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Eine Photovoltaik-Anlage besteht aus mehreren Elementen. Im Zentrum steht das Solarmodul, auch Solarpanel genannt, das wiederum aus vielen Solarzellen besteht. Für die Umsetzung des Gleichstroms in Wechselstrom wird ein sogenannter Wechselrichter benötigt. Doch jetzt einfach mal alles schön der Reihe nach.

Aufbau einer Solarzelle

Eine klassische Silizium-Solarzelle besteht aus mindestens drei Schichten: im oberen Teil aus einer negativ-dotierten Silizium-Schicht (mit freibeweglichen Elektronen, also Elektronenüberschuss), im unteren Teil aus einer positiv-dotierten Silizium-Schicht (mit freibeweglichen sogenannten „Löchern“, die die Elektronen aufnehmen können, also Elektronenmangel). Dabei ist die positiv-dotierte Schicht (ca. 0.6mmm) sehr viel dicker als die negativ-dotierte Schicht (ca. 0.001mm). im Übergang zwischen diesen beiden Schichten liegt als Grenzschicht die sogenannte „Raumladungszone“. Umfasst wird das ganze oben von einer negativen Elektrode (also dem Minus-Pol) und unten von einer positiven Elektrode (also dem positiven Pol), wobei ein Stromkreis gebildet wird.

Funktionsweise einer Solarzelle

Trifft jetzt also das Sonnenlicht auf die recht dünne n-dotierte Silizium-Schicht, durchdringt es diese und wird in der Übergangsschicht absorbiert. Dabei werden im negativ-dotierten Silizium Elektronen angeregt und wandern zum positiv-dotierten Silizium. Findet dann der photovoltaische Effekt in der Raumladungszone statt, kommt es zu einer Ablösung von Elektronen. Durch diese ständige Bewegung der Elektronen im Stromkreis entsteht eine Spannung und (Gleich-)Strom fliesst.

Die Photovoltaik-Anlage

Solarmodule setzen sich aus vielen kleinen Solarzellen zusammen, die auf der unteren Seite durch eine Rückseitenbeschichtung und auf der oberen Fläche durch eine Glasscheibe geschützt sind. Alle Solarmodule werden in Reihe geschaltet und zusammen ergeben sie die Photovoltaik-Anlage. Da jedoch in einem Haushalt Wechselstrom benötigt wird, muss der Gleichstrom erst einmal mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt werden. Erst dann kann ein Verbraucher den Solarstrom nutzen.

Je nach Konfiguration der Photovoltaik-Anlage kann der Solarstrom vom Besitzer der Anlage selbst verbraucht oder gespeichert werden oder in das öffentliche Netz eingespeist werden. So geht keine Energie verloren.

Weiterführende Informationen

> suntastic.solar: So funktioniert der Aufbau einer Photovoltaik-Anlage

> Swissolar: Photovoltaik

> Solarspar: Wie funktioniert Photovoltaik?

Die Klimajugend hat dringlich gemahnt: es ist Zeit zum Handeln! Der Bundesrat hat die Strategie zur Klimaneutralität bis 2050 veröffentlicht – nun sind wir alle aufgefordert, einen Beitrag zu leisten. Ein wichtiges Thema ist dabei die Energiewende: weg von Kohle, Öl und Gas hin zu erneuerbaren Energien, ergänzt durch Energieeffizienz und Nutzen von Einsparpotential. Die Versorgungssicherheit geht uns alle an.

Energiesystem im Wandel

«Anfang 2022 wurde der Gesellschaft in Mitteleuropa drastisch vor Augen geführt, dass die Energiewahl Erdgas dem wichtigsten Anbieter Tür und Tor für politische Erpres­sungen und militärische Bedrohungen öffnet. Auch an der Preisfront hat dies zu massiven Erhöh­ungen geführt, die die Erin­nerun­gen an die Ölkrise der 1970er-Jahre wach werden lassen. Die noch vor zwei Jahr­zehnten allseits umge­setzte Liberali­sierung der Energie­märkte hilft da aktuell wenig – die Politik ist wieder gefragt zu handeln, wie es in Energiefragen so oft nötig und sinnvoll war». Das schreibt Prof. Dr. Franz Baumgartner von der ZHAW.

Die Schweiz benötigt ebenso wie die anderen Länder Europas zunehmend mehr Strom, denn die Dearbonisierung des Verkehrs oder auch der Wärme geht Hand in Hand mit einer Elektrifizierung. Hinzu kommt noch die fortschreitende Digitalisierung. Durch den steigenden Bedarf pro Land werden Export- bzw. Importraten kleiner, d.h. jedes Land muss seine Anstrengungen für sauberen Strom erhöhen.

Solarstrom als Schlüsselenergie

Wind, Sonne und Wasser sind für sauberen Strom die zentralen Quellen. Das Potential der Wasserkraft ist in der Schweiz weitestgehend ausgeschöpft ist, das der Sonne hingegen nicht. Allein auf den Dächern schlummert ein Solarstrom-Potential von 50 TWh, schätzt das Bundesamt für Energie. Weiteres Potential bieten Fassaden, Infrastruktur oder Freiflächen. «Solarstrom hat das Potenzial, eine Stütze für die nachhaltige Energiezukunft zu werden,» bekräftigt Baumgartner. So schreibt auch Greenpeace in ihrem Bericht zu Versorgungssicherheit und Klimaschutz: «Die Photovoltaik wird zur Schlüsselenergie für die Dekarbonisierung von Verkehr, Gebäuden und Industrie.» Und das Interesse der Bevölkerung an Solaranlagen steigt. Die Auftragsbücher der Solarinstallateure sind gut gefüllt. Und die Produktionszahlen zeigen erstaunliches: seit kurzem wird in der Schweiz mehr Solarstrom als Atomstrom produziert. Siehe Grafik.

Energieproduktion nach Quellen

Zunahme des Solarausbaus in der Schweiz

Soll-Zubau gemäss Energiewende

Grenzen des Wachstums

Doch trotz steigender Nachfrage ist der Zubau aus Sicht Klima noch immer zu langsam. Einer der Gründe: Es fehlen Nachwuchs und Fachkräfte. Auch Lieferengpässe werden spürbar, was zu Preissteigerungen führt. «Umso wichtiger, dass beim Bau einer Anlage das Flächenpotential möglichst gut ausgenutzt wird», sagt uns ein Solarinstallateur, «das hilft allen.»

Sommerstrom – Winterstrom – Netzstabilität

Immer wieder wird die Sorge laut, dass die Netzstabilität mit dem Solarstrom gefährdet werde: im Sommer werde ein massiver Überschuss produziert, im Winter zu wenig. Darauf entgegnet Swissolar, der Schweizerische Fachverband für Sonnenenergie: «Die Annahme, dass Photovoltaikanlagen nur im Sommer an schönen Tagen Strom liefern, ist nicht korrekt. Einen besonders hohen Beitrag zur Winterstromversorgung leisten Anlagen an Fassaden und im alpinen Raum. Dieses Potenzial ist bei Weitem noch nicht ausgeschöpft und entwickelt sich mit neuer Technik immer weiter.» Intelligente Steuerungen und Kombination mit Speichermöglichkeiten wie z.B. Pumpspeicherwerke zeigen in den Szenarien Möglichkeiten für die Netzstabilität auf.

Deine Gemeinde hilft

Die Energieberater deiner Gemeinde oder deiner Region zeigen dir Möglichkeiten auf, wie du dich als Mieter:in, Hauseigentümer:in oder als Einwohner:in deiner Gemeinde einbringen kannst. Melde dich jetzt bei ihnen.

Weiterführende Informationen

> Prof. Dr. Franz Baumgartner, «Energiesystem im Wandel«, 28.03.2022

> Greenpeace, «Versorgungssicherheit und Klimaschutz – Gesamtszenario Schweiz«, Januar 2022

> Swissolar, «11-Punkte-Plan der Solarwirtschaft 2022«, pdf

> Neue Förderinstrumente des Bundes – Ein Überblick

Auf dem Weg zu «Netto Null» bis 2050 sollen in der Schweiz in den nächsten Jahren viele fossile Brennstoffe durch Elektrizität ersetzt werden. Dadurch wird sich der Stromverbrauch um rund 12 Terrawattstunden – also etwa um 20% – erhöhen. Eine neue Studie zeigt, wie die Schweiz dank dem Zubau von erneuerbaren Energien den emissionsreichen Stromimport verringern kann.

Strommix mit Zukunft?

Schon heute ist die Schweiz auf Stromimporte aus den Nachbarländern angewiesen: Rund 11% des Stroms wird importiert. Um aber die CO2-Bilanz des Schweizer Strommixes tief zu halten, muss man auch den importierten Strom genau im Auge behalten. In einer neuen Studie der Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa und der Universität Genf haben Forschende die CO2-Bilanzen des Stromes analysiert und festgestellt, dass der im Inland produzierte Strom viel besser abschneidet. Dieser verursacht rund 40g CO2-Äquivalente pro Kilowattstunde, während der Durchschnitt des Schweizer Strommixes, also mit Importen, bei rund 108g liegt.

Schweizer Solar- und Windenergie

Mit diesem Wissen haben Forschende analysiert, wie sich der Schweizer Strommix zukünftig zusammensetzen soll, damit die Importe und somit auch die CO2-Emissionen verringert werden können. Das Szenario, welches hinsichtlich Emissionsreduktion am besten abgeschnitten hat, sieht einen Ausbau der Solarenergie auf rund 25 TWh (von derzeit 2,7 TWh) und einen Ausbau der Windenergie auf rund 12 TWh (von derzeit 0,1 TWh) vor. Da die Windenergie im Winter und in der Nacht viel Potenzial hat, ergänzt sie die Solarenergie gut und kann so helfen, die Importabhängigkeit der Schweiz zu verringern.

Weiterhin wichtig bleibt natürlich auch die Entwicklung von Speicherlösungen, um den Stromüberschuss der Photovoltaik im Sommer zu speichern und auf den Winter übertragen zu können. Das grösste Potenzial sehen die Forschenden hier in Technologien, die die Umwandlung von überschüssigem Strom in speicherbare chemische Energieträger wie Wasserstoff oder synthetisches Methan ermöglichen, sowie in thermischen Speichern wie etwa Erdsondenfeldern.

Weiterführende Informationen

> Zur Medienmitteilung der Empa

> Zur wissenschaftlichen Publikation (englisch)

Dachbegrünungen allgemein

Seit 1991 ist in der Stadt Zürich bei Neubauten und bei Sanierungen die Begrünung von Flachdächern Pflicht. Nicht genutzte Bereiche müssen, sofern es technisch, betrieblich und wirtschaftlich möglich ist, ökologisch wertvoll begrünt werden. Dies gilt auch für Dächer mit Solaranlagen.

Und das aus gutem Grund: Dachbegrünungen bringen Vorteile für den Hausbesitzer und für die Umwelt. Durch eine Dachbegrünung entsteht nämlich ein Wasserrückhalt auf dem Dach und das Haus wird von Überschwemmungen geschützt. Zudem wird die Dachabdichtung geschützt und die Isolierung wird verbessert: Im Sommer wird es weniger heiss, im Winter weniger kalt.

Die Pflanzen auf dem Dach speichern CO₂, binden Feinstaub und leisten einen wichtigen Beitrag zur Biodiversität und zum Artenschutz in den Städten.

Kombination Dachbegrünung und PV

Aber auch die Kombination von Dachbegrünung und PV bringt ihre Vorteile. Dank dem Kühlungseffekt der Dachbegrünung erhöht sich der Wirkungsgrad der PV-Anlage. Zudem kann die Dachbegrünung als Auflast die Träger der Solarmodule tragen und weitere Auflasten entfallen. Und durch Beschattung entstehen neue ökologische Nischen, wodurch die Biodiversität profitiert.

Was gibt es zu beachten?

Damit die Module nicht von Pflanzen überwuchert werden, ist gute Planung das A und O. Am besten geeignet für ein gutes Gelingen ist die aufgeständerte West-Ost-Anlage («Schmetterlingsanlage»). Zudem muss der Reihenabstand etwas grösser sein als bei normalen Anlagen, damit die Dachbegrünung auch etwas Platz hat. Am wichtigsten ist jedoch das Substrat.

Das Substrat ist quasi der «Boden», aus dem die Pflanzen wachsen. Es handelt sich hierbei um ein Gemisch aus verschiedenen Erden und Mineralien. Die Wuchshöhe der Pflanzen hängt nicht nur von der Pflanzenart, sondern vor allem von der Dicke des Substrats ab. Ca. 50 cm vor dem Modul sollte die Substratdicke also auf 5 cm reduziert werden. Damit trotzdem ein genug hoher Wasserrückhalt erreicht werden kann, sollten an Stellen ohne PV-Module Substrathügel platziert werden. Zudem sollte eine «solarfreundliche» Saatmischung gewählt werden, also eine mit vielen niedrigwüchsigen Pflanzen. Trotzdem kann es sein, dass man 1-2x pro Jahr etwas mähen muss, um die grösstmögliche Stromproduktion sicherzustellen.

Weitere Optionen

Mittlerweile gibt es aber auch weitere Optionen, sowohl Begrünung als auch PV-Strom auf einem Gebäude zu vereinen. So kann man beispielsweise die Fassade begrünen und auf dem Dach eine PV-Anlage montieren oder umgekehrt. Ausserdem sind bifaziale, also beidseitig lichtempfindliche, Solarmodule wirtschaftlich immer interessanter. Durch die Etablierung neuer Herstellungsprozesse liegen die Kosten solcher Module heute nur noch geringfügig über jenen von Standardmodulen.

Bifaziale Module können vertikal aufgeständert und somit je nachdem einfacher mit einer Dachbegrünung kombiniert werden.

Verschiedene Arten von Aufständerung und Begrünung auf einem Dach vereint

Bifaziale Module

Schematische Darstellung der Schmetterlingsaufstellung

Weiterführende Informationen

> Checkliste der Stadt Zürich zu Dachbegrünungen und PV

> Infoblatt der Energieagentur St. Gallen: Flachdächer, Biodiversität und PV

> Infoseite des VESE zu Dachbegrünung und PV

> Dachbegrünungen in der Stadt Zürich: Allgemeine Infos