Effiziente PV-Anlagen planen:
Die wichtigsten Kenndaten für den Betrieb
Eine Photovoltaik-Anlage (PV) bietet weitreichende Möglichkeiten zur Eigenstromerzeugung und somit einer sehr günstigen Versorgung der Gebäudeelektrik. Tatsächlich lassen sich sogar Wallboxen mit PV-Anlagen koppeln, wodurch sich beim E-Auto-Laden die Kosten nur noch im Bereich von 8 bis 11 Cent pro Kilowattstunde bewegen – statt über 32 ct / kWh bei herkömmlicher Versorgung.
Aufgrund der Natur dieser Form der Energieerzeugung sind jedoch verschiedene Parameter zu beachten. Sie garantieren sowohl eine generelle Machbarkeit am Standort als auch eine maximal effiziente, kostengünstige und rentable Erzeugung von Strom durch Sonneneinstrahlung.
Statische Kennzahlen
für das Dach
Jede Photovoltaikanlage stellt eine Last dar. Besonders relevant wird dies auf Gebäudedächern. Zwar verlangen die Normen eine Dachstuhlkonstruktion mit Lastreserven, jedoch kann das zusätzliche Gewicht einer PV-Anlage diese mitunter zu stark verringern – dann kann beispielsweise Schneefall problematisch werden.
Typischerweise beträgt das Gewicht einzelner Solarplatten einer PV-Anlage 10 bis 12 kg / m², hinzu kommt die Unterkonstruktion von 7 bis 15 kg / m². Ein Modul kommt also auf Quadratmetergewichte zwischen zirka 17 und 27 Kilogramm.
Zudem ist je nach Konstruktion und Standort zusätzlicher Ballast nötig, um Windlasten abzufangen. Dies bedeutet weitere Lasten zwischen 10 und 25 kg / m², die dementsprechend um die Anzahl der Platten multipliziert werden müssen.
Da in vielen Bundesländern PV-Anlagen baugenehmigungsfrei errichtet werden können, empfiehlt sich angesichts dieser Zusatzlasten dringend eine vorherige statische Überprüfung der Dachkonstruktion durch einen Fachmann. Das ist insbesondere bei weitläufigen (Hallen-) Dächern und generell älteren Konstruktionen sinnvoll.
Ausrichtung und Neigungswinkel
in Richtung Sonne
Photovoltaikanlagen erzeugen immer Strom, sobald Sonnenlicht auf sie fällt – jedoch nicht immer dieselbe Menge. Für einen maximal effektiven Betrieb ist ein Lichteinfall genau senkrecht zur PV-Anlage notwendig.
Jede Winkelabweichung in der Horizontalen und Vertikalen vermindert den Ertrag. Für die Praxis bestehen allerdings verschiedene Herausforderungen.
Herausforderung
Sonnenstand
- Die Sonne wandert in ebenem Gebiet im Tagesverlauf in einem 180-Grad-Bogen von 90° (Osten) bis -90° (Westen). Nur mittags beträgt der Azimutwinkel im Zenit exakt 0°.
- Die Höhe des Sonnenstandes verändert sich im Jahresverlauf. Auf dem 50. nördlichen Breitengrad beispielsweise (Höhe Mainz) steht sie zur Sommersonnenwende bei 63,45°, zur Wintersonnenwende hingegen nur bei 16,55°.
- Die Höhe des Sonnenstandes unterscheidet sich ferner vom Breitengrad des jeweiligen Standortes. Dadurch ist die Sonnenenergie (auf der Nordhalbkugel) in südlicheren Arealen generell stärker. Das Licht muss durch den steileren Auftreffwinkel eine geringere Atmosphärendistanz durchdringen und wird dadurch weniger abgeschwächt.
- Hinzu kommen örtliche Herausforderungen, etwa Abschattungen durch Geländeformationen oder Gebäude. Auch die Art des Daches spielt eine Rolle: Auf einem Flachdach beispielsweise können alle Module problemlos nach Süden, Westen oder Osten weisen, wohingegen bei einem Satteldach rechnerisch nur die halbe Dachfläche sonnengünstig liegt.
In der Folge kann eine festinstallierte Photovoltaikanlage nur an wenigen Tagen im Jahr ihr absolutes Leistungsmaximum liefern. In Deutschland erfolgt eine Installation der PV-Anlage deshalb mit zirka 35° Neigung in südlicher Ausrichtung. Dies garantiert über den gesamten Tages- und Jahresverlauf eine möglichst hohe Gesamtauslastung.
Je nach örtlichen Gegebenheiten (etwa in Tallagen) kann jedoch eine andere Ausrichtung nötig sein. Erste Überblicke bieten die regionalen Solarkataster. Jedoch kann nur eine exakte Evaluierung des Standortes durch Experten endgültige Antworten geben.
Der Wirkungsgrad der
einzelnen Solarmodule
Die Leistungsfähigkeit und somit der Ertrag einer Photovoltaikanlage und dadurch aller damit verbundenen Ladepunkte und Kosten für das E-Auto-Laden ist das Ergebnis eines fein austarierten Zusammenspiels verschiedener Kenndaten. Der Wirkungsgrad der Module (Modulwirkungsgrad) ist dabei der erste Schlüssel, noch vor einer sonnengünstigen Ausrichtung.
Dieser Wert bezeichnet die generelle Leistungsfähigkeit eines Moduls unter besten Umgebungsbedingungen rein durch seine Konstruktion. Das heißt: Die auftreffende Sonnenenergie wird durch die abgegebene elektrische Energie dividiert. Standardmäßig nimmt man dafür 1.000 Watt (W) Einstrahlungsenergie bei 25 °C Modultemperatur und einer Luftmasse von 1,5 an – die Sonne muss durch einen schrägen Einfallswinkel die 1,5-fache reale Atmosphärendicke durchdringen.
Leistung und Ertrag
durch Kilowatt-Werte
Durch Umgebungsbedingungen, Ausrichtung, Modulwirkungsgrad und Umfang der Photovoltaikanlage ergeben sich Leistungskennwerte bezüglich der abgegebenen elektrischen Energie. Hierbei sind zwei Kenngrößen von besonderer Bedeutung:
Anlagenertrag und
Amortisationsdauer
Die Anschaffungskosten einer Photovoltaikanlage dividiert durch die eingesparten Ausgaben für Netzstrom ergeben einen Gesamtwert. Je mehr eine PV-Anlage durch optimale Standort- und Sonnenbedingungen leistet und je mehr Strom davon ohne Netzeinspeisung genutzt wird, desto schneller hat sich das System amortisiert. Diese nötige Transparenz ist ein weiterer wichtiger Grund, auf eine Wallbox mit Stromzähler zu setzen.
Relevant in diesem Zusammenhang ist ein Näherungswert bezüglich der kWp-Leistung. In Deutschland geht man hier von folgendem Wert aus:
Pro installiertem kWp erzeugt eine Photovoltaikanlage jährlich etwa 1.000 kWh Strom
Eine größere PV-Anlage mit 25 kWp auf dem Dach eines Mietshauses würde dementsprechend 25.000 kWh Strom erzeugen. Zum Vergleich: Ein durchschnittliches Elektroauto benötigt zirka 15 kWh pro 100 km.
In diesem Zusammenhang bedeutet jede Eigenstromnutzung eine schnellere Amortisation. Stromspeicher können hierbei stark helfen, da bei einer PV-Anlage Erzeugung und Verbrauch zeitlich nicht immer zusammenfallen. Wird die Photovoltaik mit einer intelligenten Wallbox gekoppelt, dann ist es unter bestimmten technischen Voraussetzungen sogar möglich, Elektroautos als Stromspeicher zu nutzen.
Als weiterer Näherungswert für die Amortisation gilt hier Folgendes:
Bei einer eigenfinanzierten PV-Anlage mit Speicher und dadurch Eigenverbrauch von etwa 100 Prozent beträgt die Amortisationsdauer typischerweise maximal 10 Jahre.
Danach betragen die Gestehungskosten nur noch wenige Cent – das, was für die Wartung der Photovoltaikanlage anfällt.
Degradation:
Abnutzung von PV-Anlagen
In einer Photovoltaikanlage bewegt sich nichts. Es erfolgt also keinerlei mechanische Abnutzung. Dennoch sorgt das Funktionsprinzip der im Silizium der Solarzellen wandernden Elektronen für eine gewisse Abnutzung auf molekularer Ebene. Sie vermindert über die Jahre sowohl Anlagenertrag als auch -leistung. Hier gelten aktuell folgende Kennwerte:
- Sofort nach Inbetriebnahme kommt es in den ersten Tagen zu einer Degradation von 1 bis 2 Prozent. Dies ist jedoch unerheblich, da die Leistungsangaben der Hersteller für die Module bereits diesen Wert beinhalten.
- Bei den üblichen kristallinen Modulen beträgt die Degradation pro Betriebsjahr realistische 0,1 bis 0,2 Prozent. Der häufig verwendete Wert von 0,5 Prozent ist deshalb eher hoch angesetzt.
- Nach 10 Betriebsjahren erreicht eine Photovoltaikanlage deshalb noch mindestens 95 Prozent ihres ursprünglichen Wirkungsgrades. Selbst nach 25 Jahren sind es noch zirka 87 Prozent.
Zudem muss die Ertrags- und Leistungsminderung durch Verschmutzung einbezogen werden. Durch die Modulneigung haben PV-Anlagen zwar eine gewisse Selbstreinigungsfähigkeit bei Niederschlägen. Dennoch sollte eine Photovoltaikanlage im fünfjährlichen Turnus gereinigt werden – an schmutzigeren Standorten wahrscheinlich häufiger.
Photovoltaik-Planung
in der Praxis
Von der Idee bis zur funktionsfähigen PV-Anlage mit Ladestationen für Elektroautos ist es kein weiter Weg. In der Praxis zeigt sich jedoch immer eine ähnlich gelagerte Abfolge von Schritten.
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Schritt 1: Standortanalyse
Es wird vor Ort überprüft, welche Art von Photovoltaikanlage sich hier überhaupt installieren lässt:
- Lokale Sonneneinstrahlung,
- zur Verfügung stehende Flächen und
- statische Erwägungen
werden diesbezüglich eruiert. Am Ende dieses Schrittes steht nicht nur die Antwort, ob der Standort sich generell eignet, sondern überdies, welche solaren Erträge hier realistisch machbar sind.
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Schritt 2: Anlagendefinition
In diesem Schritt wird die eigentliche Photovoltaikanlage definiert:
- Die Art der Mode und deren Anzahl,
- die Art der Unterkonstruktion, deren Befestigung und etwaiger Ballast,
- die gewünschte Art der Nutzung, etwa als Photovoltaik-Inselanlage für Elektroautos mit Stromspeicher ohne Netzeinspeisung,
- die Zahl der Ladepunkte und die Art und Weise, wie die Wallboxen mit der PV-Anlage gekoppelt werden,
- die gewünschte Art des Lastenmanagements, um beim E-Auto-Laden die Kosten zu minimieren.
Ferner werden in diesem Schritt automatisch die weiteren Umbaumaßnahmen definiert. Beispielsweise die elektrischen Leitungen, um die Wallboxen mit der PV-Anlage zu koppeln.
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Schritt 3: Anbieterauswahl
Es gibt viele Hersteller von Photovoltaik, dazugehörigen Systemen sowie Unternehmen, welche die praktische Durchführung der Installation übernehmen. In der Praxis überschneidet sich dieser Schritt oftmals mit dem Vorherigen, da bei der Anlagendefinition oft automatisch bereits eine Filterung der Anbieter aufgrund deren Portfolio erfolgt. So bietet es sich etwa an, einen Wallbox-Komplettanbieter mit einem ebensolchen für die PV-Anlage zu kombinieren.
In diesem Schritt werden zudem Kostenvoranschläge eingeholt. Dies ist nötig, um einen möglich exakten Kostenüberblick zu bekommen. -
Schritt 4: Finanzierung
Wenn die Kosten bekannt sind, kann die Finanzierung gesichert werden. Hierbei gilt, dass eine Fremdfinanzierung die Amortisation verlängert. Dies aufgrund der notwendigen Zinszahlungen. Wichtig ist hierbei zudem, die möglichen Förderungsmittel zusammenzutragen. Sowohl für private als auch gewerbliche PV-Anlagen sowie den Einbau von Ladepunkten existieren zahlreiche Förderprogramme auf Bundes-, Landes- sowie weiter unten angesiedelten Ebenen. Die offizielle Förderdatenbank des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz liefert hierfür eine transparente Anlaufstelle.
Wenn diese Schritte durchgeführt wurden, verbleibt nur noch die Installation der Anlage, deren Inbetriebnahme und – äußerst wichtig – die Anmeldung aller Komponenten bei den entsprechenden Stellen: Die PV-Anlage muss bei der Bundesnetzagentur angezeigt werden; die Wallboxen hingegen beim Netzbetreiber. Falls es sich um öffentlich zugängliche Ladepunkte handelt, müssen diese ebenfalls der Bundesnetzagentur gemeldet werden.