Solarenergie

Solarenergie steht unbegrenzt und kostenlos zur Verfügung. Die Sonneneinstrahlung in Deutschland bietet mehr als genug Potenzial: Im Aachener Raum beträgt die mittlere Strahlung jedes Jahr ungefähr 1.000 Kilowattstunden pro Quadratmeter. Diese beachtliche Menge entspricht rechnerisch dem Energiegehalt von etwa100 Litern Heizöl.
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Solaranlagen:

• Solarthermische Anlagen erwärmen Wasser (für Brauchwasser und/oder Raumheizung) über Solarkollektoren.
• Photovoltaikanlagen erzeugen Strom mit Hilfe von Solarmodulen.

Solaranlagen können einzelne oder mehrere Gebäude (Verbundanlagen) versorgen. Meist werden die Kollektoren bzw. Module auf Schrägdächer befestigt oder auf Flachdächern aufgeständert. Die senkrechte Installation an der Fassade ist ebenfalls möglich. Die Aufstellung am Boden als sogenannte Freiflächenanlage wird in der Regel bei großflächigen Anlagen mit gewerblicher bzw. öffentlicher Nutzung gewählt.

Ist ihr Gebäude geeignet?

Die hier beschriebenen grundsätzlichen Voraussetzungen gelten für Solarthermie und Photovoltaik gleichermaßen. Es wird von der in Wohngebäuden üblichen Installation auf dem Gebäudedach ausgegangen. Gebäudebesitzer*innen in der StädteRegion Aachen können im Solarpotenzialkataster nachschauen, ob Ihr Gebäudedach grundsätzlich für die solare Nutzung geeignet ist. Hier sind die Daten für jedes Gebäude im Stadtgebiet Aachen und in den anderen neun Kommunen der StädteRegion abrufbar:
www.solare-stadt.de/staedteregion-aachen/Solarpotenzialkataster

Folgende Rahmenbedingungen sollten bei der Beurteilung des Daches berücksichtigt werden:

• Dachneigung: Je nach Art der Solaranlage ist eine Neigung von ca. 30° bis 45° optimal, thermische Anlagen mit zusätzlicher Heizungsunterstützung sollten besser steiler aufgestellt werden (bis 60°).
• Himmelsrichtung: Die Ausrichtung nach Süden bringt den höchsten Ertrag. Ausrichtungen von West bis Ost akzeptabel, da die Ertragseinbußen in der Regel mit etwas mehr Modul- bzw. Kollektorfläche ausgeglichen werden können. Aktuelle Photovoltaikmodule erreichen sogar bei einer Nordausrichtung akzeptable Ertrage, dies sollte aber zuvor genau geprüft werden.
• Verschattung: Bäume (Wachstum beachten), Gauben, Schornsteine, Nachbardächer etc. können Schatten auf die Solaranlage werfen und die Leistung verringern. Bei der Planung sollte der gesamte Tages- und Jahresverlauf der Sonne berücksichtigt werden. Ggf. können spezielle Module mit eigenen Wechselrichtern oder Bypass-Dioden die Ertragseinbußen verringern.
• Sanierungsbedarf der Dachfläche: Wenn in absehbarer Zeit eine Erneuerung der Dacheindeckung bzw. Dachdämmung geplant ist, sollte dies vor der Installation der Solaranlage erfolgen, denn die Anlage sollte mindestens 20 Jahre auf dem Dach verbleiben.

Solarthermie (Warmwassererzeugung)

Es gibt Solarthermie-Anlagen zur Erwärmung des Wassers in Bad und Küche (Brauchwasseranlagen) und solche, die zusätzlich die Heizung unterstützen. Diese Kombianlagen benötigen eine größere Kollektorfläche, damit auch im Winter noch genügend Sonne „eingefangen“ werden kann. Darüber hinaus brauchen Systeme zur Heizungsunterstützung einen größeren Wasserspeicher.

Die Bestandteile einer thermischen Solaranlage sind:

• Solarkollektor (Flachkollektor oder Vakuumröhrenkollektor): Er nimmt die Sonnenwärme auf und überträgt sie auf die Wärmeträgerflüssigkeit (meist Wasser mit Frostschutzmittel).
• Solarkreislauf mit Wärmeträgerflüssigkeit: Über Rohre wird die Wärme vom Dach zum Wasserspeicher transportiert und dort – über einen Wärmetauscher – an das Wasser abgegeben. Anschließend wird die abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit wieder zu den Kollektoren gepumpt.
• Wasserspeicher: Im Wasserspeicher wird die Wärme bevorratet und kann als warmes Frischwasser oder Heizungswasser genutzt werden.
• Heizkessel (vorhanden oder neu) für die Nachheizung des Wasserspeichers, wenn die Kraft der Sonne nicht ausreicht.

Ergänzt wird das System durch weitere Komponenten zur Regelung und Wärmeverteilung.

Flachkollektor

Ein schwarzes Blech – das sog. Absorberblech – und die darauf montierten Rohrschlangen liegen in einer flachen „Kiste“, die mit einer Glas- oder Kunststoffscheibe abgedeckt ist. Flachkollektoren sind vergleichsweise preiswert und werden daherhäufig verwendet. Sie können auf der Dacheindeckung liegen (Aufdachsystem) oder in diese integriert werden (Indachsystem).

Vakuumröhrenkollektor

Das Absorberblech liegt in einer luftleeren Glasröhre. Mehrere Glasröhren werden nebeneinander auf ein Gestell montiert. Vakuumröhrenkollektoren sind teurer als Flachkollektoren und empfindlicher bei thermischen und mechanischen Belastungen. Ähnlich wie bei einer Thermoskanne hat dieser Kollektortyp jedoch eine besonders gute Wärmedämmung und dadurch einen höheren Wirkungsgrad. So kann mit kleinerer Kollektorfläche der gewünschte Ertrag erzielt werden.

Voraussetzungen für einen effizienten Betrieb

• Eignung der Dachfläche: siehe vorher „Ist Ihr Gebäudegeeignet?“
• Zentrale Warmwasserbereitung: Eine zentrale Warmwasserbereitung ist erforderlich, damit alle Wasserverbraucher in Bad und Küche aus dem sonnengewärmten Wasserspeicher bedient werden können.
• Warmwasserbedarf: Im Gegensatz zur Heizwärme wird warmes Wasser für Bad und Küche das ganze Jahr über benötigt. Je mehr Personen im Haushalt leben, desto lohnenswerter ist die Investition in die Solaranlage.
• Variante Heizungsunterstützung: Je besser der Wärmeschutz des Gebäudes, desto größer ist der zu erzielende solare Anteil an der Wärmeversorgung. Eine Fußboden- oder Wandheizung ist wegen der niedrigen Heizwassertemperaturen besonders gut für solare Unterstützung geeignet.
• Fachgerechte Planung und Installation: Die Solaranlage sollte Teil eines übergreifenden Sanierungskonzeptes sein und zu Gebäude und Nutzer passen.

Für die technische Planung, Auslegung und Installation sind Fachleute zu beauftragen. Auch ausgereifte Techniken wie thermische Solaranlagen müssen nachreguliert und an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden. Regelmäßige Wartung sollte selbstverständlich sein.

Wichtig sind dabei …

• Analyse des vorhandenen Warmwasserverbrauchs (Häufigkeit und Dauer des Badens und Duschens, ggf. Anschluss von Spül- oder Waschmaschine etc.) inkl. absehbarer Veränderungen
• bei Heizungsunterstützung der vorhandene Heizwärmeverbrauch (individuelle Wohlfühltemperatur, individuelle Lüftungsverhalten, Dämmstandard des Gebäudes etc.) inkl. absehbarer Veränderungen
• die Bauart des Kollektors und die Einbindung in das Heizsystem
• Abweichungen von der optimalen Neigung und Ausrichtung sowie unvermeidbare Verschattungen

Kombinationen mit anderen Heizsystemen

Solarthermische Anlagen können mit allen üblichen Heizungssystemen zusammenarbeiten (Öl- oder Gasheizung, Wärmepumpe, Holzpelletheizung). Sie verringern den Energieverbrauch und können Nachteile des Systems ausgleichen. Lediglich die Kombination mit einem BHKW ist nicht sinnvoll.

Photovoltaik (Stromerzeugung)

Photovoltaik (PV)-Module erzeugen Strom, der selbst genutzt und / oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Zahlreiche Photovoltaikanlagen wurden in den letzten Jahren als lukratives Investitionsobjekt errichtet, weil der Netzbetreiber den ins Netz eingespeisten Sonnenstrom 20 Jahre lang zu einem hohen Preis
abnehmen musste (Einspeisevergütung nach dem ErneuerbareEnergien- Gesetz, EEG). Inzwischen hat sich Vieles verändert. Die Einspeisevergütung wurde stark abgesenkt, eine vollständige Abschaffung wird diskutiert und die Module sind deutlich preiswerter geworden. Batteriespeicher ermöglichen zusätzlich die Nutzung von Solarstrom, wenn die Sonne nicht scheint.

Neben der Montage auf schrägen Dächern ist es auch möglich, PV-Module auf einer ebenen Fläche (Flachdach oder Erdboden) aufzuständern. Bei der senkrechten Montage an einer Fassade ist zu berücksichtigen, dass der Ertrag deutlich geringer ausfällt als bei schräger Montage (etwa 30 bis 35 Prozent weniger).

Die Bestandteile einer Photovoltaikanlage sind:

• Solarzellen, PV-Module: Mehrere miteinander verbundene Solarzellen ergeben ein Modul. Mehrere Module bilden die gewünschte Fläche zur Stromerzeugung. Es gibt verschiedene Zellenarten mit unterschiedlichen Eigenschaften.
• Wechselrichter: Solarzellen erzeugen Gleichstrom. Die meisten Geräte und auch das öffentliche Netz funktionieren allerdings mit Wechselstrom. Daher muss der Wechselrichter den Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln.
• Stromzähler: Bei einer Anlage bis 30 Kilowatt wird nur der bisherige Bezugszähler durch einen Zweirichtungszähler ersetzt. Dieser misst sowohl Strombezug wie auch Überschusseinspeisung aus der Photovoltaikanlage. Damit der Netzbetreiber bei einer Anlage mit mehr als 30 Kilowatt die EEG-Umlage für den Eigenverbrauch abrechnen kann, muss zusätzlich die Menge des selbst verbrauchten Solarstroms ermittelt werden. Weil der Eigenverbrauch aber nicht direkt messbar ist, muss der von der Solarstromanlage insgesamt produzierte Strom gemessen werden. Dafür ist ein geeichter Zähler, der Erzeugungszähler, notwendig.
  (Quelle: Verbraucherzentrale NRW)
• Batteriespeicher (optional) Ein Batteriespeicher ermöglicht die Nutzung von Solarstrom, wenn die Sonne nicht scheint oder die gerade erzeugte Sonnenenergie nicht ausreicht. Er funktioniert im Prinzip wie die bekannten kleinen „Akkus“, nur dass er statt aus der Steckdose von der Solaranlage aufgeladen wird.

Wie viel Strom kann erzeugt werden?

Die Leistung von PV-Anlagen wird in Kilowatt-Peak (kWp) ausgedrückt. Dieser Wert beschreibt die maximale Leistung der Anlage unter genormten Testbedingungen. Der tatsächliche Ertrag einer gut geplanten und optimal ausgerichteten Anlage beträgt in Nordrhein-Westfalen durchschnittlich 850 – 950 kWh pro kWp und Jahr.

Um eine Leistung von 1 kWp zu erreichen, benötigt man etwa 6 m² Modulfläche. Wie viel Ertrag genau möglich ist, hängt von diesen Faktoren ab:

• Eigenschaften der Dachfläche: vor allem Neigung und Himmelsrichtung (siehe auch „Ist Ihr Gebäude geeignet?“)
• Verschattung und Verschaltung: Wenn eine einzelne Solarzelle verschattet wird, hat dies negative Auswirkungen auf alle mit ihr verbundenen Solarzellen des Moduls. Unvermeidbare Verschattungen sind also bei der Verschaltung der Solarzellen zu berücksichtigen. Abhilfe ist durch Spezialmodule möglich.
• Wirkungsgrad der Solarzelle: Je nach Herstellungsmethode und Material unterscheidet man kristalline Siliziumzellen, die sowohl ein guter Wirkungsgrad als auch ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis auszeichnen. Daneben gibt es Dünnschichtmodule aus Silizium oder anderen Elementen mit einem geringeren Wirkungsgrad, die aber in der Herstellung günstiger und bezüglich des Einsatzortes flexibler sind.
• Qualität der Anlagenkomponenten und der Planung: Eine zur örtlichen Situation passende Planung und eine fachgerechte Installation sind sehr wichtig. Alle Anlagenkomponenten sind aufeinander abzustimmen. Durch Planungsfehler oder nicht optimierte Regeltechnik können die errechneten Erträge deutlich geringer ausfallen.

Als grobe Faustformel für eine wirtschaftlich orientierte Dimensionierung einer PV-Anlage gilt: Circa 1 kWp Anlagenleistung pro 1.000 Kilowattstunden
(kWh) Jahres-Stromverbrauch. Allerdings ist zu bedenken, dass im Zuge des Klimawandels so viel Strom wie möglich aus erneuerbaren Quellen erzeugt werden sollte.

Die Zeiten des Stromverbrauchs können teilweise an die Sonnenzeiten angepasst werden. Zeitschaltuhren, Funksteckdosen und / oder programmierbare Steuergeräte können Haushaltsgeräte dann einschalten, wenn die Sonne scheint. Das E-Bike oder E-Auto kann ggf. tagsüber geladen werden. Wie viel Solarstrom auf diese
Weise direkt genutzt werden kann, hängt von Art und Anzahl der vorhandenen Stromverbraucher ab. Höhere Anteile werden bei Einbindung eines Batteriespeichers möglich.

Batteriespeicher

Batteriespeicher für Photovoltaikanlagen haben sich in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt, vor allem in Bezug auf die nutzbare Leistung, die Lebensdauer und die Herstellungskosten. Sie sind inzwischen auch für private Nutzer mit kleinen Anlagen verfügbar. Allerdings wird die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage durch die Investition in den Speicher und die Wiederbeschaffung nach zehn bis 15 Jahren Lebensdauer, meist deutlich verringert. Neben der Erhöhung des Eigenverbrauchs
können Batteriespeicher auch zur Entlastung des öffentlichen Stromnetzes beitragen, weil sie die Einspeisung von Strom an sonnigen Tagen und zu sonnenreichen Tageszeiten verringern (Abpuffern von sog. Lastspitzen). Wie bei allen technisch komplexen Systemen ist eine fachgerechte und auf den Nutzer abgestimmte Planung die Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb.

Heute werden in Privathaushalten vornehmlich Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Lithium-Ionen-Batterien Die Lebensdauer dieser Batterien hängt nicht nur von der Anzahl der Ladezyklen ab. Sie unterliegt auch einer Alterung aufgrund chemischer Prozesse im Inneren der Batterien (kalendarische Lebensdauer), so dass heute mit Nutzungsdauern zwischen zehn und 15 Jahre zu rechnen ist. Batteriesysteme können bei bereits bestehenden Photovoltaikanlagen meist problemlos nachgerüstet werden.

Unterstützung der Heiztechnik durch PV-Anlagen

Die Kombination einer PV-Anlage mit einer elektrischen Wärmepumpe erhöht den Anteil des selbst genutzten Solarstroms und ist
technisch problemlos umsetzbar. Allerdings gelten alle Regeln für einen effizienten Betrieb von Wärmepumpen trotzdem (Siehe Artikel: Wärmepumpen), denn der Solarstrom kann nur einen Teil der benötigten Strommenge ersetzen. Beide Systeme müssen aufeinander abgestimmt sein, u. a. in Bezug auf Leistung und Art der Wärmepumpe, Bedarf an Haushaltsstrom und Leistung der Photovoltaikanlage (und ggf. des Batteriespeichers). Besonders wichtig für den optimalen Betrieb ist die Kommunikation zwischen PV-Anlage und Wärmepumpe, also eine intelligente Vernetzung und Steuerung.

Quelle Titelbild: anatoliy_gleb – stock.adobe.com