Solarstrom

Solare Einstrahlung in Daisendorf

Die Lage und das Klima Daisendorfs bieten günstige Voraussetzungen für die CO2-freie Erzeugung von Strom aus der unerschöpflichen Energie der Sonneneinstrahlung. Für Daisendorf und seine Bürger hat der Solarstrom bereits eine beachtliche Bedeutung erreicht. Das zunehmende Umweltbewusstsein und die Einsicht, dass die Abhängigkeit von importierten fossilen Energieträgern Risiken birgt, hat zum Umdenken geführt. Dezentral aus Sonnenenergie erzeugter Strom hat heute schon einen bedeutenden Anteil an der Stromversorgung. Bei zweckmäßiger Einbindung in das übergeordnete Stromnetz ist er ein wichtiger Bestandteil für eine erfolgreiche Energiewende. Dass die Wirtschaftlichkeit dabei nicht zu kurz kommen muss, zeigt sich am stetigen Zuwachs an Anlagen auch auf Daisendorfer Dächern.
Bis Oktober 2019 sind insgesamt 88 Anlagen mit Nennleistungen zwischen 2 und 26 kWp(1) errichtet worden. Ihre Gesamtnennleistung beträgt 635 kWp. Die Leistungsfähigkeit des Daisendorfer Stromnetzes ermöglicht den weiteren Ausbau der örtlichen Photovoltaik ohne weitere Investitionen des Netzbetreibers um mindestens das Sechsfache der aktuellen Einspeiseleistung.

Die jährliche solare Einstrahlung in Daisendorf liegt mit ca. 1100 kWh/m² im Vergleich zu anderen Regionen Deutschlands sehr hoch. Mit dem heutigen technischen Stand der Photovoltaik werden in Daisendorf jährliche Stromerträge bis zu 1220 kWh pro kWp installierter Leistung erzielt. Die gemessenen jährlichen Erträge der in Daisendorf installierten Referenzanlagen schwanken nur maximal +/- 8 % um den Mittelwert von 1130 kWh pro kWp. Das erlaubt eine relativ zuverlässige Ertragsprognose für die Planung weiterer Photovoltaikanlagen in Daisendorf.

(1) kWp (Peak- oder Nennleistung) ist die Leistung, die ein Modul unter festgelegten Laborbedingungen (1 kW solare Einstrahlung und 25 °C Zelltemperatur) liefert.



Anlagen

Solarstrom wird überwiegend mittels Photovoltaik-Module erzeugt. Ein Modul besteht in der Regel aus 36 bis 72 elektrisch hintereinander geschalteten Solarzellen, die insgesamt eine Spannung von ca.16 bis 32 Volt erzeugen. In der Praxis kommen 3 verschiedene Zelltypen zur Anwendung: monokristalline, polykristalline und amorphe Zellen. Der typische Wirkungsgrad von kristallinen Zellen liegt zwischen 17 und 24 %, wobei der maximale Wirkungsgrad polykristalliner Zellen in der Serienproduktion bei 20 % und der von monokristallinen Zellen bei 26 % liegt. Die amorphen Zellen haben im Vergleich zu den kristallinen Zellen bei hohen Einstrahlungswerten einen Wirkungsgrad von ca. 6 bis 8 %. Bei geringer Einstrahlung (bewölkter Himmel) liegt er etwas höher. Außerdem ist bei ihnen die Spannungsabnahme bei hohen Temperaturen, wie sie im Sommer auftreten, etwas geringer ausgeprägt als bei kristallinen Zellen.

Der Flächenbedarf für eine Dachanlage mit kristallinen Zellen liegt je nach Zellentyp und Gestaltung des Rahmens zwischen
5,0 und 7,5 m² pro kWp. Bei amorphen Zellen sind es ca. 10 bis 12 m². Bei Freiflächenanlagen sind in der Regel die Aufständerung und die entsprechenden Abstandsflächen zwischen den Modulen zu berücksichtigen, so dass der Flächenbedarf je nach Topologie größer als bei Dachanlagen ist.

Heutzutage werden überwiegend Module mit Leistungen von 280 bis 400 Wp installiert. Mehrere Module werden elektrisch hintereinander zu einem sogenannten String verschaltet, so dass sich die für den angeschlossenen Wechselrichter üblicherweise erforderliche Spannung von 300 bis 800 V ergibt. Je nach Wechselrichtertyp können bis zu 3 Strings mit unterschiedlichen Spannungen oder Ausrichtungen an separaten Eingängen (mit Maximum Power Point (MPP)-Tracking) des Wechselrichters angeschlossen werden. Mehrere Strings mit jeweils gleicher Anzahl von Modulen und gleicher Ausrichtung können für die gewünschte Leistung der Anlage parallel an einem Eingang angeschlossen werden. Der Wechselrichter wandelt die von den Modulen gelieferte Gleichspannung in netz-konforme (50 Hz) Wechselspannung um. Der nicht selbst verbrauchte Solarstrom wird in der Regel in das öffentliche Stromnetz eingespeist und vom Netzbetreiber vergütet. Bei den niedrigen Herstellkosten des Solarstroms und wegen der steigenden Strompreise wird der selbstverbrauchte Anteil des Solarstroms wirtschaftlich immer attraktiver als die Netzeinspeisung.

Photovoltaikanlagen werden überwiegend als Dachanlagen auf Häusern, Scheunen oder Carports und in der Regel ohne bauliche Veränderungen installiert. Freiflächenanlagen werden auf Brachflächen, ehemaligen Flughafenflächen und ähnlichen Freiflächen mit einem eigenen Untergestell errichtet. Bei geeigneten Hanglagen sind Freiflächenanlagen auch ohne Anstellung möglich.

Die Nennleistungen der privaten Dachanlagen liegen je nach Größe der geeigneten Dachfläche meistens zwischen 3 und 25 kWp. Bei Gebäuden mit großen Dachflächen können sie mehrere 100  kWp erreichen. Freiflächenanlagen haben Leistungen von 100 bis zu mehreren 1000 kWp. Die größte Freiflächenanlage in Deutschland mit einer Leistung von 175 MWp plant EnBW in Weezow bei Berlin auf einer Fläche von 164 ha. Die Anlage soll etwa 150 Mio. Euro kosten und schon 2020 Strom für weniger als 5 Cent/kWh liefern und das bereits ohne staatliche Förderung.

Der selbst erzeugte Solarstrom wird entsprechend dem aktuellen Strombedarf im eigenen Haus verbraucht, wodurch die Höhe der Stromrechnung reduziert wird. Der überschüssige Strom fließt in das öffentliche Stromnetz und wird vom Netzbetreiber gemäß EEG mit dem zur Zeit der Inbetriebnahme gültigen Einspeisetarif 20 volle Jahre lang plus Jahr der Inbetriebnahme als festem Satz vergütet. Die aktuellen Vergütungssätze für Oktober 2019 betragen 10,18 Cent/kWh für Dachanlagen bis zu einer Leistung von 10 kWp. Für Anlagen größer als 10 kWp und bis zu 40 kWp sind es 9,90 Cent/kWh. Bei höheren Leistungen bis 100 kWp liegt die Vergütung bei 7,78 Cent/kWh. Einspeisungen aus Freiflächenanlagen werden z. Zt. mit 7,02 Cent/kWh vergütet.

Der Preis für den vom Stromlieferanten bezogenen Strom beträgt mit z. Zt. rund 30 Cent/kWh nahezu das Dreifache des ins Netz eingespeisten Solarstroms. Da der Strompreis aus dem Netz in Zukunft noch weiter steigen wird, ist es wirtschaftlich sinnvoll, einen möglichst großen Teil des eigenen Stromverbrauchs durch den selbst erzeugten Solarstrom abzudecken und nur die überschüssige Strommenge ins Netz einzuspeisen. Dadurch ergibt sich eine höhere Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage. Den eigenen Stromverbrauch ohne sinnvolle Verwendung zu erhöhen, nur um den Eigenverbrauch der PV-Anlage zu erhöhen, ist natürlich nicht sinnvoll.


Schema einer Photovoltaikanlage mit Eigenverbrauch und Einspeisung
in das 230V/400V-Stromnetz



Erträge

Die Stromerträge von Photovoltaikanlagen (im Folgenden PV-Anlagen genannt) weisen dem Sonnenstand entsprechend und wetterbedingt starke tages- und jahreszeitliche Unterschiede auf.
Der Ertrag der PV-Anlagen wird auch durch die Ausrichtung der Anlage zur Sonne (Dachneigung, Aufständerung), Abweichung von Süden) und eventuelle Verschattungen beeinflusst.
Tabelle 1 zeigt die monatlichen Erträge (bezogen auf 1 kWp installierte Leistung) einiger Daisendorfer Anlagen mit unterschiedlichen Ausrichtungen. Es ist zu erkennen, dass Abweichungen von der Südrichtung (Azimut) bis zu 50 Grad keine großen Ertragsminderungen zur Folge haben, sofern die Dachneigung bei starker Abweichung von Süden nicht größer als 25 Grad ist. Dächer mit Ost- oder Westausrichtung sind deshalb durchaus geeignet, um auch ohne Aufständerung der Module gute Erträge zu erreichen. Selbst Anlagen auf Dächern mit Nordausrichtung und nicht mehr als 20 Grad Neigung können noch wirtschaftlich sein. Diese Erkenntnis hat sich auf Grund der in Mitteleuropa ermittelten Ergebnisse erst in den letzten Jahren durchgesetzt.
Ein Grund dafür liegt in dem hohen Anteil der diffusen Solarstrahlung, die nicht auf direktem Weg von der Sonne kommt. Ein Vorteil, den Häuser mit geeigneten Dachflächen auf der Ost- und Westseite haben, liegt in der gleichmäßigeren Verteilung der Stromerträge im Tagesverlauf vom Morgen bis zum Abend. Dadurch ergibt sich eine wesentlich bessere Möglichkeit, die aktuelle Erzeugung und den Verbrauch zeitgleich anzupassen und den Eigenverbrauchsanteil deutlich zu erhöhen. Auch wenn dadurch die Stromerträge etwas geringen ausfallen als die maximal möglichen, kann sich eine bessere Wirtschaftlichkeit ergeben.


Tabelle 1: Ertragsvergleich Daisendorfer PV-Referenzanlagen mit unterschiedlichen Ausrichtungen (Kinderhausanlagen, Rathausanlage)



Nutzung

Eigenverbrauch
Der von der PV-Anlage erzeugte Strom wurde bis Ende 2008 üblicherweise vollständig in das öffentliche Netz eingespeist und nach den jeweils geltenden gesetzlichen Regelungen mit hohen Einspeisetarifen vom Stromnetzbetreiber vergütet.

Durch die fortschreitende Erhöhung der Strombezugspreise und die stetige Absenkung der Vergütungssätze ist es seit 2009 von Jahr zu Jahr attraktiver geworden, den erzeugten Solarstrom selbst zu verbrauchen. Je nach Anlagengröße und Stromverbrauch des Erzeugers wird ohne besondere Vorkehrungen in der Regel ein Eigenverbrauchsanteil von ca. 15 bis 30% des erzeugten Stroms erreicht. Dieser Anteil kann durch weitere Verbraucher (Wärmepumpe, Elektroauto) und Batteriespeicherung auf mehr als 70% gesteigert werden. (Siehe Kapitel Speicherung).
Wie im Kapitel Erträge erwähnt ist eine Anlagenausrichtung nach Süden unter dem Aspekt der Eigenverbrauchsmaximierung nicht immer optimal. Mit Anlagen, die auf Dächern installiert sind, die teils nach Osten und teils nach Westen orientiert sind, kann der Eigenverbrauchsanteil um 10 bis 15% gesteigert werden.

Direktvermarktung
Eine weitere Möglichkeit der Verwendung des Solarstroms ist die Direktvermarktung des erzeugten Solarstroms. Die Einspeisevergütung ist in den letzten Jahren stetig abgesenkt worden, während der Strompreis sich stetig erhöht hat. Er beträgt jetzt rund das Dreifache der Einspeisevergütung. Deswegen kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, den erzeugten Solarstrom teilweise oder vollständig einem Dritten, z.B. Nachbarn, zu einem für beide Seiten vorteilhaften Preis anzubieten. Dabei sind die Bedingungen für die Nutzung von Straßenflächen oder des öffentlichen Stromnetzes zu beachten. Die Neufassung des Erneuerbaren Energiegesetz (EEG) wird unter anderem auch die Direktvermarktung des von privaten Solarstromanlagen erzeugten Stroms neu regeln. In diesem Zusammenhang ist es besonders sinnvoll, die gesamten nutzbaren Dachflächen eines Hauses für PV-Anlagen zu nutzen

Speicherung
Ein Teil des erzeugten aber nicht sofort selbst verbrauchten Stroms kann in einer geeigneten Batterie gespeichert werden. In Zeiten, in denen die erzeugte Leistung geringer ist als der eigene Bedarf, kann die gespeicherte Energie dann (bei Abzug von Umwandlungsverlusten) wieder aus der Batterie entnommen werden.
Hierzu wird die momentan erzeugte Solarleistung, der Eigenverbrauch und der Ladezustand der Speicherbatterie gemessen. Mit den gewonnenen Daten wird die Batterieladung und -entladung so gesteuert, dass der Eigenverbrauch maximiert wird.

Im Zusammenhang mit der Elektromobilität ergibt sich ein zukünftiges Szenario für die Nutzung der Batterien von Elektroautos zur Speicherung des Stroms aus Solaranlagen. Da viele Autos nur wenige Stunden und häufig nur tagsüber benutzt werden, könnten sie als zusätzliche Stromspeicher eingesetzt werden.



Wirtschaftlichkeit

Einspeisevergütungen
Das Erneuerbare Energiegesetz (EEG) unterscheidet bei der Vergütung zwischen Strom aus Dach- und Freiflächenanlagen. Darüber hinaus gibt es je nach Leistungsklasse unterschiedliche Vergütungsstufen. Das im Jahre 2000 in Kraft getretene EEG wurde in den vergangenen Jahren mehrmals geändert. Die neueste Novellierung ist im Jahr 2017 in Kraft getreten. Sie sieht unter anderem Maßnahmen zur Steuerung des weiteren Ausbaus der Erneuerbaren Energien, der Senkung von Einspeisevergütungen und der Beteiligungen an der EEG-Umlage vor. Von der EEG-Umlage sind jedoch private Solarstromanlagen bis zu einer Nennleistung von 10 kWp befreit. Um Einfluss auf den jährlichen Zubau von PV-Anlagen zu nehmen, sieht das EEG vor, die Einspeisevergütung entsprechend der aktuellen Zubaurate zu variieren. In den vergangenen Jahren führte das zu einer stufenweisen Verringerung der Einspeisevergütung, die jedoch mit deutlichen Preisreduktionen bei den PV-Modulen einherging. Dieser Trend hat sich jedoch trotz weiterer Senkung der Modulpreise abgeschwächt. Die Einspeisevergütung beträgt für Anlagen bis 10 kWp im Oktober 2019 10,18 Cent/kWh. Bei Anlagen über 10 kWp bis 40 kWp sind es 9,90 Cent/kWh. Die Vergütungssätze gelten jeweils für die Dauer von 20 Jahren und das Jahr der Inbetriebnahme. Nach Ablauf der festen Vergütungszeit liefert die PV-Anlage in der Regel noch mindestens für weitere 10 Jahre mehr als 85% ihrer ursprünglichen Leistung. Der im eigenen Haushalt nicht verbrauchte (überschüssige) Solarstrom kann zu dem jeweils geltenden Marktpreis verkauft werden. Die längere Betriebszeit trägt zu einer weiteren Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Anlage bei, da nur noch geringe Betriebskosten anfallen. Details zu den Vergütungssätzen und der steuerlichen Behandlung von PV-Anlagen sind auf der Internetseite vom Solarförderverein (siehe Themenbereich “Betreiberthemen“ und „Steuerfragen“ zu finden.

Anlagekosten und Amortisation
Die Kosten einer PV-Anlage sind in den letzten Jahren insbesondere durch Preissenkungen bei den Modulen um bis zu 80 % gefallen. Im Vergleich zum Jahr 2008 haben sich die Modulpreise von ca. 4,30 € pro Wp auf heute weniger als 0,50 € pro Wp verringert. Diese Preissenkungen haben dazu geführt, dass die jährlichen (und zuletzt sogar monatlichen) Absenkungen der gesetzlichen Einspeisevergütung die Wirtschaftlichkeit nicht verschlechtert haben. Die Amortisationszeit einer neuen Anlage hat sich in den vergangenen Jahren nur geringfügig verändert. Sie liegt, abhängig von der Anlagengröße und dem Eigenverbrauchsanteil, in der Regel zwischen 5,5 und 9,5 Jahre.


Diagramm 1: PV-Einspeisevergütung, Modulpreis und Amortisationszeit für Anlagen bis 10 kWp in Abhängigkeit vom Jahr der Inbetriebnahme

Die Entwicklung des durchschnittlichen Strompreises für private Haushalte und der Einspeisevergütung über die letzten 15 Jahre ist im Diagramm 2 dargestellt. Es zeigt sich deutlich, dass die Schere zwischen der Einspeisevergütung für den Solarstrom und dem Strombezugspreis aus dem Netz sich immer mehr zugunsten des Solarstroms öffnet.

Die Steigerung des Eigenverbrauchs und die Selbstvermarktung des erzeugten Solarstroms gewinnen daher immer mehr an Bedeutung, da sie die Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage verbessern. Zusätzlich ist im Diagramm die Entwicklung der Erzeugungskosten für den Solarstrom eingetragen. Heute kann Solarstrom sich kostenmäßig durchaus mit dem in Kohlekraftwerken erzeugten Strom messen, insbesondere, wenn die durch die Schadstoffemissionen verursachten Kosten der Umweltschäden berücksichtigt werden.


Diagramm 2: Entwicklung von Strombezugspreis, Einspeisevergütung (bei <10 kWp)
und Solarstrom-Erzeugungskosten in Cent pro kWh

Ertrags- und Kostenkalkulation
Es wurde ein Excel-Programm erstellt, mit dem anhand aktueller Daten die Investitionskosten der Anlage, jährlichen Stromerträge, Einspeisevergütungen und Kosteneinsparung durch Eigenstromverbrauch berechnet werden. Des Weiteren wird die Amortisationszeit und die durchschnittliche Verzinsung des für die Anschaffung der PV-Anlage eingesetzten Kapitals ermittelt.

Als Beispiel zeigt Tabelle 2 die Berechnungen für eine 6 kWp-Anlage mit einem Eigenverbrauchsanteil von 30 %. Es sind die Vergütungssätze und die Preise der Anlagenkomponenten vom Oktober 2019 berücksichtigt. Die Anlagenkosten sind als Nettokosten (ohne Mehrwertsteuer) angegeben, da dem Anlagenbetreiber die Mehrwertsteuer im Rahmen des Vorsteuerabzugs vom Finanzamt erstattet wird.

Mitglieder der Energiekonzeptgruppe verfügen über spezielle Fachkenntnisse und eigene Erfahrungen, um die Bürger von Daisendorf bei der Ertragsabschätzung und Kostenkalkulation von PV-Anlagen zu beraten. (Anmeldung s. Kontakte)


Tabelle 2: Ertrags-/Kosten-Kalkulationsbeispiel für eine 6 kWp-Photovoltaik-Anlage mit 30% Eigenverbrauch