Qualität in der Photovoltaik:Handwerk in zentraler Rolle

Neues EEG – Solar lohnt sich trotzdem
Das Thema Qualität gewinnt in der Photovoltaikbranche immer mehr an Bedeutung. Denn angesichts der aktuellen Kürzung der Einspeisevergütung rückt die Ertragsstärke einer Anlage in den Fokus. Zum Hintergrund: Das Erneuerbare Energien Gesetz, kurz EEG, regelt in der jetzigen Form seit rund zehn Jahren, wie viel Geld der Betreiber einer Solaranlage dafür erhält, dass er PV-Strom produziert. Die Vergütung ist auf 20 Jahre festgeschrieben. Sie differiert je nach Art der Fläche (Dachfläche oder Freifläche) und Größe der Anlage. Jetzt neu: Ab dem 1. Juli 2010 werden die Vergütungssätze für neu installierte Anlagen außerplanmäßig stark gesenkt, und zwar um 16 % für PV-Anlagen auf Gebäuden und um 11 % für PV-Anlagen auf sogenannten Konversionsflächen – gemeint ist Brachland, das früher militärisch oder wirtschaftlich genutzt wurde.
Eine Anlage auf einem Einfamilienhaus hat selten mehr als 5 kW. Für diese gibt es ab 1. Juli eine Vergütung von 32,88 Ct je kWh, die der Betreiber in das öffentliche Stromnetz einspeist. Diesen Betrag erhält man sicher und staatlich garantiert über 20 Jahre.
Der Hausbesitzer kann den Sonnenstrom auch selbst verbrauchen. Dies wird ebenfalls über 20 Jahre belohnt, und zwar mit 20,88 Ct/kWh (ab 1. Juli). Mit dem Eigenverbrauch spart der Endkunde außerdem den Strombezug von seinem Versorger, also nochmals etwa 21 Ct/kWh. Insofern steigt ab Sommer dieses Jahres die Attraktivität der Eigennutzung in besonderem Maße.
Die Botschaft der Branche lautet: Photovoltaik lohnt sich mehr denn je. Zwar werden die Herstellerpreise für die Komponenten weiter sinken müssen, damit PV weiterhin eine rentable Geldanlage bleibt. Und auch die Margen für den Installateur könnten sich schmälern. Doch wer auf hochwertige Komponenten von Qualitätsherstellern setzt und diese für den jeweiligen Einsatzort sinnvoll zusammenstellt, der wird seine Kunden davon überzeugen können, dass sie auch in Zukunft lukrativen Sonnenstrom ernten werden.

Montage der Unterkonstruktion: Die Anker werden mit den Dachsparren verschraubt.

Damit die Dachziegel bündig aufliegen, muss mit einem Winkelschleifer ein Stück herausgeschliffen werden.

Welche Module für welches Dach?
Module sind die Kernkomponente jeder Solaranlage, denn hier wird das Sonnenlicht in Strom umgewandelt. Auf ihrer Auswahl sollte daher besonderes Augenmerk liegen. Das Grundmaterial der meisten Solarzellen ist Silicium. Ein Unterscheidungsmerkmal bei Silicium-Solarzellen ist die Kristallstruktur. Bei sogenannten monokristallinen Solarzellen besteht das Silicium aus einem einzigen Kristall mit homogenem Kristallgitter. Durch die einheitliche Form des Kris­talls lässt sich aus dem Sonnenlicht mehr Energie gewinnen. Allerdings ist das eingesetzte Silicium in der Herstellung relativ aufwendig, entsprechend liegen Mono-Module im oberen Preissegment.

Befestigung der Einlegeschienen auf den Sparrenankern.

Vor der endgültigen Montage der Module, steht die Verkabelung.

Bei der polykristallinen Variante ist dies anders. Hier besteht das Silicium aus vielen kleinen Einzelkristallen. Polykristalline Solarzellen sind günstiger in der Herstellung. Daher gelten sie als Solarzellen mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis, auch wenn der Wirkungsgrad etwas geringer ist als bei der monokristallinen Variante.
Eine Alternative sind Dünnschichtzellen. Dabei wird amorphes Silicium hauchdünn auf einer Glasplatte abgeschieden. Das spart sowohl Material als auch Energie. Weitere Vorteile der Dünnschicht-Module: Selbst schwaches und diffuses Licht wandeln sie in der Regel besser in Strom um als ihr kris­tallines Pendant. Darüber hinaus bleibt die Stromausbeute an heißen Tagen im Sommer konstant, während sie bei kristallinen Modulen mit zunehmender Temperatur abnimmt.
Außerdem lassen sich Dünnschicht-Module in Größe, Design und Leistung auf individuelle Erfordernisse zuschneiden. Daher kommen sie besonders oft bei größeren Architekturprojekten zum Einsatz, bei denen Solarmodule beispielsweise direkt in die Gebäudehülle integriert werden. Weil sie im Vergleich zu kristallinen Modulen nach dem derzeitigen Stand der Technik einen geringeren Wirkungsgrad haben, benötigen Dünnschichtmodule mehr Fläche für den gleichen Energieertrag. Das bringt teilweise auch höhere Systemkosten mit sich, etwa für die Befestigung der Module.
Man sieht: Je nach Einsatzgebiet können die verschiedenen Modularten ihre Stärken unterschiedlich gut ausspielen. Im Mittelpunkt der Anlagenplanung steht daher der Einsatzort – meist das Hausdach. Es sollte einen Neigungswinkel zwischen 25 und 45° und eine möglichst südliche Ausrichtung (Süd-Ost bis Süd-West) haben. Mindes­tens 10 m2 Fläche sollten es sein – das genügt für die Installation von etwa 1 kWp Leis­tung (kWp = Kilowatt peak: die maximale Leistung der Modulfläche). Das Dach muss dabei einschließlich der Unterkonstruktion einer Auflast von rund 20 kg pro m2 standhalten.
Auch dürfen die Dächer nicht verschattet sein. Denn das Modul wird in der Regel mit anderen in Reihe (sogenannten Strings) verschaltet. Und die Verschattung eines Moduls wirkt sich überproportional auf die Leistung des gesamten Strings aus, selbst wenn alle anderen Module in der prallen Sonne liegen. Deshalb gilt die Empfehlung: Lieber das eine oder andere Modul weniger installieren, als durch Verschattung die Leistung eines ganzen Strings zu beeinträchtigen.
Und welches Modul ist nun für welches Dach am besten geeignet? Als Faustformel gilt: Kleine Dachflächen verlangen meist nach monokristallinen Modulen. Auf sehr große Dachflächen oder solche, deren Ausrichtung oder Neigungswinkel nicht optimal ist, installiert man am besten Dünnschichtmodule. Für alle anderen Einsatzgebiete bieten polykristalline Module das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

Montage der Solarmodule. Sie werden mit vier Inbusklemmen an der Einlegeschiene fixiert.

Konzert der Komponenten
Neben dem Solarmodul gibt es aber eine ganze Reihe von weiteren wichtigen Komponenten. Einen großen Einfluss auf die Effizienz einer Photovoltaikanlage hat der Wechselrichter, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und in das öffentliche Stromnetz einspeist. Der Wechselrichter passt also die Frequenz und Spannung des gewonnenen Stroms an die Norm des Netzbetreibers an und schafft damit quasi erst ein vermarktungsfähiges Produkt.
Kleine Anlagen arbeiten meist mit sogenannten Stringwechselrichtern, die über ein Kabel mit mehreren in Reihe geschalteten Solarmodulen verbunden sind. Erst ab einer Größe von rund 100 kWp Nennleistung kommen häufig Zentralwechselrichter zum Einsatz, weil sie auch größere Leistungen aufnehmen und umwandeln können.
Es ist nun in erster Linie der Wirkungsgrad, aufgrund dessen ein Wechselrichter die Leistung einer Anlage beeinflusst. Die derzeit besten verfügbaren Modelle erreichen einen maximalen Wirkungsgrad von 98 %. Allerdings lässt sich nicht jeder Wechselrichter mit jedem Solarmodul kombinieren. Schon deshalb nicht, weil jeder Wechselrichter für einen bestimmten Spannungsbereich ausgelegt ist. Das bedeutet, die Umwandler müssen in Abhängigkeit von der Anlagengröße und von der Höhe der Eingangsspannung gewählt werden.
Doch nicht nur der maximale Wirkungsgrad ist zu beachten. Gerade bei Sonnenaufgang oder an trüben Tagen fallen die Leistungsunterschiede der Geräte oft stark ins Gewicht. Ein Wechselrichter, der bereits bei geringer Eingangsleistung gute Wirkungsgrade erzielt, kann in der Summe besser abschneiden als ein Alternativgerät, dessen maximaler Wirkungsgrad speziell für den Spitzenbereich optimiert ist.
Aus Sicherheitsgründen zählen sogenannte DC-Freischalter (DC ist die Abkürzung für Gleichstrom, „direct current“) zur Standardausstattung von Solaranlagen. Diese montieren Installateure zwischen Solargenerator – also den zusammengeschalteten Photovoltaikmodulen – und Wechselrichter, um so mit einer Schalterbewegung den Wechselrichter vom Solargenerator trennen zu können. Das ist immer dann von Bedeutung, wenn Wartungs- oder Reparaturarbeiten am Wechselrichter anstehen, die sich nur so gefahrlos ausführen lassen.

Installierter Wechselrichter.

Sicherheit geht vor
Große Anlagen verfügen darüber hinaus über einen Generatoranschlusskasten. Dessen Aufgabe ist es, die einzelnen Stränge des Solargenerators zu bündeln und dann in einem Kabel in den Wechselrichter zu führen. Der Anschlusskasten ist auch der geeignete Ort, um einen Überspannungsschutz unterzubringen. Dieser sichert alle elektrischen und elektronischen Komponenten, also neben dem Wechselrichter auch die einzelnen Module, vor zu hohen elektrischen Spannungen. Sie entstehen beispielsweise, wenn ein Blitz in der Nähe der Anlage einschlägt. Gerade bei alleinstehenden Gebäuden gehört ein Überspannungsschutz zu den empfohlenen Sicherheitsstandards.
Komplettiert wird eine PV-Anlage noch durch einen Zähler und die Kabelstränge, die die einzelnen Komponenten verbinden. Der Zähler gibt an, wie viel Strom die Anlage in das Netz einspeist. Diese Menge ist ausschlaggebend dafür, wie viel Geld der Anlagenbetreiber erhält. Die Kabelstränge führen einmal vom Solargenerator zum Wechselrichter – oder zunächst in den vorgeschalteten Generatoranschlusskasten – und dann vom Wechselrichter zum Netz. Zwar sind Module in der Regel mit Anschlusskabeln ausgestattet, die jedoch selten bis zum Wechselrichter reichen. Bei den Verbindungskabeln sollte jeder Betreiber auf gute Qualität achten, damit der Spannungsabfall im Kabelverlauf nicht mehr als 1 % beträgt. Sonst geht schon auf dem Weg zum Wechselrichter zu viel Leistung verloren. Die Qualität der Kabel misst sich jedoch nicht nur an ihrer Leistungsstabilität. Wie gut sie UV-Strahlung und Korrosion widerstehen, liefert ebenfalls wichtige Hinweise. Schließlich sind die Anlagen im Freien installiert.
Qualität in der Installation
Das Anbringen der Module ist vor allem handwerkliche Arbeit – und im Wesentlichen ohne Spezialwerkzeuge zu leis­ten. Zunächst entfernt der Monteur einige Dachziegel, um die Unterkonstruktion für die Module anzubringen. Sie baut auf einer Vielzahl von Sparrenankern auf, die der Fachmann fest mit den Dachsparren verschrauben muss, weil sie die tragenden Elemente des Aufbaus sind. Im Außenbereich des Daches müssen die Abstände zwischen zwei Ankern geringer sein, da dort die Wind­angriffsfläche höher ist, während in der Dachmitte größere Abstände erlaubt sind.
Der Handwerker sollte jedoch in jedem Fall vorbohren, da die Dachlatten oder der Sparren sonst leicht Schaden nehmen. Sind die Sparrenanker montiert, können die Dachziegel wieder an ihren Platz – aber erst, nachdem der Monteur an der Unterseite ein Stück des Ziegels mit einem Winkelschleifer entfernt hat. Nur dann liegen die Ziegel bündig auf und das Dach ist wieder vollkommen dicht.

Rechts befindet sich der Stromzähler der PV-Anlage, über den der eingespeiste Strom gezählt wird.

Ein Kreuzsystem gegen Unebenheiten
Im nächsten Schritt befestigt der Monteur die Einlegeschienen auf den Sparrenankern. Hierfür legt er die Schiene horizontal auf die Anker und verschraubt sie mittels einer Klemme fest mit dem Anker. Eine etwas aufwendigere Lösung ist die Pfosten-Riegel-Konstruktion. Dieses Kreuzsystem soll Unebenheiten des Daches ausgleichen. Dafür verbindet man die Anker zunächst vertikal mit einer Schiene, und erst darauf werden die Einlageschienen montiert. Wölbungen oder Senken im Dach, die durchaus mehrere Zentimeter betragen können, sind dadurch nivelliert.
In beiden Fällen ist es sinnvoll, von unten nach oben zu arbeiten, weil die bereits montierten Schienen dann bei den Arbeiten eine wertvolle Stütze bieten. Das erhöht nicht nur die Sicherheit, sondern ist auch ungleich bequemer.
Noch ehe Arbeiter die Module auf den Schienen anbringen, müssen sie die Kabel verbinden. Die vorinstallierten Solarkabel mit Tyco-Steckverbindern stellen sicher niemanden vor eine besondere Herausforderung, da diese Stecker mit einem deutlichen „Klick“ einrasten. Zudem sind die Kabel nach Plus- und Minuspol farblich gekennzeichnet. Die Praxis zeigt allerdings, dass bei der Reihenschaltung der Module zu den Strings oftmals zu viele oder zu wenige Module zusammengeschaltet werden, sodass der Wechselrichter entweder unter- oder überfordert ist und nicht optimal arbeitet. In diesem Fall wird die Leistung der Module nicht vollständig in das Stromnetz eingespeist.
Die Schienen dienen als Trägerelemente für die Solarmodule. Die Monteure fixieren die Module mit jeweils vier Inbusklemmen. Das gibt eine hohe Stabilität bei geringem Platzbedarf.
Die restliche Arbeit besteht aus der wettersicheren Aufstellung des Wechselrichters, der Montage des Stromzählers sowie dem Anschluss an das öffentliche Stromnetz.

Fazit
Qualität in der Beratung und in der Installation, zusammen mit hochwertigen Komponenten: Entscheidend ist, dass alle diese optimal aufeinander abgestimmt sind. Nur so kann die Solaranlage lange und fehlerfrei laufen und einen möglichst hohen Wirkungsgrad erzielen.

Autor: Lars Waldmann, Schott Solar AG

Bilder: Schott Solar AG

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