Photovoltaik – Strom aus Sonnenenergie – Funktion, Vorteile und Kosten der Technologie

NADINE KÜMPEL

AKTUALISIERT AM: 29.06.2021

NADINE KÜMPEL
AKTUALISIERT AM: 29.06.2021

Hausbesitzer können mit Photovoltaik günstig sauberen Strom erzeugen. Das senkt nicht nur die monatliche Stromrechnung, es trägt auch dazu bei, die Klimaerwärmung einzudämmen und unseren Planeten für die kommenden Generationen zu erhalten. Dieser Ratgeber gibt Ihnen einen Überblick über das Thema Photovoltaik im Einfamilienhausbereich. Mit unserem Online Planer können Sie eine eigene Photovoltaikanlage konfigurieren; im Anschluss erhalten Sie ein vorläufiges Angebot, zu dem wir Sie gerne beraten – natürlich kostenlos und unverbindlich.

Mono oder polykristalline Photovoltaikmodule

Themenübersicht

> Was ist Photovoltaik
> Entdeckung der Photovoltaik-Technologie
> Bedeutung in der Energiewende
> Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
> Anwendungsbereiche der Photovoltaik
> Lohnt sich Photovoltaik? Vor- und Nachteile der Technologie
> Photovoltaik auf dem Einfamilienhaus

Was ist Photovoltaik?

Unter Photovoltaik wird die Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht verstanden. Dies geschieht, indem Solarzellen die Strahlungsenergie der Sonne in Strom umwandeln.

Der Begriff Photovoltaik kommt aus dem Griechischen. Hierbei leitet sich “Photo” vom griechischen phos ab und bedeutet Licht. Das Volt in Photovoltaik hingegen steht für die gleichnamige elektrische Einheit für Spannung. Photovoltaik ist ein Teilbereich der Solartechnik zu der auch die Solarthermie zählt. Während eine Photovoltaikanlage das Sonnenlicht zur Stromerzeugung nutzt, erzeugen Solarthermieanlagen aus Sonnenenergie nutzbare Wärme.

Solarkollektor
Solarkollektoren
hyundai 390 full black
Photovoltaikmodul

Entdeckung der Photovoltaik-Technologie

Schon im Jahr 1839 wurde der photoelektrische Effekt durch den Physiker Becquerel entdeckt. Der nächste Meilenstein auf dem Weg zur Technik der heutigen Photovoltaik ist Albert Einsteins Arbeit zur Lichtquantentheorie aus dem Jahr 1905. Die erste Solarzelle wurde jedoch erst Jahrzehnte später, nämlich 1954, entwickelt und bestand aus Silizium. Damals konnte nur ein Wirkungsgrad von 6% erreicht werden, während heutzutage Wirkungsgrade von ca. 20% üblich sind.

Schon bald nach der Erfindung der Solarzelle in den 50er Jahren wurde Photovoltaik im Weltraum eingesetzt. Satelliten und Raumstationen werden bis heute mit Solaranlagen ausgerüstet. Auf der Erde fand Photovoltaik zunächst aber so gut wie keine Anwendung. Erst in den 1990er Jahren intensivierte sich die Forschung, denn die Bedrohungen durch Rohstoffknappheit und den Klimawandel waren inzwischen sehr real. Auch die Installation von Photovoltaikanlagen nimmt seit den 90ern zu.

Seit der staatlichen Förderung durch das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG), welches im Jahr 2000 verabschiedet wurde, sind Photovoltaikanlagen auch finanziell interessant. War die Photovoltaik-Technologie zunächst nur etwas für Liebhaber, kann Sonnenstrom seit dem EEG gegen eine Einspeisevergütung ins Netz gespeist werden. Diese betrug Anfangs noch mehr als 50 Cent pro Kilowattstunde (kWh). Anlagenbesitzer setzten Anfang der 2000er daher ausschließlich auf die Einspeisung von Solarstrom. Mittlerweile ist die Einspeisevergütung auf ca. 8 Cent pro kWh gesunken und Photovoltaik-Strom ist ohne Förderung deutlich günstiger als Strom aus dem Netz. Einspeisung ist daher nur ein nachrangiges Ziel von Anlagenbesitzern und der Eigenverbrauch von Solarstrom wird fokussiert.

Bedeutung für die Energiewende

Die Solarenergie ist nach der Windenergie der wichtigste Erneuerbare Energieträger zur Stromerzeugung. 2020 wurde nach ersten Hochrechnungen 9,3% des Stromes in Deutschland durch Photovoltaikanlagen erzeugt. Windenergieanlagen produzierten zum Vergleich knapp 20% des Stroms. Insgesamt sind in Deutschland bereits 53 GW Photovoltaikleistung, verteilt auf 2 Millionen Anlagen, installiert. Im Sommer kann Photovoltaik zeitweise mehr als zwei Drittel des deutschen Stromverbrauchs decken. 

Anders als bei der Windenergie ist das Potenzial zum Ausbau der Photovoltaik groß. Während Windenergieanlagen nur mit erheblichem Abstand zu Wohngebäuden realisiert werden können, ist es möglich Photovoltaik, sowohl in der Freifläche als auch auf dem Dach, zu installieren. Allein auf Dächern wäre in Deutschland Platz für etwa 900 GW Photovoltaikleistung. Um die Energiewende zu bewältigen, müsste der Zubau jedoch deutlich schneller vorangehen als bisher. Laut Volker Quaschning Professor für Regenerative Energiesysteme an der HTW Berlin, muss sich der Photovoltaik Zubau verfünffachen, um die Klimaziele einzuhalten. Hierzu bräuchte es jedoch noch mehr Anreize durch den Staat oder etwa eine Solarpflicht für Neubauten und bei Sanierungen, wie sie manche Städte bereits planen. 

Obwohl Photovoltaik sehr viel Ausbaupotenzial hat, kann die Technologie allein keine Energiewende herbeiführen. Da Photovoltaikanlagen nur durch Sonneneinstrahlung Energie erzeugen, fehlt Solarstrom Abends und Nachts und auch tagsüber, wenn die  Sonneneinstrahlung schwach ist. Daher muss Strom aus Photovoltaik mit Stromspeichern zwischengespeichert oder um andere Technologien ergänzt werden. Windenergie etwa ist eine ideale Ergänzung zu Photovoltaik, da diese vor allem im Winter und auch Nachts viel Strom produzieren. 

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Der wichtigste Teil einer Photovoltaikanlage sind die Silizium-Solarzellen. Fällt Licht auf eine Solarzelle, werden durch eine chemische Reaktion Elektronen in der Zelle angeregt, bewegen sich und es entsteht Strom. 60 (teils auch 72 oder 120) Solarzellen bilden ein Photovoltaikmodul. 

Photovoltaikmodule sind der Hauptbestandteil einer Photovoltaikanlage und werden mithilfe spezieller Montagesysteme auf dem Dach befestigt. Da in Solarzellen Gleichstrom erzeugt wird, und ein Haushalt Wechselstrom benötigt, muss der erzeugte Solarstrom zunächst umgewandelt werden. Hierzu wird der Strom in einen sogenannten Wechselrichter geleitet. Heutige Wechselrichter übernehmen jedoch, neben der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, zahlreiche weitere Funktionen. Beispielsweise die Ertrags- und Anlagenüberwachung oder die Leistungsoptimierung der Photovoltaikanlage. 

Nach dem Wechselrichter wird der Strom, der im Haushalt benötigt wird, direkt an die Verbraucher geleitet. Was nicht genutzt werden kann, wird entweder in einem Stromspeicher zwischengespeichert oder ins Stromnetz geleitet. Der Einspeisezähler einer Photovoltaikanlage zählt, wie viel Strom eingespeist wurde. Nur so kann der eingespeiste Strom auch vergütet werden. 

Aufbau Photovoltaikanlage mit Wechselrichter
Aufbbau einer Photovoltaikanlage

Anwendungsbereiche der Photovoltaik

Die Photovoltaik-Technologie findet in vielen Lebensbereichen Anwendung. Große Photovoltaikanlagen auf Ackerflächen und anderen Freiflächen speisen ihren Strom vollständig ins öffentliche Netz ein und erwirtschaften Gewinn durch den Verkauf des Solarstroms. Photovoltaik auf Industriedächern, Mehrfamilienhäusern und dem Eigenheim dient vor allem der Selbstversorgung mit Sonnenstrom. Nur der überschüssige Solarstrom wird hier ins Netz eingespeist. 

Werden Photovoltaikanlagen vollständig unabhängig vom Netz betrieben, spricht man von Inselanlagen. Anwendungen finden diese in Berghütten in den Alpen ohne Anschluss an das Stromnetz oder auch in Entwicklungsländern. Auch beim Camping wird Photovoltaik häufig als Stromquelle für Kühlschrank, Laptop oder Handy genutzt. Kleinstgeräte mit geringem Strombedarf können häufig gänzlich Solar betrieben werden und benötigen keine weitere Stromquelle. Hierzu zählen Taschenrechner, Uhren oder Gartenlampen. Schließlich ist Photovoltaik auch für Not-Kommunikationssysteme, wie Notrufsäulen, Wetterstationen oder Eisenbahnsignale, nützlich.

Doch Solarenergie ist nicht nur für die Stromversorgung wichtig. Da Photovoltaikanlagen viel Potenzial haben und kostengünstig sowie dezentral installiert werden können, ersetzen sie fossile Energieträger im Verkehrs- und Wärmesektor. In der Automobilbranche können Elektroautos beispielsweise mit Solarstrom CO2-neutral betrieben werden und auch bei der Wärmeversorgung spielt Solarenergie eine wichtige Rolle. Wärmepumpen, die mit Photovoltaik Strom betrieben werden, sparen Kosten und CO2.

Lohnt sich Photovoltaik? Vor- und Nachteile der Technologie

Photovoltaik ist für die Energiewende entscheidend, doch was bringt die Anschaffung einer eigenen Photovoltaikanlage? Wir stellen Vor- und Nachteile von Photovoltaikanlagen gegenüber.

Vorteile

Stromkosten sparen

Eine Kilowattstunde Strom aus dem Stromnetz kostet 2021 etwa 30 Cent. Mit Photovoltaik auf dem Dach können Sie kostenlos Strom erzeugen, denn die Sonne schickt keine Rechnung.

Decken Sie ihren Stromverbrauch also zum Teil mit Solarstrom aus Ihrer Photovoltaikanlage, können Sie mit jeder selbst verbrauchten Kilowattstunde Stromkosten sparen. Doch auch die Anschaffung einer Photovoltaikanlage verursacht Kosten. Diese können durch die Stromkostenersparnis jedoch meist innerhalb von 10-12 Jahren wieder ausgeglichen werden. Da Photovoltaikanlagen 30 Jahre oder mehr betrieben werden können, ist eine Photovoltaikanlage also eine sehr rentable Investition. Natürlich kann nicht der ganze Solarstrom selbst verbraucht werden. Der Solarstrom, der nicht selbst genutzt wird, wird ins Stromnetz gespeist und durch die Einspeisevergütung vergütet oder mit einem Stromspeicher zwischengespeichert. 

Eine Familie mit einem Stromverbrauch von 3.000 kWh im Jahr kann mit einer 6 KWp (ca. 60m² Dachfläche) Photovoltaikanlage (ohne Speicher) bei einem Eigenverbrauch von 30% bereits über 500€ Stromkosten jährlich sparen.

Umweltschutz

Strom aus Photovoltaik verursacht kein CO2. Lediglich bei der Herstellung der Photovoltaikmodule und anderer Anlagenbestandteile wird CO2 freigesetzt. 

CO2.-Ausstoß Photovoltaik

Durch die Einsparung bei Nutzung des emissionsfreien Solarstroms, können diese Emissionen jedoch bereits nach wenigen Jahren wieder ausgeglichen werden. Schon nach 2-3 Jahren hat eine Photovoltaikanlage so viel Strom erzeugt, wie für ihre Herstellung aufgewendet wurde. Die Photovoltaik-Technologie erzeugt somit 7-12 mal mehr Energie als sie verbraucht und das ohne dabei CO2 freizusetzen.

Unabhängige Energieversorgung

Wie bereits die Anwendungsgebiete von Photovoltaik zeigen, wird die Technologie gerne dort eingesetzt, wo Strom abseits von öffentlichen Netzen benötigt wird. Photovoltaik ist nicht auf Stromnetze angewiesen und kann lokal und im individuell erwünschten Umfang Strom produzieren. Das ist nicht nur für netzunabhängige Standorte von Bedeutung. Auch Besitzer von Ein- und Mehrfamilienhäusern können so ihre Energieversorgung selbst in die Hand nehmen. So muss bei der Energiewende nicht auf staatliche Entscheidungen gewartet werden und die Abhängigkeit von Energiepreisen schwindet. Auch wenn die meisten Hausbesitzer weiterhin Strom aus dem Netz beziehen, ist Photovoltaik ein erster Schritt zu einer selbstbestimmten und unabhängigen Energieversorgung und das günstiger und klimafreundlicher als beim Bezug von Netzstrom.

Flexible Platzierung

Ob auf dem Dach, auf der Garage oder im Garten. Photovoltaik kann überall da betrieben werden, wo es Sonneneinstrahlung gibt. Sogar auf hoher See oder im Weltall gibt es Photovoltaik. 

Nachteile

Anschaffungskosten

Bei der Anschaffung von Photovoltaik muss mit Kosten zwischen 10.000€ und 20.000€ gerechnet werden. Eine solche Summe hat nicht jeder zur Verfügung. Um die finanzielle Hürde zum Kauf einer eigenen Photovoltaikanlage zu senken, können jedoch günstige Kredite und Förderungen in Anspruch genommen werden. Auch die Miete oder das Contracting ist bei Photovoltaik inzwischen üblich geworden.

Photovoltaik ist abhängig von der Sonneneinstrahlung

Ist die Sonne untergegangen, ist die Photovoltaik-Technologie nutzlos. Auch im Winter, wenn die Sonneneinstrahlung ihren Tiefpunkt erreicht, sinkt die Stromproduktion mit Photovoltaik deutlich. Die gute Nachricht: Werden Photovoltaikanlagen mit Stromspeichern kombiniert, kann der Solarstrom trotzdem rund um die Uhr genutzt werden.

Optische Veränderung des Daches

Nicht jedem gefallen Photovoltaikmodule optisch. Im Laufe der Jahre hat sich die Optik von Photovoltaik jedoch bereits deutlich verbessert. Waren die ersten Photovoltaikmodule noch hellblau, so fügen sich heutige Full-Black-Module nahtlos in die Dachoberfläche ein.

luxor solarpanel poly
älteres Photovoltaikmodul
hyundai 390 full black
modernes Photovoltaikmodul mit monokristalliner Zelltechnologie

Photovoltaik auf dem Einfamilienhaus

Photovoltaik auf dem Einfamilienhaus erfreut sich zunehmender Beliebtheit. Die Preise für Photovoltaikmodule sind in den letzten Jahren bedeutend gefallen, sodass der Betrieb einer eigenen Anlage inzwischen eine rentable Investition ist. Auch die Anzahl der Anbieter für Photovoltaikanlagen ist bedeutend gestiegen. Wurden Photovoltaikanlagen in der Anfangszeit noch vorrangig von lokalen Handwerkern geplant und vertrieben, etablieren sich zunehmend auch größere Anbieter auf dem Markt. 

Interessierte Hausbesitzer sollten sich vor der Anschaffung zunächst grundlegend über Preise und Wirtschaftlichkeit informieren. Auch sollte geprüft werden, ob die nötigen Voraussetzungen für die Anlageninstallation vorliegen. Vor dem Kauf ist es in jedem Fall ratsam ein Vergleichsangebot einzuholen.

Jetzt Angebot für Photovoltaikanlage anfordern

Mit welchen Kosten ist zu rechnen?

Eine Photovoltaikanlage auf dem Einfamilienhaus kostet zwischen 7.000€ und 15.000€. Soll die Anlage um einen Stromspeicher ergänzt werden, steigen die Kosten auf bis zu 25.000€.

Da der Staat den Ausbau von Photovoltaik unterstützen möchte, sind für die Finanzierung zahlreiche staatliche Kredite und Fördermöglichkeiten erhältlich. Die KfW und auch private Banken vergeben besonders zinsgünstige Solarkredite. Vor allem Stromspeicher profitieren von Investitionszuschüssen, da die Käufer einen Teil des Kaufpreises erstattet bekommen. Auf lokaler Ebene kann jede Stadt eine eigene Solarförderung ins Leben rufen. Die Stadt Köln fördert Photovoltaik mit einem Zuschuss von 150€ pro kWp. Informieren Sie sich daher vor dem Kauf bei Ihrer Stadt oder Gemeinde über mögliche Förderungen.

Amortisation & Rendite

Mit Photovoltaikanlagen, die 2021 installiert werden, können Renditen von 5-8% erwirtschaftet werden. Damit ist Photovoltaik deutlich rentabler als eine Geldanlage bei der Bank. Natürlich dauert es etwas bis die Anschaffungskosten für Photovoltaik wieder ausgeglichen werden. Bei kleinen Photovoltaikanlagen mit einer Größe von 4-10 kWp ist dies nach ca. 10 Jahren der Fall. Da Photovoltaikanlagen jedoch problemlos 30 Jahre oder mehr betrieben werden können, lohnt sich die Investition.

Voraussetzungen für Photovoltaik

Eine Photovoltaikanlage auf dem Hausdach verursacht neben den Kosten für die Module und den Wechselrichter auch Planungs- und Installationskosten. Häufig muss zudem ein Gerüst am Haus angebracht werden. Als Richtwert ist Photovoltaik daher ab 4 kWp lohnenswert, was etwa einer freien Dachfläche von 20 Quadratmetern entspricht. Steht nur wenig Platz zur Verfügung können Selbstbausätze für den Balkon oder Garten interessant sein. 

Des Weiteren sollte bei der Entscheidung für Photovoltaik auf einer Dachfläche die Ausrichtung des Daches beachtet werden. Ist die Dachfläche ausschließlich nach Norden ausgerichtet, sollte von einer Installation abgesehen werden. Bei fast allen anderen Himmelsrichtungen lohnt sich die Anschaffung jedoch. 

Heimspeicher. Ja oder nein?

Mit Photovoltaik kann nur dann Strom erzeugt werden, wenn Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Gerade Abends und Nachts, nach Sonnenuntergang, besteht aber ein hoher Strombedarf für Privathaushalte. Heimspeicher, die überschüssigen Solarstrom zwischenspeichern, sind hier die Lösung. Ohne einen Speicher kann etwa 30% des mit Photovoltaik produzierten Stroms genutzt werden. Mit einer Photovoltaikanlage hingegen sind es 50-80%. Mittlerweile wird die Mehrheit der Photovoltaikanlagen in Deutschland mit einem Speicher installiert. Die Anschaffungskosten für einen Stromspeicher schwanken zwischen 4.000 und 10.000€ je nach Hersteller und Speichergröße. Ob sich ein Speicher lohnt, lässt sich am besten mithilfe eines Photovoltaik Rechners ermitteln.


Jetzt Photovoltaik mit Speicher planen

Ähnliche Artikel