Wirkungsgrad von Photovoltaik Anlagen

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Einfach erklärt: Wirkungsgrad von Solarmodul und Wechselrichter

„Entscheidend ist, was hinten rauskommt“, so einst ein deutscher Bundeskanzler. Auf die Photovoltaik übertragen spricht man vom Wirkungsgrad. Dessen Werte erscheinen auf den ersten Blick zwar erschreckend gering, doch „das, was vorne reinkommt“, wird schließlich auch zum Nulltarif geliefert. Solarmodule und Wechselrichter weisen jeweils eigene Wirkungsgrade auf. Wir zeigen die Unterschiede auf, erklären die Zusammenhänge – und werfen einen kleinen Blick auf die Erforschung leistungsfähiger PV-Module.

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

Definition von Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von eingesetzter Energie zu nutzbarer Energie. Oder anders: Er gibt an, wie viel der auf ein Solarmodul auftreffenden Sonnenenergie von der Photovoltaikanlage in Strom umgewandelt werden kann. Die Angabe erfolgt in Prozent. Wechselrichter haben ebenfalls einen Wirkungsgrad. Für den Wechselrichterwirkungsgrad gilt das Gleiche wie für den Modulwirkungsgrad: Je höher der angegebene Prozentsatz, desto effektiver arbeitet die Komponente.

Modul-Wirkungsgrad

Die Solarzellen können nur eine relativ geringe Menge der auftreffenden Solarstrahlung in elektrischen Strom umsetzen. Die Wirkungsgrade liegen bei kristallinen Siliziumzellen zwischen 15 und 22 %, bei Dünnschichtmodulen sogar nur bei maximal 16 %. D.h. von der einstrahlenden Sonnenenergie bleiben mehr als drei Viertel für die Stromproduktion ungenutzt.

Wirkungsgrad von Solarmodulen
Wirkungsgrad von Solarmodulen

Allerdings ist die Ressource „Sonne“ frei und unbegrenzt verfügbar. Es kommt also zu keiner Vergeudung wie beispielsweise bei der „Glühbirne“, die bis vor zwei Jahrzehnten das Maß aller Dinge in Sachen Beleuchtung war. Nur 5 % (!) der – zudem in konventionellen Kraftwerken – erzeugten Energie wurden in Licht umgewandelt, der Rest ging als Wärme flöten. Diese Energieverschwendung ist heute kaum noch vorstellbar. Dagegen sind die Generatorverluste bei der Erzeugung von Solarstrom geradezu gering.

Der niedrige Wirkungsgrad einer PV-Anlage ist relativ hoch
Der niedrige Wirkungsgrad einer PV-Anlage ist relativ hoch

Und: Der technische Fortschritt ist auch auf diesem Gebiet nicht aufzuhalten. Weltweit arbeiten Forscherteams permanent an der Verbesserung der Wirkungsgrade von Solarzellen und -modulen. Deshalb jetzt:

Ein kleiner Blick in die Forschung

An der TU Braunschweig wurde 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 bei nur 29 Prozent, gab das Forscherteam als Hintergrund an. Aus den Hochleistungssolarzellen mit Gallium- oder Indiumverbindungen konnten bei Einsatz der Folien bereits 45 Prozent herausgekitzelt werden. Das 2018 entwickelte Verfahren ist auch 2022 noch weit entfernt von einem praktischen Einsatz.

Ähnliches gilt für die 2020 durch das National Renewable Energy Laboratory (NREL) konzipierte Solarzelle. 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.

Schema einer Farbstoffsolarzelle  © L.-L. Placke/FH Bielefeld
Schema einer Farbstoffsolarzelle © L.-L. Placke/FH Bielefeld

Noch in den Kinderschuhen steckt ein Forschungsprojekt der FH Bielefeld zur Weiterentwicklung von Farbstoffsolarzellen. Hauptkritikpunkt der bereits 1991 entwickelten „Grätzelzelle“ und ihrer bisherigen Varianten ist der Einsatz giftiger Farbstoffe wie Kobalt. Im April 2022 berichtete das Bielefelder Team von ersten Erfolgen mit der Verwendung von Hibiskusblüten als Farbstoff. Das Ziel sei, weg vom „Müll-Konzept“ und hin zur Circular Economy, zur Kreislaufwirtschaft, zu kommen. Dies gleiche den weitaus geringeren Wirkungsgrad als bei siliziumbasierten Solarzellen aus.

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Für jede Installationsfläche die richtigen Solarpanele

Je höher der Wirkungsgrad der Solarmodule ist, desto weniger Dachfläche benötigen sie, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Daher werden die preiswerten polykristallinen Solarmodule fast nur noch auf großen Dächern installiert – unter Voraussetzung einer geeigneten Statik. Bei multikristallinen Modulen müssen Anlagenbetreiber sich mit einem Wirkungsgrad von maximal 18 Prozent begnügen.

Für die Wahl der Solarzellen spielt auch die verfügbare Fläche eine Rolle
Für die Wahl der Solarzellen spielt auch die verfügbare Fläche eine Rolle

Monokristalline Solarzellen sorgen für den höchsten Modulwirkungsgrad: mittlerweile bis zu 22 Prozent. Die Monokristallinen sind die erste Wahl bei einer Installation auf normalgroßen Dächern von Einfamilienhäusern. Obwohl sie teurer sind als die einfachen polykristallinen, rechnen sie sich in den meisten Fällen recht schnell.

Monokristalline Solarzellen © LinieLux, stock.adobe.com
Monokristalline Solarzellen © LinieLux, stock.adobe.com

Dünnschichtzellen haben deutlich niedrigere Wirkungsgrade. Aber auch da gibt es Unterschiede: Während Dünnschichtmodule mit a-Si oder CdTe nur auf maximal 8 Prozent kommen, erreichen halbleiterbasierte CIGS-Module immerhin 16 Prozent. Um rentabel zu sein, brauchen Dünnschichtmodule besonders große Flächen. Daher sind sie vor allem Industriehallen, Ställen und Scheunen zu finden. Immer beliebter werden die Leichtgewichte für die Fassaden-Installation. In Gegenden mit überwiegend diffuser Strahlung sammeln Dünnschichtzellen generell Punkte.

Eine Tabelle in unserem Beitrag Photovoltaik-Module im Vergleich stellt alle Vor- und Nachteile der verschiedenen Modultypen gegenüber.

Kurzes Fazit zur Montagefläche: Bei den leichten Dünnschichtmodulen ist von einer (Dach-)Fläche von bis zu 25 m², bei den meistverkauften monokristallinen Modulen von 5 bis 7 m² pro kWp Anlagenleistung auszugehen.

Wechselrichter-Wirkungsgrad

Die primäre Aufgabe eines Wechselrichters besteht darin, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Dabei geht ebenfalls Energie verloren. Da der Strom bis zur Ankunft im Wechselrichter bereits einen Weg hinter sich gebracht hat, ist die Berechnung bei dieser Komponente komplizierter. Denn der Wirkungsgrad des Wechselrichters hängt wesentlich davon ab, welchen Input er von den Solarmodulen bekommt. Weitere Verluste entstehen durch die Verkabelung. Werden die Vorgaben der Anlagenhersteller befolgt, halten sich die Leitungsverluste jedoch meistens in Grenzen.

Wechselrichter Funktion:Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung
Wechselrichter Funktion:Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung

Der Umwandlungswirkungsgrad hilft beim Vergleich verschiedener Wechselrichter. Er gibt an, welcher Anteil der vom Solargenerator gelieferten Gleichstromleistung in das Wechselstromnetz eingespeist wird. Je nach Wechselrichtertyp variieren die Werte zwischen ca. 92 und 99 Prozent. Am unteren Rand siedeln sich die Trafogeräte an, am oberen die trafolosen Wechselrichter. Diese Spitzenwirkungsgrade setzen voraus, dass der Wechselrichter zu 100 Prozent ausgelastet ist – ein Faktor, der in der Realität praktisch nie erreicht wird. Für PV-Anlagen-Betreiber sind sie daher von untergeordnetem Wert.

Entscheidend für den Anlagenertrag ist der Wirkungsgrad, der sich im Mittel über das ganze Jahr ergibt. Aus diesem Grund hat man in der DIN EN 50524 den Europäischen Wirkungsgrad definiert. Er gewichtet die einzelnen Teilwirkungsgrade entsprechend der Häufigkeit ihres Auftretens in Mitteleuropa. Auf den ersten Blick unterscheiden sich die Werte nicht extrem: Die modernen Geräte erreichen alle über 95, manche sogar bis zu 97 Prozent. Auch hier liegen trafolose Wechselrichter vorne.

An folgender Vergleichstabelle lässt sich ablesen, dass Wechselrichter nur in 20 % ihrer Betriebszeit mit Nennleistung gefahren werden. Die meiste Zeit werden rund 50 % Auslastung erreicht.

Auslastung des Wechselrichters 5 % 10 % 20 % 30 % 50 % 100 %
Relative Häufigkeit 3 % 6 % 13 % 10 % 48 % 20 %

Grundsätzlich lässt sich sagen: Bei den meisten Modellen gelten Werte über 95 Prozent als gut. Werte darunter bergen die Gefahr, dass zu viel Potenzial verschenkt wird. Werte darüber sind ein Glücksfall, zeigen aber auch einen Trend auf: Nach den kontinuierlichen Steigerungen der letzten Jahre sind weitere Verbesserungen bei den Wechselrichter-Wirkungsgraden zu erwarten.

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Eine gut abgestimmte Anlage verwertet Sonnenenergie zuverlässig
Eine gut abgestimmte Anlage verwertet Sonnenenergie zuverlässig

Was unterm Strich herauskommt, wird als Anlagenwirkungsgrad bezeichnet. Hierbei sind alle Verluste, also Generatorverluste (Module), Kabelverluste und Systemverluste (Wechselrichter), bereits berücksichtigt. Da aber auch das Wechselspiel der Komponenten Einfluss auf die Wirksamkeit einer Anlage ausübt, hat sich die Performance Ratio als weitere Kenngröße durchgesetzt. Sie gibt das Verhältnis vom Nennwirkungsgrad, also dem maximal möglichen (und vom Hersteller angegebenen) Wirkungsgrad zum tatsächlichen, real erreichten Wirkungsgrad einer Anlage an. Damit ist die Performance Ratio (PR) praktisch der Qualitätsfaktor einer PV-Anlage. In den letzten Jahrzehnten sind die Werte erfreulicherweise deutlich angestiegen. Typisch ist heute ein Spektrum zwischen 75 und 85 Prozent des Nennwirkungsgrades; eine Anlage mit einer PR von mindestens 80 Prozent gilt als leistungsfähig und empfehlenswert.

Alle Komponenten einer PV-Anlage wirken sich auf die Performance aus
Alle Komponenten einer PV-Anlage wirken sich auf die Performance aus

Bei heutigen Photovoltaikanlagen lässt sich die Performance Ratio in der Regel über vollautomatische Überwachungssysteme ablesen. Der vor allem bei Großanlagen genutzte Vorteil der Datenaufzeichnung: Mögliche Störungen stechen ins Auge und können zeitnah beseitigt werden.

Fast noch wichtiger als solche theoretischen Größen ist die Synchronisierung der einzelnen Komponenten. 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 übermäßig ins Gewicht. Leistungszahlen einzelner Komponenten allein sind zwar ein gutes Marketinginstrument, aber ohne weitere Informationen für den Vergleich wenig aussagekräftig.

Fazit

Bei der Gesamtbetrachtung der Leistungsfähigkeit eines Photovoltaik-Systems kommt es auf die Details und das möglichst optimale Zusammenspiel der einzelnen Bauteile an. Vermeintlich enttäuschende Zahlen sollten nicht enttäuschen. Der Verlust kann gar nicht schmerzen, weil die Energiequelle Sonne viel zu verschenken hat. Immerwährend, ohne Lärm und Gift. Zudem sind die Anlagen, wenn sie einmal laufen und gut eingestellt sind, effizient und wartungsarm. Wenn die letzten Reserven hier und da auch nicht genutzt werden können: In den meisten Fällen lohnt sich das Vorhaben aus ökonomischer Sicht. Aus ökologischer sowieso.

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