Wissensportal Solaranlagen by Elmar Mönig

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Vorstellung des Seminars, der Seminarinhalte und des Referenten

Notizen

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Die Energieagentur NRW ist eine Einrichtung des Landes NRW. Sie berät Industrie und Kommunen zu allen Energiefragen und entwickelt im Auftrag des Ministeriums für Wirtschaft, Mittelstand und Energie des Landes NordrheinWestfalen Weiterbildungskonzepte für alle Bau- und Energieverantwortlichen. Durch Weiterbildung und Beratung leistet sie einen Beitrag zur Energieeinsparung und CO2 - Minderung.

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Die Sonne ist bekanntermaßen der „Ursprung allen Lebens“ und unsere größte Energiequelle. Sie strahlt im Verlaufe eines Jahres eine Energiemenge auf die Erde, die dem 6.720-fachen des weltweiten Energiebedarfes der Menschheit, der von mehreren Experten im Jahr 2000 auf 20 Gt SKE geschätzt wurde, entspricht. Oder andersherum betrachtet, wird auf eine Fläche von 137 x 137 km2 soviel Energie von der Sonne geliefert, dass damit der jährliche, weltweite Energiebedarf gedeckt werden könnte. Bezogen auf Fläche und Strahlungsbilanz Deutschlands übersteigt die Einstrahlung der Sonne den Primärenergiebedarf der Bundesrepublik um den Faktor 80. Eine Nutzung des enormen Potentials der Sonnenenergie ist demnach nicht nur in den so genannten sonnenreichen Gebieten der Erde, sondern auch in unseren Breitengraden sinnvoll.

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Das Diagramm zeigt die Verteilung der Sonnenenergie in NRW als durchschnittlichen Summenwert über ein Jahr. In Nordrhein-Westfalen fällt auf einen Quadratmeter einer waagerechten Fläche pro Jahr ca. 1.000 kWh an Sonnenenergie. Bei solarthermischen Anlagen lässt sich mit der heutigen Kollektortechnik im besten Fall ca. 60 – 70 % der Sonnenenergie nutzbar machen. Das entspricht somit einer Energiemenge von ca. 600 kWh pro Quadratmeter und Jahr [kWh/(m2 a)]. In der Praxis sind die Werte für die Nutzungsgrade deutlich geringer und liegen bei etwa 30 – 40 %. Dieses liegt neben den Systemverlusten in der Gesamtanlage vor allem daran, dass die seitens der Kollektoren umgewandelte Energie nicht direkt genutzt wird. Die marktbesten Photovoltaikmodule erreichen derzeit eine Umsetzung des Sonnenlichtes in elektrische Energie von fast 14 %. Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage der heutigen Generation kann ca. 10 % der Sonnenenergie in hochwertige, elektrische Energie umsetzen und innerhalb eines konventionellen Stromnetzes zur Verfügung stellen.

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Durch die Abbildung wird deutlich, dass das Solarenergieangebot in den Sommermonaten überreich zur Verfügung steht. Der tägliche Verlauf der Einstrahlung ist stark vom aktuellen Wettergeschehen abhängig. Die Darstellung der Einstrahlung in Abhängigkeit von der Tageszeit bezieht sich im dargestellten Fall auf einen schönen Sommertag am Standort Essen. Insbesondere bei thermischen Solaranlagen herrscht in den Sommermonaten oft ein Überangebot an Energie. Kürzere witterungsbedingte Schwankungen oder Schwankungen innerhalb des Tagesverlaufes können in dieser Zeit über den zu der Anlage gehörenden Warmwasserspeicher leicht ausgeglichen werden. In der Übergangszeit und in den Wintermonaten kann eine thermische Solaranlage die Warmwasser- oder Heizwärmeversorgung eines Hauses nur unterstützen. Da bei Photovoltaik-Anlagen in Deutschland der erzeugte Strom zumeist in das Netz des örtlichen Netzbetreibers eingespeist wird, spielt hier die zeitliche Verteilung der Einstrahlung eine nur untergeordnete Rolle.

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Das Diagramm gibt einen Überblick darüber, wie gut eine vorgegebene Fläche, z.B. ein geneigtes Hausdach, sich für die Solarenergienutzung eignet. Es zeigt, dass die Unterschiede zum Optimum bei Abweichungen von Süd bis zu Süd-West bzw. Süd-Ost, sowie bei Neigungswinkeln zwischen 20° und 50° weniger als 20 % betragen. Es leuchtet in diesem Zusammenhang ein, dass sich die meisten Dachflächen in punkto Neigung und Ausrichtung für die Installation einer Solaranlage eignen.

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Die Erwärmung von Schwimmbadwasser ist von den drei dargestellten Anwendungsgebieten die technisch einfachste Variante. Mittels schwarzer Gummi-Absorbermatten wird warmes Wasser durch die Sonne erzeugt. Die Anbindung der Absorbermatten erfolgt direkt im Schwimmbadwasserkreislauf. Bei diesem Anwendungsfall fallen hohe Sonneneinstrahlung (Sommer) und die Nutzung (Schwimmbadbetrieb) zeitlich exakt zusammen. Der am häufigsten verbreitete Einsatzbereich von thermischen Solaranlagen ist die Brauchwassererwärmung. Als Brauchwasser wird das warme Wasser bezeichnet, das der Verbraucher an den entsprechenden Entnahmestellen wie Dusche, Badewanne, Wasserhähne, Spülmaschine, Waschmaschine etc. nutzt. Als Sonnenfänger werden in diesem Anwendungsfall Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Der dritte Anwendungsfall ist die kombinierte Brauchwassererwärmung mit Heizungsunterstützung. Hier wird sowohl die Erwärmung des Brauchwassers, als auch die Erwärmung des im Heizsystem befindlichen Heizungswassers von der Solaranlage unterstützt.

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Absorbermatten sind ausschließlich zur Schwimmbadwassererwärmung in den Sommermonaten geeignet. Aufgrund der einfachen Bauweise und der nicht erforderlichen Abdeckung durch eine Glasscheibe haben diese Kollektoren kaum optische Verluste, aufgrund der fehlenden Wärmedämmung aber große Wärmeverluste. Das Material, aus dem die Absorber gefertigt werden, muss gegen chlorhaltiges Badewasser und gegenüber den UVAnteilen der Sonnenstrahlung beständig sein. Eingesetzt werden hauptsächlich Kunststoff oder Kunstkautschuk. In den letzten Jahren haben sich als Material EPDM (synthetischer Kautschuk) und PP (Poly-Propylen) durchgesetzt. Diese Absorber werden meist als großformatige Gummimatten ausgeliefert, die nach der Montage auf Schrägdächern oder Flachdächern direkt vom Schwimmbadwasser durchflossen werden. Aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus wird bei diesem Kollektortyp auf eine Verglasung und eine Wärmedämmung verzichtet. Aufgrund des einfachen Aufbaus sind Absorber deutlich preisgünstiger als andere Kollektortypen.

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Beim Flachkollektor befindet sich in einem einseitig verglasten Kasten ein schwarzer Absorber, in dem ein Wärmeträgermedium (meist ein Gemisch aus Glykol und Wasser) zirkuliert, das sich durch die Solarstrahlung aufheizt. Die Rückseite und die Seitenwände des Kollektor sind hitzebeständig gedämmt. Die Solarstrahlung durchdringt zunächst die Glasabdeckung, wobei ein geringer Anteil bereits an der Glasscheibe reflektiert und auch absorbiert wird. An der schwarzen Oberfläche des Absorbers wird die Solarstrahlung zu großen Teilen absorbiert und in Wärme umgewandelt. Durch den Absorber wird eine Wärmeträgerflüssigkeit gepumpt, die die umgewandelte Sonnenenergie aufnimmt und abtransportiert. Flachkollektoren haben eine Lebensdauer von 15 bis 25 Jahren. Feuchtigkeit durch Regen und Schnee machen dem Flachkollektor am Häufigsten zu schaffen. Deshalb ist es wichtig, dass das Gehäuse gut und dauerhaft abgedichtet ist. Auf Gehrung geschnittene Stoßkanten sollten sehr passgenau gefertigt sein. Sehr wichtig ist eine optimale Eindichtung von Glasabdeckung und Rückwand. Da Flachkollektoren immer eine konstruktive Belüftung benötigen, ist je nach Witterung ein Kondensatbeschlag zu erkennen. Durch eine geschickte Belüftung kann der Flachkollektor wieder austrocknen. Seine Leistungsfähigkeit ist hierdurch nur sehr gering beeinträchtigt. Flachkollektoren werden in verschiedenen Größen hergestellt. Üblich sind sowohl Kollektoren mit einer Fläche von ca. 2 m2 als auch Großflächenkollektoren, die, mit Flächen bis ca. 8 m2 oder mehr, an einem Stück gefertigt werden. Der Marktanteil von Flachkollektoren an der installierten Kollektorfläche beträgt heute ca. 84 %. (Quelle DFS)

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Vakuumkollektoren werden in Röhrenform angeboten. Anders als beim Flachkollektor, der z.B. mit Mineralwolle gedämmt wird, werden unnötige Wärmeverluste hier durch das Vakuum in den Röhren vermieden. Auch bei Vakuumröhrenkollektoren durchdringt die Solarstrahlung zunächst die Glasabdeckung und erreicht den innerhalb des Vakuums befindlichen Absorber. Dieser nimmt die Solarstrahlung auf und gibt sie an die Wärmeträgerflüssigkeit weiter. Durch die Dämmung mittels Vakuum ist ein Vakuumröhrenkollektor, je nach Betriebszustand, bis zu 30 % leistungsfähiger als ein Flachkollektor. Allerdings können auch höhere Stillstandstemperaturen von über 200 °C entstehen, was sich negativ auf die Haltbarkeit von Absorberbeschichtung und Wärmeträgermedium auswirken kann. Direkt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren werden in zwei Bauformen angeboten. Zum einen gibt es die Vakuumkoaxialröhre, auch "Sydney-Röhre" genannt. Auf dem deutschen Markt ist diese Entwicklung unter dem Thermoskannen-Prinzip bekannt. Die Glasröhre ist wie eine Edelstahl-Thermoskanne aufgebaut, deren Ende dauerhaft verschmolzen ist. Die innere Glasröhre ist direkt auf dem Glas mit einer selektiven Beschichtung versehen. Mittels Wärmeleitblechen wird die Wärme zum Solarkreislauf übertragen. Ist eine Röhre defekt, so kann diese einzeln ausgetauscht werden, ohne dass in das System eingegriffen werden muss. Neben dieser Bauform werden auch Kollektoren angeboten, die nach dem sogenannten Heat-Pipe-Prinzip (Wärme-RohrPrinzip) arbeiten. Hierbei wird die Wärme in einem eigenen Verdampfungs- und Kondensationskreislauf in jeder einzelnen Röhre über einen Kondensator an einen gemeinsamen Sammler abgegeben. Erst dort wird sie von der Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommen und zum Speicher transportiert. Der Marktanteil von Vakuumröhrenkollektoren an der installierten Kollektorfläche beträgt in Deutschland ca. 16 %. (Quelle DFS)

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Die Möglichkeit, einen wesentlichen Anteil des Energieverbrauchs durch regenerative, solare Energie zu decken, steigt durch den Gebäudedämmstandard erheblich. Daraus ergeben sich auch große Chancen für das ausführende Handwerk. Abb. links: Die Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen baulichem Wärmeschutz, Heizenergiebedarf und der Energiemenge, die für die Warmwasserbereitung benötigt wird (Trinkwasser-Wärmebedarf). Durchschnittswert von einem Gebäude von 1980: ca. 225 kWh/m2 a. Durch die Energieeinsparverordnung (EnEV) ist der Heizenergiebedarf gegenüber 1980 um den Faktor 2,25 auf unter 100 kWh/m2 a abgesunken. Bei Passivenergiehäusern ist der Anteil des Heizenergiebedarfs am Endenergiebedarf eines Wohngebäudes sogar kleiner als der Trinkwasser-Wärmebedarf. Abb. rechts: Die Abbildung zeigt den solaren Deckungsanteil einer 10m2 Solaranlage bei den verschiedenen Gebäudetypen.

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Die Wachstumsrate betrug zwischen 1990 und 2003 durchschnittlich 25% pro Jahr. Die installierte Kollektorfläche setzt sich im wesentlichen aus Flachkollektoren (58%), Vakuumröhrenkollektoren (17%) und Schwimmbadabsorbern (25%, hier nicht dargestellt) zusammen. Die Brauchwasser-Solaranlagen haben bislang den größten Anteil. Nach Schätzungen der Hersteller werden bereits über 30% aller installierten Anlagen zur Raumheizungsunterstützung eingesetzt. In der Vergangenheit wurde ein großer Anteil von Solaranlagen im Gebäudebestand installiert. Eine positive Entwicklung zeichnet sich im Neubau ab. Für Großanlagenprojekte entsteht ein zusätzlicher Markt.

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Standardisierte Systeme zur solarthermischen Brauchwassererwärmung kommen seit vielen Jahren zum Einsatz. Die Anlagen werden hierbei auf eine 100%ige Deckung in den Sommermonaten ausgelegt. Dies bedeutet, dass die Energie zur Brauchwassererwärmung in dieser Zeit vollständig von der Solaranlage bereitgestellt wird. Auf das ganze Jahr betrachtet ist ein solarer Deckungsgrad von 50 bis 65 % üblich. Die thermische Solaranlage besteht im wesentlichen aus den folgenden Komponenten: • dem Kollektor • dem Solarkreislauf • der Pump- und Regelstation (oft auch als Solarstation bezeichnet) • dem Solar- oder Brauchwasserspeicher • der Nachheizung

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Die solare Heizungsunterstützung hat sich aus den Systemen zur solarthermischen Brauchwasserbereitung entwickelt. Bei der Heizungsunterstützung wird die über die Solaranlage zugeführte Energie in das Heizsystem eingebunden. Hier sind die Kollektorfläche und der Speicher im Vergleich größer dimensioniert, um vor allem in der Übergangszeit die konventionelle Heizung zu unterstützen. Die Größe der Kollektorfläche liegt im EFH bei ca. 10 bis 20 m2 . Das Speichervolumen beträgt in der Regel 700 bis 2.000 Liter. Die Systeme erreichen eine solare Deckung von 15 bis 25 % bezogen auf den Gesamtheizenergiebedarf des Gebäudes. Allerdings ist der solare Deckungsgrad sehr stark vom Wärmeschutz des Gebäudes abhängig. Anlagen zur Heizungsunterstützung benötigen einen speziellen Typus von Speicher, bei dem das Brauch- und Heizungswasser getrennt werden (z.B. Tank-im-Tank-System).

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Die Regeleinheit für die Solaranlage ist eine einfache Temperatur-Differenz-Regelung. Sobald der Kollektor eine höhere Temperatur (T1) als der Speicher (T2) hat, wird automatisch die Pumpe in Gang gesetzt. Der Wärmeträger wird dann über den Rohrkreislauf bis zum Speicher gepumpt, wo die Wärme über den Wärmetauscher an das Brauchwasser abgegeben wird. Üblicherweise wird die Einschalttemperatur (Kollektortemperatur) für die Pumpe ca. 5K oberhalb der Speichertemperatur liegen. Hat der Speicher seine Maximaltemperatur erreicht (T3), oder erfolgt keine Wärmeabnahme aus dem Speicher (z.B. Urlaub) geht die Anlage in den Stillstand und der Kollektor erwärmt sich durch die Sonneneinstrahlung weiter. Diese Erhitzung kann auch zu einer Volumenvergrößerung des Wärmeträgers führen. Dies wird durch ein spezielles Ausdehnungsgefäß ausgeglichen. Bei einer Abkühlung des Kollektors wird die Wärmeträgerflüssigkeit automatisch wieder zurückgeführt. Innerhalb der Pump- und Regelstation, die in vielen Fällen auch als Solarstation bezeichnet wird, befinden sich zusätzlich zu der Solarpumpe und der Regelung sämtliche Sicherungsbauteile, die für einen eigensicheren Betrieb der Anlage sorgen.

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Brauchwasserspeicher für Solaranlagen, oft auch als Solarspeicher bezeichnet, müssen über verschiedene Merkmale verfügen, die einen optimalen Nutzen sicherstellen: 1. Damit auch mehrtägige Schlechtwetterperioden überbrückt werden können, sind Solarspeicher größer als normale Warmwasserspeicher. 2. Solarspeicher haben zwei Wärmetauscher. Der untere Wärmetauscher wird an den Solarkreislauf angeschlossen. Der obere Wärmetauscher wird an den konventionellen Heizkessel angeschlossen und sorgt für die Nacherwärmung des Warmwassers zu sonnenarmen Zeiten. 3. Durch die Erwärmung des zuströmenden Kaltwassers im unteren Bereich des Speichers ergibt sich eine sogenannte „natürliche Schichtung“ des Warmwassers. Das erwärmte Wasser steigt in den oberen Teil des Speichers. Aus diesem Grund müssen Solarspeicher eine schlanke und hohe Bauform aufweisen. 4. Um eine Vermischung des einströmenden Kaltwassers mit dem erwärmten Wasser zu vermeiden, ist eine beruhigte Einströmung des Kaltwassers besonders wichtig. Dies wird durch eine sogenannte Prallplatte erreicht. 5. Um die Wärmeverluste zu minimieren, sind Solarspeicher besonders gut isoliert.

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Bei einer thermischen Solaranlage zur Warmwasserbereitung dient der tägliche Warmwasserbedarf der Bewohner als Grundlage für die Auslegung der Anlage. Wirtschaftlich sinnvoll ist ein Kompromiss zwischen einer möglichst hohen solaren Verbrauchsdeckung und niedrigen Anlagenkosten. Bei den derzeitigen Anlagenkosten und Energiepreisen ist für Einfamilienhäuser einer solarer Deckungsanteil von ca. 50 - 65 % sinnvoll.

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Die Folie zeigt die typische Dimensionierung einer thermischen Solaranlage für eine vierköpfige Familie. Solaranlagen zur Warmwasserbereitung erfordern keine ausführlichen Berechnungen. Solaranlagen werden i.d.R. so ausgelegt, dass in den Sommermonaten der Warmwasserbedarf nahezu vollständig ohne Heizungsunterstützung gedeckt werden kann. Hieraus lässt sich für einen vierköpfigen Haushalt eine Grunddimensionierung ableiten, für die die Kollektorhersteller Komplettsysteme mit vorgegebenen Kollektormodulgrößen und entsprechend angepassten Speichern anbieten. Bei einem typischen Warmwasserverbrauch ist eine Kollektorfläche von ca. 5-6 m2 und ein Speichervolumen von 300-400 l angemessen. Die oben beschriebene Kollektoranlage liefert über das Jahr einen Solarertrag von rd. 1.800 kWh. Dieser Wert lässt sich mit geringen Abweichungen auf alle Orte in NRW übertragen. Zur Bereitstellung dieser Wärmemenge wären bei einer modernen Gas- bzw. Ölheizung rd. 210 m3 Gas bzw. 210 l Heizöl nötig. Hiermit lassen sich rd. 65% des ganzjährigen Warmwasserbedarfs durch die Solaranlage decken. Für abweichende Haushaltsgrößen kann eine Auslegung nach folgenden Faustformeln erfolgen: • Flachkollektor: ca. 1-1,3 m2 je Person • Vakuum-Röhrenkollektor: ca. 0,8-1 m2 je Person • Speichervolumen: ca. 1,5-2facher Tagesbedarf Abweichende Ausrichtungen und Dachneigungen können anhand des Diagramms in Folie XSA006 umgerechnet werden. Wird eine Zirkulationsleitung betrieben, müssen, je nach Länge der Leitungen, 10-30% an zusätzlichen Wärmeverlusten einkalkuliert werden, was eine Vergrößerung der Kollektorfläche erforderlich machen kann. Bei Anlagen zur Heizungsunterstützung rechnet man für ein typisches Einfamilienhaus (120 m2, Dämmstandard nach EnEV) ca. 12 m2 Kollektorfläche und ca. 800 l Speichervolumen.

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Die Gesamtkosten der Solaranlage betragen im Neubau für eine Flachkollektoranlage 4.000 - 6.000 € inklusive Montage. Vakuumröhrenanlagen sind ca. 30% teurer. Befindet sich die Heizung im Keller statt auf dem Dachboden, ist mit ca. 250 € Mehrkosten zu rechnen. Im Bestand (Altbau) wird in der Regel die Aufdachmontage verwendet. Da die Verrohrung und die Heizungsanbindung an das bestehende System angepasst werden muss, steigt der Montagezeitaufwand, so dass der Endpreis der Solaranlage durchschnittlich 1.000 € über dem Preis einer Anlage im Neubau liegt. Wenn kein freier Kaminzug oder Versorgungsschacht zur Verfügung steht und die Solarverrohrung daher außen verlegt werden muss, sind Mehrkosten von rd. 250 € zu kalkulieren. Die angegebenen Preise und Montagezeiten sind Anhaltswerte für Standardanlagen. Im Einzelfall, vor allem im Bestand, können sich Zeit- und Preisabweichungen ergeben. Für Altbauten, in denen das Wasser bisher dezentral elektrisch erwärmt wurde, lassen sich die Kosten einer Umrüstung nur im Einzelfall ermitteln, da hier ggf. erhebliche bauliche Eingriffe nötig sind.

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Eine netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage mit der nach dem EEG üblichen Volleinspeisung erfordert einen separaten Zähler zum Netz des Versorgungsnetzbetreibers (VNB) und ist deshalb weitgehend von der sonstigen elektrischen Anlage des Hauses (Hausnetz) unabhängig. Photovoltaikgenerator: Innerhalb eines Photovoltaikmoduls sind die einzelnen Solarzellen meist in Reihe geschaltet, so dass sich eine nutzbare Ausgangsspannung ergibt. Außerdem sind die Zellen durch den Aufbau des Moduls gegen Witterungseinflüsse geschützt. Die Reihenschaltung mehrerer Module heißt String (engl. für Strang) und definiert die Systemspannung auf der Gleichspannungsseite. Oft werden innerhalb eines Photovoltaikgenerators mehrere Strings parallelgeschaltet. Nach der Art des Materials werden kristalline und amorphe Solarzellen unterschieden. Amorphe Solarzellen brauchen bei gleicher Leistung etwa die doppelte Fläche im Vergleich zu kristallinen Zellen und ihr Wirkungsgrad sinkt mit der Lebensdauer. Daher werden bei netzgekoppelten Anlagen trotz der höheren Modulkosten i.d.R. kristalline Solarmodule eingesetzt. Seit einiger Zeit sind auch "Solarziegel" erhältlich, die direkt in spezielle Dachziegel eingesetzt werden können. Wechselrichter: Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung des Solargenerators in 230 V Netzspannung (~50 Hz) um. Dabei kann der Wechselrichter nur Leistung abgeben, wenn eine Netzspannung von außen - also vom VNB vorhanden ist. Das stellen die oft schon im Wechselrichter integrierten Überwachungseinrichtungen sicher. Netzanbindung: Die bisherigen Wechselstromverbraucher können den solar erzeugten Strom über das Hausnetz entnehmen. Sobald die Tageshelligkeit erreicht ist, gibt der Photovoltaikgenerator eine Spannung ab, die seitens der Module nicht abzuschalten ist. Die Einspeisung ins Netz: Seit dem 01.04.2000 gilt bundesweit das "Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG)", das eine erhöhte Vergütung für Solarstrom über einen festgelegten Zeitraum von 20 Jahren vorsieht. Zur Erfassung des Solarstromes ist ein eigener Zähler (Einspeisungszähler) notwendig. Das Hausnetz ist über den Stromverbrauchszähler an das Netz zur allgemeinen Versorgung angeschlossen, über den der Verbrauch erfasst und vom EVU abgerechnet wird. In NRW werden Energieerträge von 750-950 kWh pro kWp erzielt. Dies bedeutet für eine in der Praxis häufig realisierte Anlagengröße von 2 kWp (Modulfläche ca. 18 m2) einen jährlichen Stromertrag von rd. 1.600 kWh.

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Die Abbildung verdeutlicht am Beispiel eines durchschnittlichen 4-Personen-Haushalts die Relationen zwischen dem verbrauchten Strom und der solaren Erzeugung. In der Praxis weichen sowohl die täglichen Lastprofile als auch der jeweilige Jahresgang von Verbrauch und Erzeugung stark voneinander ab, so dass ohne aufwendige Speicherung immer nur eine bilanzielle und nie eine tatsächliche Eigenversorgung im physikalischen Sinn möglich ist. Auf Grund des Erneuerbaren-Energien-Gesetz – EEG spielt der eigene Stromverbrauch für die Größe bzw. Dimensionierung einer netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage allerdings auch keine Rolle, da die gesamte Energie in das Netz für die allgemeine Versorgung eingespeist und dafür eine besondere, erhöhte Vergütung gezahlt wird. Die Größenordnung einer Solaranlage wird mit ihrer maximalen Leistung (Einheit: kWpeak bzw. kWp) angegeben. Eine Leistung von 1 kWp entspricht ungefähr einem Flächenbedarf von 10 m2. Auch für die PV-Anlage gilt die gleiche Orientierungs- und Neigungsempfehlung wie bei der Solarthermie. Hier ist besonders darauf zu achten, dass die Aufstellfläche nicht (teilweise) beschattet ist. Innerhalb von Nordrhein-Westfalen beträgt der durchschnittliche Energieertrag bei Photovoltaik-Anlagen ca. 800 kWh/kWp, wobei die Anlage verschattungsfrei und ca. 35° geneigt nach Süden orientiert sein sollte. Dafür wird für die Photovoltaikmodule eine Fläche von ca. 10 m² benötigt. Wird beispielsweise eine 1 kWp große Photovoltaik-Anlage installiert, lässt sich über diese Anlage die gesamte elektrische Energie für das Kühlen und Gefrieren bereitstellen. Bei einer 5 kWp großen Anlage, also mit ca. 50 m2 , kann schon mehr elektrische Energie von der Photovoltaik-Anlage geerntet werden als eigentlich in den meisten eigenen Haushalten benötigt wird.

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Umweltverträglichkeit und Recycling: Silizium ist mit 27 % das nach dem Sauerstoff zweithäufigste Element der Erdrinde und ist weder giftig noch hat es die Eigenschaft zu korrodieren. Hersteller von Photovoltaikmodulen setzen sich aufgrund des besonders hohen Stellenwertes des Umweltschutzes sehr stark mit diesem Thema auseinander. Bei der Herstellung handelt es sich heute durchweg um geschlossene Produktionskreisläufe, in denen keine gefährlichen Stoffe in die Umwelt entweichen. Die relativ geringen Anteile an umweltrelevanten Stoffen sind im Endprodukt hermetisch von der Umwelt abgeschirmt. Selbst bei Zerstörung eines Moduls sind die durch Auswaschen oder infolge eines Brandes frei werdenden umweltrelevanten Stoffe so gering, dass von einer Gefährdung für Mensch und Natur nicht ausgegangen werden kann. CO2 -Einsparung durch eine Photovoltaik-Anlage: Je nachdem, aus welchen Kraftwerken der Strom stammt, ist die Menge an eingespartem CO2 unterschiedlich hoch. Das in Deutschland durchschnittliche CO2 -Äquivalent beträgt derzeit ca. 0,7 kg/kWh, wobei NRW infolge einer höheren Kohleverstromung und geringerem Kernenergieanteil etwas höher liegt. Daraus folgt für eine 1 kWp-Anlage, mit einer Jahresenergieproduktion von 800 kWh, eine jährliche CO2 Einsparung von mehr als einer halben Tonne CO2 . Eine durchschnittliche Photovoltaik-Anlage (3 kWp, 2.400 kWh/Jahr) erspart der Atmosphäre damit in 20 Jahren 34 Tonnen CO2 . Energetische Amortisation – Energierücklaufzeit: Die Energierücklaufzeit (energetische Amortisation) gibt an, wann eine Solaranlage soviel Energie produziert hat, wie zu Ihrer Herstellung benötigt wurde. In den Anfängen der Photovoltaik-Technik wurde behauptet, dass mehr Energie zur Herstellung einer Photovoltaik-Anlage benötigt würde, als diese während ihrer gesamten Lebensdauer liefern kann. Mittlerweile gibt es detaillierte Untersuchungen, die bei Photovoltaik-Anlagen eine energetische Amortisation von 3 - 6 Jahren (je nach Herstellungsverfahren, eingesetzten Komponenten und Energieproduktion der Anlage) angeben. Durch Verfahrensverbesserungen wird davon ausgegangen, dass schon in der nächsten Zeit Energierücklaufzeiten von ca. einem Jahr erreicht werden können.

Notizen

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In den 1990er Jahren haben sich die Kosten für Photovoltaiksysteme von 14.000 € je kWp auf unter 7.000 €/kWp mehr als halbiert. Die Kostensenkungen beruhten im wesentlichen auf verbesserter Systemtechnik und den Erfahrungen der Installateure bei der effizienteren Realisierung solcher Anlagen. Aufgrund der stark gestiegenen Nachfrage sind die Anlagenpreise in den Jahren 2000 und 2001 praktisch auf dem Niveau von 1999 geblieben. Seither ist eine uneinheitliche Preisentwicklung zu beobachten, die von einer Vielzahl, teilweise globaler, Faktoren beeinflusst wird. Eine Prognose für die Zukunft ist schwierig, da zunehmend auch die Produktionskapazitäten der Zellen- und Modulhersteller relevant werden. So zeichnet sich für 2005 eine Verknappung beim Solarsilizium ab, was vorübergehend zu Lieferengpässen und tendenziell steigenden Preisen führen könnte. Vor allem bei den Photovoltaikmodulen, die ca. 50 - 70 % der Gesamtkosten ausmachen, sind jedoch auch in den nächsten Jahren weiterhin kleinere Kostensenkungen durch verbesserte Produktionsverfahren zu erwarten. Gleiches gilt in abgeschwächter Form auch für die Wechselrichter, wobei hier eher größere Stückzahlen zu günstigeren Preisen führen werden, da die Technik selbst sehr ausgereift ist. Mit den nach dem EEG gezahlten Einspeisevergütungen ist bei Kalkulation über einen Zeitraum von 20 Jahren i.d.R. ein wirtschaftlicher Betrieb möglich, insbesondere wenn zusätzliche Fördermittel in Anspruch genommen werden können.

Notizen

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Das Gesetz für den Vorrang der Erneuerbaren Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG) verfolgt das Ziel, „im Interesse des Klima- und Umweltschutzes eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen und den Beitrag Erneuerbarer Energien an der Stromversorgung deutlich zu erhöhen, um entsprechend den Zielen der Europäischen Union und der Bundesrepublik Deutschland den Anteil Erneuerbarer Energien am gesamten Energieverbrauch bis zum Jahr 2010 mindestens zu verdoppeln“. Mit der Verabschiedung des EEG wurden in Deutschland die Weichen für den Einstieg ins Solarzeitalter gestellt. Zentrales Element des Gesetzes sind feste Vergütungssätze für Strom aus Erneuerbaren Energien, der in das Stromnetz eingespeist wird. Nach dem EEG erhält der Anlagenbetreiber eine Vergütung, die über einen Zeitraum von 20 Jahren festgelegt ist. Bereits kurz nach seiner Einführung hat das EEG zu einem Boom bei der regenerativen Stromerzeugung und hier insbesondere bei der Photovoltaik geführt. Im EEG sinkt allerdings der Vergütungssatz pro Jahr um 5 %.

Notizen

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