Photovoltaik auf der Nordseite

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Eine Solaranlage ist seit geraumer Zeit keine technische Innovation mehr, sondern leistet auf unzähligen Gebäuden einen Beitrag zu einer nachhaltigen Energienutzung. Neben solarthermischen Systemen zur Unterstützung der eigenen Heizung spielt heute die Stromerzeugung eine zunehmende Rolle. Mittlerweile wird selbst die nördlich ausgerichtete Dachfläche von geneigten Dächern mit entsprechenden Modulen belegt. Aber funktioniert Photovoltaik auf der Nordseite überhaupt? Und warum ist Photovoltaik an diesen Standorten nicht der Solarthermie gleichzusetzen?

Was ist Photovoltaik?

Unter Photovoltaik versteht man die Erzeugung elektrischer Energie aus Sonnenlicht. Im Gegensatz zu Solarthermieanlagen wirkt eine PV-Anlage nicht unmittelbar auf die Heizung, sondern stellt universell verwendbaren Strom her. Solarmodule sind damit letztlich wirkungsvoller als alle anderen Formen der nachhaltigen Energieerzeugung, da die gewonnene Energie vom Heizsystem über die sonstigen Haushaltsanwendungen bis zum Elektroauto für alles verwendet werden kann, was im privaten und beruflichen Leben anfällt. Die Wirksamkeit der Kollektoren hängt jedoch mitunter von ihrer Position ab. So stellt sich die Frage, wie es sich mit Photovoltaik auf der Nordseite verhält.

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Im Gegensatz zur Solarthermie liegt das Funktionsprinzip der PV-Module nicht im Bereich der Transmission, sondern im elektrochemischen Bereich. Wo bei der Warmwassererzeugung Wasser direkt durch die energiereichen Infrarotstrahlen erwärmt wird, erfolgt die Produktion elektrischer Energie über den Piezo-Effekt. In die Solarmodule eingelagerte Siliziumkristalle werden durch UV-Strahlung in Schwingung versetzt. Es entsteht Spannung. Viele Kleinstspannungen summieren sich im Modul und durch die Koppelung mehrere Module zu einer technisch nutzbaren Gesamtspannung. Durch die Verwendung eines Transformators mit Wechselrichter wird diese dann in den haushaltsüblichen Wechselstrom in der richtigen Spannung ungesetzt.

Sonneneinstrahlung versus Wirkungsgrad bei Solarzellen

Da die Energiegewinnung der PV-Anlage nicht über die direkte Strahlungsenergie erfolgt, müssen bei dieser Solaranlage auch keine Strahlungsverluste ausgeglichen werden. Das bedeutet konkret, dass selbst niedrigste Strahlungsmengen direkt in Elektrizität umgesetzt werden. Natürlich führt auch hier mehr Sonnenlicht zu mehr Strom. Allerdings kommt wegen der entfallenden Mindeststrahlung auch diffuse, also reflektierte Strahlung voll zur Geltung. Man kann sagen, dass eine Anlage damit immer eine Grundausbeute liefert, da diffuses Licht immer und bei jeder Ausrichtung der Anlage vorhanden ist. Je mehr direkte Strahlung hinzu kommt, umso höher ist die Ausbeute und umso höher ist der Wirkungsgrad der einzelnen Paneele. Wirksam ist ein photovoltaisches System damit immer. Allerdings muss ein gewisser, individueller Wirkungsgrad überschritten werden, damit der Aufbau auch wirtschaftlich sinnvoll und rentabel ist.

Photovoltaik auf der Nordseite – auch heute noch ein NoGo?

Damit stellt sich zu Recht die Frage, ob der Aufbau von Sonnenkollektoren auf der Nordseite eines Gebäudedachs überhaupt sinnvoll ist. Denn den lageunabhängigen Kosten der Solarmodule steht ein Ertrag gegenüber, der selbstverständlich von der Lage auf dem Dach und der verfügbaren Sonnenstrahlung maßgeblich definiert wird. Die Frage „Photovoltaik auf der Nordseite?“ kann deshalb auch nicht pauschal mit ja oder nein beantwortet werden, sondern bedarf einer differenzierteren Betrachtung.

Diffuse Strahlung bringt Leistung – der grundlegende PV-Ertrag auf der Nordseite

Trifft überhaupt keine direkte Sonnenstrahlung auf die Sonnenkollektoren, fällt der Ertrag am geringsten aus. Gegeben ist diese Konstellation, wenn die Ausrichtung direkt nach Norden erfolgt und die vertikale Neigung bei 90 Grad liegt, die Module also senkrecht stehen. In diesem ungünstigsten aller Fälle liegt der PV-Ertrag der Nordseite gerade einmal bei rund 18 Prozent des Maximalertrags. Man könnte diese Ausbeute auch als Grundlast bezeichnen, da sie bei der ungünstigsten und auch allen anderen – besseren – Ausrichtungen der Kollektoren immer erzielt wird.

Weniger direkte Strahlung auf die PV-Anlage, weniger zusätzlicher Ertrag

Von dieser Minimallast aus steigt die Ausbeute mit jedem direkten Sonnenstrahl, der die Photovoltaikanlage erreicht. Optimal wäre damit eine Ausrichtung direkt nach Süden mit einer Neigung von 30 bis 40 Grad. Dann liegt der Wirkungsgrad bei 100 Prozent. Das Maximum an Strom wird produziert. Aber auch die Solaranlage auf der Nordseite ist in der Lage, direkte Sonnenstrahlen aufzufangen. Nämlich dann, wenn die Neigung immer stärker von der Senkrechten abweicht, also immer flacher wird. Bereits bei 30 Grad Neigung wird eine Leistungsfähigkeit von über 60 Prozent erzielt, bei nur noch 10 Grad Neigung sogar nahezu 80 Prozent.

So lässt sich Photovoltaik auf der Nordseite optimal nutzen

Damit diese gar nicht einmal so schlechten Werte mit einer Photovoltaikanlage auf der Nordseite auch in der Praxis erzielt werden können, müssen jedoch einige Dinge beachtet werden, die immer wieder zu einer Leistungsminderung führen können.

Standortunabhängige Faktoren für hohen Ertrag der PV-Module

Zunächst schlagen auch auf der sonnenabgewandten Gebäudeseite Aspekte zu Buche, mit denen Photovoltaik standortunabhängig kämpft. Verschattungen schalten bestimmte Bereiche der Solarzellen sozusagen ab und mindern die Leistungsfähigkeit. Auch Laub, Schmutz und selbst Staub bzw. der frühjährliche Blütenstaub führen zu einer reduzierten Leistung der Solaranlage. Was bei einer Minderung hoher Wirkungsgrade nicht sofort auffällt, kann bei ohnehin niedrigen Leistungswerten rasch zum Erliegen der Stromproduktion führen. Die regelmäßige Kontrolle und Reinigung der Module ist daher besonders wichtig.

Besondere Anforderungen an Photovoltaik auf der Nordseite

Befinden sich Sonnenkollektoren auf der Nordseite, kommen weitere Faktoren hinzu, die an diesen Standorten zusätzlich Schwierigkeiten erzeugen können. Je flacher direkte Besonnung auf die Solarkollektoren trifft, umso stärker treten selbst kleine Aufbauten auf dem Dach als Schattenspender in Erscheinung. So können Solarmodule selbst durch weiter entfernte, oberhalb liegende und kleinformatige Dachgauben, Antennen und selbst Firstziegel im ungünstigen Fall in ihrer Leistung gemindert werden. Hinzu kommt, dass der PV Ertrag an der Nordseite auch im Laufe der Jahreszeitenwechsel plötzlich sinken kann, wenn die Sonne im Herbst und Winter schlicht nicht mehr so hoch steigt, dass eine direkte Besonnung erfolgt. Dieser Fakt lässt sich zwar kaum beheben, allerdings kann die Anlage möglichst flach und hoch am Gebäude aufgebaut werden, um selbst flache Sonnenstände noch aufzufangen.

Es wird deutlich, dass die Frage, warum Photovoltaik in Nordausrichtung weniger effizient ist, teils in unvermeidbaren Umgebungsfaktoren begründet ist, teilweise aber durch eine etwas intensivere Pflege durchaus relativiert werden kann.

Solaranlage auf der Nordseite – ein Fazit

Photovoltaik auf der Nordseite ist möglich. Das liegt zum einen an der Funktionsweise der Solarzellen zur Stromerzeugung. Zum anderen werden natürlich Bauweisen immer effizienter, so dass Wirkungsgrade stetig steigen. Darüber hinaus kommt es aber auch darauf an, nachteilige Faktoren bei Planung und Betrieb möglichst zu minimieren, damit die Kollektoren zwar immer noch weniger, aber dennoch ausreichend Leistung bringen, um etwa eine vorhandene Wärmepumpen-Heizung selbst zu versorgen. Eine solche Solaranlage stellt natürlich kein Heizsystem dar, sie kann aber durch die nachhaltige Energiegewinnung dazu beitragen, dass eigentlich ungünstigere Wärmeerzeuger auf einmal ihre nachteiligen Eigenschaften verlieren und zur sinnvollen Kombination reifen. Außerdem spart jede durch Solarkollektoren kostenneutral erzeugte Kilowattstunde Strom selbstverständlich bares Geld und trägt zu einem effizienten, sparsamen Wohnen bei.