Wärme für Leipzig, Teil 10: Photovoltaik und Solarthermie

Durch den Einsatz von PV-Modulen wird eingestrahlte Sonnenenergie zur Stromerzeugung genutzt, deren aktuelle Effizienz bei über 20 bis an die 30 Prozent liegen, je nach Qualität der Module. Optimal platzierte Photovoltaik kann ganzjährig zur Stromerzeugung genutzt werden, auch wenn die Stromproduktion im Winterhalbjahr deutlich niedriger ist, je nach Sonneneinstrahlung.

In einer Stadt wie Leipzig sind sehr viele Dachflächen vorhanden, die entsprechend der Dach-Statik sowie Auflager und je nach Dachneigung, Dachausrichtung oder Verschattung für PV-Anlagen geeignet sind. Durch die Stadt wurde eine Studie an die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE) in Auftrag gegeben zur Ermittlung des Potenzials von Solarthermie und Photovoltaik. Diese Studie liegt seit November 2023 vor.

Gegenstand der Untersuchung ist die quantitative und räumliche Bewertung geeigneter Dach- und Freiflächen im Leipziger Stadtgebiet, die sowohl technisch als auch wirtschaftlich für eine solare Nutzung infrage kommen. Berücksichtigt wurden dabei Kriterien wie Verschattung, Ausrichtung, Flächenverfügbarkeit, Denkmalschutz, Fernwärmeanschlüsse sowie Raumwiderstände.

Aus diesen Angaben wurde für Leipzig ein stadtweites Solarkataster entwickelt, das differenziert zwischen PV und Solarthermie unterscheidet und gezielt Maßnahmen für die Dachnutzung, Dachpachtmodelle, Quartierslösungen und Contracting-Vorhaben unterbreitet.

Die Photovoltaik wird insbesondere eingesetzt zur Eigenstromnutzung, für den Wärmepumpenbetrieb, für die Elektromobilität, für die Zwischenspeicherung und zur Einspeisung in das Stromnetz.

In Kombination mit Wärmepumpen kann PV-Strom zur dezentralen Wärmeerzeugung beitragen, vornehmlich für Einfamilienhäuser. Bedingt durch die Größe der Dachflächen bestehen bestimmte Einspeisepotentiale auch für Mehrfamilienhäuser und große Wohngebäude.

Zur Verteilung von Eigenstrom an die Mieter und Nutzer werden Mieterstrommodelle angeboten von Firmen in Leipzig wie SMP Solar Energy GmbH oder enpal aus Berlin. Für PV-Anlagen sollten nach Möglichkeit die Dächer von Schulen und Verwaltungsgebäuden genutzt werden, in jedem Fall die Flächen der Parkplätze sowie der Einkaufseinrichtungen und die Dächer von gewerblichen Gebäuden wie Lagerhallen, Bürogebäuden oder Kaufhäusern.

Die Kombination von Photovoltaik und Batteriespeichern steigert die Eigenversorgung und entlastet das Stromnetz.

Es sind auch landwirtschaftliche Flächen zum Aufbau von Agri-PV-Anlagen sinnvoll nutzbar. Die Größe sollte über 3.000 m² betragen, wegen der hohen Grundstücks- und Erschließungskosten. Agri-PV-Anlagen sind hochaufgeständerte Photovoltaik-Anlagen die dadurch weiterhin und sogar besser landwirtschaftlich nutzbar sind. Zu berücksichtigen sind dabei die Entfernungen zu potenziellen Strom- Einspeisepunkten (bei PV: zum Stromnetz oder Umspannwerk)

Nutzung von Solar- und Photovoltaikanlagen

Zu berücksichtigen sind die unterschiedlichen Nutzungsmöglichkeiten von Solarenergie.

Neu entwickelt wurden Photo-Voltaik-Thermie (PVT) Kollektoren zur Erzeugung von Strom und Wärme aus Sonnenenergie. Kombiniert man die Hybridkollektoren mit einer Wärmepumpe, entsteht ein hocheffizientes Heizsystem, das sowohl aktuellen als auch künftigen Klimaschutzvorgaben gerecht wird. https://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/hocheffizientes-heizsystem-pvt-kollektor-und-waermepumpe/

PVT Module sind vorrangig für Gebäude, Haushalte und Anlagen geeignet, die auch im Sommer viel Warmwasser benötigen. Hergestellt werden PVT-Module in Sachsen durch die Firma Sunmaxx in Ottendorf-Okrilla bei Dresden.

Solarthermische Kollektoren dienen der Warmwassererzeugung.

Balkonsolaranlagen sind kleine PV-Anlagen, die privat aufgestellt werden können und ins eigene Stromsystem der Wohnung einspeisen, begrenzt bis zur Erzeugung von max. 800 Watt seit Mai 2024.

Größere Photovoltaik-Anlagen dienen der Stromerzeugung auf dem Dach, an den Fassaden oder auf Freiflächen und speisen den erzeugten Strom ins überregionale Stromnetz ein, mit entsprechender Vergütung. Hier gibt es recht unterschiedliche Module, geeignet für die jeweilige Nutzung.

Je nach Aufbau eines PV-Moduls entstehen verschiedene Typen: https://www.homeandsmart.de/solarmodule-uebersicht.

Am häufigsten werden Glas-Folie-Module (16–22 kg pro Modul) eingesetzt, da sie günstiger und leichter sind. Glas-Glas-Module sind zwar teurer und schwerer (20–26 kg), haben dafür aber eine höhere Lebensdauer aufgrund des doppelten Glasschutzes. Diese PV-Module verwenden üblicherweise Vollzellen. In den letzten Jahren haben sich Halbzellenmodule auf dem Markt etabliert, da sie besser auf Verschattungen reagieren und mehr Strom erzeugen.

Ein durchschnittliches Solarmodul wiegt 11 Kilogramm pro Quadratmeter, während Glas-Glas-Module mit 13 Kilogramm pro Quadratmeter etwa 15 Prozent mehr wiegen.

Um das Dach nicht zusätzlich noch stärker zu belasten, gibt es auch Dachziegel mit integrierten PV-Modulen, die aber durch die Kombination etwas teurer sind als normale Dachziegel.

Die PV-Module gibt es auch mit eingefärbter Optik, die insbesondere für denkmalgeschützte Gebäude eingesetzt werden, da sie auch etwas teurer sind als „normale“ Module.

Dickschichtmodule (21–29 kg) nutzen überwiegend monokristalline Solarzellen, aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads. Für spezifische Anwendungen wie Solarparks kommen polykristalline Solarzellen zum Einsatz, da sie das beste Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen.

Dünnschichtmodule werden aus Materialien wie amorphem Silizium hergestellt. Dünnschicht-Solarmodule haben den Vorteil des geringen Gewichts und sind auch als transparente, flexible oder semiflexible Module erhältlich, die eine diskrete Integration in bestehende Gebäude ermöglichen, zB. für Fassaden oder für Camping. Sie haben allerdings einen geringen Wirkungsgrad, weswegen sie selten zur Anwendung kommen.

Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt heute schon bei über 20 bis 25 Prozent.

Technologien wie bifaziale, HJT sowie PERC- und TOPCon-Solarzellen sind bereits marktreif und weitverbreitet. In der Forschung befinden sich Tandem- und Perowskit-Solarzellen, mit vielversprechenden Ergebnissen, um die 30 Prozent Wirkungsgrad.

Bifacial-Module eignen sich hervorragend für Solar-Carports, Terrassen, Großkraftwerke und Flachdächer. Sie eignen sich auch gut für Fassadensysteme auf weißen Wänden (Wirkungsgrad 15–20 %).

Heterojunction-Solarzellen werden in bifazialen Modulen eingebaut, um deren Wirkungsgrad nochmals zu erhöhen (Wirkungsgrad der Zelle auf über 24 %).

PERC- und TOPCon-Solarzellen werden in herkömmlichen Modulen eingebaut, um deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Dies ist besonders wichtig, wenn wenig Platz zur Installation von Photovoltaik verfügbar ist. Der Unterschied zwischen PERC- und TOPCon-Solarzellen liegt im Wirkungsgrad und auch im Preis.
IBC-Solarzellen werden am häufigsten in Solarmodulen für Balkonkraftwerke genutzt. Sie erreichen einen noch höheren Wirkungsgrad und produzieren auf limitierter Fläche einen höheren Ertrag.

Solarthermie

Bei Solarthermie wird durch die Sonneneinstrahlung Warmwasser erzeugt, das in den Heizkreislauf eingespeist werden kann oder als Warmwasser im Haushalt Verwendung findet. Solarthermie liefert eher in den Sommermonaten Warmwasser für Mehrfamilienhäuser, Hotels oder Sporteinrichtungen, Gewerbe- und Industrieanlagen. Weiterhin dient die Solarthermie zur direkten Wärmeeinspeisung in Nah- und Fernwärmesysteme. Das Warmwasser sollte aber auch für die kalte Jahreszeit zwischengespeichert werden in Kavernen oder saisonalen Großspeichern.

Freiflächen-Solarthermie benötigt in der Regel größere, zusammenhängende Flächen ab ca. 5.000 m², die in Leipzig und in der Umgebung rar und wenig verfügbar sind. Zu beachten sind dabei die Entfernungen zu potenziellen Einspeisepunkten (bei Solarthermie: zum nächsten Wärmenetz)

Schwimmende PV-Anlagen

Als schwimmende PV-Anlagen (oder „Floating-PV-Anlagen“) werden auf Wasserflächen betriebene Photovoltaikanlagen bezeichnet, wobei die Anlagen am Gewässergrund, Ufer oder an angrenzenden Strukturen verankert sind. Es bestehen bisher nicht viele dieser Anlagen in Deutschland. Diese Form der Stromproduktion ist relativ neu und die Auswirkungen auf Natur und Landschaft sind bisher kaum erforscht.

Daher wurde dem Vorsorgeprinzip entsprechend im Wasserhaushaltsgesetz geregelt (§ 36 Absatz 3 WHG), dass schwimmende Solaranlagen nur auf künstlichen und stark veränderten Gewässern erlaubt sind, sie maximal 15% der Gewässerfläche bedecken dürfen und der Abstand zum Ufer mindestens 40 Meter betragen muss. Es müssen wohl noch einige Studien zur Naturverträglichkeit und deren Auswirkungen erarbeitet werden.

Vielleicht gehören die zukünftigen Tagebauseen Perez und Schleenhain zu den möglichen Studienobjekten, denn die benannten Kriterien treffen auf diese Seen zu. Damit wären innovative Ideen gefragt für eine Nutzung durch Seethermie im Leipziger Umland. Von diesen schwimmenden PV-Anlagen müsste der Strom oder das Warmwasser ans Ufer geleitet werden zur Weiterführung ins Stromnetz oder Fern-/Nahwärmenetz oder zur Herstellung von grünem Wasserstoff.