Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Eine Photovoltaikanlage (PV-Anlage) wandelt die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Dieser Prozess findet in einzelnen Solarmodulen statt, die aus vielen individuellen Solarzellen bestehen. Das Sonnenlicht regt die Elektronen in den Solarzellen an, sich zu bewegen. Diese bewegten Elektronen fließen dann über Metallschichten am Rand der Solarzelle ab.

Je höher die Sonneneinstrahlung auf die Solarzelle, desto mehr Elektronen werden in Bewegung gesetzt und desto mehr Solarstrom kann erzeugt werden. Durch die Bewegung der Elektronen entsteht elektrischer Gleichstrom. Der genaue Wirkungsgrad, also das Verhältnis von eingestrahlter Sonnenenergie zu erzeugter elektrischer Energie, hängt vom jeweiligen Zelltyp ab.

Moderne PV-Module erreichen Wirkungsgrade von über 20 Prozent, während ältere Technologien häufig geringere Werte aufweisen.

Im Solarmodul werden Solarzellen in einem Alurahmen wasserdicht über Kupferbänder miteinander verschaltet. Die meisten Module arbeiten mit Siliziumzellen und Glasoberflächen, um das Sonnenlicht optimal zu nutzen. Eine Mantelschicht schützt die empfindlichen Zellen auch auf der Unterseite vor Witterungseinflüssen.

Stromerzeugung aus Solarenergie im Jahresverlauf

https://charts.bdew-data.de/Mg7IK/6/

Vorteile von Photovoltaik

• Beitrag zum Klimaschutz: Solaranlagen wandeln Sonnenenergie um und vermeiden so CO₂-Emissionen durch die Stromerzeugung.
• Lebensqualität: Der Betrieb von Photovoltaikanlagen erfolgt geräuschlos.
• Unbegrenzte Ressource: Die Energie der Sonne ist endlos – zumindest für die nächsten fünf bis sieben Milliarden Jahre. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, deren Vorräte endlich sind, liefert die Sonne eine praktisch unbegrenzte Menge an Energie, die mit PV-Anlagen genutzt werden kann.
• Kostengünstig: Vergleichsweise günstig ist PV-Strom unter anderem durch die auf 20 Jahre festgelegte EEG-Einspeisevergütung. Durch diese amortisieren sich die Investitionen in die Module relativ schnell.

Herausforderungen der Photovoltaik

Ein zentrales Problem bei der Nutzung von Solarenergie ist die sogenannte „PV-Mittagsspitze“. Photovoltaik-Anlagen erzeugen am meisten Strom, wenn die Sonne am höchsten steht – also meist zur Mittagszeit.

• Stromüberschuss aus der Mittagsspitze kann nicht immer direkt verbraucht werden, da der Strombedarf zu dieser Zeit oft nicht so hoch ist. Das führt dazu, dass der Strom einer PV-Anlage manchmal nicht vollständig genutzt werden kann und dann abgeregelt werden muss. Um das Netz stabil zu halten, ist eine Steuerbarkeit der Anlagen durch die Netzbetreiber wichtig. Andernfalls besteht die Notwendigkeit, einzelne Netzstränge mit Erzeugern und Verbrauchern zeitweise vom Netz zu nehmen, um das System zu stabilisieren.
• Umgekehrt ist es etwa bei bewölktem Himmel und einem Solarenergiemangel. Dann produzieren PV-Anlagen weniger Strom und andere Arten von Stromerzeugungsanlagen, z. B. Windparks, oder Stromspeicher müssen das Defizit ausgleichen, um die Stromversorgung weiter zu sichern.
• Die Installation von PV-Dachanlagen kann schwierig sein. Nicht alle Dachflächen sind gleich gut geeignet, um Solarstrom zu produzieren: Manchmal reicht die Tragfähigkeit des Gebäudes nicht aus oder das Dach ist sonnenabgewendet. Andere Dächer haben eine ungeeignete Konstruktion oder bestehen aus Materialien, die leicht beschädigt werden können. In jedem Fall empfiehlt sich eine Energieberatung!

Bedeutung der Photovoltaik in Deutschland

2024 stammten 58 Prozent des in Deutschland erzeugten Stroms aus erneuerbaren Energien. Das entspricht 284 TWh. Davon lieferten Photovoltaikanlagen 75 TWh. Im gleichen Jahr wurden in Deutschland rund 17 GW Solarleistung zugebaut – mehr als im Jahr davor. Zwei Drittel davon entstanden auf Dächern und Gebäuden, der Rest auf Freiflächen. Am Jahresende lag die gesamte Solarkapazität bei 100 GW. Ab 2026 sollen jedes Jahr 22 GW zugebaut werden.

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Photovoltaik in der Welt

2024 wurde weltweit ein neuer Rekord beim Ausbau der Photovoltaik erreicht: Insgesamt wurden rund 554 GW neue PV-Leistung installiert. Den mit Abstand größten Anteil trug China bei, wo 357 GW zugebaut wurden. Damit stieg die weltweit installierte Photovoltaikleistung auf etwa 2 TW.