Mit Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) wird in Solarzellen aus Sonnenenergie elektrischer Gleichstrom erzeugt, der entweder in dieser Form genutzt oder mit Wechselrichtern in Wechselstrom, der dominierenden Form des elektrischen Stroms für fast alle heutigen Stromanwendungen, umgewandelt wird.

Photovoltaikanlagen

Der Begriff Photovoltaik mit der Kurzform PV wurde in den USA geprägt. Er ist weltweit in dieser Schreibweise verbreitet und die Kurzform PV-Anlage wird nicht nur von Insidern verwendet.

PV-Anlagen sind bestens dafür geeignet, im Zusammenwirken mit den zur thermischen solaren Energiegewinnung verwendeten Solarkollektoren energiegenerierende Gebäude zu entwickeln, die selbst einen Teil oder ihre gesamte benötigte Energie produzieren und damit im Hinblick auf den CO₂-Ausstoß zu Niedrig- oder Nullemissionsgebäuden werden.

Energiepotenziale

Könnte das gesamte mit der Solarkonstanten, einer physikalischen Konstanten mit dem Mittelwert 1.370 W/m², berechnete theoretische Solarenergiepotenzial Deutschlands in Höhe von E_th,So,D = 186.000 TWh/a photovoltaisch genutzt werden, käme das einem theoretischen solaren Stromerzeugungspotenzial von E_th,PV,D = 52.000 TWh/a gleich. Das theoretische Solarenergiepotenzial ist die maximale von der Sonne auf die Erde eingestrahlte Energie in einem Jahr. Bei der Umwandlung dieser eingestrahlten Solarenergie in elektrische Energie entsteht das theoretische solare Stromerzeugungspotenzial, wobei der theoretische maximale Umwandlungswirkungsgrad einer Solarzelle für die Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie zu berücksichtigen ist. Dem angegebenen Wert von E_th,PV,D = 52.000 TWh/a liegt eine Siliziumsolarzelle mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 28 % zugrunde. Von diesem theoretisch möglichen Umwandlungswirkungsgrad sind die momentan verfügbaren Solarzellen allerdings noch ziemlich weit entfernt. Das so berechnete theoretische solare Stromerzeugungspotenzial entspricht dem 100-Fachen des gegenwärtigen deutschen Stromverbrauchs (2005: E_V,Elt,D = 521 TWh/a), was sehr optimistisch stimmen kann.

Als technisch mögliches Energiepotenzial stehen in Deutschland nach [50.1] zur Verfügung

• die solartechnisch nutzbare Gebäudedachfläche von rund 800 Mio. Quadratmetern und
• die für eine landwirtschaftliche Nahrungsmittelproduktion nicht mehr benötigte Ackerfläche (unter Beachtung technischer Restriktionen) von 3.500 Mio. Quadratmetern.

Mit den technischen Kenngrößen marktgängiger PV-Anlagen ergeben sich daraus die technisch installierbare Leistung und das technisch mögliche Stromerzeugungspotenzial in Deutschland entsprechend Tabelle 1.

	Dächer	Freiflächen	Summe
technisch installierbare Leistung [GW]	49 ... 125	210 ... 518	259 ... 643
technisch mögliches Stromerzeugungspotenzial [TWh/a]	40 ... 120	179 ... 527	219 ... 647

Tab. 1: Technisch installierbare Leistung und technisch mögliches Stromerzeugungspotenzial mit PV-Anlagen in Deutschland

Der maximale Wert des technisch möglichen Stromerzeugungspotenzials Deutschlands E_{techn,PV,max,D} = 647 TWh/a ist größer als die jährliche deutsche Bruttostromproduktion (2005: E_B,Elt,D = 618 TWh/a), in der auch die Verluste in den Kraftwerken und im Netz enthalten sind. Unter Berücksichtigung der Netz- und Speicherverluste könnte je nach Solarzellentechnologie maximal eine Endenergie zwischen 195 und 410 TWh/a ersetzt werden.

Beim Ermitteln des minimalen Werts wird Elektroenergiespeicherung nur in vorhandenen Pumpspeicherwerken unterstellt, und es werden gegenwärtig noch vorhandene Netzrestriktionen, die sich aus der Forderung nach Frequenz- und Spannungsstabilität ergeben, berücksichtigt. Dieser Wert beträgt 19 TWh/a. Damit ergibt sich für das technisch mögliche PV-Energiepotenzial Deutschlands ein Bereich, der bei Zugrundelegen des Elektroenergieverbrauchs von 2005 eine Spannweite von 3,6-80,6 % hat, was viel Stoff für kontroverse Diskussionen bietet.

Die realen Kosten von mit PV-Anlagen erzeugter Elektroenergie sind gegenwärtig noch deutlich höher als handelsübliche Strompreise. Damit ist ein betriebswirtschaftliches solares Energiepotenzial, das entsteht, wenn die Kosten des photovoltaischen Stroms geringer als die konventioneller Konkurrenzprodukte (Strom aus Kohle- und Kernkraftwerken) sind, zunächst nicht vorhanden. Ein betriebswirtschaftliches solares Energiepotenzial entsteht allerdings durch die für PV-Strom günstigen Rahmenbedingungen entsprechend dem Erneuerbaren Energiegesetz - EEG. Dort wird eine über die Laufzeit des Gesetzes degressiv angelegte Einspeisevergütung vorgeschrieben, die zu einem betriebswirtschaftlich positiven Ergebnis führt.

Durch diese Rahmenbedingungen entspricht in Deutschland gegenwärtig das betriebwirtschaftliche dem technisch möglichen PV-Energiepotenzial.

Das tatsächlich genutzte PV-Energiepotenzial, das als realisiertes Energiepotenzial bezeichnet werden soll, ist wegen der günstigen Rahmenbedingungen stark im Steigen begriffen. Das zeigt die in Tabelle 2 dargestellte Entwicklung der PV-Elterzeugung in Deutschland. Die Stromerzeugung E_PV,D wurde dabei mit einer Volllaststundenzahl von b_V,PV = 800 h/a berechnet. Die Volllaststundenzahl in diesem Fall gibt an, wie lange eine PV-Anlage bei Nenn- oder Bemessungsleistung laufen müsste, um die gesamte PV-Jahresenergie zu produzieren. Dieser Wert ist bei PV-Anlagen wegen der relativ geringen jährlichen Sonnenstunden, verglichen mit 8.760 Jahresstunden, nicht sehr hoch.

Jahr	PPV,D [MW/a]	PPV,ges,D [MW/a]	EPV,D [GWh/a]	Anteil am Stromverbrauch [%]
1995	5	17,4	13,9	0,003
1996	10,5	28	22,4	0,005
1997	14	42	33,6	0,007
1998	12	54	43,2	0,009
1999	15	69	55,2	0,012
2000	44	113	90,4	0,018
2001	79	192	153,6	0,032
2002	83	275	220,0	0,045
2003	157	432	338,4	0,061
2004	500	932	745,6	0,143
2005	600	1532	1225,6	0,235

Tab. 2: Entwicklung der PV-Elektroenergieerzeugung in Deutschland nach dem Bundesverband Solarwirtschaft (BSW)

Deutschland steht mit diesen Potenzialen in der EU an der Spitze, wie aus Daten der EU abzulesen ist.

Belgien	1
Tschechische Republik	-
Zypern	-
Dänemark	-
Deutschland	557
Estland	-
Griechenland	1
Spanien	102
Frankreich	9
Irland	-
Italien	4
Lettland	-
Litauen	-
Luxemburg	9
Malta	-
Ungarn	-
Niederlande	33
Österreich	11
Polen	-
Portugal	3
Slowenien	-
Slowakei	-
Finnland	2
Schweden	0
Großbritannien	4

Tab. 3: PV-Elektroenergieerzeugung 2004 [GWh] in der EU 25 (www.epp.eurostat.cec.eu.int/)

Der Wert für Deutschland ist in der Tabelle 3 der EU kleiner als der in Tabelle 2 berechnete Wert. Gründe sind, dass im berechneten Wert der gesamte in Deutschland erzeugte Strom, während im EU-Wert nur die ins Netz eingespeiste Energie erfasst ist und dass nicht jeder erzeugte Strom auch erfasst und gemeldet wird.

Photovoltaische Systeme

Die PV-Elektroenergieerzeugung erfolgt wegen des stochastischen Solarenergieangebots nur selten entsprechend dem Elektroenergiebedarf. Das ist nach dem geltenden Versorgungsdenken ein gravierender Mangel, sind die Nutzer doch daran gewöhnt, dass die nur schlecht speicherbare Elektroenergie ständig zur Verfügung steht. Diesen Mangel haben konventionelle Kraftwerke nicht, bei denen die zu erzeugende Elektroenergie über die variabel gestaltbare Brennstoffzufuhr an den schwankenden Bedarf angepasst wird. Und die Brennstoffbereitstellung war bisher noch kein Thema.

Da entsprechend der eben getroffenen Feststellung die solar erzeugte Elektroenergie entweder den Bedarf nicht befriedigen kann oder den Bedarf übersteigt, muss sie entweder

• gespeichert werden, was bislang nur unzureichend möglich ist, oder
• in ein regionales Stromnetz eingespeist werden.

Damit ergeben sich zwei Typen von PV-Versorgungssystemen:

• PV-Inselsysteme
• Systeme mit Kopplung an ein regionales Elektroenergieversorgungsnetz (netzgekoppelte PV-Systeme)

PV-Inselsysteme

PV-Inselsysteme sind nicht an ein öffentliches regionales Elektroenergieversorgungsnetz angeschlossen. Sie bilden ein eigenes, in sich abgeschlossenes örtliches Netz und bieten damit Gestaltungsspielraum. Sie benötigten mindestens

• den photovoltaischen Stromerzeuger, auch PV-Generator genannt,
• einen Verbraucher,
• einen Laderegler und
• einen Akkumulator.

Netzgekoppelte PV-Systeme

Netzgekoppelte PV-Systeme speisen in das Netz eines regionalen Energieversorgungsunternehmens (EVU) ein. Sie müssen deshalb einen Anschluss an das öffentliche Netz dieses EVU besitzen und an dieses vorhandene Elektroenergieversorgungsnetz angepasst sein.

Die netzgekoppelten Anlagen benötigen nur die drei Komponenten:

• PV-Generator
• Wechselrichter
• Einspeisezähler

Sie sind damit sehr einfach im Aufbau. Im Gebäude müssen nur der Wechselrichter und der Einspeisezähler zusätzlich untergebracht werden, der Bezugszähler ist auch ohne PV-Anlage erforderlich. Der PV-Generator muss sich an der Außenhaut des Gebäudes befinden, wo er neben der Stromerzeugung verschiedene Gebäudefunktionen wie Dachhaut, Fassade, Blitzableiter, Beleuchtung, Regen- und Schallschutz erfüllen kann.

Die seit dem Jahr 2000 geltenden neuen finanziellen Bedingungen für die Stromeinspeisung werden es den PV-Stromproduzenten geraten erscheinen lassen, allen erzeugten Strom ins Netz einzuspeisen, da dessen Vergütung mindestens doppelt so hoch ist wie der Preis für den aus dem Netz bezogenen Strom. Unter diesen neuen Bedingungen sind die beiden Stromzähler für den Produzenten sehr wichtig, während vorher, als die Einspeisung mit nur 90 % des Bezugs vergütet wurde, das EVU die zwei Stromzähler forderte.

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