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Was ist Sonnenenergie?

12.10.2020

Ohne die Sonne gäbe es kein Leben auf der Erde – sie versorgt unseren Planeten nicht nur mit Wärme, sondern auch mit Licht. Obwohl die Sonne unvorstellbar weit von der Erde entfernt ist, spielt sie in vielen Prozessen eine wichtige Rolle. Durch die Sonne werden Wasser, Meer und Wind in Bewegung gesetzt, wodurch zahlreiche Möglichkeiten zur Stromerzeugung entstehen. Doch die Sonnenenergie kann nicht nur indirekt, sondern auch direkt für die Energieerzeugung verwendet werden. Sonnenkollektoren und Solarzellen helfen dabei, Sonneneinstrahlung in Wärme und Strom zu verwandeln und dadurch den Energiebedarf auf umweltfreundliche Weise zu decken.

Sonnenenergie ist weit verbreitet

In den letzten Jahren ist die Solar- und Photovoltaiktechnik nicht nur im industriellen, sondern auch im privaten Bereich beliebter geworden. Immer mehr Menschen entscheiden sich dafür, Solaranlagen auf ihren Hausdächern zu installieren und dadurch auf natürliche Weise Energie zu erzeugen. Große Stromanbieter und Unternehmen besitzen ganze Felder, die mit Solaranlagen ausgestattet sind und ein hohes Maß an Energie generieren. Doch auch kleine Schritte führen zum Ziel: Inzwischen werden viele Geräte wie Uhren und Taschenrechner mit reiner Sonnenenergie betrieben. Dadurch ist es möglich, den Batterieverbrauch zu reduzieren und

Was ist Sonnenenergie?

@ Mario Lars

Solaranlage, Solarthermie oder Photovoltaikanlage: Was ist was?

Wenn wir von "Solaranlagen" sprechen, kann zweierlei gemeint sein: Auf der einen Seite gibt es Solarthermieanlagen, die Sonnenenergie in Wärme umwandeln. Diese Anlagen dienen zur Erzeugung von Warmwasser, zusätzlich können sie auch Heizwärme bereitstellen. Die zweite Variante sind Photovoltaikanlagen. Hier entsteht aus Sonnenenergie elektrischer Strom, den man direkt im Haushalt nutzen oder in das Stromnetz einspeisen kann. Um welches der beiden Systeme es sich handelt, können Sie schon rein optisch erkennen: Solarthermieanlagen bestehen aus eng aneinander liegenden, parallelen Röhren, die man auch Solar- oder Sonnenkollektoren nennt. Photovoltaikanlagen dagegen setzen sich aus vielen rasterförmig angeordneten Feldern zusammen, den sogenannten Solarzellen oder Solarmodulen.

Wie funktioniert die Wärmeerzeugung aus Sonnenenergie?

Die Warmwasser-Erzeugung in Solarthermieanlagen beruht auf einem recht einfachen Prinzip: In den dünnen, röhrenförmigen Sonnenkollektoren zirkuliert eine Flüssigkeit, meist ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel. Dieser Kreislauf wird durch eine Pumpe angetrieben. Scheint die Sonne auf die Anlage, dann erwärmt sich die Flüssigkeit in den Röhren. Über einen Wärmetauscher wird die Wärmeenergie anschließend an einen Wasserspeicher abgegeben, der sich oft im Keller des Hauses befindet. Von dort gelangt das erwärmte Trinkwasser zu den Zapfstellen im Haushalt. Bei sogenannten Kombianlagen wird über einen Wärmetauscher auch Wärme an den Wasserkreislauf der Heizanlage abgeführt, was gerade bei Wärmepumpen-Heizungen sehr sinnvoll ist.

Wie funktioniert die Stromerzeugung durch Sonnenenergie?

Die Stromerzeugung aus Sonnenstrahlung ist in technischer Hinsicht etwas anspruchsvoller. In den meisten Fällen funktioniert eine Photovoltaikanlage so:

Zurzeit werden für die Stromerzeugung durch Sonnenenergie häufig Systeme verwendet, die mit Solarzellen und Speicherbatterien ausgestattet sind. Die Solarzellen nehmen das Sonnenlicht auf und speichern die Energie in den Batterien. Die Energie kann dann in Echtzeit und auch bei Dunkelheit verwendet werden. Dank der Energiespeicherung braucht die Sonne nicht rund um die Uhr zu scheinen, damit sich eine Solaranlage lohnt. In den meisten Fällen funktioniert eine Solaranlage so:

  • Das Sonnenlicht trifft auf die Solarmodule, die die Photonen der Sonnenstrahlen absorbieren und sie in elektrische Energie umwandeln. Diese Umwandlung findet fast immer dann statt, wenn die Sonnenstrahlen auf die Module treffen – große Verzögerungen entstehen dabei nicht. Der Strom, der durch die Solarmodule erzeugt wird, ist Gleichstrom.
  • Ein Wechselrichter, der z.B. an der Garagenwand installiert ist, konvertiert den Gleichstrom zu Wechselstrom. Dadurch ist es möglich, ihn im heimischen Stromnetz für den Betrieb von TV, Lampen und anderen Elektrogeräten zu nutzen.

Anders als Wärme lässt sich elektrischer Strom als solcher jedoch nicht "aufbewahren". Deshalb muss die erzeugte Energie entweder unmittelbar im Haushalt verbraucht oder in das Stromnetz eingespeist werden. Möglich ist es aber auch, die Photovoltaikanlage mit einem Stromspeicher zu kombinieren. Dadurch kann der tagsüber erzeugte Strom auch in den Abend- und Nachtstunden verbraucht werden, wenn die Sonne nicht mehr scheint.

Wie funktioniert die Stromerzeugung durch Sonnenenergie?
Photovoltaikanlagen auf einem Dach

Unter welchen Voraussetzungen ist eine eigene Photovoltaik-Anlage sinnvoll?

Das private Sonnenenergie-Kraftwerk auf dem Dach - für immer mehr Eigenheimbesitzer ist das eine attraktive Option. Doch nicht jedes Hausdach ist für eine Solaranlage gleichermaßen geeignet!

Wenn Sie über eine eigenen PV-Anlage nachdenken, sollten Sie die folgenden Punkte überprüfen:

  • Statik: Das Gewicht der Solarmodule und des Montagesystems kann rund 20 kg / m2 betragen. Die Dachkonstruktion muss daher stabil genug sein, um die Anlage zu tragen. Im Zweifelsfall ist eine Statikprüfung durch einen Experten zu empfehlen.
  • Dachneigung: Am effizientesten arbeitet die Anlage, wenn die Sonnenstrahlung senkrecht (also in einem 90-Grad-Winkel) auf die Solarzellen trifft. In unseren Breiten ist das bei einer Dachneigung von 30 Grad (Süddeutschland) bis 35 Grad (Norddeutschland) der Fall - in diesem Bereich kann die Sonnenenergie optimal genutzt werden. Kleinere Abweichungen sind allerdings nicht schlimm: Liegt die Dachneigung um höchstens 20 Grad über oder unter dem Optimalbereich, dann reduziert sich die Sonneneinstrahlung um maximal 5 Prozent. Erst bei einem noch steileren oder flacheren Winkel liefert die PV-Anlage deutlich weniger Ertrag.
  • Dachausrichtung: Für einen optimalen Ertrag sollte die Dachfläche exakt nach Süden ausgerichtet sein. Falls das bei Ihnen nicht der Fall ist, müssen Sie jedoch keinesfalls auf eine eigene PV-Anlage verzichten. Auch hier lohnt sich ein Blick auf die Fakten: Bei einer exakten Südwest- oder Südost-Ausrichtung, also einer Abweichung von 45 Grad vom Optimum, liefert die Anlage nur um etwa 5 Prozent weniger Strom. Bei einer West-Ost-Ausrichtung des Daches verringert sich der Ertrag gegenüber der Südausrichtung zwar um etwa 20 Prozent. Doch dafür ist die Stromerzeugung gleichmäßiger über den ganzen Tag verteilt: Anstatt eines Maximums zur Mittagszeit gibt es zwei kleinere Ertragsspitzen am Vormittag und am Nachmittag. Dadurch können Sie tendenziell mehr Sonnenenergie selbst nutzen.
  • Dachtyp: Optimal für eine PV-Anlage geeignet sind Schrägdächer, wie sie in Deutschland verbreitet sind. Bei einem Flachdach mit einer Neigung von weniger als 10 Grad ist der Einstrahlungswinkel der Sonne nicht optimal. Man kann die Solarmodule jedoch auf Metallträgern aufgestellt montieren, um einen passenden Neigungswinkel zu erreichen.
  • Mögliche Verschattung: Schattenwürfe durch Nebengebäude, Bäume, aber auch Schornsteine oder Satellitenschüsseln können den Ertrag der PV-Anlage deutlich verringern! Berücksichtigen Sie bei der Planung auch, dass sich die Beschattung im Jahresverlauf ändern kann.

Wie viel Strom produziert eine Photovoltaik-Anlage durch Sonnenenergie?

Der Ertrag einer Photovoltaikanlage hängt von mehreren Faktoren ab:

  • ihrer Größe,
  • den genauen Standortbedingungen
  • und auch der verwendeten Technik.

Um die Leistung einer PV-Anlage zu beschreiben, wird oft die Einheit Kilowatt peak (kWp) angegeben. Damit ist die Spitzenleistung unter definierten Standardbedingungen gemeint. Pro kWp kann eine Photovoltaik-Anlage einen Ertrag von ca. 850 bis 1.000 Kilowattstunden (kWh) pro Jahr erzielen. Zum Vergleich: Eine vierköpfige Familie benötigt pro Jahr rund 4.000 kWh Strom. Rein rechnerisch würde daher eine Anlage mit 4 bis 5 kWp den Energiebedarf decken.

Wie hoch ist der Eigenverbrauchsanteil?

Doch leider ist es in der Praxis kaum möglich, mit einer eigenen Photovoltaikanlage stromautark zu werden. Das liegt daran, dass Erzeugung und Verbrauch zeitlich nie exakt zusammenfallen. In einem Berufstätigen-Haushalt wird in den Morgen- und Abendstunden besonders viel (Öko)Strom verbraucht, die meiste Sonnenenergie steht jedoch zur Mittagszeit zur Verfügung. Deshalb liegt der Eigenverbrauchsanteil in diesem Haushalt im Schnitt bei rund 30 Prozent. Das bedeutet einerseits, dass der überschüssige Strom zur Produktionsspitze ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden muss. Dafür erhalten Sie als Solaranlagenbetreiber eine Einspeisevergütung nach dem EEG, die sich in den letzten Jahren allerdings stetig verringert hat. Derzeit (Stand Oktober 2020) liegt sie bei 8,64 Cent pro kWh. Andererseits benötigen Sie zusätzlichen Strom von Ihrem Stromversorger, wenn die Sonne gerade nicht scheint. Natürlich gilt: Je höher Ihr Eigenverbrauchsanteil ist, desto weniger Strom müssen Sie zukaufen.

So lässt sich der Eigenverbrauchsanteil erhöhen

Um mehr Sonnenenergie selbst zu nutzen, können Sie versuchen, Ihren Stromverbrauch - soweit möglich - in die Produktionszeiten der Solaranlage zu verlegen, also z.B. die Waschmaschine bevorzugt zur Mittagszeit einzuschalten. Eine weitere Möglichkeit ist es, die PV-Anlage mit einem Stromspeicher zu kombinieren. Dabei handelt es sich in der Regel um Blei- oder Lithium-Ionen-Akkus. Mithilfe einer solchen Speicherlösung lässt sich der Eigenverbrauchsanteil auf bis zu 70 Prozent erhöhen. 

Wirtschaftlichkeit: Wann rechnet sich eine PV-Anlage?

Doch ist eine private PV-Anlage aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten überhaupt sinnvoll? Diese Frage ist nicht ganz einfach zu beantworten. Auf der einen Seite stehen die Ausgaben, also in erster Linie die Anschaffungskosten für Kauf und Montage der Solaranlage. Im groben Schnitt können Sie von einem Preis von 1.450 Euro pro kWp Leistung ausgehen, eine Anlage mit 5 kWp würde damit 7.250 Euro kosten (ohne Stromspeicher). Die laufenden Betriebskosten für Wartung, Reinigung etc. sind in der Regel gering, überschlagsmäßig betragen sie rund 250 Euro pro Jahr. Auf der anderen Seite erzielen Sie mit der PV-Anlage direkte und indirekte Einnahmen: Sie ersparen sich einen Teil Ihrer Stromkosten und erhalten eine Einspeisevergütung für den nicht selbst genutzten Solarstrom. Ab wann sich die Solaranlage "rechnet", ist objektiv schwer zu beurteilen, weil niemand weiß, wie sich die Strompreise in der Zukunft entwickeln werden. Oft wird die Amortisationszeit - also der Zeitpunkt, an dem die Solaranlage ihre Kosten wieder eingebracht hat - mit 10 bis 14 Jahren geschätzt.

Doch ganz gleich ab wann sich Ihre Anlage amortisiert: Für die Umwelt rechnet sich die Nutzung von Sonnenenergie in jedem Fall! Wenn Sie aktiv zur Energiewende und damit zum Klimaschutz beitragen wollen, ist eine private Photovoltaikanlage somit immer eine klare Empfehlung.

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