die Reihenfolge der einzelnen Geräte können Sie in vielen Energiemanagementsystemen selbst einstellen. Einige arbeiten auch mit Wetterprognosen: Sie schätzen im Vorfeld den Solarertrag ab und passen dadurch den Verbrauch an.

Dr. rer. nat. Jens-Peter Meyer

Dr. Jens-Peter Meyer schreibt freiberuflich seit dem Jahr 2000 über Heizungsthemen. Sein journalistischer Schwerpunkt liegt auf erneuerbaren Energien in der Wärmetechnik – speziell in Solarwärmesysteme, Wärmepumpen und Holzheizungen.