Photovoltaik-Anlagen werden nicht zur Wärmegewinnung, sondern zur Stromerzeugungeingesetzt. Wenn ein Wohngebäude-Eigentümer mit einer Photovoltaik-Anlage auf seinem Gebäudegrundstück selbst Strom produziert, kann dies im Erneuerbare-Wärme-Gesetz als Ersatzmaßnahme angerechnet werden – egal ob der Strom selbst genutzt oder in das Netz einspeist wird. Damit das EWärmeG vollständig erfüllt ist, muss die PV-Anlage eine (Spitzen)Leistung von mindestens 0,02 kWp pro m² Wohnfläche erbringen, unabhängig von der Anzahl der Wohneinheiten (Ein- oder Mehrfamilienhaus).
Beispiele: Einfamilienhaus mit 100 m² Wfl. = 2 kWp Leistung der PV-Anlage | Mehrfamilienhaus mit 200 m² Wfl. = 4 kWp Leistung der PV-Anlage
Kombination mit anderen Erfüllungsoptionen
Eine anteilige Erfüllung ist entsprechend der Leistung möglich – auch bereits installierte ältere Photovoltaik-Anlagen können berücksichtigt werden. Da es sich um eine Ersatzoption handelt, kann diese ggf. mit der neu installierten Wärmeerzeugereinheit kombiniert werden. 5 % können auch über den Sanierungsfahrplan ergänzt werden.
Gängige Kombinationen: Wärmepumpe, Gasheizung mit Biogas, Sanierungsfahrplan
Stand der Technik – Photovoltaik zur Stromerzeugung
Eine PV-Anlage besteht aus mehreren Komponenten, die aufeinander abgestimmt sein müssen. Hauptbestandteile sind die Solarmodule, die durch Leitungen miteinander verbunden sind. Jedes Solarmodul besteht aus einer Reihen von einzelnen Solarzellen. Die Solarzellen sind die stromerzeugenden Bauteile einer Photovoltaik-Anlage, in denen das eingestrahlte Sonnenlicht in nutzbaren Strom umgewandelt wird. Der erzeugte Strom ist Gleichstrom und muss zur Nutzung im Haushalt oder zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz mit einem Wechselrichter zu Wechselstrom umgewandelt werden. Ein Einspeisezähler erfasst die ins Netz eingespeiste Strommenge. Optional kann ein Stromspeicher, der bei der Eigenversorgung den überschüssigen Strom zwischenspeichert, eingesetzt werden.
Exkurs: Die Solarzellen bestehen aus Halbleitern. Halbleiter sind Materialien, die durch Einfluss von Wärme oder Licht elektrisch leitend werden. Der größte Teil der weltweit produzierten Solarzellen nutzt den Halbleiter Silizium. Dieses Element eignet sich aufgrund seiner Verfügbarkeit und Umweltverträglichkeit bei der Verarbeitung besonders für die Herstellung von Solarzellen. Das Sonnenlicht verschiebt Ladungen im Halbleiter und erzeugt eine elektrische Spannung. In der Solarzelle befinden sich unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten (n‑dotiertes Silizium und p‑dotiertes Silizium). N‑dotiertes Silizium ist negativ geladen, p‑dotiertes Silizium positiv. An der Grenzschicht dieser beiden Halbleiterschichten entsteht ein sogenannter p‑n-Übergang. Hier entsteht ein inneres elektrisches Feld, welches durch Lichteinfall zu einer Trennung der freigesetzten Ladungsträger führt. Über Kontakte an der positiven und negativen Elektrode kann eine elektrische Spannung abgeführt werden. Die aufgebrachte Antireflexionsschicht sorgt für den Schutz der Solarzellen und soll Verluste durch Reflexion an der Oberfläche reduzieren.
Unterschiedliche Modultypen von Photovoltaik-Anlagen
Je nach Kristallart unterscheidet man nach Monokristallinen‑, Polykristallinen- und Dünnschichtmodulen. Das Prinzip der Nutzung solarer Strahlung ist bei allen Modulen gleich, allerdings unterscheiden sie sich bezüglich ihrer Kosten und Wirkungsgrade. Entscheidend für die Wahl der Module sind immer auch die baulichen Begebenheiten und die Ausrichtung der Montagefläche.
Solarmodule einer Photovoltaik-AnlageDie Monokristalline-Photovoltaik-Module sind bezüglich der Anschaffungskosten die teuersten, allerdings auch die leistungsstärksten. Eingesetzt werden sie meist bei kleinen Dachflächen mit einer optimalen Ausrichtung nach Süden. Die effektivsten Monokristalline-Module erreichen bei direkter Sonneneinstrahlung einen Wirkungsgrad von bis zu 20 %. Die günstigeren Polykristalline-Module weisen dagegen einen geringeren Wirkungsgrad von etwa 15 % auf. Allgemein werden diese Module als die Solarzellen mit dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis bezeichnet. Zum Einsatz kommen diese Module aufgrund ihres geringeren Wirkungsgrads häufig auf großen Dachflächen mit optimaler Sonneneinstrahlung. Dünnschicht-Module oder auch „amorphe Solarzellen“ genannt, haben ein wesentlich geringeres Gewicht und sind dünner als Kristalline-Module. Bei der Herstellung wird ein Halbleiter, z. B. Silizium auf eine Trägerplatte aufgedampft oder gesprüht. Der sehr geringe Materialeinsatz und die stark automatisierte Herstellung machen die Dünnschicht-Module preislich verhältnismäßig günstig. Der Nachteil besteht in ihrem geringen Wirkungsgrad von weniger als 12 %.
Leistung einer Photovoltaik-Anlage
Die Leistung einer Photovoltaik-Anlage wird in Watt peak (Wp) oder Kilowatt Peak (kWp) angegeben. Der englische Begriff „peak“ weist dabei auf die höchstmöglich erzielbare Leistung der Photovoltaik-Anlage hin. Dieser Wert bezieht sich allerdings auf Laborwerte unter optimalen Bedingungen bei einer Zellentemperatur von 25 °C und einer Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m². In der Praxis werden diese Werte in der Regel nicht erreicht.
Wirtschaftlichkeit: Eigennutzung und Einspeisevergütung von PV-Anlagen
Zur Steigerung des Zubaus Erneuerbarer Energien bei der Stromproduktion wurde für Erzeuger eine garantierte Einspeisevergütung im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) festgelegt. Die Höhe ist von dem Datum der Inbetriebnahme abhängig und wird über eine Dauer von 20 Jahren gezahlt. Im Jahr 2000 wurde für die ersten PV-Anlagen diese Einspeisevergütung bezahlt. Von Jahr zu Jahr wurde die Vergütung weiter gesenkt, bis diese etwa im Jahr 2011 unter das Niveau des Bruttopreises für Haushaltsstrom sank, dem sogenannten „Grid parity“.
Je höher der Strompreis steigt und je geringer die Einspeisevergütung ausfällt, desto mehr lohnt sich die Eigennutzung des in der Photovoltaik-Anlage erzeugten Stroms. Da die Zeiten der größten Stromproduktion in der Regel nicht in die Zeiten der größten benötigten Strommenge fallen, bietet sich ein Stromspeicher an, um den Eigenverbrauch zu steigern. Je nach örtlichen Begebenheiten, Nutzerverhalten und geplanter Größe der Anlage ist ein Stromspeicher individuell zu prüfen und an die Photovoltaik-Anlage anzupassen. Hierzu bieten einige Hersteller ein Berechnungstool zur groben Auslegung der Anlage an.
Hinweis: Bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung einer Photovoltaik-Anlage ist die Degradation zu beachten. Unter Degradation versteht man die Leistungsminderung der PV-Anlage aufgrund von Alterung. Ursachen hierfür sind komplizierte, physikalische Prozesse die in den Solarzellen stattfindet. Die Degradation muss bei der Ertragsberechnung der Anlage berücksichtigt werden und unterscheidet sich je nach Modultyp. Bei der Berücksichtigung der Degradation wird in der Regel ein Zeitraum von 20 bis 25 Jahren betrachtet. Für diesen Zeitraum geben die meisten Modulhersteller eine Leistungsgarantie, einige auch länger. Für die kristallinen PV-Module wird üblicherweise ein Wert von 0,5 % Leistungsverlust pro Jahr angenommen. Die Alterung der Dünnschichtmodule verhält sich extrem anders. Die Dünnschichtmodule können innerhalb der ersten 1.000 Betriebsstunden einen Leistungsverlust von bis zu 25 % aufweisen. Nach diesem Zeitraum altern diese aber dann kaum noch.
Anteilige Gesetzeserfüllung durch eine Photovoltaik-Anlage
Eine anteilige Anrechnung ist nach § 11.2 Satz 2 durch die folgende Formel möglich:
\[\frac{installierte \: Nennleistung \: [kWp]}{erforderliche \: Nennleistung \:[kWp]}\times15\:\%=Anteil \: Ersatzmaßnahme \: [\%]\]Ist der Wert größer oder gleich 15 %, sind die Vorschriften vollständig erfüllt. Ansonsten ist die anteilige Erfüllung folgendermaßen zu berechnen:
\[ \frac{Anteil \: Ersatzmaßnahme\:[\%]}{15 \: \: \% \:}\times100\:\%=Erfüllungsgrad\:[\%]\]