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Übersicht
  • Komponenten einer Photovoltaikanlage
  • Solarzelltechnologien
  • Stromspeicher
  • Planung und Dimensionierung


Eine Solarstromanlage besteht im Wesentlichen aus:


  • Solarmodulen[1] (Generator)

  • Montagesystem

  • Generatoranschlusskasten

  • Wechselrichter[2]

  • Verkabelung (gleich- und wechselspannungsseitig)

  • Schutz- und Zähleinrichtungen




Netzgekoppelte PV-Anlage
Netzgekoppelte PV-Anlage
Copyright: DGS Landesverband Hamburg/Schleswig-Holstein und Landesverband Berlin/Brandenburg


1| Photovoltaik-Generator

2| Generator-Anschlusskasten

3| Stromleitungen

4| Trennschalter

5| Wechselrichter

6| Einspeisezähler

7| Verbrauchszähler

[1] = erwartete Lebensdauer 30-40 Jahre
[2] = erwartete Lebensdauer ca. 10 Jahre

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In einem Solarmodul werden eine bestimmte Anzahl von Solarzellen in Zellsträngen Reihe geschaltet und zum Schutz gegen mechanische Beanspruchung, Witterungseinflüsse und Feuchtigkeit in ein transparentes Verbundmaterial eingebettet und dann zur statischen Stabilität auf ein Trägermaterial (z.B. Acrylglas) aufgebracht.

Die Solarzelltechnologien lassen sich in drei Gruppen unterteilen:


  • kristalline Siliziumzellen (mono- oder polykristallin)

  • Dünnschichtzellen (amorph, CSG, CIS, CdTe)

  • nanostrukturierte Zellen (CIS, Kunststoff-, Farbstoffzellen)



Bisher dominieren die kristallinen Siliziumsolarzellen mit einem Marktanteil von über 90  %. In folgender Tabelle sind die Wirkungsgrade der mit unterschiedlicher Zelltechnik ausgerüsteten Module, sowie der entsprechende Flächenbedarf für 1 Kilowattpeak dargestellt. Hieraus kann man sehr leicht abschätzen, welche maximale Leistung auf einer verfügbaren Dachfläche untergebracht werden kann.

Faustformel: 1kWp = ca. 8 m2 PV-Fläche


Modul und Zelltypen
Modul und Zelltypen
Copyright: DGS Landesverband Berlin/Brandenburg


Im Gegensatz zu Schrägdächern ist bei Flachdächern zu beachten, dass dort die verfügbare Dachfläche nicht mit der Modulfläche gleichgesetzt werden kann. Bei einer Aufständerung kommt es zu Verschattungen weiter hinten stehender Modulreihen durch die Davorstehenden. Um diese Verluste zu begrenzen, müssen die Reihen einen gewissen Abstand voneinander haben. Zur besseren Ausnutzung der Fläche wählt man oft einen Neigungswinkel zwischen 15° und 30° für die Module. Die Flächennutzung liegt dann zwischen 45 % und 30 %.

Von den Herstellern werden für die unterschiedlichsten Dacheindeckungen (z.B. Ziegel, Dachsteine, Schindeln, Metall), Montageorte (Schrägdach, Flachdach, Fassaden, Freiflächen) und –arten (auf das Dach oder Dachintegration, vor die Fassade oder Kalt-/Warmfassade) entsprechende Montagesysteme angeboten.

Die einzelnen Stränge (in Reihe geschaltete Module) einer PV-Anlage werden im Generatoranschlusskasten zusammengeführt. Hier werden die Strangleitungen, die Gleichstromhauptleitung und ggf. die Potenzialausgleichsleitung angeschlossen. Der Generatoranschlusskaten beinhalt Anschlussklemmen und Trennstellen sowie ggf. Strangsicherungen, Strangdioden und Überspannungsleiter.

Der Solarwechselrichter ist das Bindeglied zwischen PV-Generator und Wechselstromnetz bzw. Wechselstromverbraucher. Seine grundlegende Aufgabe ist es, den vom PV-Generator erzeugten solaren Gleichstrom in Wechselstrom umzuformen. Daneben hat er die wichtige Aufgabe, seinen Arbeitspunkt an den aktuellen - von der Einstrahlung abhängigen - maximalen Arbeitspunkt des Solargenerators anzupassen (MPP-Tracking[1] ).

Für die elektrische Installation einer PV-Anlage sind nur solche Leitungen und Kabel einzusetzen, die den Anforderungen für diesen Anwendungsfall entsprechen. Insbesondere ist auf die UV- und Biss-Beständigkeit im Außenbereich und gute Kontaktierung bei der Anschlusstechnik zu achten.

Im Fehlerfall oder um Wartungs- sowie Reparaturarbeiten durchzuführen, muss der Wechselrichter vom PV-Generator getrennt werden können. Dazu wird ein Gleichstromlastschalter benutzt. Zu den wechselstromseitigen Schutzeinrichtungen zählt der Leistungsschutzschalter (Sicherungsautomat), der Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) und der Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz). Neben dem Bezugszähler ist ein Einspeisezähler und ein Erzeugungszähler einzusetzen. Die eigenverbrauchte Solarstrommenge ergibt sich dann aus der Differenz zwischen Erzeugungs- und Einspeisezähler.

Brandgefahr und Blitzschutz

Grundsätzlich ist bei der Errichtung von PV-Anlagen das Brandschutzkonzept des jeweiligen Gebäudes zu berücksichtigen, so dürfen z.B. Brandwände nicht überbaut werden, ebenso ist ein ausreichender Abstand von ihnen einzuhalten. Je nach Gebäudeklasse bzw. nach Art und Nutzung von Sonderbauten ergeben sich unterschiedliche baurechtliche Anforderungen an die Ausführung der PV-Anlage. Diese sind in den Landesbauordnungen festgelegt bzw. lassen sich daraus ableiten. Hilfreich für Einsatzkräfte der Feuerwehr ist das Anbringen eines Hinweisschildes auf eine PV-Anlage am Hausanschlusskasten und ein Übersichtsplan mit einem Überblick zu den spannungsführenden Komponenten im Objekt.

Wird eine PV-Anlage auf einem Gebäude errichtet, erhöht sich nicht die Wahrscheinlichkeit eines direkten Blitzeinschlags. Besitzt das Gebäude noch kein Blitzschutzsystem, kann auf die Errichtung einer Blitzfangeinrichtung verzichtet werden, ansonsten ist die PV-Anlage in den Blitzschutz mit einzubeziehen.

[1] = MPP = Maximum Power Point, Betriebspunkt mit größtmöglicher Leistung des Generators

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Stromspeicher bieten die Möglichkeit, die Diskrepanz zwischen Stromangebot und Nachfrage auszugleichen. Stromspeicher erhöhen auf der einen Seite die Einsparung durch vermiedenen Netzbezug, andererseits steigern sie den Autarkiegrad. Im Rahmen von Speichersystemen in Verbindung mit PV-Anlagen spielen derzeit insbesondere die Blei- und Lithium-Ionen-Technologie eine wesentliche Rolle. Die wesentlichen Unterschiede dieser beiden Technologien zeigt die folgende Tabelle:


Kenngrößen Batteriespeicher
Kenngrößen Batteriespeicher
Copyright: EuPD Research, www.eupd-research.com


Zusammengefasst bieten Lithium-Ionen-Speicher gegenüber Blei-Akkumulatoren folgende Eigenschaften auf.



Vorteile:


  • höhere Zellspannung

  • höhere Energiedichte

  • hohe Leistungsdichte

  • hoher Ladewirkungsgrad

  • geringe Selbstentladung

  • kein Memory-Effekt

  • Wartungsfreiheit

  • hohe Zyklenfestigkeit



Nachteile:


  • Batteriemanagement zur Überwachung jeder Zelle notwendig

  • Temperaturmanagement zur Gewährleistung der Langzeitstabilität erforderlich

  • Hohe Sicherheitsanforderungen

  • Höhere Kosten (Faktor 2 bis 3 pro nutzbare kWh gegenüber Bleibatterien)



Insbesondere die Dynamik der Kosten- und Preisentwicklung hat in letzter Zeit dazu beigetragen, dass die Kosten für Speicher stark gesunken sind. Inwieweit der Einsatz eines Stromspeichers in einem Unternehmen Sinn macht, hängt ab von:


  • der Größe der PV-Anlage

  • der Höhe des Elektroverbrauchs

  • dem Lastprofil der eingesetzten Elektrogeräte



Ein Solarstromspeicher macht relativ wenig Sinn, wenn:


  • der PV-Generator derart ausgelegt ist, dass der überwiegende Teil des produzierten Solarstroms durch den Eigenverbrauch abgenommen werden kann und/oder

  • der Stromverbrauch im Tagesverlauf relativ kontinuierlich erfolgt und/oder

  • nach Sonnenuntergang im Vergleich zum Tag kaum Stromverbrauch vorliegt.




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Aufgrund der gestiegenen Strombezugskosten sowie der gesunkenen Einspeisevergütung werden heutzutage Solarstromanlagen optimiert auf den Eigenverbrauch ausgelegt. Somit besteht der erste Schritt bei der Planung in der Erfassung des Stromverbrauchs wie auch des Verbrauchsprofiles. Falls hierzu keine Messwerte vorliegen, kann auf Basis der Erfahrungen versucht werden, den täglichen, wöchentlichen und monatlichen Stromverbrauch qualitativ abzuschätzen. Hierfür bietet sich die Checkliste im Abschnitt Hilfsmittel/Tools an, siehe hier

Die Größe des Solargenerators ist in einem ersten Schritt so auszulegen, dass die jährlich erzeugte Solarstrommenge in etwa der jährlichen Verbrauchsmenge entspricht. Für die Solarstromproduktion ist folgender Zusammenhang als Mittelwert hilfreich:

Jährlicher Solarstromertrag pro kWp ca. 850 kWh.

Werden in einem Gebäude zum Beispiel im Mittel 5.000 kWh jährlich verbraucht, sollte der PV-Generator nicht größer als 5.000 kWh / (850 kWh/kWp) = 6 kWp werden. Dies erfordert eine Installationsfläche auf einem Schrägdach von 6 kWp x 8 m2/kWp = 48 m2. Im Falle einer Flachdachsituation müsste die verfügbare Dachfläche aufgrund der gegenseitig beschattenden Modulreihen etwa zwei- bis dreimal so groß sein (siehe Box in Abschnitt "Komponenten").

Der Zusammenhang zwischen Stromverbrauch, Eigenverbrauch von Solarstrom und Autarkiegrad kann den folgenden beiden Abbildungen entnommen werden. Hierbei ist jeweils auf die Generatorleistung bzw. nutzbare Speicherkapazität auf den Stromverbrauch bezogen.

Achtung:

Da diesen Diagrammen die Verbrauchsprofile eines typischen Einfamilienhauses zugrunde liegen, müssen für ein gewerbliches Objekt individuelle Berechnungen mit einem Simulationsprogramm erfolgen. Siehe Hilfsmittel/Tools


Eigenverbrauch-Szenarien
Eigenverbrauch-Szenarien
Copyright: Volker Quaschning, www.volker-quaschning.de


Bei einem Stromverbrauch von 5.000 kWh/Jahr und einem PV-Generator mit 6 kWp Leistung befindet man sich auf der x-Achse an dem Punkt 1,2 (= 6 kWp / 5 MWh). Ohne Batteriespeicher (Punkt auf der y-Achse = 0) liegt der Eigenverbrauchsanteil bei knapp 30 %. Mit Hilfe einer Batterie, die z.B. 5 kWh nutzbare Speicherkapazität besitzt, liegt der dazugehörige Punkt auf der y-Achse bei 1,0 (= 5 kWh / 5 MWh). Es ist eine Steigerung des Eigenverbrauchsanteils auf über 50 % möglich. Damit lässt sich auch der Grad der Unabhängigkeit erhöhen, im konkreten Fall von ca. 30 % ohne Batterie auf fast 60 % mit Batterie.


Autarkiegrade
Autarkiegrade
Copyright: Volker Quaschning, www.volker-quaschning.de



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Die Investitionskosten von PV-Anlagen sind erfreulicherweise in den letzten Jahren deutlich gesunken.


Preisentwicklung
Preisentwicklung
Copyright: BSW, Bundesverband Solarwirtschaft


Derzeit müssen pro kWp installierte Leistung für Anlagen bis 10 kWp ca. 1.700 € netto (inkl. Montage) kalkuliert werden. Größere Anlagen werden preiswerter.

In Bezug auf die Wirtschaftlichkeit sind zwei Fragestellungen interessant:

1.) Was kostet eine Kilowattstunde Solarstrom?

2.) Wann haben sich die Investitionskosten amortisiert?

 

Zu 1:

Pro kWp sind Investitionskosten von 1.700 € aufzubringen. Als Betriebs- und Wartungskosten werden jährlich 1 % der Investitionssumme angerechnet ( 17 €/kWp Jahr). Die Solarstromproduktion kann für mindestens 20 Jahre berechnet werden:

= [1.700 € / kWp (20 Jahre * 17 € / (kWp *Jahr))  / ( 20 Jahre * 850 kWh / (kWp * Jahr)) ]

= 0,12 € / kWh (netto)

Damit liegen die solaren Stromgestehungskosten deutlich unterhalb der Netzbezugskosten.

 

Zu 2:

Für die Berechnung der Amortisationszeit müssen die jährlichen Einnahmen der Investition gegenübergestellt werden. Die Einnahmen setzen sich aus vermiedenen Netzbezugskosten (Eigenverbrauch) und der Einspeisevergütung des Überschusses zusammen.

Beispielhaft soll hier die Amortisationszeit für ein mittelständisches IT-Unternehmen mit 35 Mitarbeitern berechnet werden:

Aktueller Strombezug             50.500 kWh/Jahr

Strombezugskosten                0,199 €/kWh

Bekannte Lastgänge              1 kW Dauerlast (24h), 8 kW Klimaanlage (Sommer),

                                              10 kW während den GZ

Verfügbare Dachfläche          170 m2 (Ost, Neigung 6°), 200 m2 (West, Neigung 6°)

PV-Generator                         42 kWp

Spezifischer Ertrag                791 kWh/kWp

Ertrag                                     33.222 kWh/Jahr

Eigenverbrauch                     28.780 kWh/Jahr

Investition                              61.500 € (1.464 €/kWp)

Eigenverbrauchsquote           87 %

Autarkiegrad                          57 %

Amortisationszeit                   Investition / [(Eigenverbrauch x Strombezugskosten x

                                              Netzeinspeisung x Vergütung) – Betriebs- u. Wartungskosten[1] ]

                                              = 61.500 € / [(28.780 kWh/Jahr x 0,199 €/kWh x 4.442 kWh x 0,12 €/kWh) – 615 €/Jahr]

                                              = 61.500 € / 5.355 €/Jahr

                                              = 11,5 Jahre

Gewinn nach 20 Jahren         45.518 €

 

EEG-Umlage

Für Anlagen > 10 kWp ist für jede eigenverbrauchte Kilowattstunde Solarstrom ein gewisser Prozentsatz der EEG-Umlage zu zahlen (30 % bis Ende 2015, 35 % ab 2016, 40 % ab 2017) .

Einspeisemanagment

Bei Anlagen bis einschließlich 30 kWpkann der Betreiber wählen zwischen einer Reduzierung der Wirkleistung auf 70 % oder Ausstattung der Anlage, die es dem Netzbetreiber ermöglicht, die Einspeiseleistung bei Netzüberlastung ferngesteuert zu reduzieren.

Bei Anlagen > 30 kWp bis einschließlich 100 kWpsind die Anlagen mit einer technischen Einrichtung auszustatten, die es dem Netzbetreiber jederzeit ermöglicht, die Einspeiseleistung bei Netzüberlastung ferngesteuert zu reduzieren.

Bei Anlagen > 100 kWpsind die Anlagen mit einer technischen Einrichtung auszustatten, die es dem Netzbetreiber ermöglicht, die Einspeiseleistung bei Netzüberlastung ferngesteuert zu reduzieren und die jeweilige Ist-Einspeisung abzurufen.

[1] = entsprechend 1 % der Investitionskosten pro Jahr


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