Dachpaneel-Alternativen
Ein Balkonkraftwerk können selbst Personen ohne Fachkenntnisse auf dem eigenen Balkongeländer montieren und in der Regel über den mitgelieferten Wechselrichter an eine herkömmliche Steckdose anschließen. In der Praxis ist es nicht ganz so einfach, weil Balkongeländer sehr unterschiedlich gestaltet sind und die Montagekits nicht immer passen. Wenn alles klappt, kann der von der Mini-PV-Anlage erzeugte Strom für die zugehörige Wohneinheit genutzt werden. Eine Einspeisung ins allgemeine Versorgungsnetz ist allerdings nicht möglich.
Fotovoltaik-Thermie-Module
Hybridmodule erweitern den Einsatzbereich der Solarenergie auf ganz andere Weise: Sie nutzen die Energie gleichzeitig zur Stromerzeugung und zur Wärmegewinnung. Hierzu erzeugen die Fotovoltaik-Thermie-Module (PVT) zum einen Strom über Solarzellen und zum anderen Warmwasser über Solarthermie. Damit ziehen sie mehr Energie aus der Sonneneinstrahlung als eine reine PV-Anlage und können laut Herstellerangaben einen Wirkungsgrad von bis zu 80 % erzielen.
Je nach Schwerpunkt der Nutzung sind abgedeckte und nicht abgedeckte PVT-Module erhältlich: Nicht abgedeckte Module erzeugen deutlich mehr Strom als Wärme, weil sich wie bei herkömmlichen PV-Modulen keine Luft zwischen den Schichten befindet. Das reduziert den Wärmestau im Modul und damit auch die Heizleistung der Solarthermie. Abgedeckte Module dienen dagegen hauptsächlich zur Wärmeerzeugung. Sie haben eine Belüftung zwischen der Glasplatte und den Solarzellen. So kann das Modul besonders viel Wärme für die Solarthermie aufnehmen. Allerdings verringert sich durch die hohe Temperatur gleichzeitig der Wirkungsgrad der Stromproduktion. Denn die Solarzellen verlieren mit jedem Grad Kelvin über 25 °C etwa 0,4 bis 0,5 % der Nennleistung.
Damit Balkonkraftwerke dauerhaft effizient arbeiten, müssen sie in regelmäßigen Abständen gereinigt werden. (Bild: Priwatt Leipzig)
PVT-Module sind vor allem dann sinnvoll, wenn ganzjährig viel Wärme benötigt wird. Man könnte z.B. zusätzlich zum Brauchwasser noch ein Schwimmbecken damit beheizen. Wenn die Wärme selbst in der mittäglichen Sommerhitze sofort abgeführt und genutzt wird, kühlt das Wasser der Solarthermie die Solarzellen. Denn zu diesen Zeiten kann es auf dem Dach durchaus 60 °C bis 80 °C heiß werden. Um bei Hybridmodulen in Bezug auf Wärme- und Stromerzeugung einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es also wichtig, die Wärme sofort abzuführen und zu nutzen. Deshalb findet man Hybridmodule vor allem in öffentlichen Schwimmbädern, bei Krankenhäusern sowie in Hotels und Ferienanlagen mit Schwimmbad und Saunabereich. Wenn die Wärme nicht sofort genutzt wird, ist es möglich, sie z.B. über einen Wärmetauscher abzuführen. Damit lässt sich der Wirkungsgrad der Solarzellen hoch halten, wenn es heiß ist und kein Warmwasser benötigt wird. Denkbar ist es auch, nicht benötigtes Warmwasser über eine Wärmepumpe etwa in einen Erdspeicher zu leiten. Doch das ist aufwendig und erfordert zusätzliche Energie.
Schwarz auf Weiß
Dieser Beitrag erschien zuerst in unserem Heise-Themenspecial „Fotovoltaik“. Einen Überblick mit freien Download-Links zu sämtlichen Heften bekommen Sie online im Pressezentrum des MittelstandsWiki.
Lösungen für den Denkmalschutz
Bei denkmalgeschützten Gebäuden war es bisher praktisch unmöglich, Fotovoltaik zu betreiben. Abhilfe schaffen Solardachziegel oder Solardachpfannen. Sie bestehen in der Regel aus Keramik, Kunststoff oder Schiefer und haben Vertiefungen, in welche die Solarzellen eingesetzt werden. Bei der Dachsanierung von denkmalgeschützten Gebäuden bietet es sich somit an, diese nicht mit herkömmlichen Ziegeln zu decken, sondern zumindest zum Teil mit authentisch geformten Solardachziegeln aus gleichem oder ähnlich aussehendem Material.
Solardachziegel von SolteQ Solar wurden ergänzend zur klassischen Schieferdachabdeckung auf einem denkmalgeschützten Haus montiert. (Bild: SolteQ Solar)
Ergänzend dazu sind Fotovoltaikmodule aus Quarzglas in Form von Dachziegeln oder Dachpfannen erhältlich. Diese bilden in ihrer Gesamtform eine Solarzelle. Sämtliche Varianten von Solardachziegeln werden in erster Linie aus ästhetischen Gründen eingesetzt, damit man eine einheitliche Dacheindeckung erhält.
Solardachziegel lassen sich zwar wie konventionelle Dachziegel verlegen. Doch zusätzlich zum Dachdecker ist Fachpersonal notwendig, das die einzelnen Solarziegel elektrisch miteinander verbindet. Das ist zeitaufwendig, entsprechend teuer und zudem fehleranfällig. Deshalb findet man Solardachziegel vornehmlich auf denkmalgeschützten Häusern oder Gebäuden mit hohen Maßstäben an die Ästhetik.
Auf dem Dach? Im Dach!
Eine In-Dach-PV-Anlage bietet sich in Fällen an, bei denen eine einheitliche Dachästhetik erhalten bleiben soll. Hier ersetzen Solarpanels die Dacheindeckung und übernehmen die Funktion der Dachhaut, schützen also auch vor Witterungseinflüssen. Sie fügen sich ohne merkliche Erhebung in ein Dach ein, was z.B. für Architektenhäuser ein ausschlaggebender Punkt sein kann.
Die Quarz-Solardachziegel von Meyer Burger sind laut Hersteller wasserdicht, hagelsicher und klassifiziert als harte Bedachung. (Bild: Meyer Burger)
Darüber hinaus bietet diese Konstruktion eine größere mechanische Stabilität als herkömmlich befestigte Auf-Dach-Lösungen. Anders als bei Auf-Dach-Lösungen, wo alle Kräfte auf die kleinen Befestigungsstellen rund um die Dachhaken wirken, bieten die In-Dach-Panels keine Angriffsfläche für starke Winde. Gewichtslasten verteilen sich gleichmäßig über die gesamte Fläche der PV-Module. Zudem benötigen die großflächigen Module im Gegensatz zu Solardachziegeln nur wenige Verbindungen untereinander. Das heißt: Die Verschaltung ist einfacher und weniger fehleranfällig.
Von Nachteil ist, dass die Kühlung unter den In-Dach-Modulen etwas schlechter ist als bei Auf-Dach-Anlagen. Die Solarmodule werden dadurch wärmer, was zu Leistungseinbußen führen kann. Dabei geht auch hier knapp ein halbes Prozent Leistung mit jedem Grad Kelvin Temperaturanstieg verloren.
Mehmet Toprak hat recherchiert, welche Hochschulen Studiengänge für angehende Smart Energy Manager, Umwelttechniker etc. anbieten. Nach einer ersten Übersicht konzentriert sich Teil 1 dieser Serie auf Nordrhein-Westfalen und den Westen Deutschlands. Teil 2 nimmt sich dann die Studiengänge in Süddeutschland vor.
Technologie und Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad einer PV-Anlage ist abhängig von deren Ausrichtung zum Licht, der Temperatur an den Solarzellen und vom erzielbaren Wirkungsgrad der Solarzelle. Derzeit werden PV-Panels in der Regel mit Solarzellen aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium ausgestattet. Letztere sind einfacher zu fertigen und entsprechend preiswerter. Dafür erzielen sie nur einen Wirkungsgrad von 15 bis 20 %. Monokristalline Module sind mit einem Wirkungsgrad von 20 bis 22 % etwas effizienter, benötigen aber mehr Energie für ihre Produktion und sind teurer.
Mit Silizium ist physikalisch maximal ein Wirkungsgrad von 29 % möglich. Im Unterschied dazu können Tandemsolarzellen Wirkungsgrade von über 35 % erreichen. Die obere Schicht dieser Zellen besteht aus Perovskit (CaTiO₃) und absorbiert den Grün- und Blauanteil des Sonnenlichts. Sie nutzt also vor allem das kurzwellige Licht zur Stromerzeugung. Die anderen Anteile passieren diese halbtransparente Schicht und werden von der darunter liegenden Schicht aus Silizium wie gewohnt in elektrische Energie umgewandelt. Perovskit ist ein kristallines, häufig vorkommendes Mineral und entsprechend preiswert. Der Solarzellenhersteller Qcells hat in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin eine erste Pilot-Fertigungsanlage für Perovskit-Tandemsolarzellen in Thalheim errichtet. Der Mutterkonzern Hanwha will in Nordkorea ein Werk für die Serienproduktion errichten und bis 2026 die Tandemsolarzellen auf den Markt bringen.
Konzentrator-Solarzellen
Sogenannte Konzentrator-Solarzellen können den Wirkungsgrad noch weiter steigern. Dabei bündelt eine Linse das Licht auf sehr kleine Solarzellen. Da so weniger Halbleitermaterial notwendig ist, rechnet es sich hier, hochwertigere Solarzellen einzusetzen. Bei dieser Technik müssen die Solarpanels jedoch nach dem Sonnenstand ausgerichtet werden. Deshalb bietet sie sich vor allem für Solarfelder an. Konzentrator-Fotovoltaiksysteme zur effizienten Energieerzeugung findet man vor allem in sonnenreichen Ländern.
Aufbau der Perovskit-Tandemsolarzelle von Qcell. (Bild: Hanwha)
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat z.B. bereits 2022 eine Konzentrator-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 47,6 % vorgestellt. Diese ist mit vier semitransparenten Schichten ausgestattet, wobei eine Tandemsolarzelle aus GaInP und AlGaAs auf eine Tandemsolarzelle aus GaInAsP und GaInAs gebondet wurde. Die nicht umgewandelten Teile des Lichts werden jeweils zur darunter liegenden Schicht durchgelassen und dort verarbeitet. Auf diese Weise absorbiert die Zelle das Licht zwischen 300 und 1780 nm Wellenlänge. Herkömmliche Siliziumzellen absorbieren Sonnenlicht nur bis 1200 nm. Das führt zu einer insgesamt besseren Ausnutzung der verfügbaren Lichtleistung des Gesamtmoduls.
(Quellen: Solarwatt, Frauenhofer ISM)
Neue Entwicklungen in der Fotovoltaik ermöglichen somit effizientere Solaranlagen oder sorgen für eine noch stärkere Verbreitung der Solartechnik und steigern damit den Anteil an Solarstrom in unserem Energiemix.
