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Photovoltaik-Wirkungsgrad: Solarzelle, Speicher & Gesamt

Letztes Update: 2. April 2021

Lesedauer: 8 Minuten

Jens Burkhardt

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Jens Burkhardt

Was sagt der Photovoltaik-Wirkungsgrad aus? Wie hoch ist der Wirkungsgrad von den einzelnen Bestandteilen und insgesamt? Der Artikel klärt alle Fragen.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen?

Der durchschnittliche Wirkungsgrad einer kompletten Photovoltaikanlage beträgt 15 bis 20 %. Nur ein Teil vom Spektrum der Lichtenergie kann in Solarstrom umgewandelt werden, deshalb liegt die Effizienz von Solarmodulen bei etwa 22 Prozent. In der Theorie sind bis über 33 Prozent möglich.

Was sagt der Wirkungsgrad einer PV-Anlage aus?

Der Wirkungsgrad ist eine Messgröße, die beschreibt wie das Verhältnis von nutzbarer Energie zu zugeführter Energie ist. Man spricht deshalb auch von der Effizienz der Photovoltaikanlage. Der Wirkungsgrad der PV-Anlage wird gewöhnlich in Prozent angegeben.

Der perfekte Wirkungsgrad beträgt 100 Prozent oder 1,0. Der optimale Wirkungsgrad kann in der Realität nie erreicht werden, da es bei der Umwandlung von Energie immer Verluste entstehen.

Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage?

Prinzipiell haben die folgenden Faktoren Einfluss auf den Wirkungsgrad.

Mehr dazu können Sie auch im Ratgeber über den Ertrag von Photovoltaikanlagen nachlesen.

Wie wird der Wirkungsgrad berechnet?

Die Formel für den Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage:

η (Eta) = Nutzenergie / aufgewendete Energie

Wir benötigen nun beide Kenngrößen, um  den Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage zu berechnen.

Was ist Nutzenergie? Es ist die tatsächliche Energie in Kilowattstunden, welche am Produktionszähler gemessen wird. 

Photovoltaikanlage mit zwei Dachfenstern

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Diese Kilowattstunden werden dann entweder direkt im Haus verbraucht oder in öffentliche Stromnetz eingespeist.

Die aufgewendete Energie entspricht der ankommenden Sonnenenergie, welche je nach Standort stark variiert

 In Deutschland beträgt die durchschnittlich Globalstrahlung (Daten 2020) 1171 kWh pro Quadratmeter. In der Sahara liegt der Wert bei über 2300 kWh/m². 

Praxisbeispiel:

  • Photovoltaikanlage mit 10 kWp Leistung
  • Verwendete Fläche = 50 Quadratmeter
  • Spezifischer Ertrag = 1000 kWh/kWp

Enutz = 10 × 1000 = 10.000 kWh

Eauf = 1171 × 50 = 58.550 kWh

Eta = 10.000 / 58.550 = 0,17 = 17 % Photovoltaik-Wirkungsgrad

Gesamtwirkungsgrad von Solaranlagen

Die wichtigste Größe ist der Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage. Dieser wird aus dem Produkt aller Bestandteile der PV-Anlage berechnet. Die Daten der Wirkungsgrade finden sich in den Datenblättern der Hersteller.

Diese Teile haben alle einen eigenen Wirkungsgrad:

  • Solarmodule
  • Wechselrichter
  • Solarkabel (siehe Kabelverluste)
  • Stromspeicher (optional)
  • Batteriespeicher-Wechselrichter (optional)

Die Berechnung sieht folgendermaßen aus:

Anlagenwirkungsgrad = η Solarmodule * η Wechselrichter * η Kabel

Sehen wir uns nun ein realistisches Beispiel an:

  • Modulwirkungsgrad = 19,6 %
  • Europäischer Wirkungsgrad vom Wechselrichter = 96,1 %
  • Kabelverlust (1%) = 99% (kommt auf den Kabelquerschnitt und die Leitungslänge an)

η Gesamt = 0,196 * 0,961 * 0,99 = 0,186 = ca. 18,6 % PV-Wirkungsgrad

Interpretation der Ergebnisse

Wie oben zu sehen ist, kommen beide Rechnungen auf ein ähnliches Ergebnis. Doch welche Aussagekraft hat der Photovoltaik-Wirkungsgrad überhaupt?

Die Relevanz vom Wirkungsgrad ist für die Planung einer Photovoltaikanlage eher gering. Ein guter Vergleich zwischen zwei PV-Anlagen ist nicht möglich, weil die geografische Lage starken Einfluss auf das Ergebnis hat. 

Ein Vergleich der Wirkungsgrade der einzelnen PV-Komponenten ist dagegen sinnvoll. Dazu später mehr.

Für die gesamte PV-Anlage gibt es eine interessante Alternative zur Messung der Effizienz: das sogenannte Leistungsverhältnis, engl. Performance Ratio.

Alternative Kennzahl: Performance Ratio

Das Performance Ratio (PR) gibt das Verhältnis von produzierter Energie in kWh (Ist-Ertrag) zum theoretisch möglichen Optimum (Soll-Ertrag) an. 

Der nominale Anlagenertrag (Soll-Ertrag) wird berechnet durch:

Normale Werte liegen zwischen 70 und 80 Prozent. Je höher das Performance Ratio, desto weniger Wirkungsgrad-Verluste hat die Photovoltaikanlage.

Wirkungsgrad von Solarzellen

Jedes Solarmodul setzt sich aus mehreren Solarzellen zusammen. Die Solarzellen sind der wichtigste Bestandteil einer Photovoltaikanlage. Wie hoch deren Wirkungsgrad ist, entscheidet über den größten Teil der Ausbeute.

Ein kleines Beispiel aus der Praxis: Vor 10 Jahren hatte ein gewöhnliches PV-Modul eine Nennleistung von 250 Watt-Peak. Heute sind es 330 bis 360 Wp. Die Steigerung ist hauptsächlich auf die Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzelle zurückzuführen.

Es gilt: Je höher der Wirkungsgrad einer Solarzelle, desto wenige Platzbedarf wird bei gleicher Leistung benötigt. Ergo: die Ausnutzung der vorhandenen Fläche erhöht sich.

Warum ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle eigentlich so gering?

Monokristallin und Polykristallin Solarpanel im Vergleich

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Ein Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent, wie ihn Solarzellen erreichen klingt erst einmal nicht sehr beeindruckend.

Was viele Menschen nicht wissen ist, dass der photovoltaische Effekt nur unter bestimmten Frequenzen des Lichtspektrums (Wellenlänge zwischen 400 und 1150 nm) abläuft.

Die Solarenergie besteht jedoch auch aus einem breiten Band des Elektromagnetischen Spektrums. Daher gibt es ein theoretisches Maximum des Solarzellenwirkungsgrades von 33 Prozent .

Es gibt aber bereits Forschungen zu einer zweischichtigen Solarzelle, welche im Labor einen Wirkungsgrad von über 45 Prozent erreicht hat. Die zusätzliche Tandem-Schicht kann Strahlen im Bereich von Infrarot verarbeiten. 

Verschiedenen Solarzellen im Vergleich

Es gibt verschiedenen Typen von Solarzellen, welche alle einen unterschiedlichen Wirkungsgrad haben und bei gleichen Bedingungen unterschiedlich viel Leistung bringen. Die bekanntesten Typen bestehen aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium.

Schauen wir uns diese in der nachfolgenden Tabelle an:

Art der Solarzelle

Wirkungsgrad

Monokristallin

18 bis 22 %

Polykristallin

15 bis 19 %

CIGS

12 bis 14 %

Dünnschicht (amorphes Silizium)

5 bis 9 %

Im Jahr 2021 werden im privaten Umfeld hauptsächlich monokristalline Module eingesetzt. Dünnschichtmodule lohnen sich nur für große gewerbliche Anlagen.

Wirkungsgrad von Photovoltaik-Modulen

PV-Module haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad, als die verbauten Solarzellen. Das liegt an der Reflexion und den Anschattungsverlusten.

Der Wirkungsgrad vom Solarmodul wird unter den Standard-Testbedingungen ermittelt. Dabei gelten folgende Faktoren:

  • Zellentemperatur von 25 Grad Celsius
  • Einstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter
  • Luftmasse (Air Mass) von 1,5

Wirkungsgrad vom Wechselrichter

Ein PV-Wechselrichter wandelt erzeugten Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom um. Dabei entstehen Umwandlungsverluste, hauptsächlich durch die Umwandlung in Wärmeenergie. Der Wirkungsgrad vom Wechselrichter sinkt bei höheren Temperaturen, weshalb die meisten Geräte ein aktives Lüftungssystem integriert haben.

Alle Wechselrichter-Hersteller geben im Datenblatt den maximalen Wirkungsgrad und den europäischen Wirkungsgrad an. 

Da die Leistung der Photovoltaikanlage meistens nur ein Bruchteil vom Maximum beträgt ist der tatsächliche Wirkungsgrad deutlich tiefer. Der europäische Wirkungsgrad gibt eine realistischere Einschätzung ab.

Ein typischer Wirkungsgrad von Wechselrichtern liegt bei etwa. 95 bis 97 Prozent.

Wirkungsgrad von Stromspeicher

Die meisten Interessenten einer Photovoltaikanlage entscheiden sich mittlerweile auch für die Anschaffung eines Stromspeichers. Das Ziel ist es den Eigenverbrauch von Solarstrom zu erhöhen. Damit das wirtschaftlich ist, muss der Wirkungsgrad vom Stromspeicher besonders beachtet werden.

Zunächst sollte man sich den Aufbau eines Speichersystems vor Augen führen.

Eine typische Solaranlage mit Speicher besteht aus:

  • PV-Module
  • Wechselrichter
  • Batterie-Wechselrichter
  • Batteriespeicher

Es muss also ein zusätzlicher Wechselrichter zum Einsatz kommen. Der bereits vom Wechselrichter umgewandelte Wechselstrom wird wieder in Gleichstrom umgewandelt, um im Akku gespeichert werden zu können.

Wird Strom aus dem Speicher geholt, muss eine erneute Umwandlung stattfinden. Bei jeder Transformation geht ein Stück Effizienz verloren.

DC-Speichersysteme haben einen besseren Wirkungsgrad, weil eine Umwandlung weniger stattfinden muss. Sehr neu auf dem Markt sind sogenannte Hybridwechselrichter, welche als All-In-One-Wechselrichter agiert. 

Der durchschnittliche Wirkungsgrad eines Lithium-Ion-Speichers beträgt 90 bis 95 %. Ein Blei-Akku liefert etwa 10 % weniger.

Fazit: Photovoltaikanlagen und verschiedene Wirkungsgrade 

Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage hat als Kenngröße nur eine bedingte Aussagekraft. Prinzipiell lohnt es sich das Dach komplett mit Solarmodulen zu belegen. 

Kommt ein besseres Solarpanel zum Einsatz, kann mehr Nennleistung installiert werden. Allerdings sind Module mit hohen Wirkungsgraden auch entsprechend teurer.

Wenn Sie sich vor allem für die wirtschaftlichen Faktoren interessieren, empfehle ich diese Artikel zu lesen:

Oder einfach den Wirtschaftlichkeitsrechner für Photovoltaikanlagen zu verwenden.

Interessieren Sie sich eher für den Aspekt der Unabhängigkeit, ist das Thema Autarkie der Photovoltaikanlage wichtig.

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