Photovoltaikanlagen: So minimieren Sie Energieverluste

24. April 2023
Carlo Förster
Energie

Das Interesse an Photovoltaikanlagen hat aufgrund der steigenden Energiepreise in den letzten Jahren noch einmal einen deutlichen Aufschwung erfahren. Bereits im März 2022 waren deutschlandweit auf Dächern und Grundstücken rund 2,2 Millionen Photovoltaikanlagen installiert, wie das Statistische Bundesamt mitteilte. Gemeinsam erreichten die Solarpaneele eine Nennleistung von 58. 400 Megawatt. Das entspricht einem Mehrwert von rund 10 Prozent gegenüber dem gleichen Erhebungszeitraum des Vorjahres.

Allein im ersten Quartal 2022 konnten den Angaben des Statistischen Bundesamtes zufolge 8,8 Milliarden Kilowattstunden aus Sonnenenergie erzeugten Stroms in das Verbrauchernetz eingespeist werden und damit mehr als 30 Prozent mehr als 2021. Experten kritisieren dennoch, dass das volle Potenzial der Solarenergie noch nicht ausgeschöpft wird. Den Grund dafür sehen sie in teilweise nicht ausgereifter Verbindungstechnik und der Verwendung von kostengünstigen Produkten in diesem Bereich. So können auf den ersten Blick zwar die Kosten für die Installation und Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage gesenkt werden, auf lange Sicht kann dies aber mit einem hohen Energieverlust einhergehen.

So kann eine qualitativ hochwertige und durchdachte Verbindungstechnik dabei helfen, die Leistungsfähigkeit moderner Photovoltaikanlagen besser auszuschöpfen.

Energieverlust durch falsche Leitungen

Großes Energiepotenzial bietet ein genauer Blick auf die Leitungen, die bei der Installation einer Photovoltaikanlage verbaut werden. Hier kommt vor allem dem Durchmesser besondere Bedeutung zu. Den Berechnungsbeispielen von Fachingenieuren zufolge kann durch zu knapp bemessene Leitungen in Photovoltaikanlagen insbesondere über eine lange Laufzeit gemessen ein Energieverlust von mehreren Kilowattstunden entstehen.

Der Energieverlust entsteht durch Verlustwärme, die sich in zu engen Leitungen durch Reibung beim Durchfließen von Strom und durch den elektrischen Widerstand bildet. Der Energieverlust ist höher, je näher sich ein Leitungsabschnitt am Wechselrichter der Anlage befindet. Für die Planung moderner Photovoltaikanlagen bedeutet das, dass der Durchmesser der verbauten Leitungen sich an der Durchflussmenge des jeweiligen Abschnittes orientieren muss.

Viele Photovoltaikkonzepte arbeiten mit Kupferleitungen einheitlicher Durchlassstärke von durchschnittlich 2,5 Quadratmillimetern. Wird eine in deutschen Einsatzgebieten häufige String-Strom-Stärke von 8,5 Ampere durch diese Leitungen geführt, entsteht eine Wärmeleistung von etwa 360 Megawatt. Theoretische Rechenmodelle von Fachingenieuren ermitteln mit diesen Richtwerten einen Energieverlust von 20 Kilowattstunden pro Meter Verbindungsleitung über eine Laufzeit von 20 Jahren. Auf die gesamte Anlage hochgerechnet entsteht durch eine nicht bedarfsgerechte Planung der verbauten Leitungselemente ein Energieverlust, der nicht nur dazu führt, dass das Potenzial moderner Photovoltaikanlagen nicht ausgeschöpft wird, sondern auch die Kostenersparnis durch den Einsatz günstigerer Verbindungsmaterialien über eine längere Laufzeit betrachtet unwirtschaftlich machen kann.

Zusammenhang zwischen Steckverbindungen und Energieverlust

Ein weiterer Aspekt der Verbindungstechnik, der das Energiesparpotenzial von Photovoltaikanlagen positiv beeinflussen kann, ist bei Steckverbindungen auf eine hohe Qualität zu achten. Untersuchungen zur Verbindungstechnik von Photovoltaikanlagen haben gezeigt, dass die Verwendung kostengünstiger Steckverbinder bei der Installation und Inbetriebnahme von Photovoltaikanlagen empfindliche Energieverluste mit sich bringen kann.

Verbindungselemente minderer Materialqualität sorgen bei Belastungstests immer wieder zu Funktionsstörungen bis hin zum Ausfall einzelner Bereiche oder der ganzen Photovoltaikanlage. Reparaturarbeiten sind auf zeitaufwendig, verursachen hohe Zusatzkosten und gehen mit einem Energieverlust aufgrund von langen Ausfallzeiten der Solarpaneele einher. Wird eine Photovoltaikanlage überwiegend für die Energieversorgung eines Gebäudes genutzt, kann es zudem zu Versorgungslücken und hohe Zusatzkosten durch den Zukauf externer Energie kommen.

Ein unerwünschter Energieverlust kann aber nicht nur im Zusammenhang mit Materialverschleiß aufgrund minderer Qualität entstehen, sondern auch durch die Verwendung von Steckverbindungen, die mit den jeweiligen Anschlusselementen der Photovoltaikanlage nicht vollumfänglich kompatibel sind. Experten empfehlen, bei der Verbindungstechnik für moderne Photovoltaikanlagen die unterschiedlichen Bauteile aus einer einzigen Produktreihe zu verplanen, um die Kompatibilität einzelner Elemente gewährleisten zu können. Werden Verbindungsteile aus unterschiedlichen Produktionen verwendet, ist das Risiko höher, durch eine nicht optimale Kompatibilität einen Energieverlust oder langfristig sogar Funktionsstörungen und damit hohe Zusatzkosten hinnehmen zu müssen.

Wirkungsgrad und Energieverlust durch Wechselrichter

Die Berechnung potenzieller Energieverluste erfolgt auf Basis des Wirkungsgrades einzelner Zellen, Module oder der kompletten Photovoltaikanlage. Mit dem Wirkungsgrad geben Experten an, wie viel von der zur Verfügung stehenden Sonnenenergie durch das betrachtete Element tatsächlich in nutzbaren Solarstrom umgewandelt wird. Die Leistung verschiedener Solarzellentypen und der gewählten Modularten kann stark variieren. Dabei beeinflusst der Wirkungsgrad der einzelnen Module den Wirkungsgrad der gesamten Photovoltaikanlage.

Außerdem müssen in die Berechnungen noch erwartbare Energieverluste im Bereich von Verbindungsleitungen und Wechselrichtern zwischen den einzelnen Modulen miteinfließen. Die Wechselrichter wandeln für den Betrieb der Anlage Gleichstrom in Wechselstrom um. Dieser Prozess führt immer zu Energieverlusten, die je nach verarbeiteter Verbindungstechnik unterschiedlich ausfallen können. Betrachtet man ein durchschnittliches Photovoltaiksystem für ein Einfamilienhaus, kann in Deutschland aufgrund der anzunehmenden Sonnenstunden eine durchschnittliche Nennleistung von 5.000 Kilowattstunden Solarstrom zugrunde gelegt werden, die die Anlage erzeugen kann. Bei einer durchschnittlichen Laufleistung von 25 Jahren kann eine Photovoltaikanlage also rund 125.000 Kilowattstunden Strom erzeugen. Derzeit nutzbare Technologien im Bereich der Wechselrichter verursachen einen durchschnittlichen Energieverlust von drei bis fünf Prozent. Auf die Lebensdauer einer Photovoltaikanlage hochgerechnet entspricht das einem Verlust von rund 5.000 Kilowattstunden und damit dem Energieverbrauch einer vierköpfigen Familie in einem Jahr.

Um den Energieverlust im Bereich der Wechselrichter möglichst gering zu halten, sollte das Bauteil so nah wie möglich an der Position installiert werden, an der die Einspeisung vorgenommen wird. Der Energieverlust fällt auf der Seite des Wechselstromes messbar höher aus als auf der Seite des Gleichstromes. Durch eine entsprechende Planung kann der Verlust, der durch Wechselrichter zu kalkulieren ist, minimiert werden.

Professionelle Energiemanagementsysteme als Qualitätssicherung

Ein weiterer Faktor, der dabei helfen kann, das Energiesparpotenzial moderner Photovoltaikanlagen auszuschöpfen, ist ein gutes Monitoring. Professionelle Energiemanagementsysteme mit ganzheitlichen und durchdachten Softwarelösungen dienen der Qualitätssicherung und können dabei helfen, Störungen im Betrieb der Photovoltaikanlage zu erkennen. Moderne Systeme sind zusätzlich darauf ausgelegt, Schwachstellen in der Anlage zu analysieren, die einen Energieverlust verursachen und Lösungen zu ermitteln, um diese Schwachstellen zu beseitigen.

Die Investition in ein hochwertiges Energiemanagementsystem lohnt sich auch für Privathaushalte. Durchdachte Softwarelösungen können nicht nur Störungen in einzelnen Bereichen oder in der gesamten Photovoltaikanlage minimieren, sondern auch durch regelmäßige Analysen von potenziellen Quellen für einen Energieverlust aufzeigen, wo das installierte System sein volles Potenzial möglicherweise noch nicht ausschöpft.