Solartechnik: Photovoltaik und Solarthermie erklärt

Was ist Solartechnik?

Solartechnik bezeichnet alle Techniken, die Sonnenstrahlung in nutzbare Energie umwandeln. Der Begriff ist weiter gefasst als Photovoltaik. Er umfasst die Stromerzeugung mit Solarzellen ebenso wie die Wärmegewinnung mit Kollektoren. Wer von einer Solaranlage spricht, kann also beides meinen.

Am Wohnhaus spielen zwei Techniken eine Rolle. Die Photovoltaik macht aus Licht Strom, der im Haushalt verbraucht, gespeichert oder ins Netz eingespeist wird. Die Solarthermie macht aus Sonnenstrahlung Wärme für Dusche, Badewanne und Heizung. Beide nutzen dieselbe Quelle und oft dasselbe Dach, arbeiten aber völlig unterschiedlich.

Daneben gibt es Mischformen und Sonderfälle. PVT-Kollektoren erzeugen Strom und Wärme in einem Bauteil. Solarmodule lassen sich auch in die Gebäudehülle einbauen, etwa als dachintegrierte Photovoltaik oder an der Fassade. Im großen Maßstab gehören Solarparks auf Freiflächen und solare Prozesswärme für Betriebe dazu.

Wie viel Sonnenenergie kommt in Deutschland an?

In Deutschland treffen im langjährigen Mittel rund 1.100 kWh Sonnenenergie pro Jahr auf jeden Quadratmeter waagerechter Fläche. Das Fraunhofer ISE nennt nach Zahlen des Deutschen Wetterdienstes 1.102 kWh. Fachleute nennen diesen Wert Globalstrahlung. Er fasst das direkte Sonnenlicht und das gestreute Licht vom Himmel zusammen.

Der Unterschied zwischen Nord und Süd ist kleiner, als viele denken. Die Globalstrahlung schwankt innerhalb Deutschlands je nach Standort um etwa 10 % nach oben und unten. Solartechnik funktioniert deshalb an der Küste ebenso wie am Alpenrand. Wichtiger als die Region sind am einzelnen Haus Ausrichtung, Neigung und Schatten.

Eine geneigte Fläche fängt mehr ein als eine waagerechte. Auf Module, die nach Süden geneigt sind, fallen im deutschen Mittel rund 1.270 kWh je Quadratmeter und Jahr. Das entspricht der Energie von gut 120 Litern Heizöl auf jedem Quadratmeter Dach, nach eigener Rechnung mit rund 10 kWh je Liter.

Wie funktioniert Photovoltaik?

Photovoltaik wandelt Sonnenlicht in Solarzellen direkt in elektrischen Strom um. Eine Solarzelle besteht aus zwei unterschiedlich behandelten Schichten eines Halbleiters, fast immer Silizium. Trifft Licht auf die Zelle, setzt es darin Ladungsträger frei. An der Grenze der beiden Schichten herrscht ein elektrisches Feld, das diese Ladungen trennt. So entsteht eine Spannung, und sobald ein Verbraucher angeschlossen ist, fließt Strom. Fachleute nennen das den photovoltaischen Effekt.

Eine einzelne Zelle liefert nur wenig Spannung. Deshalb sind in einem Solarmodul viele Solarzellen hintereinandergeschaltet, und mehrere Module bilden zusammen die Anlage. Der erzeugte Strom ist Gleichstrom. Ein Wechselrichter macht daraus den Wechselstrom, mit dem Hausgeräte und Stromnetz arbeiten.

Wie viel Strom dabei herauskommt

Marktübliche Module haben nach Angaben des Fraunhofer ISE eine Nennleistung von rund 230 Watt je Quadratmeter. Für ein Kilowatt Peak, die übliche Größeneinheit, braucht es also gut 4 m² Modulfläche. Die Nennleistung gilt für Laborbedingungen. Auf dem Dach kommt weniger an, weil die Module warm werden, das Licht schräg einfällt und Kabel und Wechselrichter kleine Verluste haben.

Diese Verluste fasst die Performance Ratio zusammen. Sie liegt bei Anlagen im Jahresmittel typischerweise bei 80 bis 90 %. Unter dem Strich erreichen Dachanlagen in Deutschland nach einer Jahresauswertung des Fraunhofer ISE im Schnitt 922 Vollbenutzungsstunden. Ein Kilowatt Peak liefert damit rund 920 kWh Strom im Jahr.

Eine Anlage mit 10 kWp erzeugt demnach rund 9.200 kWh im Jahr. Das ist mehr, als die meisten Haushalte verbrauchen. Allerdings fällt der Strom nicht dann an, wenn er gebraucht wird: viel am Sommermittag, wenig am Winterabend. Wie viel davon im Haus bleibt, entscheidet über den Nutzen der Anlage.

Aus welchen Teilen besteht eine Photovoltaikanlage?

Eine Photovoltaikanlage besteht aus Solarmodulen, einem Wechselrichter, dem Montagesystem, der Verkabelung und dem Zähler. Ein Stromspeicher kommt bei vielen Anlagen dazu, ist aber kein Muss. Die Qualität der Anlage hängt weniger an einem einzelnen Teil als daran, dass alle zueinander passen.

Eigenverbrauchswerte für Haushalte nach Fraunhofer ISE, abhängig von der Anlagengröße.

Bei den Modulen sind kristalline Siliziummodule der Standard. Unterschiede liegen im Zellaufbau und im Gehäuse. Bifaziale Module nutzen auch Licht, das von hinten auf die Zellen fällt. Was die Prozentzahl im Datenblatt aussagt, erklärt der Beitrag zum Modulwirkungsgrad.

Der Wechselrichter wandelt nicht nur um. Er sucht laufend den Arbeitspunkt, an dem die Module die meiste Leistung abgeben, und überwacht die Anlage. Ein Hybrid-Wechselrichter kann zusätzlich eine Batterie laden und entladen. Wer später einen Speicher nachrüsten will, spart sich damit ein zweites Gerät.

Der Batteriespeicher nimmt mittags den Überschuss auf und gibt ihn abends wieder ab. Laut Fraunhofer ISE können Haushalte ihren Eigenverbrauch damit typischerweise verdoppeln. Strom, der weder verbraucht noch gespeichert wird, fließt als Netzeinspeisung ins öffentliche Netz.

Wie funktioniert Solarthermie?

Solarthermie sammelt die Wärme der Sonne in Kollektoren und leitet sie über einen Wärmekreislauf in einen Speicher. So beschreibt es das Umweltbundesamt. Im Kollektor fließt eine frostsichere Flüssigkeit durch einen dunklen Absorber, der sich in der Sonne aufheizt. Eine Pumpe bringt die erwärmte Flüssigkeit zum Speicher im Keller, wo sie ihre Wärme an das Wasser abgibt.

Zwei Bauarten sind am Wohnhaus üblich. Der Flachkollektor ist ein flacher, verglaster Kasten und die günstigere Lösung. Beim Vakuumröhrenkollektor sitzt der Absorber in luftleeren Glasröhren, die wie eine Thermoskanne dämmen. Röhrenkollektoren bringen nach Angaben der Deutschen Energie-Agentur rund 30 % mehr Ertrag als Flachkollektoren, kosten aber mehr.

Wie viel Wärme dabei herauskommt

Eine Anlage nur für Trinkwasser deckt im Jahresmittel bis zu 60 % der Trinkwassererwärmung, im Sommer bis zu 100 %. Für einen Haushalt mit vier Personen nennt die Deutsche Energie-Agentur dafür rund 5 m² Kollektorfläche und einen Solarspeicher mit etwa 300 Litern. Der Heizkessel bleibt dann in den warmen Monaten aus.

Soll die Anlage auch die Heizung unterstützen, braucht sie etwa die doppelte Fläche. Für vier Personen sind es 10 bis 12 m² Kollektorfläche und ein Kombispeicher mit 60 bis 80 Litern je Quadratmeter Kollektor. Eine solche Anlage deckt etwa 20 % des gesamten Wärmebedarfs für Trinkwasser und Heizung. Der Anteil ist kleiner, weil die Sonne im Winter am wenigsten liefert, wenn am meisten geheizt wird.

Photovoltaik oder Solarthermie?

Photovoltaik ist die vielseitigere der beiden Techniken, Solarthermie die spezialisiertere. Strom lässt sich für alles verwenden: Licht, Geräte, Wärmepumpe, Elektroauto. Was übrig bleibt, geht ins Netz. Solarwärme lässt sich dagegen nur im eigenen Haus nutzen. Ist der Speicher im Sommer voll, bleibt der Überschuss ungenutzt.

Auf vielen Dächern konkurrieren beide um denselben Platz. In der Praxis fällt die Wahl meist auf Photovoltaik, weil sich mit dem Strom auch Wärme erzeugen lässt, am wirksamsten über eine Wärmepumpe. Solarthermie hat ihre Stärke dort, wo ein Kessel bleibt und im Sommer nur fürs Warmwasser laufen müsste. Reicht die Fläche, spricht nichts gegen beides: ein paar Quadratmeter Kollektor fürs Warmwasser, der Rest für Module.

Welche Voraussetzungen braucht das Dach?

Ein Dach eignet sich für Solartechnik, wenn es genug freie Fläche hat, wenig verschattet ist und die Last trägt. Die Himmelsrichtung ist weniger streng, als oft angenommen. Den höchsten Jahresertrag bringt eine Fläche nach Süden mit etwa 30 bis 40° Neigung. Das Maximum ist aber flach: Kleine Abweichungen kosten kaum Ertrag.

Auch Ost- und Westdächer funktionieren. Ein Westdach mit 45° Neigung bringt nach einer Berechnung des Fraunhofer ISE für Freiburg rund 26 % weniger Jahresertrag als ein gleich geneigtes Süddach. Dafür liefert es am späten Nachmittag Strom, wenn im Haushalt mehr verbraucht wird. Einzelheiten stehen im Beitrag zur Ausrichtung der Solaranlage.

Schatten ist der häufigere Ertragskiller. Schornstein, Gaube, Nachbarhaus oder Baum können einen Teil der Module ausbremsen. Bei Photovoltaik wirkt sich das wegen der Verschaltung der Module oft stärker aus, als die verschattete Fläche vermuten lässt. Mehr dazu im Beitrag zur Verschattung von PV-Anlagen. Bei älteren Dachstühlen und bei schweren Aufbauten prüft ein Statiker vorab die Tragfähigkeit.

Für den Betrieb einer Photovoltaikanlage sind zwei Anmeldungen nötig: beim Netzbetreiber und im Marktstammdatenregister der Bundesnetzagentur. Das übernimmt in der Regel der Fachbetrieb. Eine Solarthermie-Anlage speist nichts ein und braucht diese Anmeldungen nicht.

Wie lange hält Solartechnik?

Solartechnik hält Jahrzehnte, weil sie fast ohne bewegliche Teile auskommt. Solarmodule altern so langsam, dass der Verlust schwer zu messen ist. Das Fraunhofer ISE hat an 44 geprüften Dachanlagen in Deutschland einen Rückgang der Nennleistung von durchschnittlich rund 0,15 % pro Jahr ermittelt. Hersteller garantieren üblicherweise, dass ihre Module über 25 bis 30 Jahre höchstens 10 bis 15 % Leistung verlieren. Mehr dazu im Beitrag zur Degradation von Solarmodulen.

Bei der Solarthermie rechnet die Deutsche Energie-Agentur mit 20 Jahren für Flachkollektor und Speicher und mit 18 Jahren für Röhrenkollektoren. Sie empfiehlt eine jährliche Wartung durch den Fachbetrieb. Bei Photovoltaik ist der Aufwand geringer, was regelmäßig zu prüfen ist, steht im Beitrag zur Wartung der Solaranlage.

Lohnt sich das für die Umwelt?

Die Herstellung von Solarmodulen kostet Energie, aber deutlich weniger, als die Module später liefern. Nach Berechnungen des Fraunhofer ISE hat eine Anlage mit marktüblichen Modulen in Deutschland die investierte Energie nach weniger als 1,3 Jahren wieder erzeugt. Eine Analyse im Auftrag des Umweltbundesamtes kommt je nach Modultyp auf 1,6 bis 2,1 Jahre. Über 25 bis 30 Jahre Betrieb liefert die Anlage damit das 11- bis 18-Fache der eingesetzten Energie.

Wann rechnet sich Solartechnik?

Solartechnik rechnet sich über die Energie, die nicht mehr eingekauft werden muss. Bei Photovoltaik ist das der Strom aus dem Netz, bei Solarthermie das Gas, Öl oder Holz für warmes Wasser. Für eingespeisten Strom gibt es zusätzlich eine Vergütung, die aber niedriger liegt als der Preis für Netzstrom.

Daraus folgt die wichtigste Regel für Photovoltaik: Jede selbst verbrauchte Kilowattstunde ist mehr wert als eine eingespeiste. Das Fraunhofer ISE formuliert es so: Eigenverbrauch lohnt umso mehr, je größer der Abstand zwischen dem Strompreis und den Erzeugungskosten der eigenen Anlage ist und je mehr Verbrauch sich in die Sonnenstunden verschieben lässt. Waschmaschine, Wärmepumpe und Elektroauto sind dafür die größten Hebel.

Preise, Vergütungssätze und Zuschüsse ändern sich laufend und stehen deshalb nicht in diesem Überblick. Den jeweiligen Stand finden Sie in den Beiträgen zu den Photovoltaik-Kosten, zur Einspeisevergütung und zur Photovoltaik-Förderung. Wie sich der Eigenverbrauch erhöhen lässt, erklärt ein eigener Beitrag.

Praxis: Welche Solartechnik passt zu meinem Haus?

Welche Solartechnik passt, hängt vor allem von der Heizung und vom Stromverbrauch ab. Mit den folgenden vier Fällen lässt sich das eigene Haus schnell einordnen.

Vor dem ersten Angebot helfen ein paar Zahlen, die Sie selbst zusammentragen können. Sie machen Angebote vergleichbar und schützen vor einer Anlage, die am Bedarf vorbei geplant ist.

• Jahresstromverbrauch aus der letzten Abrechnung notieren, dazu geplante Verbraucher wie Wärmepumpe oder Elektroauto.
• Freie Dachfläche grob ausmessen und Ausrichtung sowie Neigung festhalten.
• Schatten prüfen: Was liegt morgens, mittags und abends auf dem Dach, auch im Winter?
• Alter und Zustand von Dach und Heizung klären. Eine Sanierung gehört vor die Solaranlage.
• Mindestens drei Angebote einholen und Leistung, Komponenten und Garantie vergleichen.

Eine erste Auslegung für Ihr Dach liefert der Solarrechner. Angebote von Fachbetrieben erhalten Sie über den Photovoltaik-Angebotsvergleich.

Häufige Fragen

Fazit

Solartechnik heißt am Wohnhaus: Strom mit Photovoltaik, Wärme mit Solarthermie. Beide sind ausgereift, halten Jahrzehnte und holen die Energie ihrer Herstellung schnell wieder herein. Für die meisten Häuser ist Photovoltaik der bessere erste Schritt, weil Strom überall einsetzbar ist und sich mit Wärmepumpe und Elektroauto gut ergänzt.

Solarthermie bleibt sinnvoll, wo ein Heizkessel weiterläuft und im Sommer entlastet werden soll. Entscheidend ist in beiden Fällen nicht die Technik mit dem höchsten Wirkungsgrad, sondern die Anlage, die zu Dach, Heizung und Verbrauch passt. Tragen Sie Ihre Verbrauchsdaten zusammen, prüfen Sie den Schatten und vergleichen Sie mehrere Angebote.

Quellen und Methodik

Die Zahlen zur Photovoltaik stammen aus der Studie des Fraunhofer ISE, die auch die Werte des Deutschen Wetterdienstes und des Umweltbundesamtes zitiert. Die Zahlen zur Solarthermie stammen aus einem Factsheet der Deutschen Energie-Agentur. Eigene Rechnungen sind der Flächenbedarf je kWp, der Jahresertrag der Beispielanlage und der Heizöl-Vergleich. Preise und Fördersätze nennt der Beitrag nicht, weil sie sich laufend ändern. Solar.red hat keine eigenen Messungen durchgeführt.

1. Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Globalstrahlung, Nennleistung je Quadratmeter, Performance Ratio, Vollbenutzungsstunden, Eigenverbrauch, Degradation, Energierücklaufzeit
2. Deutsche Energie-Agentur, Gebäudeforum klimaneutral: Factsheet Solarthermie - Deckungsanteile, Kollektorflächen, Speichergrößen, Lebensdauer
3. Umweltbundesamt: Solarthermie - Funktionsweise und Einsatzbereiche der Kollektoren
4. PVEducation (Honsberg, Bowden): The Photovoltaic Effect - Entstehung von Spannung und Strom in der Solarzelle