Die Energie der Sonne zeigt sich im Frühjahr und Sommer von ihrer besten Seite, wenn sie Pflanzen zum Blühen bringt und es so warm werden lässt, dass T-Shirt und kurze Hose ausreichen. Durch CO2-arme Energiegewinnung lässt Sonnenenergie auch die Nachhaltigkeit erblühen.
Inhalt
Solaranlagen – verschiedene Formen
Argumente für eine Solaranlage
Platz sparen durch Dachanlagen
Unabhängigkeit von anderen Quellen
Fördermöglichkeiten für solare Energiegewinnung
Unter dem Begriff der Solaranlage sind technische Anlagen einbegriffen, welche die Energie der Sonne nutzen und in andere Energieformen umwandeln. Es gibt dabei sowohl Anlagen, welche die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln sowie Anlagen, die sie in thermische Energie – also Wärme – umwandeln. Das Potential der thermischen Energieerzeugung wird im Sommer, mit Temperaturen in Deutschland bis zu 40 °C, deutlich.
Der von der Sonne erzeugte Strom wird als Solarstrom bezeichnet. Für die Erzeugung von Solarstrom werden Solarzellen benötigt, welche die Umwandlung ermöglichen. Das gleiche gilt für Anlagen zur Wärmegewinnung. Je nach Zweck der Anlage sind die Solarzellen bzw. -kollektoren unterschiedlich aufgebaut.
Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) werden zur Stromerzeugung genutzt. Durch PV-Anlagen wird Sonnenlicht mittels Solarzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt, denn Solarzellen bestehen aus Halbleitern und durch die Sonnenstrahlung werden Elektronen in Bewegung gesetzt, welche Strom erzeugen [1]. Durch die Umwandlung entsteht zunächst Gleichstrom, welcher mittels eines Wechselrichters in Haushaltsstrom, d.h. Wechselstrom, umgewandelt werden kann [2]. Lohnenswert ist die PV-Anlage am ehesten, wenn der größtmögliche Teil des Stroms selbst genutzt wird. Allerdings können Überschüsse auch ins Stromnetz eingespeist werden und die Besitzenden der Anlage erhalten eine Einspeisevergütung [3].
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Einspeisevergütung Beim Bau einer PV-Anlage gibt es für jedes kWh, das ins Stromnetz eingespeist wird, eine Vergütung. Die Höhe der Einspeisevergütung bezieht sich auf den Monat der Inbetriebnahme und ist abhängig von der Größe der Anlage. Mit der festgelegten Vergütung werden PV-Anlagen derzeit für 20 Jahre gefördert. Allerdings sinkt die Einspeisevergütung kontinuierlich, sodass es finanziell am lohnenswertesten ist, den Strom selbst zu verbrauchen. |
PV-Anlagen sind existenzieller Bestandteil der Energiewende und daher auf dem Vormarsch wie kein anderer Energieträger für Strom. In Europa wurden 2021 knapp 26 Gigawatt Photovoltaikleistung in Betrieb genommen. Dabei ist der Ausbau der Photovoltaik noch lange nicht am Ende. Allein im Jahr 2021 wurden PV-Anlagen im Vergleich zum Vorjahr um 34 % ausgebaut. [4]
Im Vergleich zum Solarstrom dient die Solarthermie dazu, Wärme zu erzeugen. Für die Solarthermie werden Sonnenkollektoren verwendet. Die Wirkungsgrade der Sonnenkollektoren liegen mit 60 bis 70 % besonders hoch und können sowohl für die Heizung als auch für die Warmwasseraufbereitung genutzt werden [5]. Dabei sammeln und absorbieren die Kollektoren die Energie des Sonnenlichts mit Hilfe von meist schwarz beschichteten Absorberflächen [6]. In den Kollektoren befindet sich ein Wärmeträgermedium, welches neben Wasser auch Solarflüssigkeit oder Luft sein kann [5]. Die Solarwärme wird vom Wärmeträgermedium in einen Heizwasser-Pufferspeicher geführt, der sowohl für das Heizungssystem als auch die Trinkwassererwärmung zuständig ist. Sollte die Sonneneinstrahlung für den Heizungsbedarf nicht ausreichen, so kommt zusätzlich ein Heizkessel zum Einsatz [6]. In folgender Abbildung ist die Funktionsweise von Solarthermie-Anlagen grafisch dargestellt [6]:
Solarkraftwerke können sowohl zur thermischen als auch elektrischen Gewinnung von Solarenergie genutzt werden. Dabei unterscheiden sie sich von ihrer Funktionsweise kaum von den bereits erläuterten Formen der Gewinnung von Solarenergie – Photovoltaik und Solarthermie. Der einzige Unterschied zwischen normalen Anlagen und Kraftwerken ist die Dimension sowie Kapazität. Bei einem Solarkraftwerk, welches auf Photovoltaik beruht, handelt es sich um einen Solarpark mit einer größeren Zahl von Solarzellen, deren erzeugter Strom direkt dem Stromnetz zugeführt wird. Bei Solarthermiekraftwerken wird sich mit einer höheren Kapazität beholfen. Durch Parabolspiegel werden die Sonnenstrahlen auf Brennpunkte konzentriert. Um hier die maximale Leistung der Sonnenenergie zu erreichen, müssen die Spiegel beweglich sein und regelmäßig gereinigt werden. Hauptsächlich wird die Energie, welche durch Solarthermiekraftwerke erzeugt wird, als Strom verwendet, indem die Wärmeenergie für Dampferzeugung genutzt wird. Der Dampf kann für den Betrieb einer Dampfturbine genutzt werden und somit Strom erzeugen. [7]
Trotz der Dimensionen, die Solarkraftwerke annehmen können, müssen sie meist mit Kraftwerken anderer Energiequellen kombiniert werden, da eine konstante Sonneneinstrahlung aufgrund von Tag- und Nachrhythmus sowie Wetterlage nicht immer gegeben ist. Die ergänzenden Kraftwerke müssen dabei über eine Grundlastfähigkeit verfügen, um eine unterbrechungslose Stromversorgung zu garantieren. Die Abhängigkeit der Wetter- und Tageslage ist die größte Herausforderung im Bereich der Solarenergie. Daher wird immer stärker nach Speicherungsmöglichkeiten geforscht.
Um der Unzuverlässigkeit von solarer Energiegewinnung entgegenzutreten, rücken Speichermöglichkeiten im Zusammenhang mit PV-Anlagen immer mehr in den Fokus. Mit Speichersystemen lässt sich der tagsüber überschüssig erzeugte Solarstrom zwischenspeichern und abends oder am nächsten Morgen wieder verbrauchen. Somit entfällt eine Einspeisung ins allgemeine Stromnetz. Eine PV-Anlage mit Batteriespeichersystem besteht aus folgenden Komponenten [8]:
• Lithiumbatterien
• Batteriemanagementsystem
• Anbindende Elektronik (für Internet und Monitoring)
• Wechselrichter zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom
Bei der Anschaffung eines Speichers gilt es zu beachten, dass die Speicherkapazität zur Anlage passen sollte. So altert die Batterie nicht zu schnell und der Verbrauch von unnötigen Rohstoffen und Ressourcen wird vermieden. Als Richtwert gilt hierbei, dass pro 1.000 kWh Jahresverbrauch in etwa eine Kilowattstunde Batteriekapazität veranschlagt werden soll. Bei kleinen Anlagen gibt es außerdem die Faustregel, dass die Speicherkapazität der Batterie in kWh in etwa mit der Leistung der Photovoltaikanlage in kW übereinstimmen sollte. [8]
Gerade im Bereich der Energiespeicherung wird es insbesondere bei hohem Strombedarf finanziell lohnend und interessant. Daher sind Unternehmen und Firmen dafür prädestiniert, sich Solaranlagen mit Batteriespeicher zuzulegen. Langfristig lohnt sich das einerseits finanziell für das Unternehmen, andererseits kann durch Solarstrom ein Beitrag zur Energiewende und zum Klimaschutz geleistet werden.
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Die Kontroverse der Sonnenenergie Durch den Abbau von Rohstoffen, die Herstellung und den Transport von Solarpanelen entstehen sowohl Treibhausgase als auch andere umweltschädliche Einflüsse. Dennoch ist die Umweltbilanz von Solarstrom im Vergleich zu nicht-erneuerbaren Energien deutlich besser. |
Zudem gibt es neben den positiven finanziellen und ökologischen Aspekten weitere Argumente, welche für den Bau einer Solaranlage am Firmenstandort sprechen. Insbesondere mit den Gedanken im Hinterkopf, dass fossile Brennstoffe langsam zu Neige gehen und durch deren Nutzung eine Abhängigkeit zu Nationen entsteht, welche fossile Energieträger exportieren.
Um den Wirkungseffekt von Solaranlagen zu maximieren, eignet sich eine Installation der Anlage an sonnenreichen Orten. Dies kann einerseits durch die Region beeinflusst sein. So können Solaranlagen in der Nähe des Äquators mehr Strom erzeugen als in Mittel- und Nordeuropa.
„Innerhalb einer Region kann der Wirkungsgrad auch über den Standort beeinflusst werden. ”
Somit eignen sich Dächer besonders für die Installation von Solaranlagen, da wenig oder kein Schatten auf diese fällt. Außerdem bieten sich Freiflächen für den Bau von Solarparks an, da auch hier der Schatteneinfall sehr gering ist. Bei Freiflächen ergibt sich allerdings der Konflikt, dass die Fläche auch anderweitig genutzt werden könnte und der Bau eines Solarparks zu Einschnitten im Naturschutz führt. Im Vergleich ist die Fläche auf Hausdächern ohnehin meist ungenutzt und kann mit einer Solaranlage einen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Die Nutzung von Dächern zur Erweiterung der Solarenergie ist für eine Energiewende unabdingbar. Denn in Zeiten von Flächenfraß, Wohnraummangel und Biodiversitätsverlust wird es immer fragwürdiger, freie Flächen zu nutzen, um dort ausschließlich Solarpanele aufzustellen. Laut NABU sollten Freiflächen daher nur genutzt werden, wenn sie eine geringe Biodiversität aufzeigen und stark vorbelastet sind [9]. Durch eine verpflichtende Installation von Solaranlagen auf Neubauten könnte diesem Problem zusätzlich entgegengetreten und der Ausbau erneuerbarer Energien vorangetrieben werden.
Insbesondere die Abhängigkeit von russischem Erdgas und Erdöl löst im Rahmen des Ukrainekriegs in vielen Ländern Europas starke Kritik aus. Der Wunsch nach einer Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern und insbesondere von Exportländern, die gegen Völkerrechte verstoßen, wird immer lauter. Im Jahr 2021 machten Erdgas und Erdöl allerdings über 50 % des deutschen Primärenergieverbrauchs aus [10].
Neben dem Wunsch nach einer sozialen Verträglichkeit von Energieträgern spüren Verbraucher*innen die Abhängigkeit im Anstieg der Energiepreise. Durch den Krieg und die damit verbundene Verknappung von Erdöl und Erdgas steigen die Energiepreise enorm, weil viele Länder - darunter auch Deutschland – den Handel mit Russland gestoppt haben [11]. Maßnahmen zur akuten Problembehebung werden diesen Konflikt nicht langfristig lösen können, denn laut Prognosen decken die weltweiten Erdöl- und Erdgasressourcen den Bedarf nur noch für bis zu 60 Jahren. Dies wird dazu führen, dass Produkte, welche auf Erdölbasis produziert werden, sowie Primärenergie in den nächsten Jahren deutlich teurer werden, wenn alternative Energiequellen nicht ausgebaut werden [12].
Der größte Vorteil an der Sonnenenergie ist, auch im Anbetracht der Unabhängigkeit, ihre Ausschöpfbarkeit bis ins Unermessliche. Im Gegensatz zu Erdöl, Erdgas und Kohle kann Sonnenenergie nicht aufgebraucht werden und steht immerwährend zur Verfügung. Dies entlastet auch den Geldbeutel, denn bis auf Anschaffung und Wartung entstehen bei der Stromerzeugung keine zusätzlichen Kosten. Bei Solarenergie stellt sich als Problem ausschließlich die Unzuverlässigkeit einer Stromversorgung aufgrund von Witterungsverhältnissen. Sobald die Sonne allerdings scheint, fallen lange Übertragungs- und Verteilungswege für die Energie weg, wodurch es zu weniger Energieeinbußen kommt [5]. Langfristig lässt sich das Problem der Unzuverlässigkeit durch die Optimierung von Speichertechnologien lösen. Somit kann die an sonnenreichen Tagen erzeugte Energie gespeichert werden und abends sowie an bewölkten Tagen kann auf sie zurückgegriffen werden. Derzeit werden längere Tiefphasen in der Sonnenenergie durch die Kopplung mit weiteren Wärmeerzeugern und die Nutzung von Strom aus dem Netz überbrückt. Allerdings sind die Alternativen zur Solarenergie meist weniger klimafreundlich, da durch die Nutzung einer Wärmepumpe oder fossilen Brennstoffen deutlich mehr Treibhausgasemissionen ausgestoßen werden [6]. Zudem besteht auch hier wieder eine Abhängigkeit von Exportländern fossiler Brennstoffe.
Hohe Preise sind einer der größten Abschreckungsgründe bei der Anschaffung einer Solaranlage. Durch die hohen Produktionszahlen von PV-Anlagen und die stetige Weiterentwicklung der Herstellungsprozesse sind die Preise im letzten Jahrzehnt bereits stark gesunken.
„Zwischen den Jahren 2010 und 2020 sind die Preise für
PV-Module um 90 % gesunken. ” [13]
Trotz der stark sinkenden Preise für die Photovoltaik droht die Gefahr, dass PV-Dachanlagen bald unwirtschaftlich sein könnten, da die Vergütung für den ins Stromnetz eingespeiste Strom zu gering ist. Durch die sinkende Einspeisevergütung rentieren sich wirtschaftlich betriebene PV-Anlagen nur noch, wenn ein Teil des Stroms selbst genutzt wird [14]. Dies spiegelt die wichtigste Erkenntnis im Bereich der Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen wider. Denn diese lohnen sich finanziell am meisten, wenn ein Großteil der Energie selbst genutzt wird. Somit wird der Bedarf nach der Energiespeicherung von Solarstrom immer größer, sodass ein Energiespeicher mittlerweile fast unweigerlich zum Bau einer PV-Anlage dazugehört. Dies wirkt sich allerdings preislich aus, denn somit kann man bereits bei einer 4 kWp Anlage mit einer Investition von mindestens 12.000 € rechnen. Aufgrund der langen Lebenszeit von PV-Anlagen lohnt sich die Investition dennoch, da mit einer Ersparnis von 20 Cent pro Kilowattstunde gerechnet werden kann [15]. Bei Solarthermie verhält es sich ähnlich. Bei der Installation der Anlage für ein Einfamilienhaus entstehen Kosten in Höhe von 4.000 bis 6.000 Euro. Wird die Anlage zusätzlich zur Warmwasseraufbereitung als Heizungsunterstützung verwendet, belaufen sich die Kosten auf 8.000 bis 10.000 Euro. Da auch Solarthermieanlagen eine Lebensdauer von etwa 25 Jahren haben, kann aufgrund von staatlichen Förderungen damit gerechnet werden, dass sich die Anlage nach etwa 15 Jahren ausbezahlt hat [16].
Finanzielle Förderungen von staatlichen Institutionen sind wichtiger Bestandteil der Energiewende. Derzeit befinden sich die Technologien für erneuerbare Energien noch im Ausreifungsprozess und können daher finanziell nicht gänzlich mit anderen Energieträgern in Konkurrenz treten. Daher wird insbesondere auch Solarenergie staatlich gefördert. Bisher verlief ein essentieller Teil der Förderung über die Einspeisevergütung. Überschüssig produzierter Strom wurde ins Energienetz zurückgeführt und die Haushalte wurden pro Kilowattstunde vergütet. Die Einspeisevergütung sinkt allerdings kontinuierlich, sodass sich eine Einspeisung finanziell nicht lohnt und der Selbstverbrauch deutlich attraktiver ist [13].
Zusätzlich wird der Bau von Solaranlagen durch zinsgünstige Kredite und Unterstützung der KfW gefördert. Dabei gibt es je nach Bauvorhaben und Sanierungsplan verschiedene Zuschüsse und Förderkredite [17]. Förderungen können neben der KfW auch beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) beantragt werden. Das BAFA unterstützt insbesondere Anlagen im Bereich der Solarthermie. Bei der Förderung wird die Höhe der Unterstützungsgelder entsprechend der Verwendung der Solarkollektoren sowie deren Fläche bestimmt [18].
Solarenergie – ob Strom oder Wärme - ist auf dem Vormarsch und eine der vielversprechendsten Energieträger der Zukunft. Sie glänzt mit Unabhängigkeit, unbegrenzter Verfügbarkeit und Klimafreundlichkeit. Derzeit stellen die Unzuverlässigkeit sowie unausgereifte Möglichkeiten der Speicherung die größten Probleme dar. Werden die Speichertechnologien weiterentwickelt, so kann Sonnenenergie ein verlässlicher Energieträger für die Zukunft werden. Dafür ist es allerdings notwendig, bereits heute die Technologien und die Forschung im Bereich der Sonnenenergie und deren Speicherung zu fördern, um frühzeitig unabhängig zu werden und Solarenergie auch finanziell attraktiv zu machen.
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Quellen:
[1] UBA: 2021. Photovoltaik. Umweltbundesamt, URL: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/photovoltaik#photovoltaik.
[2] verbraucherzentrale: 2022. Photovoltaik: Was bei der Planung einer Solaranlage wichtig ist. Verbraucherzentrale, URL: https://www.verbraucherzentrale.de/wissen/energie/erneuerbare-energien/photovoltaik-was-bei-der-planung-einer-solaranlage-wichtig-ist-5574.
[3] LfL. Aktuelle Vergütung für Photovoltaik(PV)-Anlagen ab Februar bis April 2022. Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, URL: https://www.lfl.bayern.de/iba/energie/161645/index.php.
[4] EZ: 2022. Solar Power: 2021 Rekord-Jahr für Photovoltaik in Europa. Energiezukunft, URL: https://www.energiezukunft.eu/erneuerbare-energien/solar/2021-rekord-jahr-fuer-photovoltaik-in-europa/.
[5] bpb: 2007. M 04.34 Wärmegewinnung mit Sonnenkollektoren. Bundeszentrale für politische Bildung, URL: https://www.bpb.de/lernen/angebote/grafstat/umweltbewusstsein/134950/m-04-34-waermegewinnung-mit-sonnenkollektoren/.
[6] verbraucherzentrale: 2021. Solarthermie: Solarenergie für Heizung und Warmwasser nutzen. Verbraucherzentrale, URL: https://www.verbraucherzentrale.de/wissen/energie/erneuerbare-energien/solarthermie-solarenergie-fuer-heizung-und-warmwasser-nutzen-5568.
[7] goClimate.de. Was ist ein Solarkraftwerk und wie funktioniert es?. goClimate.de, URL: https://www.goclimate.de/glossar/solarkraftwerk/.
[8] verbraucherzentrale: 2022. Lohnen sich Batteriespeicher für Photovoltaikanlagen?. Verbraucherzentrale, URL: https://www.verbraucherzentrale.de/wissen/energie/erneuerbare-energien/lohnen-sich-batteriespeicher-fuer-photovoltaikanlagen-24589.
[9] NABU. Der naturverträgliche Ausbau der Photovoltaik: Forschungs- und Analysebedarf bei der Bewertung von Umweltauswirkungen. Naturschutzbund Deutschland, URL: https://www.nabu.de/umwelt-und-ressourcen/energie/erneuerbare-energien-energiewende/solarenergie/04300.html.
[10] ZDF: 2022. Europa: Erdgaspreis stiegt um 60 Prozent. ZDF, URL: https://www.zdf.de/nachrichten/wirtschaft/preis-erdgas-russland-ukraine-krieg-100.html.
[11] AGEB: 2022. AG Energiebilanzen legt Bericht für 2021 vor. AG Energiebilanzen e.V., URL: https://ag-energiebilanzen.de/ag-energiebilanzen-legt-bericht-fuer-2021-vor/.
[12] Zeike, Maria. Infoblatt Alternativen zum Erdöl. Klett, URL: https://www.klett.de/alias/1036687.
[13] Wirth, Harry: 2021. Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland. Fraunhofer ISE. URL: https://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/studien/aktuelle-fakten-zur-photovoltaik-in-deutschland.html.
[14] UBA:2021. Wirtschaftlichkeit neuer Photovoltaik-Dachanlagen gefährdet. Umweltbundesamt, URL: https://www.umweltbundesamt.de/themen/wirtschaftlichkeit-neuer-photovoltaik-dachanlagen.
[15] Solarenergie.de. Photovoltaik: Kosten der Anlage mit Speicher. solarenergie.de, URL: https://solarenergie.de/photovoltaikanlage/finanzielles/photovoltaikanlage-kosten/kosten-photovoltaik-mit-speicher.
[16] Solarenergie.de. Wie hoch sind die Kosten der Solarthermie?. Solarenergie.de, URL: https://solarenergie.de/hintergrundwissen/solarenergie-nutzen/solarthermie/solarthermie-kosten.
[17] KfW. Aus Sonnenenergie eigenen Strom erzeugen. KfW, URL: https://www.kfw.de/inlandsfoerderung/Privatpersonen/Bestandsimmobilie/Energieeffizient-Sanieren/Photovoltaik/.
[18] BAFA. Förderübersicht Solar (Basis-, Innovations- und Zusatzförderung). Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, URL: https://www.bafa.de/SharedDocs/Downloads/DE/Energie/ew_solarthermie_foerderuebersicht.pdf;jsessionid=2C1896B6A02BCB3112065EF3E480FEDF.2_cid362?__blob=publicationFile&v=5.