Wirkungsgrad von Photovoltaik Anlagen

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Einfach erklärt: Wirkungsgrad von Photovoltaik-Anlagen

„Entscheidend ist, was hinten rauskommt“, sagte ein ehemaliger deutscher Bundeskanzler einmal. Auf die Photovoltaik übertragen heißt das: Wirkungsgrad. Er gibt, einfach ausgedrückt, an, wie viel Prozent der eintreffenden Sonnenenergie von einer PV-Anlage in Strom umgewandelt werden kann. Die bestehen jedoch aus unterschiedlichen Komponenten wie den Solarmodulen und dem Wechselrichter, die jeweils eigene Wirkungsgrade aufweisen. Bei der Gesamtbetrachtung der Leistungsfähigkeit eines Photovoltaik-Systems kommt es also auf die Details und das möglichst optimale Zusammenspiel der einzelnen Bauteile an.

Solarenergie: Mit Photovoltaik die Sonnenenergie nutzen
Solarenergie: Mit Photovoltaik die Sonnenenergie nutzen © suzanmeer, stock.adobe.com

Fangen wir bei den Solarmodulen an, auf die die Sonne originär einstrahlt. Leicht nachvollziehbar ist, dass sie den Wirkungsgrad der gesamten Anlage verschlechtern, wenn sie die Sonnenenergie selbst schon schlecht verwerten können. Schlecht ist dabei aber relativ: Kristalline Solarmodule beispielsweise haben einen Wirkungsgrad zwischen 10 und 18 Prozent, Dünnschichtmodule zwischen fünf und zehn Prozent. Das klingt zunächst nach nicht sehr viel, reicht aber an die Grenze des technisch und physikalisch Möglichen. Außerdem ist die genutzte Ressource frei und unbegrenzt verfügbar. Es kommt also zu keiner Verschwendung wie beispielsweise bei der Glühbirne, die jahrzehntelang das Maß der Dinge in der Beleuchtung war. Nur fünf Prozent der Energie – die durch Kraftwerke erzeugt und durch die Steckdose ins Haus kam – wurden in Licht umgewandelt, der Rest ging als Wärme flöten.

Auch für einzelne Solarzellen lässt sich ein Wirkungsgrad bestimmen. Er liegt immer höher als der der Solarmodule – bei kristallinen Zellen sind es 15 bis 22 Prozent. Warum das so ist, erklärt Thomas Seltmann im Ratgeber Photovoltaik der Stiftung Warentest anschaulich: In Solarmodulen befinden sich zwischen den Solarzellen passive Abstandsflächen.

Wirkungsgrad von Solarmodulen
Wirkungsgrad von Solarmodulen

Die Werte mögen mit dem technischen Fortschritt noch geringfügig steigen oder von einzelnen Produkten leicht übertroffen werden, spiegeln aber insgesamt die Bandbreite wieder, mit denen Betreiber von Photovoltaik-Anlagen rechnen (müssen). Dass mindestens drei Viertel der Sonneneinstrahlung (noch) nicht genutzt werden kann, ist bedauernswert, aber hinzunehmen.

Ein kleiner Blick in die Forschung

Selbstredend wird permanent an der Verbesserung der Wirkungsgrade von Solarzellen und -modulen gearbeitet. Zum Beispiel an der TU Braunschweig. Dort hat ein Forscherteam eine mit Farbstoffen gespickte Kunststofffolie entwickelt, die großflächig Licht einfangen und auf Hochleistungssolarzellen lenken kann. Das Potenzial der Siliziumphotovoltaik sei mit einem Wirkungsgrad von 25 Prozent praktisch ausgereizt, selbst der theoretisch maximal mögliche Wirkungsgrad liege stoffbedingt nur bei 29 Prozent, heißt es dort. Aus den Hochleistungszellen mit Gallium- oder Indiumverbindungen konnten mit den Folien 45 Prozent herausgekitzelt werden. Von einem praktischen Einsatz sind sie aber noch weit entfernt.

Das gilt leider auch für die Solarzelle, die das National Renewable Energy Laboratory konzipiert hat. Sie kommt unter konzentriertem Licht auf einen Wirkungsgrad von 47,1 Prozent, bei Sonnenlicht immerhin noch auf 39,2 Prozent. Möglich wird das durch die Verknüpfung von sechs verschiedenen Schichten, die jeweils einen bestimmten Teil des Spektrums des Sonnenlichts besonders gut ausnutzen können. Ob und wann sie zur Marktreife kommen, ist ebenfalls noch offen. Darüber hinaus ist zu bedenken, dass es sich um Höchstwerte unter Laborbedingungen handelt.

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Neben den Solarzellen beziehungsweise -modulen spielt auch der Wirkungsgrad des Wechselrichters eine große Rolle. Seine primäre Aufgabe besteht darin, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Auch dabei geht zwangsläufig Energie verloren. Dass er im Aufbau einer Photovoltaik-Anlage weiter hinten steht, macht die Sache mit der Berechnung komplizierter. Denn der Wirkungsgrad des Wechselrichters hängt wesentlich davon ab, welchen Input er von den Solarzellen beziehungsweise -modulen bekommt. Auch durch die Verkabelung können Verluste entstehen, doch halten die sich meistens in Grenzen, wenn die Vorgaben der Anlagenhersteller befolgt werden.

Wechselrichter Funktion:Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung
Wechselrichter Funktion:Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung
Tipp: Achten Sie unter allen Umständen auf eine Photovoltaik-Anlage, bei der die einzelnen Komponenten gut aufeinander abgestimmt sind. Ein Rennauto mit Kleinwagen-Auspuff wird keine Rekorde aufstellen können. Will sagen: Wer beispielsweise bei den Modulen in die Vollen geht und hocheffiziente Produkte kauft, tut sich keinen Gefallen, beim Wechselrichter zu sehr zu sparen. Wenn das System aber insgesamt effizient arbeitet, fällt auch ein mittelmäßiger Wirkungsgrad einzelner Komponenten nicht so stark ins Gewicht. Leistungszahlen einzelner Komponenten allein sind zwar ein gutes Marketinginstrument, aber ohne weitere Informationen nur wenig aussagekräftig für einen Vergleich.
Eine gut abgestimmte Anlage verwertet Sonnenenergie zuverlässig
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In der Praxis gibt es verschiedene Arten der Berechnung des Wirkungsgrades von Wechselrichtern. Bei dem vielfach verwendeten sogenannten Europäischen Wirkungsgrad wird dieser bei verschiedenen Nennleistungen mit den an Ort und Stelle jeweils üblichen Sonneneinstrahlungen gewichtet. Es gibt zahlreiche weitere Methoden. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass bei den meisten Modellen Werte über 95 Prozent als gut gelten. Darunter besteht die Gefahr, dass zu viel Potenzial verschenkt beziehungsweise verschwendet wird.

Wie viel ist eine Photovoltaik-Anlage also nun zu leisten imstande? Hier muss genau hingeschaut werden. Der Anlagenwirkungsgrad beschreibt unter dem Strich, was bei Betrachtung der einzelnen Komponenten herauskommt – also der Wirkungsgrad der Solarmodule abzüglich des Verlustes durch Verkabelung, Wechselrichter und gegebenenfalls weiterer Abzüge. Mitunter wird mit dem Photovoltaik-Wirkungsgrad aber auch lediglich der Wirkungsgrad der wichtigsten Komponente, der Solarzellen, bezeichnet.

Da darüber hinaus auch ihr Wechselspiel die Wirksamkeit einer Anlage beeinflusst, hat sich darüber hinaus die sogenannte Performance Ratio als Kenngröße durchgesetzt. Sie bezeichnet das Verhältnis vom Nennwirkungsgrad, also dem maximal möglichen (und von Herstellern angegebenen) Wirkungsgrad zum tatsächlichen, real erreichten Wirkungsgrad einer Anlage. In der Praxis ist damit zu rechnen, dass letzterer in der Regel bei 70 bis 80 Prozent des Nennwirkungsgrades liegt.

Tipp: Lassen Sie sich von den vermeintlich enttäuschenden Zahlen nicht enttäuschen. Bei der Investition in eine Photovoltaik-Anlage ist zu berücksichtigen, dass die Ressource Sonnenenergie umsonst und umweltfreundlich ist. Zudem sind die Anlagen, wenn sie einmal laufen und gut eingestellt sind, effizient und wartungsarm. Auch wenn hier und da die letzten Reserven nicht gehoben werden können, lohnt sich das Vorhaben meist trotzdem aus ökonomischer Sicht – aus ökologischer sowieso.
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