Definition: Was ist Solarstrom?
Solarstrom ist elektrische Energie, die mithilfe von Sonnenstrahlung erzeugt wird. In der Praxis entsteht Solarstrom überwiegend durch Photovoltaikanlagen, in denen Solarzellen Licht direkt in elektrische Energie umwandeln. Die dafür benötigte Energie stammt von der Sonne und gehört damit zu den erneuerbaren Energiequellen.
Solarstrom kann auf Gebäudedächern, Fassaden, Parkplätzen, Industrieflächen und Freiflächen erzeugt werden. Die Anlagen reichen von kleinen Systemen für einzelne Gebäude bis zu großen Solarparks. Während des Betriebs entstehen keine direkten Abgase oder Treibhausgasemissionen aus Verbrennung. Umweltwirkungen entstehen jedoch bei Herstellung, Transport, Installation und späterem Recycling der Anlagen.
Entstehung von Solarstrom
Solarstrom wird durch den photovoltaischen Effekt erzeugt. Dabei trifft Sonnenlicht auf ein Halbleitermaterial und überträgt Energie auf elektrische Ladungsträger.
Innerhalb der Solarzelle sorgt ein elektrisches Feld dafür, dass positive und negative Ladungen getrennt werden. Werden die Kontakte der Zelle mit einem Stromkreis verbunden, kann elektrischer Strom fließen.
Solarzellen
Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium. Dieses Halbleitermaterial besitzt Eigenschaften, die für die direkte Umwandlung von Licht in Strom besonders geeignet sind.
Einzelne Solarzellen werden zu größeren Modulen verbunden. Mehrere Module bilden anschließend eine Photovoltaikanlage.
Gleichstrom
Solarzellen erzeugen zunächst Gleichstrom. Dabei fließen elektrische Ladungen dauerhaft in eine bestimmte Richtung.
Haushalte und öffentliche Stromnetze arbeiten dagegen überwiegend mit Wechselstrom. Deshalb ist ein zusätzlicher technischer Umwandlungsschritt erforderlich.
Wechselrichter
Ein Wechselrichter wandelt den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Erst danach kann der Strom in normalen elektrischen Anlagen genutzt oder in das öffentliche Netz eingespeist werden.
Moderne Wechselrichter übernehmen zusätzlich Überwachungs- und Steuerungsfunktionen und passen den Betrieb der Photovoltaikanlage an wechselnde Einstrahlungsbedingungen an.
Solarstrom auf Gebäuden
Gebäudedächer gehören zu den wichtigsten Standorten für Photovoltaikanlagen. Sie ermöglichen die Stromerzeugung auf bereits bebauten Flächen.
Wohnhäuser, Gewerbegebäude, Lagerhallen und öffentliche Einrichtungen können dadurch einen Teil ihres Strombedarfs direkt am Ort des Verbrauchs erzeugen.
Dachanlagen
Bei Dachanlagen werden Solarmodule auf bestehende Dächer montiert oder direkt in die Dachkonstruktion integriert.
Ertrag und Wirtschaftlichkeit hängen unter anderem von Dachfläche, Ausrichtung, Neigung, Verschattung und regionaler Sonneneinstrahlung ab.
Fassadenanlagen
Auch Fassaden können für die Stromerzeugung genutzt werden. Vertikale Module erzeugen im Jahresdurchschnitt häufig weniger Strom als optimal geneigte Dachanlagen, können aber zu anderen Tages- und Jahreszeiten besonders günstig ausgerichtet sein.
Gebäudeintegrierte Photovoltaik kann gleichzeitig Funktionen der Gebäudehülle übernehmen und dadurch Architektur und Energieerzeugung verbinden.
Gebäudeintegration
Bei gebäudeintegrierten Anlagen ersetzen Solarmodule herkömmliche Bauteile wie Fassadenplatten oder Dachelemente.
Dadurch werden Solartechnik und Baukonstruktion unmittelbar miteinander verbunden.
Freiflächen-Solarstrom
Große Photovoltaikanlagen werden auch auf Freiflächen errichtet. Dabei stehen zahlreiche Solarmodule auf Gestellen, die optimal zur Sonne ausgerichtet werden können.
Solarparks ermöglichen eine kostengünstige Stromerzeugung in großem Maßstab, beanspruchen jedoch gleichzeitig Fläche.
Standortwahl
Für die ökologische Bewertung ist entscheidend, welche Fläche genutzt wird. Ehemalige Industrieflächen, Deponien oder andere bereits belastete Standorte verursachen häufig geringere Nutzungskonflikte als ökologisch wertvolle Landschaften.
Auch entlang bestimmter Verkehrs- und Infrastrukturachsen können geeignete Flächen vorhanden sein.
Agri-Photovoltaik
Agri-Photovoltaik kombiniert landwirtschaftliche Nutzung und Solarstromerzeugung auf derselben Fläche. Die Module werden beispielsweise erhöht oder mit großen Abständen installiert.
Unter und zwischen den Modulen können weiterhin Nutzpflanzen angebaut oder Tiere gehalten werden.
Doppelnutzung von Flächen
Durch die kombinierte Nutzung kann der Flächenkonflikt zwischen Landwirtschaft und Energieerzeugung reduziert werden.
Je nach Kultur und Standort kann die Teilverschattung außerdem Verdunstung verringern. Bei ungeeigneter Planung sind jedoch auch Ertragseinbußen möglich.
Ausrichtung von Solarmodulen
Die Ausrichtung beeinflusst, wann und wie viel Solarstrom erzeugt wird. Nach Süden ausgerichtete Anlagen können in Mitteleuropa häufig hohe Jahreserträge erreichen.
Ost-West-Anlagen verteilen die Stromproduktion stärker auf Morgen und Nachmittag.
Neigungswinkel
Der optimale Neigungswinkel hängt vom geografischen Standort und vom gewünschten Erzeugungsprofil ab.
Flachere Anlagen können beispielsweise auf Gewerbedächern sinnvoll sein, während andere Systeme stärker geneigt montiert werden.
Verschattung
Bäume, Schornsteine, Nachbargebäude oder andere Hindernisse können Solarmodule zeitweise verschatten. Dadurch sinkt die Stromproduktion.
Da einzelne Module elektrisch miteinander verbunden sind, kann starke Verschattung teilweise auch weitere Bereiche eines Systems beeinflussen.
Optimierung
Moderne Wechselrichter, Leistungsoptimierer und eine geeignete Anlagenplanung können Verschattungsverluste reduzieren.
Eine vorherige Standortanalyse ist deshalb ein wichtiger Bestandteil der Planung.
Solarstrom im Tagesverlauf
Solarstrom wird nur erzeugt, wenn ausreichend Licht auf die Module trifft. Die Produktion steigt nach Sonnenaufgang an und erreicht bei günstigen Bedingungen um die Mittagszeit hohe Werte.
Nach Sonnenuntergang endet die direkte Stromproduktion.
Mittagsspitze
Viele Photovoltaikanlagen erzeugen gleichzeitig um die Mittagszeit besonders viel Strom. Dadurch kann es zu hohen Einspeisemengen im Stromnetz kommen.
Flexible Verbraucher und Speicher können einen Teil dieser Spitzen aufnehmen.
Solarstrom im Jahresverlauf
In gemäßigten Klimazonen erzeugen Photovoltaikanlagen im Sommer deutlich mehr Strom als im Winter. Ursache sind längere Tage und höhere Sonnenstände.
Im Winter reduzieren kurze Tage, tiefer Sonnenstand und häufigere Bewölkung den Ertrag.
Saisonale Unterschiede
Diese Schwankungen müssen bei der Planung eines vollständig erneuerbaren Energiesystems berücksichtigt werden.
Windenergie, Speicher und andere Energiequellen können Solarstrom saisonal ergänzen.
Eigenverbrauch
Solarstrom kann direkt am Ort der Erzeugung genutzt werden. Wird Strom beispielsweise auf einem Wohngebäude erzeugt und gleichzeitig im Haushalt verbraucht, spricht man von Eigenverbrauch.
Dadurch muss weniger Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen werden.
Eigenverbrauchsquote
Die Eigenverbrauchsquote beschreibt, welcher Anteil des erzeugten Solarstroms direkt vor Ort genutzt wird.
Sie kann durch Batteriespeicher, Wärmepumpen, Elektrofahrzeuge oder eine zeitliche Anpassung des Stromverbrauchs erhöht werden.
Netzeinspeisung
Wird mehr Solarstrom erzeugt als unmittelbar benötigt, kann der Überschuss in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
Das Netz verteilt die Energie anschließend an andere Verbraucher.
Dezentrale Stromerzeugung
Photovoltaik ermöglicht eine stark dezentrale Stromversorgung. Viele kleine Anlagen erzeugen Strom an unterschiedlichen Orten.
Dadurch verändert sich das traditionelle Stromsystem, das lange von wenigen großen Kraftwerken geprägt war.
Solarstrom und Batteriespeicher
Batteriespeicher ermöglichen es, Solarstrom zeitlich zu verschieben. Überschüssige Energie wird tagsüber gespeichert und später wieder genutzt.
Dies kann insbesondere den Verbrauch am Abend teilweise mit eigenem Solarstrom decken.
Speicherverluste
Beim Laden und Entladen einer Batterie entstehen Energieverluste. Außerdem benötigen Batterien Rohstoffe und Energie für ihre Herstellung.
Die ökologische Bewertung hängt deshalb von Nutzungsintensität, Lebensdauer und Größe des Speichers ab.
Solarstrom und Wärmepumpen
Photovoltaikanlagen können mit Wärmepumpen kombiniert werden. Der erzeugte Strom treibt dabei die Wärmepumpe an, die Umweltwärme für Heizung oder Warmwasser nutzbar macht.
Dadurch können Strom- und Wärmeversorgung stärker miteinander verbunden werden.
Sektorenkopplung
Die Verbindung von Strom, Wärme und Verkehr wird als Sektorenkopplung bezeichnet.
Solarstrom kann beispielsweise nicht nur elektrische Geräte versorgen, sondern auch Elektrofahrzeuge laden oder Wärmepumpen antreiben.
Solarstrom und Elektromobilität
Elektrofahrzeuge können direkt mit Solarstrom geladen werden, wenn Fahrzeug und Anlage gleichzeitig verfügbar sind.
Besonders tagsüber abgestellte Fahrzeuge können hohe Solarstrommengen aufnehmen.
Intelligentes Laden
Intelligente Ladesysteme können den Ladevorgang an die aktuelle Solarstromproduktion anpassen.
Dadurch wird ein größerer Teil des lokal erzeugten Stroms direkt genutzt.
Solarstrom im Stromnetz
Mit wachsender Photovoltaikleistung verändert sich die Stromerzeugung im Tagesverlauf. An sonnigen Tagen kann Solarstrom einen großen Teil des Strombedarfs decken.
Zu anderen Zeiten muss Strom aus Speichern oder anderen Erzeugungsanlagen bereitgestellt werden.
Netzstabilität
Stromerzeugung und Verbrauch müssen jederzeit im Gleichgewicht bleiben. Schwankender Solarstrom stellt deshalb zusätzliche Anforderungen an Netze und Steuerung.
Digitale Regelung, Speicher, flexible Nachfrage und ergänzende Erzeuger tragen zur Stabilität bei.
Solarstrom und Klimaschutz
Während des Betriebs verursacht Photovoltaik keine direkten Kohlendioxidemissionen aus Verbrennung. Solarstrom kann daher Strom aus fossilen Kraftwerken ersetzen.
Herstellung und Transport der Anlagen verursachen dennoch Treibhausgasemissionen, die bei einer vollständigen Klimabilanz berücksichtigt werden müssen.
Lebenszyklus
Über die gesamte Lebensdauer erzeugen Photovoltaikanlagen deutlich mehr Energie, als für ihre Herstellung benötigt wird.
Die Klimabilanz verbessert sich zusätzlich, wenn Produktionsenergie zunehmend aus erneuerbaren Quellen stammt.
Rohstoffe für Solarstromanlagen
Photovoltaikanlagen bestehen unter anderem aus Glas, Aluminium, Silizium, Kupfer und Kunststoffen.
Je nach Technologie können weitere Materialien eingesetzt werden. Der zunehmende Ausbau erhöht daher auch den Bedarf an bestimmten Rohstoffen.
Materialeffizienz
Höhere Wirkungsgrade und dünnere Materialschichten können den Rohstoffbedarf pro erzeugter Kilowattstunde reduzieren.
Auch lange Lebensdauer und Reparierbarkeit verbessern die Ressourceneffizienz.
Recycling von Solarmodulen
Am Ende ihrer Nutzungsdauer können Solarmodule zerlegt und verschiedene Materialien zurückgewonnen werden.
Glas und Aluminium bilden einen großen Teil des Modulgewichts und lassen sich vergleichsweise gut recyceln.
Rückgewinnung weiterer Materialien
Auch Silizium, Kupfer und andere Bestandteile können mit geeigneten Verfahren zurückgewonnen werden.
Mit zunehmender Zahl alter Module gewinnt ein hochwertiges Photovoltaikrecycling langfristig weiter an Bedeutung.
Solarstrom und Biodiversität
Bei Dachanlagen ist die zusätzliche Flächenwirkung gering. Freiflächenanlagen können dagegen bestehende Lebensräume verändern.
Bei ökologisch angepasster Gestaltung können Solarparks jedoch auch extensive Grünflächen und neue Lebensräume bieten.
Pflege von Solarparks
Eine extensive Mahd, Beweidung und der Verzicht auf intensive Düngung können artenreiche Vegetation fördern.
Die Wirkung hängt jedoch stark vom Ausgangszustand und Standort der Fläche ab.
Bedeutung für die Energiewende
Solarstrom gehört zu den zentralen Bausteinen einer klimaverträglicheren Energieversorgung. Photovoltaik ist modular und kann in sehr unterschiedlichen Größen eingesetzt werden.
Sie kann sowohl private Gebäude als auch industrielle Großanlagen und öffentliche Stromnetze versorgen.
Zusammenfassung
Solarstrom ist elektrische Energie, die überwiegend durch Photovoltaikanlagen aus Sonnenlicht erzeugt wird. Solarzellen wandeln Licht direkt in Gleichstrom um, der über Wechselrichter für Haushalte und Stromnetze nutzbar gemacht wird.
Solarstrom verursacht im Betrieb keine direkten Emissionen aus Verbrennung und kann fossile Stromerzeugung ersetzen. Speicher, flexible Verbraucher und leistungsfähige Stromnetze helfen dabei, die tages- und jahreszeitlichen Schwankungen auszugleichen. Damit ist Solarstrom ein zentraler Bestandteil einer auf erneuerbaren Energien basierenden Energieversorgung.
