Solarenergie

Einfamilienhaus mit Solarpanels auf dem Dachzum Vergr??ern anklicken
Aus Sonnenenergie kann Strom und auch W?rme für Heizung oder Warmwasser gewonnen werden.
Quelle: reimax16 / Fotolia.com

Solarenergie wird mit Hilfe der Photovoltaik und der Solarthermie genutzt. Bei der Photovoltaik wird die Strahlung der Sonne direkt in elektrische Energie umgewandelt. Bei der nicht-konzentrierenden Solarthermie wird Flüssigkeit in Solarkollektoren erw?rmt. Die Photovoltaik wurde in den vergangenen Jahren stetig zugebaut und leistet einen bedeutenden Beitrag zur Stromversorgung.

Inhaltsverzeichnis

 

Photovoltaik

Strom aus Photovoltaikanlagen – so funktioniert es

Bei der Photovoltaik (PV) kommen haupts?chlich mono- und polykristalline Solarzellen zum Einsatz. Dünnschichtzellen auf der Basis von Silizium oder anderen Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Cadmium-Tellurid, haben einen sehr geringen Marktanteil. Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial, das unter dem Einfluss von Sonnenlicht Elektronen in Bewegung setzt und damit Strom erzeugt. Dieser Gleichstrom wird über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt.

Das wichtigste Instrument für die F?rderung der Photovoltaik ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Die gesetzlich festgelegten Vergütungss?tze je eingespeister Kilowattstunde (kWh) unterscheiden zwischen kleinen PV-Anlagen auf Einfamilienh?usern und gr??eren PV-Anlagen bis 750 Kilowatt (kW). Hintergrund sind die h?heren Kosten je Kilowatt bei kleineren Anlagen. über 750 kW hinausgehende PV-Anlagen auf D?chern und Freifl?chen müssen an Ausschreibungen teilnehmen, die durch die Bundesnetzagentur durchgeführt werden. Dabei wird der Vergütungssatz wettbewerblich bestimmt. Der mittlere Zuschlagswert in den vergangenen Ausschreibungen schwankte seit Anfang 2018 im Schnitt um 5 Cent / kWh. Kleine Dachanlagen bis 10?kW, die Mitte 2020 in Betrieb gingen, erhalten für den eingespeisten Strom ca. 9?Cent / kWh.

Die H?he der Vergütung ist vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme abh?ngig und wird über 20 Jahre gezahlt. Die Vergütung für neue Inbetriebnahmen sinkt langsam ab, um die sinkenden Systemkosten der Photovoltaik abzubilden. Die jeweils aktuelle Vergütung für neue Inbetriebnahmen kann bei der Bundesnetzagentur eingesehen werden. Seit dem Jahr 2000 wurden Solaranlagen mit Inkrafttreten des EEG in erheblichem Umfang zugebaut, die Kosten sind seitdem um über 90 Prozent gesunken. Aktuelle Daten zur installierten Leistung und zur Bruttostromerzeugung finden Sie unter ?Erneuerbare Energien in Zahlen“.

Die Karte zeigt Kraftwerke ab 100 MW sowie die installierte Photovoltaikleistung in Deutschland und den einzelnen Bundesl?ndern.
Kraftwerke und Photovoltaikleistung in Deutschland

Karte Kraftwerke und Photovoltaikleistung in Deutschland, Stand Juni 2020

Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.

Quelle: Umweltbundesamt kraftwerke-_photovoltaikleistung_2020.pdf

Eigenverbrauch und Batteriespeicher

Bei PV-Dachanlagen ist die Selbstversorgung mit dem erzeugten Solarstrom besonders attraktiv. Hintergrund sind die niedrigen Stromerzeugungskosten mit Photovoltaik gegenüber den h?heren Strombezugskosten, welche zu einem gro?en Anteil aus Steuern, Abgaben und Umlagen bestehen. Diese Strombezugskosten k?nnen durch Selbstversorgung teilweise eingespart werden. Der Stromanteil, der direkt im Geb?ude verbraucht werden kann, ist unter anderem von der Gr??e der Photovoltaikanlage und dem individuellen Stromverbrauch abh?ngig.

Mit einer Batterie kann der selbsterzeugte Photovoltaikstrom zwischengespeichert und zu Zeiten verbraucht werden, in denen die PV-Anlage keine (ausreichende) Leistung liefert. Der Eigenverbrauchsanteil kann so deutlich gesteigert werden. Allerdings sind demgegenüber die Kosten und die eingeschr?nkte Lebensdauer eines Stromspeichers zu sehen. Zukünftige Strompreissteigerungen, die die Differenz zwischen PV-Stromerzeugungskosten und Strombezugskosten vergr??ern und so die Amortisationszeit eines Batteriespeichers verkürzen, müssen nicht unbedingt eintreten. Zudem geht mit der Herstellung eines Batteriespeichers ein Ressourcenaufwand einher, dem wenig zus?tzlicher Nutzen für die Energiewende gegenübersteht – die eingespeicherte Strommenge w?re ansonsten eingespeist worden und h?tte im Stromnetz andere (fossile) Energiequellen verdr?ngt. Der Einsatz eines Batteriespeichers sollte vor diesen Hintergründen sorgsam abgewogen werden. Grunds?tzlich sind Speicher auf Netzebene zu bevorzugen, die nicht in erster Linie den Eigenverbrauch des Anlagenbetreibers steigern, sondern zum Beispiel kurzfristige Strombedarfe im Netz ausgleichen k?nnen.

Weiterbetrieb nach Ende der F?rderung

Ab dem Jahr 2021 endet für die ersten Photovoltaikanlagen die zwanzigj?hrige F?rderdauer nach dem EEG. Bei den meisten Anlagen dürfte die technische Lebensdauer noch nicht erreicht sein, sodass ein Weiterbetrieb nach dem F?rderende grunds?tzlich m?glich ist. In einem Gutachten im Auftrag des Umweltbundesamtes wurden die Kosten der Direktvermarktung nach F?rderende bewertet und Optionen für eine vereinfachte Abnahmeregelung für Strom aus diesen Photovoltaikanlagen entwickelt.

Mit dem EEG 2021 wurde für kleine EEG-Anlagen bis 100 Kilowatt, deren F?rderung in den Jahren bis 2027 endet, eine vereinfachte Abnahmeregelung eingeführt. Diese entspricht im Wesentlichen den Vorschl?gen des Gutachtens. Die Regelung besagt, dass die Netzbetreiber auch weiterhin den Strom an der B?rse verkaufen und die Erl?se zukünftig ohne eine F?rderung und abzüglich der Vermarktungskosten an die Betreiber weitergeben (?Marktwertdurchleitung“). Der Marktwert für Solarstrom lag im Durchschnitt der Jahre ab 2015 bei ca. 3,6 Cent pro Kilowattstunde. Für die Folgejahre wird von einer tendenziellen Steigerung des Marktwertes ausgegangen. Die Kosten der Vermarktung sind für das Jahr 2021 mit 0,4 Cent pro Kilowattstunde festgelegt, in den Folgejahren werden die realen Vermarktungskosten durch die übertragungsnetzbetreiber ermittelt und vom Marktwert abgezogen. Eine ausgef?rderte Photovoltaikanlage mit 4 Kilowatt Leistung würde bei 800 Volllaststunden für das Jahr 2021 bei durchschnittlichem Marktwert demnach einen Betrag von 102,40 Euro erhalten (4 Kilowatt * 800 Volllaststunden * (3,2 Ct/kWh Jahresmarktwert abzüglich Vermarktungskosten). Die Umstellung für die ausgef?rderten Anlagen erfolgt automatisch, ein Umbau der Z?hler ist dafür nicht erforderlich. Alternativ kann der erzeugte Strom im Rahmen der sonstigen Direktvermarktung ver?u?ert werden.

Der erzeugte Solarstrom kann auch zur teilweisen Eigenversorgung genutzt werden. Angesichts der Spanne zwischen Marktwert und den eigenen Strombezugskosten ist diese L?sung sehr attraktiv. Dafür ist der Einbau zumindest eines Zweirichtungsz?hlers notwendig, da Altanlagen w?hrend der F?rderphase üblicherweise als Volleinspeiser, das bedeutet mit zwei parallelen Z?hlern für Einspeisung und Strombezug, betrieben wurden. Bei Anlagen bis 30 Kilowatt ist der zur Eigenversorgung genutzte Strom (bis 30 Megawattstunden pro Jahr) von der EEG-Umlage befreit, bei gr??eren Anlagen sind 40 Prozent der jeweils geltenden EEG-Umlage auf die eigenverbrauchte Strommenge zu zahlen. Die ausgef?rderten Anlagenjahrg?nge bis 2026 liegen im Durchschnitt deutlich unterhalb dieser Grenze.

Fl?cheninanspruchnahme durch Freifl?chenanlagen

Die in Deutschland installierte Photovoltaik-Leistung setzt sich zu ca. drei Vierteln aus Dachanlagen und einem Viertel aus Freifl?chenanlagen zusammen. Die für ein Megawatt Freifl?chen-Photovoltaik ben?tigte Fl?che geht stetig zurück. Wurden im Jahr 2006 noch 4,1 Hektar / Megawatt ben?tigt, waren es 2019 nur noch 1,2 Hektar / Megawatt. Dies h?ngt unter anderem mit der kontinuierlichen Leistungssteigerung der Module zusammen. Dadurch kann auf einer gegebenen Fl?che heute deutlich mehr Solarstrom geerntet werden. Insbesondere im Vergleich zur Bioenergie ist der fl?chenbezogene Stromertrag der Photovoltaik um ein Vielfaches h?her.

Ende 2019 belegten Photovoltaik-Freifl?chenanlagen in Deutschland insgesamt gut 30.000 Hektar, davon waren knapp 26 Prozent Ackerfl?chen und 14 Prozent Randstreifen an Verkehrswegen, die teilweise ebenfalls den Ackerfl?chen zuzuordnen sind. Die installierte Photovoltaik-Leistung auf diesen beiden Fl?chenkategorien entspricht 0,07 Prozent der gesamten landwirtschaftlichen Fl?che Deutschlands. Nach dem EEG 2017 sind Photovoltaikanlagen nur auf einer eingeschr?nkten Fl?chenkulisse f?rderf?hig. Auf Ackerfl?chen (nur in benachteiligten Gebieten) wird Photovoltaik derzeit nur in fünf Bundesl?ndern und mit jeweils begrenzten Mengen gef?rdert. In einem Forschungsprojekt im Auftrag des Umweltbundesamtes werden Kriterien entwickelt, um die Fl?chenkulisse noch st?rker an Umweltbelangen auszurichten und gleichzeitig einen kontinuierlichen Ausbau zu erm?glichen. Dennoch ist es grunds?tzlich wünschenswert, auch weiterhin einen m?glichst gro?en Anteil der ben?tigten Photovoltaikanlagen auf D?chern zu installieren, um die zus?tzliche Fl?cheninanspruchnahme gering zu halten.

?kobilanzielle Betrachtung

Photovoltaikanlagen amortisieren sich in Deutschland nach ein bis zwei Jahren energetisch – nach dieser Zeit hat die Anlage so viel Energie produziert wie für Herstellung, Betrieb und Entsorgung aufgewendet werden müssen. Konventionelle Energieerzeugungsanlagen mit fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdgas amortisieren sich demgegenüber nie energetisch, denn es muss im Betrieb immer mehr Energie in Form von Brennstoffen eingesetzt werden, als man an Nutzenergie erh?lt.

Bezogen auf eine Nutzungsdauer von 30 Jahren entstehen durch die Herstellung, den Betrieb und die Entsorgung einer Photovoltaikanlage rechnerische Emissionen in H?he von 67?Gramm?CO2-Aquivalente / kWh. Diese Angabe basiert auf einer ?kobilanzstudie aus dem Jahr 2012; gegenw?rtig wird im Auftrag des Umweltbundesamtes an einer Aktualisierungsstudie gearbeitet. Laut Berechnungen im Rahmen der Emissionsbilanz erneuerbarer Energietr?ger vermeidet eine Photovoltaikanlage demgegenüber Emissionen haupts?chlich aus Steinkohle- und Gaskraftwerken in H?he von 694?Gramm?CO2-Aquivalente / kWh. Der Netto-Vermeidungsfaktor der Photovoltaik liegt somit bei 627?Gramm?CO2-Aquivalente / kWh.

 

Solarthermie

Bei der Solarthermie wird das Sonnenlicht in W?rme umgewandelt, wenn es auf eine Oberfl?che trifft. Je mehr Strahlung die Fl?che absorbieren kann, desto gr??er ist der Effekt. Solarkollektoren sammeln die Sonnenw?rme ein und leiten sie über einen W?rmekreislauf in einen W?rmespeicher. So steht die gewonnene W?rme für den Warmwasserbedarf und/oder den Heizw?rmebedarf bereit.

Die Solarthermie wird in Deutschland sowohl mit Hilfe von Luftkollektoren oder Schwimmbadabsorber als auch mit Hilfe von Flachkollektoren und Vakuumr?hrenkollektoren genutzt. W?hrend Luftkollektoren und Schwimmbadabsorber zur Erw?rmung von Badewasser eingesetzt werden, dienen Flachkollektoren und Vakuumr?hrenkollektoren der Trinkwassererw?rmung und? der Unterstützung der Heizungsanlage. Solarthermie kann aber auch zur Erzeugung von K?lte und von ⁠Prozessw?rme⁠ verwendet werden. Der Ausbau der Solarthermie vollzog sich in den letzten Jahren im Vergleich zur Photovoltaik weniger dynamisch. Aktuelle Zahlen zur installierten Kollektorfl?che und zur erzeugten W?rme finden Sie unter ?Erneuerbare Energien in Zahlen“.

Wichtige Instrumente zur F?rderung der Solarthermie sind das Erneuerbare Energien-W?rmegesetz und das Marktanreizprogramm für Erneuerbare Energien. Nach dem Geb?udeenergiegesetz (GEG) müssen für die W?rmeversorgung von Neubauten anteilig Erneuerbare Energien eingesetzt werden. Bei Bestandsbauten kann für die Installation einer solarthermischen Anlage ein Investitionszuschuss aus dem F?rderprogramm MAP beantragt werden.