Stromerzeugung allgemein

Der Elektrische-Strom, den wir im täglichen Leben einsetzen ist so in der freien Natur nicht vorhanden. Wir müssen ihn daher erzeugen und gegebenfalls auch transportieren.
Hier wollen wir auf die Erzeugung des Stromes eingehen.
Es gibt mehrere Möglichkeiten elektrischen Strom zu erzeugen. Die bekanntesten sind die Erzeugung in klassischen Kraftwerken. Auch hier gibt es unterschiedliche Arten von Kraftwerken, die wir hier nur im Grundprinzip betrachten wollen.

Thermische Kraftwerke, sind Kraftwerke, die aus Verbrennungswärme (Öl, Gas oder Kohle) Wasserdampf erzeugen und dann mit dem Druck dieses Wasserdampfes einen Generator antreiben, der dann wiederum direkt elektrischen Strom erzeugt. Der Strom wird also aus dem hohen Druck, des Dampfes erzeugt, und nicht etwa aus der Wärme des Dampfes. Daher ist es auch erforderlich, dass der Dampf nach der Turbine (dem mit Dampf durchströmten Teil des Generators) wieder verflüsigt, indem er mit Kühlwasser abgekühlt wird. Daraus ist auch erkennbar, dass Thermische Kraftwerke immer einen erheblichen Teil der Energie (in etwa die Hälfte) in Form von Wärme an die Umwelt abgeben. Dies kann direkt in Füße, Seen, oder Meer erfolgen, oder über Kühltürme in die Luft. Im Prinzip ist auch ein Atom-Kraftwerk ein Thermisches Kraftwerk, nur dass hier die Wärme zur Dampferzeugung durch Spaltung von Uran-Atomen erzeugt wird. Letzendlich entsteht bei allen Kraftwerken dieser Art ein Abfallprodukt, sei es CO2 Abgas, das den Treibhaus Effekt erhöht, oder radioaktiver Atommüll, der nur schwer zu handhaben ist. Aber zusätzlich entsteht auch viel Abwärme, durch die Verflüssigung des Dampfes. Dies ist in etwa genau soviel Energie, wie als Strom gewonnen wird.

Eine ganz andere Art der Stromerzeugung sind Wasser-Kraftwerke. Hier wird aus der Strömungs bzw. Speicherhöhe des Wassers direkt mechanisch ein Generator angetrieben und damit Strom erzeugt. Strömungs-Karftwerke sind praktisch immer an Flüßen mir hoher Wassermenge verbaut, um die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers auszunutzen. Meist sind hier auch kleine Staustufen verbaut, die durch die Fallhöhe (meist wenige Meter) eine höhere Wassergeschwindigkeit erzeugen und direkt über eine Turbine mechanisch einen Generator antreiben. Eine andere Art sind die Speicher-See Kraftwerke. Hier wird Wasser über ein Fallrohr von einem höher gelegenen See (meist Stausee) auf eine im Tal befindliche Turbine geleitet, die dann wiedeum einen Generator antreibt.
Eine besondere Art der Wasser-Kraftwerke sind Pump-Speicher Kraftwerke. Im Prinzit zunächst wie eine Speicher-See, nur kann hier auch Wasser vom Tal auf in den höher gelegenen Speicher-See gepumpt werden. Das bietet die Vorteil, dass bei Überschüssigem Strom, dieser dazu benutz werden kann Wasser nach oben zu pumpen und bei höherem Strom-Bedarf wieder durch das Fallrohr Wasser über die Turbine geleitetet wird und zusätzlich Strom erzeugt. Im Prinzp sind solche Pumpspeicher-Kraftwerke wie Batterien zu betrachten, in die man mit Hilfe von Strom Enegie im Stausee speichert und bei Bedarf dann wieder Strom erzeugt.
Eine Sonderart der Wasser-Kraftwerke sind Wellen- und Gezeiten-Kraftwerke, die die Wasserströmungen in Küstennahe über Turbinen ausnutzen und ebenfalls zur Stromerzeugung beitragen.

Eine weitere Art der Stromerzeugung ist die Wind-Energie. Hier ist die Energie Erzeugung sehr Augenscheinlich erkennbar. Zumindest die großen Rotorblätter und die Gondeln mit den Generatiren bei den Windrädern sind nicht zu übersehen. Die Generatoren sitzen direkt in den Gondeln und erzeugen aus der Drehbewegung der Windräder direkt elektrischen Strom.

Die PV-Anlagen, stellen die solare Strom Erzeugung dar. Hier sind keinerlei meschanische Bewegungen vorhanden. PV-Anlagen nutzen die Energie, die im Licht der Sonne enthalten ist, nicht die Wärme der Strahlung. Da aber die Sonnenstrahlung überwieged Wärmestrahlung enthält, kann hier nur die Energie der Licht-Strahlung genutzt werden. Daher ist der Wikungsgrad einer PV-Anlage, bezogen auf die gesamte Sonnenstrahlung nur ca. 20-25 %. Der überwiegende Teil der Sonnenstrahlung können wir bei Thermischen Solaranlagen nutzen, da hier direkt Wärme erzeugt wird.

Die Ezeugung von Strom durch Motoren ist natürlich eine weitere Art der Stromerzeugung durch Motoren, die direkt den Generatur antreiben. Natürlich kann man hier auch unterschiedliche Brennstoffe wie z.B. Biogas usw. verwenden. Ausserdem kann man die Abwärme dieser Mototen auch für Heizungs-Zwecke nutzen und damit den Gesamtwirkungsgrad erheblich erhöhen.

Letztendlich ist auch die Brennstoffzelle eine Möglichkeit elektrieschen Strom zu erzeugen. Hier laufen chemische Prozesse ab, die durch die chemischen Reaktionen Strom erzeugen. auch hier sind keine mechanischen Bewegungen im Spiel.

Einspeisevergütung

Eine der maßgeblichen Entscheidungsgründe für die wirtschaftliche Betrachtung von PV-Anlagen, ist die Einspeisevergütung.
Unter der Einspeisevergütung versteht man die finanzielle Vergütung für die elektrische Energie, die man in das öffentliche Stromnetz einspeist. Um die eingespeiste Leistung zu erfassen und festzuhalten, ist ein Einspeisezähler erforderlich. Genau wie der Verbrauchszähler, ist der Einspeisezähler direkt beim Hausanschluss. Es gibt hier auch kombinierte Zähler, die in einem Gerät sowohl den Verbrauchs-, als auch den Einspeisezähler beinhalten. Entscheidend dabei ist aber, dass beide Zähler unabhängig von einander arbeiten und nicht etwa nur die Differenz zwischen Bezug und Einspeisung erfasst wird. Auch darf keiner der beiden Zähler zu keinem Zeitpunkt rückwärts laufen. Da der Einspeisezähler die Energiemenge für die Einspeisevergütung erfasst, muss auch dieser genau so wie der Verbrauchszähler geeicht sein.
Der Betrag der Einspeisevergütung setzt sich ähnlich wie der des Strombezuges aus mehreren Faktoren zusammen. Je nachdem ob die PV-Anlage rein privat oder gewerblich betrieben wird, ist die Umsatzsteuer enthalten und somit abzuführen. Dann sind auch noch andere Beträge enthalten, wie z.B. bis vor kurzem die EEG-Umlage. Daher muss man bei der wirtschaftlichen Betrachtung der Einspeisevergütung die Abgaben auch berücksichtigen.
Die Höhe der Einspeisevergütung pro kWh eingespeisten Strom, werden bei der Inbetriebnahme der Anlage festgeschrieben und bleiben für einen festgesetzten Zeitraum (z.B. 20 Jahre) konstant.
Genau wie beim Verbrauchszähler auch, wird hier vom Netzbetreiber eine monatliche Zählergebühr berechnet.
Wenn man die Einspeisevergütung von derzeitig (Juli 2022) von ca. 0,06 bis 0,07 €/kWh ansetzt, und eine Zählergebühr von ~10€/Mon., dann muss man ca. 150 kWh pro Monat einspeisen, um nur die Zählergebühr zu finanzieren. Bei Verbrauchspreisen von über 0,35 €/kWh und Einspeisungsvergütungen von 0,065 €/kWh sieht man dass die Einspeisevergütung aleine kaum einen Anreiz bietet in eine PV-Anlage zu investieren.

wirtschaftliche Betrachtung von PV-Anlagen

Die wirtschaftliche Betrachtung von PV-Anlagen, berücksichtigen die Rentabilität von PV-Anlagen.
Da die Errichtung und der Betrieb von PV-Anlagen immer mit Kosten verbunden sind, stellt sich daher immer die Frage ob eine PV-Anlage wirtschaftlich sinnvoill ist, vom ökonomischen Gedanken und dem Nutzen für die Umwerlt einmal ganz abgesehen. Bei der Ausführung einer PV-Anlage stellt sich daher auch die Frage, welche Komponenten zum Einsatz kommen und wie sich das auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage auswirkt. Solche Betrachtungen hängen daher nicht nur von der technischen Machbarkeit und den örtlichen Gegebenheiten ab, sondern auch von den finanziellen, steuerlichen und persönlichen Umständen ab.

Folgende Faktoren sind hier zu Berücksichtigen:

• Die Anschaffungskosten
• Die Betriebskosten
  
• Die Erträge
  

Nicht vergessen darf man aber auch die persönlichen Umstände der Nutzung. Wenn man bei der Erstellung Erwerbstätig ist mit einem regelmäßigen Einkommen, so können die Rahmenbedinguingen sich im Laufe der Nutzungszeit stark ändern, z.B. bei Renten-Eintritt, Arbeitslosigkeit, anderen Familienverhältnissen (Doppelverdiener, Kinder usw.). Auch können die Verbrauchsverhältnisse sich im Laufe der Nutzungszeit ändern, wenn die Anzahl der Bewohner sich ändert, Sonderverbraucher dazukommen (E-Auto, Wärmepumpe, usw.).

Aber auch die nicht beeinflussbaren Faktoren spielen hier eine große Rolle bei der Ausführung und Ausstattung einer PV-Anlage. So verändern sich z.B. die Bezugskosten für Strom im Laufe der Nutzungs-Zeit mit Sicherheit, und die Einspeisevergütung unter Umständen auch, so dass hier sich die Verhältnisse bei den Erträgen auch stark verändern können.

Daher ist eine Entscheidung für eine PV-Anlage aber auch die Art und Weise der Ausführung immer mit dem persönlichen Verhältnissen zu betrachten und immer mit einer gewissen Unsicherheit verbunden.

Hier die Faktoren und deren Komponenten, die man berücksichtigen sollte:

• Die Anschaffungskosten:
  Anzahl und Preise der Module
  Anzahl und Preise der Wechselrichter (Inverter)
  Kosten und Größe des Batteriespeichers
  Montagekosten der Module, Wechselrichter und Zähler, sowie deren Verkabelung
  Abnahme der Anlage
  Finanzierungskosten (Kredite)
  steuerliche Betrachtung
  
  
• Die Betriebskosten:
  Versicherung der Anlage
  Zähler-Gebühr
  evtl. EEG Umlage
  Wartungsvertrag
  Rücklagen für Ersatzteile
  evtl. Versteuerung des Eigenverbrauches
  Nutzungsdauer der Anlage
  
  
• Die Erträge:
  Die Einspeisevergütung
  steuerliche Betrachtung
  Die Ersparnis von Strombezug beim Stromanbieter
  steuerliche Abschreibung
  Werterhöhung beim Verkauf
  

Und natürlich das evtl. gute Gewissen, dass man etwas für die Umwelt getan hat.

technische Betrachtung von PV-Anlagen

Die technische Betrachtung von PV-Anlagen berücksichtigen die ortlichen Gegebenheiten und die technischen Möglichkeiten.
Wenn wir der Einfachheit halber mal von einem Wohnhaus ausgehen und hier auch nur von einem Nutzer (Einfamilienhaus), betrachten wir nur die Komponenten, die direkt mit der PV-Anlage und deren Berührungspunkten zusammen hängen. Das sind im Prinzip folgende Komponenten.

• Die PV-Module auf dem Dach des Hauses, möglichst optimal ausgerichtet. Diese sind in Stängen hintereinander geschaltet. Es können mehrere Stränge existieren, je nachdem wie groß die PV-Anlage ist und wie die Module örtlich ausgerichtet sind.
  
• Die Wechselrichter, die den Gleichstrom der PV-Module in für das Haus geeigneten Wechselstom (bzw. Drehstrom) umwandeln. Dies konnen mehrere Wchselrichter sein mit evtl mehreren getrennten unabhängigen Eingängen (Strängen)
  
• Den Ertrags-Zähler, der den gesamten Ertrag aus der PV-Anlage erfasst (nicht zwingend erforderlich, aber sinnvoll).
• den Batterie-Speicher, der sinnvoll ist um den Überschuß der Sollar-Energie bei gutem Ertrag zu speichen und bei weniger oder gar keinem Ertrag wieder dem Hausnetz zur Verfügung zu stellen. Ein Batterie-Speicher ist nicht vorgeschrieben, er kann aber die unterschiedlichen Zeitpunkte zwischen Stromertrag und Stromverbrauch zum Teil ausgleichen.
• Das Haus-Netz, an das alle Verbraucher im Haus angeschlossen sind.
• Den Einspeise- und Bezugs-Zähler, der sowohl den vom Stromanbieter bezogenen Strom, als auch den in das öffentliche Stromnetz eingespeisten Strom getrennt zählt.
• Das öffentliche Stromnetz.

Grundsätzliches zu PV-Anlagen

PV-Anlagen sind Anlagen zur Stromgewinnung aus Sonnenlicht. Man kann PV-Anlagen rein technisch betrachten, ohne die Kosten zu berücksichtigen, oder aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten.
In der rein technischen Betrachtung von PV-Anlagen wollen wir vor allem die Funktion und die Varianten der Ausführung in Augenschein nehmen und uns nur auf den reinen Stromertrag konzentrieren, den wir damit erzielen können, ohne die finanziellen Betrachtungen. Diese technische Betrachtung soll eine Entscheidingshilfe sein, was technisch machbar ist, bezogen auf die örtlichen Rahmenbedingungen und Möglichkeiten.
In der wirtschaftlichen Betrachtungsweise müssen wir vor allem die finanziellen Erträge bezogen auf die Kosten von PV-Anlagen gegenüberstellen, um die Entscheidung für die Ausführungsart treffen zu können. Hier kommen sowohl wirtschaftlichkeits Betrachtungen und finanzielle Aspekte zum tragen, als auch die steuerlichen und und gesetzlichen Vorgaben, die einzuhalten sind.

wird fortgesetzt..........

Hier sind noch weitere Beiträge zu diesem Thema geplant.
Wir arbeiten ständig an einer Erweiterung und an neuen Beiträgen in dieser Homepage.
...... schauen sie einfach später mal hier vorbei.

PV-Module

Das PV-Modul ist die kleinste Einheit, die wir hier betrachten wollen, obwohl auch das PV-Modul oder oft auch als PV-Panael bezeichnet aus einzelnen Komponjenten besteht. Es ist aber nur als ganzes erwerbbar und auch nicht modifizierbar, so dass wir es nur als fertiges Bauteil einsetzen können.
PV-Module sind so aufgebaut, dass sie jedes für sich montiert und elektrisch angeschlossen werden können. Sie bestehen aus einer Grundplatte, auf der die Halbleiterelemente, die eigentlichen Solar-Zellen aufgebracht sind. Sie sind intern miteinander verschaltet so dass mehrere einzelne Zellen hintereinander (in Reihe) geschaltet sind und mehrere solcher Reihenschaltungen dann wieder paralell (nebeneinander) verschaltet sind. Wie viele einzelne Zellen in Reihe und wieviele dieser Reihen dann paralell geschaltet sind hängt von der Art und Größe der Solarzellen ab und ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Über den Solarzellen befindet sich eine Glasplatte, die die Sonnenstrahlung gut durchlässt, aber dennoch die Solarzellen darunter gegen Beschädigung und Verschmutzung geschützt ist. Es muss sowohl einen Schutz gegen Hagel und andere kleine fester Gegenstände, und gleichzeitig einen guten Schutz gegen Verschmutzung bieten, ohne besonders schwer und dauerhaft gut lichtdurchlässig bleiben.
Um das ganze PV-Modul (PV-Panel) ist dann ein Metall-Rahmen angebracht mit dem das Modul dann auf einer Montageschiene befestigt werden kann, so dass das ganzen eine gute Stabilität bekommt.
Auf der Unterseite des Moduls befinden sich die Anschlussklemmen, für die Verkabelung des Modules. Mit speziell für diesen Zweck geeigneten Verbindungskabel werden dann die mehrere Module zusammengeschaltet, so dass sie eine Einheit (Strang) bilden und dann letztendlich an einem Wechselrichter angeschlossen werden können.
Es gibt PV-Module, die aus unterschiedlichen Halbleiermaterialen bestehen. Die wichtigsten sind monokristaline-, polykristaline- amorphe-Solarzeillen und dann auch noch mit unterschiedlichen Halbleitern, wie Seleen, Germanium usw. Daneben gibt es noch sogenannte Dünnschicht-Module teilweise flexibel, die evtl. auch auf gewölpte Oberflächen verlegt werden können.  Auf die einzelnen Typen und ihre speziellen Eigenschaften wollen wir hier nicht besonders eingehen, sondern verweisen auf die Veröffentlichungen und die Hersteller. Die einzelnen Module werden nebeneinander plaziert und meistens auf Montageschinen mit den-Modul-Rahmen verschraubt.
Am optimalsten ist natürlich, wenn das PV-Modul immer genau senkrecht zur Sonne ausgerichtet ist. Das bedeutet aber, dass das PV-Modul immer der Sonne nachgeführt werden müßte. Die Nachführung müsste hier in 2 Achsen durchgeführt werden, sowohl horizonal als auch vertikal. Solche Nachführungen der Solarmodule nennt man auch "Tracker". Der Aufwand für eine solche Nachführung ist natürlich schon aufwendig und bringt nicht nur Vorteile, sondern auch einige Nachteile mit sich. 
Der Vorteil ist ganz klar die deutlich höhere Ertragsleistung, Aufgrund der immer optimalen Ausrichtung. Ein weiterer Vorteil ist die gute Wartungszugänglichkeit der Module und eine gute Hinterlüftung, da diese ja frei stehen.
Nachteile sind unter anderem: Der hohe Kostenaufwand für die Steuerung und die Standfüße. Eine hohe Wind-Empfindlichkeit und höherte Störanfälligkeit aufgrund der mechanischen Bewegungen und Antriebe.
Wenn man die Nachführung der PV-Module zum Sonnenstand auf nur eine Achse beschränkt, kann man das ganze etwas vereinfachen. Man lässt die Neigung der Module auf einen otimalen Jahres- und Tagesmittelwert konstannt und führt die Solarmodule nur in Ost-West-Richtung nach. Damit kann man einen festen Unterbau lediglich drehbar gestalten und somit den ganzen Unterbau auch nutzen. Man kann ein Gebäude drehbar machen und dies der Sonne nachführen. Damit kann man auch die Sonnenstrahlung für die Glasfronten optimieren und zusätzlich thermisch optimal nutzen.
In den allermeisten Fällen werden aber die PV-Module fest verbaut, was den gerinsten Aufwand erfordert. Je nachdem ob die Module auf einer Schräge (z.B. Hausdach) oder einer Ebene (z.B. Boden oder Flachdach) verbaut sind, müssen die Montageschinen so angebracht sein, dass die PV-Module optimal ausgerichtet sind. Um über das ganze Jahr einen möglichst großen Ertrag zu erzielen. Dazu muss man allerdings die Sonneneinstrahlung für die in Frage kommende Fläche kennen. Abschattungen müssen vermieden werden. Dabei muss man jegliche Gegenstände die in Frage kommen daraufin prüfen, ob sie einen Schatten auf die Module werfen, und wieviel dies ausmacht. Insbesondere andere vor allem höhere Gebäude spielen hier eine Rolle, wie auch unmittelbare Hindernisse, wie Schornsteine, Dauchgauben, Satelittenantennen, Masten usw.
Für die Planung der gesamten Zusammanhänge, wie Modulbelegung, Modulausrichtung, Verschaltung der Module und Aufschaltung auf Wechselrichter gibt es aufwendige CAD-Berechnungs-Programme, die Solateure hier einsetzen und den tatsächlichen Ertrag und gegenenfalls die Wirtschaftlichkkeitsberechnung von PV-Anlagen zu ermitteln.
Es giebt viele Programma auf dem Markt. Eines dieser Programme finden Sie hier.
 
Hier kann man die Verschattung durch Hindernisse (z.B. ein Getreide-Silo) simulieren, wenn man die Abmessungen der Objekte kennt. Man kann auch deutlich sehen, dass die Verschattung vowohl von der Jahreszeit, als auch von der Uhrzeit abhängt und dies in die Ertragsberechnung mit einbeziehen.

Die handelsüblichen PV-Module für allegmeine PV-Anlagen sind ca. 1x1,6 m oder 1x2 m und ca. 5-10 cm dick. Die Leistung pro Modul liegt zwischen 250 und 400 Wp (Watt-peak). Die Angabe bezeichnet die maximale elektrische Leistung die ein Modul erzeugt, wenn die Sonneneinstrahlung senkrecht auf das Modul trifft. Es ist also der Wert, der maximal erzielt werden kann. Die tatsächliche Leistung liegt daher immer deutlich unter dieser Angabe, da eine optimale Ausrichtung praktisch nie gegeben ist und vor allem nicht über den ganzen Nutzungszeitraum. Unahängig davon, dass auch die Sonnenstrahlung nicht immer zu 100% gegeben ist, muss daher der realistische Ertrag einer PV-Anlage weit unterhalb der Angaben angesetzt werden, die sich aus der Summe der einzelnen PV-Module ergibt.

PV-Anlagen allgemein

Als PV-Anlagen bezeichnet man Anlagen, die aus Sonnenstrahlung elektrische Energie erzeugen.
Wie schon im Hauptmenü-Punkt "Haustechnik", unter "Solartechnik" beschrieben, ist die PV-Anlage, oder auch Photovolaik genannt nur eine der beiden Nutzungen der Sonnenenergie zur Energiegewinnung, neben der thermischen Nutzung.
Als eine PV-Anlage bezeichnen wir die gesamte Anlage vom einzelnen Solarmodul (Solarpaneel), über die Zusammenschaltung zu Strängen, die Umwandlung in eine übertragbare Stromart (Wechsel / Drehstrom), mit Hilfe von Wechselrichtern und falls erforderich die Transformation auf eine für größere Strecken praktikables Spannungsniveau, bis zu Einspeisung in das öffentlich, oder private Stromnetz.
Da das Solar-Modul das kleinste einsetzbare Element in einer PV-Anlage ist, wollen wir dies als kleinste Komponente in dieser Betrachtung ansehen. Natürlich gibt es unterschiedliche Arten von Solar-Modulen, die wir einsetzen können, je nach den Erfordernissen und den Eigenschaften der Module, insbesondere im Bezug auf ihren inneren Aufbau, die Ausführungsform und der verwendeten Halbleiterelemente. Eine Vermischung unterschiedlicher Module innerhalb eines Wechselrichters ist daher nicht praktikabel, da die Module dann unterschidlichen Eigenschaften haben und sich daher gegenseitig beeinflussen. Damit ist eine Auslegung kaum berechenbar. 
Aufgrund der Tatsache, dass PV-Anlagen doch eine große Investion darstellen, muss man eigentlich immer eine Wirtschaftlichkeits-Berechung Zugrunde legen. Hier spielen zum einen die reinen Installationskosten (Module, Wechselrichter, Montage-Material, Montage-Kosten, und evtl. Kapital-Nebenkosten) eine Rolle, sowie die Betriebskosten (Versicherung, Zähler-Kosten, Rücklagen usw.), als auch die zu erwartenden Erträge (Einspeisevergütung, Bezugsersparnis, bzw. Eigenbedarf). Und das ganze natürlich bezogen auf eine zu erwartende Laufzeit, sowie Steuer- und Marktpreis Hochrechnung.
Zur Auslegung und Berechnung einer PV-Anlage muss man daher einige Faktoren definieren, die man dann als konstant annimmt, oder man den Kosten-Verlauf über die Laufzeit richtig einschätzen kann.