Photovoltaik

So arbeiten Solaranlagen am effizientesten

Neigungswinkel, Größe, Himmelsrichtung: Die Effizienz einer Photovoltaikanlage ist von mehreren Faktoren abhängig, auf die Planer und Monteure wesentlichen Einfluss haben. Warum die Leistung trotzdem nicht alles ist und immer mehr Kunden die Hitzebeständigkeit einer Anlage hinterfragen.

Damit die PV-Anlage möglichst ertragreich arbeitet, sollten ein paar Basics beachtet werden.

1.438 Megawatt Photovoltaik-Leistung waren mit 2018 in Österreich installiert, die Zahl klettert seit Jahren nach oben. Damit Kunden möglichst viel aus den Solarzellen herausbekommen und die Anlage möglichst effizient arbeiten kann, sollten Planer und Installateure ein paar wichtige Basics beachten. 

Neigungswinkel

Damit die Photovoltaikanlage möglichst ertragreich arbeitet, ist der richtige Winkel der Module entscheidend. Der Ertrag ist rechnerisch am größten, wenn die Sonnenstrahlen im rechten Winkel auf die Anlage treffen. Mit Standort und Jahreszeit ändert sich der Sonnenstand, einen allgemein gültigen Winkel gibt es deshalb nicht, er muss nach den Bedürfnissen der Anlagenbetreiber ausgerichtet werden. In Mitteleuropa steht die Mittagssonne im Sommer rund 60° bis 65° über dem Horizont, im Winter nur 13° bis 18°. 

Befindet sich die PV-Anlage zum Beispiel auf einer Berghütte, die nur im Winter genutzt wird, sollten die Module dem flacheren Einstrahlungswinkel der Sonne in den Wintermonaten angepasst werden. Hier sollte der Neigungswinkel der Anlage bei etwa 55° liegen. Eine Anlage, die vor allem im Sommer genutzt wird, darf hingegen etwas flacher installiert werden. Hier bietet sich ein Neigungswinkel um die 25° an. Soll die Anlage das ganze Jahr über möglichst ertragreich arbeiten, bietet sich eine Neigung um die 30° an. Bei optimaler Neigung können Photovoltaikanlagen in Österreich jährlich rund 850 Kilowattstunden erneuerbare Energie pro Kilowattpeak installierter Leistung erzeugen.

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Größe

Auch die Größe der PV-Anlage ist vom Nutzungsverhalten abhängig. Bisher hatten die meisten Anlagen eine Leistung von rund fünf Kilowatt, es wird auch häufig auf acht Kilowatt-Anlagen gegriffen. Ein Haushalt verbraucht mittlerweile nicht mehr 5.000 Kilowattstunden Strom, sondern eher 8.000 bis 10.000 Kilowattstunden. Als Faustregel gilt: Die Anlage sollte ungefähr 60 bis 100 Prozent des Stromverbrauchs des Gebäudes abdecken können. „Wir sehen auf jeden Fall, dass die Anlagen immer größer werden. Es wird ja auch immer häufiger elektrisch geheizt, wodurch der Bedarf schnell um 70 bis 100 Prozent steigt“, erklärt Markus König, Geschäftsführer vom niederösterreichischen PV-Anbieter Suntastic.Solar. Eine Photovoltaik-Fläche von einem Quadratmeter erzeugt jährlich rund 150 Kilowattstunden Energie. Bei einem Kilowattpeak PV-Leistung werden rund 900 Kilowattstunden Strom produziert.

Ausrichtung

Neben dem Neigungswinkel der Anlage spielt auch die Himmelsrichtung eine wichtige Rolle. Ein Solarmodul, das Richtung Osten ausgerichtet ist, beginnt bei Sonnenaufgang Strom zu produzieren und wird im Laufe des Nachmittags damit aufhören. Ein Modul auf der westlichen Seite produziert in den Nachmittagsstunden Strom. 

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Auf einem Satteldach ist die Richtung, in die die Module ausgerichtet werden ohnehin vorgegeben. Auf einem Flachdach kann hingegen könne die Module meist frei platziert werden. Idealerweise gibt es hier eine Kombination beider Himmelsrichtungen, also Osten und Westen. Damit erreicht man eine sehr lange Ertragskurve.

Temperatur-Beständigkeit

Bereits 2018 und 2019 haben wir überdurchschnittlich heiße Sommer erlebt, der nächste soll dieses Jahr folgen. Wer nun glaubt, die vielen Sonnenstunden können sich nur positiv auf die PV-Anlage auswirken, liegt falsch. Denn obwohl viel Sonne gut ist für den Ertrag der Solaranlage, lange Hitzeperioden sind eher kontraproduktiv. Denn mit steigender Umgebungs- und damit auch Modultemperatur sinkt die Leistung des Moduls. Dieser Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Leistung von Photovoltaik-Modulen wird mit dem Temperaturkoeffizienten erfasst. Je niedriger der Temperaturkoeffizient, desto besser. 

Panasonic Solar erklärt die Berechnung des Temperaturkoeffizienten am Beispiel seiner Hochleistungsmodule HIT: Seit 2017 liegt der Temperaturkoeffizient der Hochleistungsmodule bei -0,258 Prozent pro Grad Celsius. Das heißt, bei einem 330 Watt-Modul der Serie HIT reduziert sich die Leistung pro Grad Celsius Modulerwärmung um 0,851 Watt. Steigt die Modultemperatur von den standardmäßig zugrunde gelegten 25°C auf 26°C, ist es kein nennenswerter Verlust. Steigt die Modultemperatur an einem heißen Sommertag aber auf 60 Grad, ist das eine Differenz von 35 Grad und entspricht damit einem Verlust von 29,78 Watt. Die Modulleistung beträgt dann noch 300 Watt Leistung. Was nun nach einem großen Verlust klingt, ist im Vergleich zu herkömmlichen kristallinen PV-Modulen allerdings wenig. Denn bei diesen liegt der Temperaturkoeffizient üblicherweise zwischen -0,4 und -0,5 Prozent je Grad Celsius. In konkreten Zahlen ausgedrückt: Erwärmt sich ein herkömmliches 330 Watt-Modul mit einem Temperaturkoeffizienten von -0,5 Prozent von 25 auf 26 Grad Celsius, reduziert sich die Leistung um 1,65 Watt. Bei einem Temperaturanstieg auf 60 Grad, sind es 57,75 Watt. Die Modulleistung liegt dann nur noch bei 272 Watt. 

Durch Module mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten sparen Anlagenbetreiber bares Geld, wie eine einfache Rechnung zeigt: Eine Photovoltaikanlage erzeugt bei der Solarstrahlung in Süddeutschland im Schnitt rund 1.000 kWh/kW und Jahr. Das bedeutet, eine PV-Anlage mit zehn Kilowatt Leistung produziert 10.000 kWh Solarstrom pro Jahr. Wegen des besseren Temperaturkoeffizienten würde eine Anlage mit Hochleistungsmodulen im Vergleich 8,5 Prozent Kilowattstunden Solarstrom mehr erzeugen, also 850 kWh im Jahr. Mit einem Einspeisetarif von 10 Ct/kWh gerechnet, sind das 85 Euro mehr im Jahr. 

Stromspeicher 

Durch die Ergänzung um einen Stromspeicher kann überschüssiger Solarstrom zwischengespeichert und später verwendet werden. „Mit einem Batteriespeicher hat man die Möglichkeit, den Direktnutzungsanteil zu erhöhen und damit die wirtschaftlich der PV-Anlage zu verbessern“, erklärt Kurt Leonhartsberger, Lektor in den Masterstudiengängen „Erneuerbare Urbane Energiesysteme“ und „Innovations- und Technologiemanagement“ an der FH Technikum Wien.

https://youtu.be/n29NMB27xXY Für wen sich ein Stromspeicher lohnt, erklärt Kurt Leonhartsberger in "5 Fragen an..."

Mit Zeitschaltuhren und Energiemanager ist zwar auch ohne Stromspeicher ein hoher Grad an Unabhängigkeit vom Energieversorger von bis zu 40 Prozent möglich, dennoch lässt sich die Energie nur mit einem Energiespeicher bestmöglich nutzen. Mit Speicher können Autarkiegrade von bis zu 80 Prozent erreicht werden. Außerdem bieten einige Solarstromspeicher wichtige Funktionen wie die Notstromversorgung oder die unterbrechungsfreie Stromversorgung. Stromspeicher werden in Österreich auf Bundes- und Landesebene gefördert. Österreichweit gilt der Fördertopf der ÖMAG, der rund 200 Euro pro Kilowattstunde nutzbare Speicherkapazität bereitstellt. Der Fördertopf ist in der Regel jedoch schnell ausgeschöpft. Darum lohnt es sich, Informationen über die länderspezifischen Förderungen einzuholen und diese zu nutzen.