Die Nutzungsmöglichkeiten der Photovoltaik

Die Kraft der Sonne nutzen

vom 19. Sep 2021
Autor: Stefan Blank
Fotos: Illustration: Don Ailinger
© Illustration: Don Ailinger
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Wir sind auf dem richtigen Weg: Bundesweit stieg 2020 die Stromerzeugung aus Photovoltaikanlagen gegenüber 2019 um etwa neun Prozent auf 50,6 Gigawatt. In Baden-Württemberg ist die Photovoltaik mit einem Anteil von knapp zehn Prozent an der Bruttostromerzeugung die stärkste erneuerbare Energiequelle. Doch gibt es noch reichlich Potenzial: Die Landesregierung will die installierte Photovoltaikleistung im Ländle bis 2030 auf elf Gigawatt verdoppeln. Neben Dachanlagen sehen die Verantwortlichen auch in der Agrophotovoltaik große Zukunft. Zwei Felder, auf denen die TWS seit Jahren eine treibende Kraft für die Region ist: mit dem twsEnergiedach, das sich vor allem an Gewerbetreibende richtet, und dem Engagement für Solartechnik in der Landwirtschaft in Zusammenarbeit mit dem Kompetenzzentrum Obstbau-Bodensee (KOB) und dem Fraunhofer-Institut.

Photovoltaik (PV) hat Zukunft, wie Zahlen aus dem Jahr 2020 deutlich zeigen: Bei den Gesamtinvestitionen in die erneuerbaren Energien entfielen insgesamt 38 Prozent der Investitionen auf Photovoltaik (2019: 33 Prozent), 19 Prozent auf Windenergie (2019: 34 Prozent) und 17 Prozent auf Geothermie und Umweltwärme (2019: 13 Prozent). Mit 4.801 Megawatt (MW) stieg der Zubau bei den PV-Anlagen gegenüber dem Vorjahr nochmals an (2019: 3.889 MW). Bis Ende 2020 wurden in Deutschland PV-Anlagen mit einer Leistung von insgesamt 53.848 MW installiert. Damit wuchs die Gesamtleistung um fast zehn Prozent gegenüber dem Wert des Vorjahres (49.047 MW).

Wie Photovoltaik funktioniert

Das Wort „Photovoltaik“ setzt sich zusammen aus dem griechischen Wort für Licht (φως – phôs) und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Das Wort steht für die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Diese Umwandlung basiert auf dem sogenannten Photoeffekt, den der Physiker Alexandre Becquerel 1839 entdeckt hat. Der Photoeffekt beschreibt das Herauslösen von Elektronen aus einem Metall durch Photonen, also durch Bestrahlung mit Licht. Diesen Effekt nutzen Solarzellen. So kann die Kraft der Sonne mithilfe von Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt werden. Die Solarzellen bestehen aus Silizium-Halbleitern, einem Element, das unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig wird. Sobald Licht auf diese Zellen fällt, erzeugen diese Gleichstrom. Die einzelnen Solarzellen sind elektrisch miteinander verschaltet zu Solarmodulen. Die Solarmodule wiederum werden zu einem Solargenerator zusammengeschaltet.

Mit einem Anteil von 38 % stand die Photovoltaik
bei den Investitionen in die erneuerbaren Energien 2020 an erster Stelle.
 

Der über die hauseigene PV-Anlage gewonnene Strom kann für den Eigenbedarf eingesetzt werden, beispielsweise für den Betrieb von Elektro-, Bau- und Haushaltsgeräten sowie für das Aufladen von E-Bikes oder E-Cars. Dadurch spart man sich nicht nur die Suche nach der nächsten Ladesäule, sondern kann mit gutem Gewissen und Ökostrom-gepowert mobil sein. Es besteht auch die Möglichkeit, den Strom für den späteren Gebrauch im und rund um das Haus oder den Gewerbebau zu nutzen: Solarakkus als Stromspeicher stellen den Sonnenstrom auch dann zur Verfügung, wenn es dunkel geworden oder der Himmel bewölkt ist. Der erzeugte Strom kann aber auch gegen Vergütung ins öffentliche Netz eingespeist werden. Nach etwa drei Jahren haben PV-Anlagen die Energie produziert, die für ihre Herstellung aufgewendet wurde, ihre Betriebsdauer liegt bei 25 bis 30 Jahren.

Dank der Photovoltaikanlagen vermeiden wir jährlich rund 3,5 Millionen Tonnen CO2-Emissionen in Deutschland. 

In Baden-Württemberg gilt die Solarpflicht

Auch in Baden-Württemberg werden immer mehr Solaranlagen gebaut. Die Leistung der neu errichteten Anlagen lag 2020 um ein gutes Drittel höher als 2019. Der Anteil an der Bruttostromerzeugung betrug knapp zehn Prozent, damit ist die Photovoltaik die stärkste erneuerbare Energiequelle im Land. Rund 3,5 Millionen Tonnen CO2-Emissionen können mit den Anlagen jährlich vermieden werden. Bis 2030 allerdings soll die installierte Photovoltaikleistung auf elf Gigawatt verdoppelt werden. Um dorthin zu gelangen, wurde von der Landesregierung im Sommer 2021 die sogenannte Solarpflicht im Rahmen des Klimaschutzgesetzes verabschiedet. Diese Solarpflicht galt bereits für gewerblich genutzte Gebäude wie Einkaufsmärkte, Bürogebäude und Schulen und wird jetzt ausgedehnt auf den privaten Bereich. Wer also ab dem 1. Januar 2022 ein neues Haus baut, muss seine Dachflächen grundsätzlich mit Solaranlagen ausstatten, das gilt auch für Parkplätze ab einer Größe von 35 Stellplätzen. Zudem müssen Hausbesitzer ab dem 1. Januar 2023 bei einer grundlegenden Dachsanierung ebenfalls eine PV-Anlage anbringen. Das klingt alles sehr strikt und nach großen Investitionen. Die Solarpflicht bringt jedoch sowohl für den Häuslebauer als auch für den Gewerbetreibenden neben den Verpflichtungen zahlreiche Vorteile – die sich letztendlich im Geldbeutel niederschlagen.

Sparen mit dem twsEnergiedach

Auf seinen Geldbeutel achtet beispielsweise Christian Niederberger, Eigentümer eines Metallbauunternehmens in Haidgau bei Bad Wurzach. Seine bisherige Halle ist zu klein geworden, fünf Mitarbeiter*innen und reichlich Maschinen brauchen neue Räume. Also baut er in Bad Wurzach auf 17 mal 44 Metern Fläche, 8,40 Meter hoch und mit einer PV-Anlage mit einer Leistung von 20 kWp (Kilowattpeak) auf dem Dach. Mit dem Strom aus der PV-Anlage will Niederberger seine Maschinen betreiben, den Gabelstapler laden und senkt auch noch seine Stromkosten: „10.000 bis 15.000 kWh haben wir bisher im Jahr gebraucht. Jetzt können wir mit der PV-Anlage allein 6.000 bis 7.000 vom Dach holen. Damit sparen wir gut 2.000 Euro.“ Dazu kommt, dass Niederberger die PV-Anlage nicht finanzieren muss, sondern das tut die TWS für ihn. Das Konzept heißt twsEnergiedach und ist denkbar einfach: Gemeinsam mit der TWS checkt der Gewerbetreibende die Möglichkeiten einer PV-Anlage, die TWS plant, investiert, installiert und übernimmt für 18 Jahre die Wartung. Nach 18 Jahren kann der/die Unternehmer*in die Anlage für wenig Geld übernehmen. „Die Anlage liefert nach dieser Zeit immer noch 95 Prozent ihrer Leistung. Für mich ist die TWS-Lösung ideal“, sagt Christian Niederberger. Einen überschaubaren Betrag zahlt er für den Service, „da wundert es mich, dass das nicht jeder macht“. Falls sein Betrieb mehr Strom benötigt, als die PV-Anlage hergibt, kauft er den Ökostrom von der TWS zu. Wenn die Anlage mehr Strom produziert, wird dieser ins Stromnetz eingespeist. Im Herbst 2021 soll die Halle fertig sein – und wenn es geschäftlich so weitergeht, könnte eine zweite Halle dazukommen. Die Fläche hat Niederberger bereits gekauft, und aufs Dach kommt sicher wieder ein twsEnergiedach. Für ihn ganz klar: „Mir sind 1.000 Photovoltaikanlagen lieber als ein Atomkraftwerk.“

„Mich wundert, dass das nicht
jeder macht.“
 

Christian Niederberger
über sein twsEnergiedach
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„Das twsEnergiedach ist geeignet für so gut wie jeden Gewerbebetrieb, der über eine brauchbare Dachfläche verfügt“, sagt Markus Zell aus dem Vertrieb Geschäftskunden bei der TWS. „Ein großer Vorteil unseres Konzepts ist die Möglichkeit zur Skalierung – von 20 Kilowatt (kW) wie eben bei Christian Niederberger bis zu mehr als 750 kW, wie wir es für einen Anbieter aus der Automotive-Branche planen.“ Dabei handelt es sich um ein großes Unternehmen, das mit mehr als 6.000 Mitarbeiter*innen in der Region Oberschwaben/Allgäu beheimatet ist, hier einige Standorte hat und europaweit aktiv ist. „Konkret geht es um sechs bis sieben Dachflächen, auf denen wir twsEnergiedächer mit bis zu 750 kWp errichten wollen.“ „kWp“ (Kilowatt-Peak) gibt an, welche Höchstleistung in Kilowatt eine PV-Anlage erbringen kann. „Mit so einer Anlage kann das Unternehmen beispielsweise auf den Dächern nur eines Standorts über die Vertragslaufzeit von 25 Jahren gut eine Million Euro einsparen und rund 8.750 Tonnen CO2- Emissionen vermeiden.“ Was also gut für den Geldbeutel ist, kann auch gut für die Umwelt sein.

Illustration: © Don Ailinger

Gut zu wissen

Die Solarzellen bestehen aus Silizium-Halbleitern, einem Element, das unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig wird. Sobald Licht auf diese Zellen fällt, erzeugen diese Gleichstrom. Die einzelnen Solarzellen sind elektrisch miteinander verschaltet zu Solarmodulen. Die Solarmodule wiederum werden zu einem Solargenerator zusammengeschaltet.
Agrophotovoltaik – Energiequelle der Zukunft?

Ein mögliches Zukunftskonzept, das viele Vorteile mit sich bringt, ist die Agrophotovoltaik. Hier geht es darum, Flächen gleichzeitig für die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion und die PV-Stromproduktion zu nutzen. Fruchtbare Böden für die Nahrungsmittelproduktion bleiben erhalten, es wird nichts versiegelt. Vielmehr ist die Idee, die PV-Module in einer Höhe von zwei bis acht Metern aufzuständern mit nutzbarem Boden darunter. Diese Art der Doppelnutzung von Flächen schafft zahlreiche Vorteile. So könnten die Solarpanels den Pflanzen in heißen Sommern Schatten spenden und sie gleichzeitig vor Hagelschäden bewahren. Als Versuchsstandorte für die Agrophotovoltaik wurden 2015 von der baden-württembergischen Landesregierung zwei landwirtschaftliche Betriebe im Bodenseekreis sowie das Kompetenzzentrum für Obstbau in Bavendorf (KOB) ausgesucht. Entwickelt wurde das Projekt vom Fraunhofer-Institut in Freiburg, die TWS kümmert sich sowohl um die energiewirtschaftlichen Fragestellungen als auch um die betrieblichen Fragen zur Agrophotovoltaik unter den Bedingungen des Obstanbaus. „Die Projektidee hat Charme. Sie verbindet Bewährtes mit Neuem und könnte neue Einkommenspotenziale für die Landwirtschaft erschließen. Nicht zuletzt profitiert aber etwas, das uns allen am Herzen liegen sollte: der Klimaschutz“, so TWS-Geschäftsführer Andreas Thiel-Böhm. Die Obstbauregion Bodensee-Oberschwaben ist mit rund 7.000 Hektar Apfelanbaufläche Deutschlands größtes Obstanbaugebiet. Etwa die Hälfte der Flächen schützen die Erzeuger mit Hagelnetzen. Bei einer kompletten Umstellung ergäbe sich eine Stromproduktion von 4,2 Milliarden kWh Ökostrom pro Jahr. Das entspricht in etwa der Menge, die rund 1,2 Millionen Haushalte durchschnittlich pro Jahr verbrauchen.

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