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Photovoltaik: Ertrag verstehen, einfach berechnen & mit Kennzahlen vergleichen

Was ist der Photovoltaik-Ertrag? Wie berechnet man den Solarertrag? Welche Faktoren beeinflussen ihn? Wie unterscheidet sich der PV-Ertrag von der Rendite? Mit welchen Maßnahmen lässt sich der Solarertrag steigern?

Wer eine Photovoltaik-Anlage plant, wird zunächst den Ertrag ermitteln wollen. Dieser ist nicht nur vom Wirkungsgrad der Module, sondern in hohem Maße auch von den Aufstellungsbedingungen der Anlage und ihrer elektrotechnischen Regelung abhängig. Rechnerisch wird der Solarstromertrag daher von der Anlagenart (Modulart), Anlagengröße in Quadratmetern, Standort und Ausrichtung der Anlage gen Sonne sowie der damit einhergehenden Verschattung bestimmt.

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Was versteht der Fachmann unter dem "Photovoltaik-Ertrag"?

Die Menge an PV-Strom, die die Solaranlage erzeugt, bezeichnet man als ihren Stromertrag (kurz: PV-Ertrag). In der Regel wird der Photovoltaikertrag der Anlage pro Jahr und in der Einheit Kilowattstunden (kWh) angegeben.

Sonnenscheindauer

Grundsätzlich ist der Ertrag einer Solaranlage von der solaren Strahlung (Sonnenschein) abhängig. Die Sonnenscheindauer gibt Anhaltspunkte, wie "sonnig" ein Anlagenstandort ist. Die Anzahl der Sonnenstunden in Deutschland beträgt jährlich je nach Standort rund 1.300 bis 1.900 Stunden.

Tabelle 1: Langjährige Mittelwerte der Sonnenstunden in Deutschland von 1981 bis 2010 (Quelle: Deutscher Wetterdienst - Stand: 01.06.2017)
Bundesland Sonnenstunden pro Jahr
Mecklenburg-Vorpommern 1709 h
Berlin 1701 h
Brandenburg 1699 h
Baden-Württemberg 1678 h
Saarland 1643 h
Bayern 1634 h
Sachsen 1633 h
Schleswig-Holstein 1618 h
Sachsen-Anhalt 1603 h
Rheinland-Pfalz 1573 h
Thüringen 1566 h
Hamburg 1563 h
Bremen 1553 h
Hessen 1533 h
Niedersachsen 1528 h
Nordrhein-Westfalen 1511 h

Die Sonnenscheindauer dient der näherungsweisen Abschätzung der Einstrahlung an einem bestimmten Ort. Letztlich ist der solare Ertrag einer Photovoltaik-Anlage aber nicht von den Sonnenstunden, sondern davon abhängig, wieviel Sonnenenergie auf die Anlage scheint.

Globalstrahlung

Die auf die Anlage einwirkende Solarenergiestrahlung bezeichnet man als Globalstrahlung, die sowohl die direkte als auch die indirekte Sonneneinstrahlung umfasst, und wird in Wh/m2 bzw. kWh/m2 gemessen.

Jahresgang der Globalstrahlung 2017 im Vergleich zum langjährigen Mittel 1981 bis 2010 (Grafik: Deutscher Wetterdienst)
Jahresgang der Globalstrahlung 2017 im Vergleich zum langjährigen Mittel 1981 bis 2010 (Grafik: Deutscher Wetterdienst)

Die Jahressumme der Globalstrahlung liegt in Deutschland zwischen 900 und 1.200 kWh/m2 und Jahr. Im Sommer ist rund fünf Mal mehr Solarenergie und damit Ertrag als im Winter zu erwarten.

Modulleistung

Die Nennleistung eines Solarmoduls wird in Kilowatt peak (kWp) angegeben. p steht für Peak (englisch = Spitze") und benennt den Spitzenwert unter Standardbedingungen (Solarstrahlung: 1.000 W/m2, Modultemperatur: 25 °C, Airmass (Luftmasse): 1,5). Da diese Bedingungen in der alltäglichen Praxis quasi nie gleichzeitig vorliegen, kann bei einer realistischen Berechnung des Ertrages einer Photovoltaikanlage auch nie der kWp-Wert zu 100% angenommen werden. Hierzu werden verschiedene Korrekturwerte angesetzt.

Um die Erträge unterschiedlich großer PV-Anlagen miteinander vergleichen zu können, wird die produzierte Energiemenge in kWh in Bezug zu der installierten Leistung (kWp) gesetzt.

Tabelle 2: In der Praxis gemessener Solarertrag in kWh/kWp nach PLZ-Regionen (Quelle*: Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.)
PLZ-Bereiche 2014 2015 2016 Ø 3 Jahre
01000 - 01999 962 1025 937 975
02000 - 02999 959 1040 959 986
03000 - 03999 1025 1117 1034 1059
04000 - 04999 1001 1052 992 1015
06000 - 06999 974 1018 985 992
07000 - 07999 909 958 863 910
08000 - 08999 954 1021 1020 998
09000 - 09999 1019 1094 1003 1039
10000 - 13999 884 918 874 892
14000 - 14999 968 1004 979 984
15000 - 15999 943 992 907 947
16000 - 16999 959 997 926 961
17000 - 17999 954 940 947 947
18000 - 18999 953 946 942 947
19000 - 19999 934 949 914 932
20000 - 22999 932 927 891 917
23000 - 23999 977 967 898 947
24000 - 24999 976 937 925 946
25000 - 25999 946 924 911 927
26000 - 26999 926 922 911 920
27000 - 28999 920 911 895 909
29000 - 29999 959 959 912 943
30000 - 31999 958 987 953 966
32000 - 32999 912 960 916 929
33000 - 33999 908 952 914 925
34000 - 34999 916 967 911 931
35000 - 35999 898 970 898 922
36000 - 36999 909 978 902 930
37000 - 37999 941 994 907 947
38000 - 38999 931 982 961 958
39000 - 39999 999 1027 1065 1030
40000 - 40999 872 912 884 889
41000 - 41999 928 959 923 937
42000 - 42999 838 867 828 844
44000 - 44999 927 956 936 940
45000 - 45999 874 945 880 900
46000 - 46999 895 928 907 910
47000 - 47999 959 998 987 981
48000 - 48999 918 958 935 937
49000 - 49999 921 933 922 925
50000 - 50999 942 970 922 945
51000 - 51999 920 954 904 926
52000 - 52999 980 997 928 968
53000 - 53999 948 980 917 948
54000 - 54999 954 982 915 950
55000 - 55999 975 1005 947 976
56000 - 56999 961 986 927 958
57000 - 57999 911 954 897 921
58000 - 58999 920 960 917 932
59000 - 59999 931 982 937 950
60000 - 61999 902 948 883 911
63000 - 63999 922 953 902 926
64000 - 64999 957 987 925 956
65000 - 65999 945 981 917 948
66000 - 66999 974 981 895 950
67000 - 67999 972 968 912 951
68000 - 69999 987 970 922 960
70000 - 71999 1027 1065 992 1028
72000 - 72999 1005 1060 980 1015
73000 - 73999 1024 1056 1011 1030
74000 - 74999 988 1014 960 987
75000 - 75999 1020 1044 980 1015
76000 - 76999 1025 1043 967 1012
77000 - 77999 1009 1042 960 1004
78000 - 78999 1013 1051 972 1012
79000 - 79999 1013 1059 948 1007
80000 - 81999 966 952 935 951
82000 - 82999 975 1031 969 992
83000 - 83999 986 1019 949 985
84000 - 84999 1020 1072 1024 1039
85000 - 85999 996 1061 999 1019
86000 - 86999 996 1045 1002 1014
87000 - 87999 1012 1048 1007 1022
88000 - 88999 1029 1074 1003 1035
89000 - 89999 983 1046 996 1008
90000 - 91999 965 1000 957 974
92000 - 92999 958 976 938 957
93000 - 93999 961 995 966 974
94000 - 94999 1002 1031 998 1010
95000 - 95999 970 1021 965 985
96000 - 96999 915 951 893 920
97000 - 97999 964 1004 946 971
98000 - 98999 896 953 922 924
99000 - 99999 954 986 933 958
Bundesweit 961 994 946 967

* Unter https://www.pv-ertraege.de/pvdaten/sfvpv_bundes_uebersichten.html können Sie ganz einfach über die Eingabe Ihrer PLZ die aktuellen Solarerträge in Ihrem PLZ-Bereich abfragen.

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Welche technischen Faktoren beeinflussen den Solarertrag?

Der Ertrag einer PV-Anlage ist von vielen Faktoren abhängig. Hierzu zählen vor Allem die Aufstellungsbedingungen am Standort, die die Intensität und Dauer der auf die Module treffenden Solarstrahlung bedingen, und die elektrotechnische Anlagenkonfiguration, die hauptsächlich für die Anbindung und Wandlung des Stroms in Wechselstrom verantwortlich zeichnet.

Dachausrichtung

Ein optimal ausgerichtetes Dach bedeutet, dass die Photovoltaik-Anlage so Richtung Sonne zeigt, dass sie ein Maximum an Sonneneinstrahlung ernten kann. Für Standorte in Deutschland heißt das, dass die Solarmodule möglichst gen Süden zeigen. Wozu geschrieben werden muss, dass leichte Richtungsverschiebungen nach Osten oder Westen den Photovoltaik-Ertrag nicht wesentlich mindern, wenn die Sonne aus dem Südstand noch immer auf die Module trifft.

Dachneigung

Von ebensolcher Bedeutung für den Photovoltaik-Ertrag ist auch der Winkel, in dem die Sonnenstrahlen auf die Solarmodule fallen. Es gilt: Je steiler der Einfallswinkel ist, desto besser ist auch der Photovoltaik-Ertrag. Demnach ist ein Einfallswinkel von 90 Grad optimal.

Der Einfallswinkel wird maßgeblich von der Dachneigung beeinflusst. Ihren Neigungswinkel gibt sie als Schrägwinkel an die Solarmodule weiter. Hier gilt für deutsche Standorte: Optimal ist ein um 30 Grad (im südlichen Landesteil 32 Grad, im nördlichen Landesteil 37 Grad) geneigtes Dach, das einen optimalen Sonnenlichteinfallswinkel garantiert.

Doch auch bei abweichenden Winkeln, zwischen 20 und 60 Grad bleiben die Einbußen am Photovoltaik-Ertrag hinnehmbar. Und selbst Flachdächer sind für eine Photovoltaik-Anlage gute Standorte, wenn man die Module dort im passenden Winkel aufständert.

Wer den Ertrag durch die Aufstellung weiter optimieren möchte, der kann auf sogenannte Nachführsysteme (sog. Solar-Tracker) setzen, die die Module ein- oder mehrachsig dem Sonnenstand nachführen.

Je nach der Ausrichtung der Module nach Himmelsrichtung und Neigungswinkel variiert die Leistung der Solarmodule. (Grafik: energie-experten.org)
Je nach der Ausrichtung der Module nach Himmelsrichtung und Neigungswinkel variiert die Leistung der Solarmodule. (Grafik: energie-experten.org)

Verschattung

Die sogenannte Verschattung gilt als geländeabhängiger Faktor. Es gilt, so viel Sonnenstrahlen wie möglich ungehindert auf die Solarmodule einfallen zu lassen, um einen möglichst großen Photovoltaik-Ertrag zu erwirtschaften. Verschattungen, wie sie von höheren Gebäudeteilen desselben Gebäudes oder Nachbargebäuden, Bäumen und hohen Büschen verursacht werden, mindern die Sonneneinstrahlungsmenge und damit den Photovoltaik-Ertrag.

Spezielle Leistungsoptimierer optimieren und überwachen den Energieertrag jedes einzelnen Moduls. Dadurch verhindern sie, dass verschattete Module die Leistung nicht verschatteter Module beeinflussen und so den Gesamtertrag der PV-Anlage reduzieren. Mit modulgenauem Monitoring und zusätzlichen Sicherheitsfunktionen können auch mögliche Brandrisiken reduziert werden.

Solarmodule

Für den Ertrag der Solarmodule sind viele elektrotechnische Faktoren ausschlaggebend. Wichtigste Kennzahl ist hier der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls wird aus dem Verhältnis von Leistung pro Modul-/Zellfläche ermittelt. In der Praxis geben Hersteller den Solarmodul-Wirkungsgrad in ihren technischen Datenblättern nach STC oder NOCT an. Dies sind Labor-Tests von Solarmodulen. Einer der wichtigsten Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad des Moduls ist der Wirkungsgrad der im Modul eingesetzten Solarzelle.

Tabelle 3: Überblick über den Wirkungsgrad von unterschiedlichen Solarzellen
Solarzellentyp Wirkungsgrad
Monokristalline Solarzelle 16 bis 22%
Polykristalline Solarzelle 14 bis 20%
CIS- Solarzelle 10 bis 12%
CIGS- Solarzelle 11 bis 14%
Organische Solarzelle ~ 10%
Hybride Solarzelle ~ 40%

In der Praxis ist hinsichtlich des PV-Ertrags einer kleinen bis mittelgroßen Photovoltaikanlage weniger bedeutend, welche Art Solarmodule man auswählt. Hier kommt es eher auf den Gesamtpreis der Anlage, der Qualität der Komponenten wie z. B. dem Wechselrichter und der Planung und Montage der Gesamtanlage durch einen PV-Fachmann an, um langfristig einen hohen Solarertrag zu erzielen.

Wechselrichter

Auch beim Wechselrichter ist der Wirkungsgrad ertragsentscheidend. Hierunter versteht man meistens den Umwandlungswirkungsgrad, der angibt, wie effektiv der Wechselrichter den angebotenen Gleichstrom in Wechselstrom wandelt. Der Wandlungsverlust und damit der Umwandlungswirkungsgrad ist nicht konstant sondern hängt hauptsächlich von der aktuellen Leistung und der Spannung des Solarmoduls ab.

Um diesbezüglich den Wirkungsgrad zu erhöhen, werden sogenannte MPP-Tracker eingesetzt. Ihr Einfluss auf den Photovoltaik-Ertrag wird durch den Anpassungswirkungsgrad erklärt. Der Anpassungswirkungsgrad beschreibt die Geschwindigkeit und Anpassungsfähigkeit des MPP-Trackings unter wechselnden Einstrahlungsbedingungen, den jeweils optimalen Arbeitspunkt des PV-Generators (MPP) zu finden und einzustellen.

Wie berechnet man den in der Praxis zu erwartenden PV-Ertrag?

Zur Berechnung des Photovoltaik-Ertrags müssen Sie

  • die Globalstrahlungssumme,
  • den idealen und
  • den praktisch möglichen Photovoltaik-Ertrag ermitteln.

Die Globalstrahlung lässt sich von unterschiedlichen, regionalen Karten, sogenannten Solaratlanten, ablesen, die Sie beispielsweise im Internet finden. Als Nächstes müssen Sie die am Standort ihrer Photovoltaik-Anlage verfügbare Globalstrahlung auf die Anlage mit ihrer Spezifik (Ausrichtung und Neigung) umrechnen. Dabei hilft der sogenannte Flächenfaktor.

Am Beispiel einer Photovoltaikanlage in Düsseldorf rechnen wir das einmal durch.

Die Beispiel-Anlage hat 26 Module à 245 Wp, eine Gesamtleistung von ~ 6,4 kWp und ist auf einem Dach mit 40 Grad Dachneigung gen Südosten gerichtet.

Theoretisch möglicher Photovoltaik-Ertrag

Die Globalstrahlungssumme (EGL) beträgt etwa 990 KWh/m2, der Flächenfaktor f 111 Prozent. Damit ergibt sich der ideale Ertrag IJahr am Solargenerator so:

IJahr = EGL x f

990 x 1,11 = 1.099 kWh/m2/ Jahr

Um den idealen bzw. theoretisch möglichen Photovoltaik-Ertrag Ith (theoretischer Gleichstromertrag) für die gesamte Anlage zu berechnen, wird das Produkt aus der Anlagennennleistung unter Standard-Testbedingungen PSTC und der tatsächlichen Jahreseinstrahlung auf die Generatorfläche IJahr durch die STC-Einstrahlung ISTC geteilt:

Ith = PSTC x IJahr / ISTC

6,4 kW x 1.099 kWh/m2 / 1 kW/m2 = 7.033 kWh/ Jahr

Praktisch möglicher Photovoltaik-Ertrag

Den praktisch möglichen Photovoltaik-Ertrag bestimmen Sie über die sogenannte Performance Ratio (PR). Das ist eine Qualitätskennzahl, die sämtliche Verluste einer PV-Anlage berücksichtigt. Gute Anlagen kommen auf PR-Werte zwischen 0,75 und 0,85, was bedeutet, dass von der theoretisch möglichen Solarstrommenge an ihrem Standort 75 bis 85 Prozent tatsächlich geerntet werden.

Für die im Beispiel angenommene PV-Anlage in Düsseldorf ergibt sich aus dem idealen Ertrag (Ith) von 7.033 kWh/a bei einer Performance Ratio von 0,76 ein möglicher Solarertrag Ipr von:

Ipr = Ith x PR

7.033 x 0,76 = 5.345 kWh/ Jahr

Online-Rechner zur Rentabilitätsberechnung

Der Photovoltaik-Ertrag ist ein wesentlicher Faktor für die Rentabilität einer Investition in eine Photovoltaik-Anlage. Als monetäre Kenngröße wird der physische Stromertrag mit der Vergütung (eingesparter Haushaltsstrompreis und/ oder Einspeisevergütung) multipliziert.

Dem Ertrag gegenüber stehen die Anschaffungskosten, gegebenenfalls Finanzierungskosten, sowie die Kosten für Betrieb und Wartung der Anlage. Die Rentabilität einer PV-Anlage ist gegeben, wenn über alle Betriebsjahre gerechnet der Ertrag höher ist als die Kosten. Es gilt:

Σ PV-Ertrag x Vergütung ≥ Gesamtkosten

Mit unserem Online-Rechner können Sie in wenigen Schritten den individuellen Ertrag einer Photovoltaik-Anlage auf Ihrem Dach und die Rentabilität dieser Anlage berechnen.

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Weitere Informationen zur Planung von Photovoltaik-Anlagen

  • Photovoltaik im Winter
  • PVGIS
  • Verschattung
  • Dachausrichtung
  • Modulausrichtung
  • Neigungswinkel
  • Einstrahlung
  • Anlagen-Größe

"Photovoltaik-Ertrag: Berechnung & Kennzahlen" wurde am 18.12.2017 das letzte Mal aktualisiert.