Bayerisches Landesamt für Umwelt

UmweltWissen – Klima & Energie

Sonnenenergie

Ob Hightech-Solarmodule oder traditionelles Feuerholz – Sonnenenergie ist vielseitig nutzbar. Die Sonne ist seit jeher die wichtigste Energiequelle des Menschen. Sie wird direkt ge-nutzt, zum Beispiel zum Wärmen, Trocknen oder als Lichtquelle. Aber die Sonne ist auch für Wind, Wetter und fast jegliches Pflanzenwachstum verantwortlich. Mit der Verbren-nung von Holz oder dem Einsatz von Windmühlen nutzt der Mensch die Sonnenenergie schon seit Langem auch indirekt.

In dieser Publikation dreht sich alles um die direkte Nutzung der Sonne als wichtiger Be-standteil der aktuellen Energiewende. Genutzt werden vor allem die Photovoltaik zur Stromgewinnung und die Solarthermie zur Wärmenutzung.

1 Energieangebot der Sonne

15 Millionen Grad Celsius – so heiß ist der Kern der Sonne. Diese Energie kommt aus der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium. Die Sonne ist ungefähr viereinhalb Milliarden Jah-re alt – und hat bislang etwa die Hälfte ihres Wasserstoffs verbraucht.

Nur ein Teil der Sonnenenergie kommt bei uns an, da sie durch die Erdatmosphäre abge-schwächt wird. So ist sie im Gebirge stärker als am Meer, wo die Lufthülle mächtiger ist. Am Äquator trifft sie eher senkrecht auf die Erde, an den Polen flacher. Die Globalstrah-lung – die auf die Erdoberfläche treffende Solarstrahlung – ist also am Äquator am größ-ten und nimmt zu den Polen hin ab.

Unermesslich viel Energie: Die Sonne liefert der Erde in einer Stunde mehr Energie als die Menschheit in einem Jahr verbraucht.

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Für Deutschland beträgt die Globalstrahlung im Jahr etwa 1.000 Kilowattstunden pro Quadratmeter (kWh/m²). Wichtig zu wissen ist, dass es sich dabei um einen Mittelwert handelt – Einzelwerte wären nicht aussagekräftig, da die Einstrahlung kontinuierlich schwankt. Während der Tag-Nacht-Rhythmus gut berechnet werden kann, ist der Einfluss des Wetters und der Wolken nur bedingt prognostizierbar. Solar-energie kann daher ohne ausreichende Speichermöglichkeiten den Strombedarf in einer Region nicht zu jeder Zeit abdecken. Als Ergänzung ist sie jedoch bereits heute sehr wertvoll.

Abb. 1: Die Globalstrahlung ist in Südbayern tendenziell höher als im Norden.

2 Stromerzeugung mit Photovoltaik Die ersten Solarmodule stellte die amerikanische Firma Bell bereits 1954 her. Die Energieforschung wurde in dieser Zeit jedoch Richtung Kernenergie gelenkt, die Photovoltaik wurde zunächst vor allem für die Raumfahrt weiterentwickelt. Erst später fand sie Eingang in unseren Alltag – zum Beispiel in Solarta-schenrechnern. Mittlerweile ist die Photovoltaik allgegenwärtig. Der erzeugte Strom wird zur Eigenver-sorgung genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Die Einspeisung wird unter bestimmten Voraussetzungen durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz gefördert.

Mehr als zehn Prozent des in Bayern erzeugten Stroms stammen aus der Photovoltaik, insgesamt gibt es etwa 490.000 Anlagen (Stand 2014). Rund 80 Prozent der Leistung sind dabei auf Dächern installiert, wobei man größere Anlagen zum Beispiel auf Gewerbehallen und landwirtschaftlichen Nutzgebäuden findet. Zahlenmäßig gering sind die Freiflächenanlagen – aufgrund ihrer Größe erzeugen sie allerdings verhältnismäßig viel Strom.

Abb. 2: Ob auf dem Dach, als nachgeführte Modulträgersysteme auf Freiflächen oder als Insellösung für Kleinver-

braucher fernab des Stromnetzes: Solarzellen liefern einen wertvollen Beitrag zum erneuerbaren Strommix. © Dieter Schütz / Pixelio.de: Abb. 2 li., © Petra Schmidt / Pixelio.de: Abb. 2 re

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2.1 Solarzellen und Solarmodule Der photovoltaische Effekt wurde bereits 1839 beobachtet. 1905 konnte Albert Einstein ihn physikalisch erklären – er erhielt dafür 1921 den Nobelpreis. Darauf baut auch das Prinzip von Solarzellen auf: Sie bestehen aus zwei Halbleiterschichten, die mit Fremdatomen dotiert sind. Dadurch werden die physika-lischen Eigenschaften so beeinflusst, dass einfallendes Licht einen Elektronenfluss auslöst. Schließt man einen Stromverbraucher an, entsteht ein geschlossener Stromkreis, Strom kann fließen.

Auf dem Markt haben sich unterschiedliche Solarzell-Typen etabliert. Für Dachanlagen am gebräuch-lichsten sind Siliziumsolarzellen. Silizium kann als Einkristall hergestellt werden –daraus lassen sich dann sogenannte monokristalline Zellen fertigen. Diese besitzen mit über 20 Prozent den besten Wir-kungsgrad, die Herstellung ist jedoch teuer. Polykristalline Solarzellen sind preisgünstiger, weisen aber einen geringeren Wirkungsgrad auf.

Daneben finden sich Dünnschichtzellen auf dem Markt, die durch Aufdampfen oder Aufdrucken herge-stellt werden. Beispiele sind amorphe Silizium- oder Cadmium-Tellurid-Zellen (CdTe). Häufig findet man auch Zellen, die Kupfer, Indium, Selen und zum Teil Gallium (CIS oder CIGS) enthalten. Letztere besit-zen einen hohen Wirkungsgrad (etwa 21 Prozent), sind aber teurer. Kostengünstigere Dünnschichtzellen oder -module wiederum weisen einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad auf. Sie sind dann interessant, wenn der größere Flächenbedarf und die Kosten für die Installation weniger ins Gewicht fallen, zum Bei-spiel auf Freiflächen.

Solarmodule mit organischer Photovoltaik versprechen Verformbarkeit und eine kosteneffiziente Her-stellung, da sie in Bahnen auf großflächige Folien gedruckt werden. Die photoaktive Schicht besteht aus speziellen Kunststoffen mit metallischen Elektroden. Die Zellen sind flexibel und daher für viele unge-wöhnliche Anwendungen interessant, zum Beispiel für gebogene Dachflächen. Bislang erreichen sie jedoch noch keine hohen Wirkungsgrade und sind auch noch nicht ausreichend beständig.

Mit Wirkungsgraden von über 40 Prozent stellt die Konzentrator-Photovoltaik neue Rekorde auf. Bei diesen Zellen wird das einfallende Licht über Linsen auf den Halbleiter konzentriert. Im Vergleich zu her-kömmlichen Solarzellen wird ein deutlich höherer Wirkungsgrad erreicht. Diese Technik ist noch teuer und spielt derzeit eine untergeordnete Rolle auf dem Markt. Kostensenkungen sind jedoch zu erwarten.

Abb. 3: Mehrere kristalline Solarzellen (markiertes

Segment) bilden ein Modul. Dachanlagen be-stehen in der Regel aus mehreren Modulen.

Abb. 4: Dünnschichtmodule findet man häufig bei gro-ßen Flächen. Man erkennt sie an ihrer nicht un-tergliederten Oberfläche.

In einem Modul werden mehrere Solarzellen miteinander verschaltet. Zum Schutz erhalten sie eine Ab-deckung aus Glas oder Kunststoff und meist einen Rahmen. Dünnschichtmodule gibt es auch rahmen-los. Die Module werden zur Gesamtanlage zusammengeschaltet. Der Wirkungsgrad eines Moduls ist niedriger als der einer Zelle, da unter anderem die Abdeckung Verluste verursacht. Gleiches gilt für die gesamte Anlage, da die Wechselrichter ebenfalls Verluste verursachen.

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2.2 Photovoltaikanlagen Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen bestehen aus den Modulen, dem Netzanschluss und dem Wechsel-richter, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Abb. 5: Schema einer netzgekoppel-ten Photovoltaikanlage: Der von den Modulen erzeugte Gleichstrom wird in einem Wechselrichter in Wechsel-strom umgewandelt und kann anschließend entweder ver-braucht oder ins Netz einge-speist werden.

Solaranlagen auf Hausdächern werden sowohl für die Eigenversorgung als auch für den Stromverkauf ins Netz genutzt. Dabei gilt als Faustregel: Für ein Kilowatt-Peak (kWp) Leistung benötigt man sechs bis acht Quadratmeter Dachfläche. Auf 30 Quadratmetern lassen sich also vier oder mehr kWp Leistung installieren, die etwa 4.000 kWh Strom im Jahr produzieren. Theoretisch reicht das für einen Drei-Personen-Haushalt. Allerdings deckt die Stromerzeugung den Bedarf nur zu bestimmten Zeiten (An-nahmen: pro Jahr 3.600 Kilowattstunden, Südausrichtung, kristalline Module).

Spitzenleistung oder Standardleistung: Kilowatt-Peak

Die Einheit Kilowatt-Peak (kWp) ist ein Standard, um die Leistung von Photovoltaikmodulen zu vergleichen. Dafür wird die Leistung unter normierten Bedingungen (Standardtestbedingungen) ermittelt. Diese Bedingun-gen sind: Bestrahlungsstärke 1.000 Watt pro Quadratmeter, 25 Grad Celsius, definiertes Lichtspektrum bei AM 1,5 (air mass 1,5, eine definierte Abschwächung durch die Atmosphäre). Übliche Werte für kristalline Module liegen im Bereich von 130 bis 160 Watt Peak pro Quadratmeter (Wp/m²).

Freiflächenanlagen sind Anlagen, die nicht an oder auf einem Gebäude oder einer baulichen Anlage angebracht sind. Die Module können im optimalen Winkel zur Sonne ausgerichtet oder sogar dem Ta-gesgang der Sonne nachgeführt werden. Wichtig ist ein ausreichender Abstand zwischen den Modulen, damit sie sich nicht gegenseitig verschatten. Pro Megawatt-Peak Leistung benötigt man zwei bis drei Hektar, je nach Geländeform, Anlagengestaltung und Modultechnik.

Abb. 6: Lärmschutzwände oder -wälle sind vor allem

bei Südausrichtung günstige Standorte für So-laranlagen. © Franz Janka

Abb. 7: Solarmodule als Gestaltungselement und Son-nenschutz in einem Glasdach.

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2.3 Umweltaspekte Energierücklaufzeit: Die Herstellung von kristallinen Solarzellen braucht viel Energie für das Schmelzen von Silizium und das Sägen der Siliziumblöcke in sehr dünne Scheiben (die sogenannten Wafer). Dieser Aufwand amortisiert sich jedoch rasch: Bereits nach einer Energierücklaufzeit unter eineinhalb Jahren haben Solaranlagen in unseren Breiten die Energiemenge erzeugt, die für die Herstellung und Beseiti-gung erforderlich ist (bifa Umweltinstitut 2013).

Emissionsbilanz: Die Stromgewinnung mit Solarzellen ist deutlich klimaschonender als mit Öl oder gar Braunkohle – Photovoltaik trägt also wesentlich zur Vermeidung von Treibhausgasemissionen bei. Dies zeigt eine Bilanz des Umweltbundesamtes (2013), nach der Solarzellen 29 bis 66 Gramm Kohlendioxid-Äquivalente pro erzeugter Kilowattstunde freisetzen (CO2-Äq./kWhel). Der Wert für Öl ist mehr als zehn-mal höher, der von Braunkohle sogar mehr als fünfzehnmal (790 bzw. 1.080 g CO2-Äq./kWhel). Der Energieaufwand für die Herstellung der Module ist hier mit eingerechnet. Die Berechnung der CO2-Äquivalente dient dazu, die Treibhauswirksamkeit verschiedener Energieträger vergleichbar zu machen. Ein Gramm CO2-Äquivalent bedeutet, dass die jeweilige Mischung an Treibhausgasen so klimawirksam ist wie ein Gramm Kohlendioxid.

Lichtreflexionen: Photovoltaikanlagen können blenden – allerdings nur innerhalb sehr kurzer Zeitspan-nen, da sich der Sonnenstand rasch ändert. Zudem ist die Oberfläche der Module so gestaltet, dass möglichst wenig Licht reflektiert wird. Bei größeren Freiflächenanlagen kann ein Gutachten erforderlich sein, um die mögliche Blendwirkung auf den Verkehr zu untersuchen. Für Anlagen auf Hausdächern ist dies in der Regel nicht erforderlich.

Elektromagnetische Strahlung: Photovoltaikmodule erzeugen Gleichstrom und damit ein statisches Feld. Das elektrische Feld kann man im Abstand von wenigen Zentimetern kaum noch nachweisen, das magnetische Feld ist in 50 Zentimetern Entfernung nur noch so stark wie das Magnetfeld der Erde. Nur am Wechselrichter entstehen höherfrequente Wechselfelder. Daher sollte der Wechselrichter nicht in unmittelbarer Nähe von Wohn- oder Schlafzimmern liegen.

Brände und Schadstoffe: Dachmodule stellen im Vergleich zu anderen technischen Anlagen kein er-höhtes Risiko dar. Bei fachgemäßer Installation sind Brand- oder Hitzeschäden sehr selten. Allerdings können die Löscharbeiten erschwert sein, da der Brandherd meist schwerer zugänglich ist. Selbst bei Dünnschichtmodulen, die Cadmium enthalten, kann eine ernste Gefahr für die Nachbarschaft sicher ausgeschlossen werden (LfU 2011).

Lärm: Mögliche Lärmquellen sind Wechselrichter und Trafo. Beim Bau größerer Anlagen empfiehlt sich daher ein Schallgutachten (ab ein Megawatt Peak). Bei nachgeführten Anlagen kann auch die kontinuier-liche Ausrichtung am Sonnenstand Geräusche verursachen. Bei fachmännisch installierten Anlagen ist dies in der Regel jedoch vernachlässigbar.

Entsorgung: Bislang kann man Altmodule über den Installateur entsorgen oder bei einem Sammelsys-tem abgeben. Mit Inkrafttreten des neuen Elektrogerätegesetzes 2015 ist nach einer dreimonatigen Übergangszeit die kostenlose Abgabe ab Anfang 2016 auch an kommunalen Sammelstellen möglich. Bereits heute werden in spezialisierten Behandlungsanlagen Glas, Aluminium und Kupfer zurückgewon-nen und wiederverwertet. Teilweise können sogar bestimmte Halbleitermaterialien recycelt werden, zum Beispiel Cadmium-Tellurid. Für die Weiternutzung gebrauchter Photovoltaikprodukte hat sich mittlerweile ein Zweitmarkt gebildet.

Weitere Informationen: SECONDSOL ► Wiederverwendung von gebrauchten PV-Modulen PV CYCLE ► Sammelstellensuche

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Natur und Landschaft: Freiflächen-Photovoltaikanlagen können auch positive Aspekte für die Natur mit sich bringen. Ausschlaggebend ist eine geschickte Standortwahl mit guter Einbindung in die Landschaft. Da die Flächen relativ ungestört und nicht intensiv genutzt sind, können sogar Rückzugsräume für Tiere entstehen. Dies kann man mit recht einfachen Mitteln unterstützen, zum Beispiel durch einen Zaun, der nicht bis auf den Boden reicht oder durch spezielle Rückzugsräume wie Steinhaufen für Eidechsen oder andere Unterschlupfe. Der Einsatz von lokalem Saatgut und die Abstimmung der Mahdzeiten helfen, eine standortnahe Pflanzengemeinschaft anzusiedeln.

Abb. 8: Durch gute Planung und Gestaltung lassen sich aus Freiflächenanlagen wertvolle Bereiche für die Natur

machen.

2.4 Genehmigung In der Regel ist für Dachanlagen keine Genehmigung erforderlich. Für Freiflächenanlagen ist grundsätz-lich eine entsprechende gemeindliche Bauleitplanung erforderlich (Flächennutzungs-, Bebauungsplan). Städtebauliche Satzungen oder örtliche Bauvorschriften sind dabei zu beachten.

Denkmalschutz: Die Anlagen sind oft weithin sichtbar, daher ist für Anlagen auf, an oder in der Nähe von Baudenkmälern eine Erlaubnis erforderlich. Durch eine geschickte Planung lassen sich oft gute Lö-sungen finden. Die Verwendung von rahmenlosen oder halbtransparenten Modulen ist eine Möglichkeit, um Anlagen unauffälliger zu gestalten.

Weitere Informationen: ANSPRECHPARTNER VOR ORT: ► Untere Denkmalschutzbehörden und ► Gebietsreferenten BAYERISCHES LANDESAMT FÜR DENKMALPFLEGE: ► Solarenergie und Denkmalpflege REGIERUNG VON OBERBAYERN: ► Solaranlagen gut gestaltet

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2.5 Förderung Photovoltaik-Strom, der in das öffentliche Netz eingespeist wird, wird nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz gefördert. Dabei wird unterschieden, ob es sich um Dach- oder Freiflächenanlagen handelt. Zu-dem besteht derzeit eine Obergrenze für Anlagen von zehn Megawatt Peak, größere Anlagen erhalten keine Vergütung. Ihr Strom wird wie konventionell erzeugter Strom am Strommarkt gehandelt. Um einen planbaren Ausbau sicherzustellen, wird die Vergütung für neuinstallierte Anlagen je nach Leistungszu-bau regelmäßig gesenkt oder erhöht.

2015 wurde für Photovoltaik-Freiflächenanlagen ein Ausschreibungsmodell eingeführt: Neue Freiflä-chenanlagen erhalten nur noch dann eine finanzielle Förderung für erzeugten Strom, wenn sie im Rah-men einer Ausschreibung der Bundesnetzagentur den Zuschlag erhalten haben. Dabei gelten im We-sentlichen weiterhin die Flächeneinschränkungen, die bereits 2010 eingeführt wurden: Eine Förderung ist nur noch für Anlagen möglich, die zum Beispiel auf Flächen entlang von Autobahnen oder Schienen, auf Altlasten, auf stillgelegten Deponien und versiegelten Flächen errichtet werden.

Sobald in Zukunft eine bundesweit installierte Gesamtleistung von 52 Gigawatt erreicht wird, tritt ein För-derstopp in Kraft: Neue Anlagen erhalten dann keine Vergütung mehr. Mitte 2015 waren bereits etwa 39 Gigawatt installiert.

Weitere Informationen: ENERGIE-ATLAS BAYERN: ► Förderung Photovoltaik BUNDESNETZAGENTUR: ► Ausschreibungsverfahren für PV-Freiflächenanlagen

2.6 Eigenverbrauch und Speicherung Statt Solarstrom in das öffentliche Netz einzuspeisen, kann man ihn natürlich auch selbst nutzen, zumal die Erzeugungskosten mittlerweile deutlich unter den Strompreisen für Privathaushalte liegen. Daher lohnt sich der Eigenverbrauch. Spülmaschine, Waschmaschine und andere Geräte sollten am besten dann angeschaltet werden, wenn die Dachanlage gerade viel Strom produziert. Sinnvoll ist auch das Aufladen von Elektroautos – manche Arbeitgeber stellen bereits entsprechende Parkplätze mit Stromzapfsäulen zur Verfügung.

Stromerzeugung und -bedarf stimmen allerdings nur selten überein – oft sind Hausarbeiten in den Mit-tagsstunden wegen beruflicher Verpflichtungen nicht möglich und die Wäsche kann auch nicht immer auf Sonnenschein warten. Eine Lösung ist es, den Strom in Batterien zu speichern: Photovoltaik-Heimspeicher werden mittlerweile von vielen Herstellern zur Verfügung gestellt und die Kosten sind be-reits deutlich gesunken.

Für solche stationären Batteriespeicher in Kombination mit Photovoltaikanlagen stellt die KfW ein För-derprogramm zur Verfügung. Ob die Investition sinnvoll ist, muss jeweils für den eigenen Fall genau geprüft werden.

Weitere Informationen: KFW: ► Förderprogramm Erneuerbare Energien - Speicher C.A.R.M.E.N. E.V.: ► Marktübersicht Batteriespeichersysteme

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3 Erzeugung von Warmwasser mit Sonnenkollektoren Die technische Wärmegewinnung aus Sonnenenergie wird als Solarthermie bezeichnet. Sie dient vor allem der Erwärmung von Brauch- oder Heizwasser, meist unterstützt von einer konventionellen Wärme-quelle. Häufig dienen Solarthermieanlagen auch der Erwärmung von Schwimmbädern oder Pools.

Abb. 9: Schema einer Solarthermie-anlage: In den Sonnen-kollektoren auf dem Dach wird die Solarflüssigkeit er-hitzt. Die Wärme wird im Speicher zur Erwärmung des Brauch- und eventuell des Heizungswassers genutzt.

Liegt ein Gartenschlauch in der Sonne, erwärmt sich das Wasser darin – genauso funktionieren Sonnen-kollektoren: Die Sonnenstrahlen erwärmen ein dunkles Blech. An diesem fließt der Wärmeträger vorbei, meist Wasser mit Frostschutzmittel, und nimmt die Wärme auf. Der Wärmeträger zirkuliert in einem ge-schlossenen Kreislauf und erwärmt über einen Wärmetauscher das Trink- oder Brauchwasser. Beson-ders effizient – aber teurer – sind Vakuumröhrenkollektoren, deren Absorber in einer luftleeren Glasröhre eingeschlossen ist: Darin bleibt die Wärme wie in einer Thermoskanne erhalten.

Abb. 10: Flachkollektoren sind einfacher und kosten-

günstiger als Vakuumkollektoren. Abb. 11: Vakuumkollektoren haben einen höheren Wir-

kungsgrad, sind aber teurer.

Private Solarthermieanlagen decken meist etwa 50 bis 60 Prozent des Warmwasserbedarfs – über das Jahr betrachtet. Im Sommer wird genügend Warmwasser erzeugt, im Winter dagegen nur zehn bis 20 Prozent des Bedarfs, der Rest muss durch die Heizung erwärmt werden. Für die Auslegung spielen vor allem der Warmwasserbedarf und die solare Deckung eine Rolle – also der Anteil des Wärmebedarfs, der durch die Solaranlage bereitgestellt werden soll. Üblicherweise wird die Größe des Warmwasser-speichers mit 80 bis 100 Litern pro Person angesetzt. Der Warmwasserbedarf bewegt sich zwischen 30 und 40 Litern pro Person und Tag. Eine übliche Anlage für einen Vier-Personen-Haushalt hat ungefähr sechs Quadratmeter Kollektorfläche. Für einen Vier-Personen-Haushalt werden normalerweise sechs Quadratmeter Kollektorfläche gerechnet.

Mit deutlich größeren Speichern und größeren Kollektorflächen kann es gelingen, längere sonnenarme Zeiten zu überbrücken. Längere Speicherzeiten sind aber mit größeren Wärmeverlusten verbunden, eine gute Speicherdämmung ist daher wesentlich. Hier ist es besonders wichtig, einen guten Planer einzu-schalten, der die Auslegung der Anlage auch unter Kostenaspekten optimal an den Bedarf anpasst.

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Tipps für den Betrieb von Solarthermie-Anlagen

Bei dieser einfachen Technik treten Störungen eher selten auf. Folgendes ist jedoch zu beachten: Rückschlag- oder Magnetventile verhindern nachts und im Winter eine ungewollte Schwerkraftzirkulation und damit die Abkühlung des Wassers im Speicher. Entlüften hilft, wenn die Zirkulation stockt, weil Luft im Leitungssystem ist. Ein schlecht gedämmter Speicher führt zu Wärmeverlusten und heizt den Umgebungsraum auf.

Wird das Brauchwasser selbst gespeichert, ist eine sogenannte Legionellenschaltung erforderlich, da sich diese krankheitserregenden Bakterien am schnellsten bei Temperaturen zwischen 30 und 45 Grad Celsius vermehren. Durch regelmäßiges Erhitzen deutlich über diese Temperaturspanne hinaus wird der Verbreitung von Legionellen vorgebeugt. Alternativ dazu können Brauchwasserstationen verwendet werden. Das Brauchwasser wird bei Be-darf im Durchlaufverfahren erwärmt, längere Standzeiten von warmem Wasser werden so vermieden.

Weitere Informationen: C.A.R.M.E.N. e.V.: ► Solarthermie

3.1 Einsparpotenzial Die Warmwasserbereitstellung benötigt zehn bis 25 Prozent der gesamten Heizenergie. Bei einem solaren Deckungsgrad von 50 bis 60 Prozent lassen sich jährlich also etwa fünf bis 15 Prozent der Heiz-kosten sparen. Dies hängt auch vom individuellen Verhalten, der Anlagendimensionierung und dem Dämmstandard des Hauses ab.

Solarthermieanlagen können auch zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Allerdings ist der Heizbedarf im Winter am größten - genau in der Zeit, in der die Solarthermie am wenigsten Energie be-reitstellt. Das Einsparpotenzial ist daher eher gering. Die höchsten Potenziale bestehen zu Beginn und Ende der Heizperiode, wenn die Wärmeerzeugung durch die Sonne relativ hoch und der Heizbedarf gering ist.

Für sehr gut gedämmte Häuser, wie zum Beispiel Passivhäuser, die in der Übergangszeit keine Heizung benötigen, fallen die Einsparpotenziale damit sogar geringer aus als für schlecht gedämmte Häuser. In der Gesamtbilanz sollte jedoch die Senkung des Wärmebedarfs mit Hilfe eines sehr guten Dämmstan-dards im Vordergrund stehen.

3.2 Umweltaspekte Sonnenkollektoren enthalten keine stromführenden Teile (außer der Pumpe im Keller). Elektromagneti-sche Strahlung und Lärm treten daher nicht auf. Bei Bränden kann der Brandherd schlechter erreich-bar sein, allerdings bedecken die Sonnenkollektoren üblicherweise keine großen Flächen.

Die Energierücklaufzeit für Solarthermieanlagen beträgt durchschnittlich ein bis zwei Jahre. Allein der Kollektor amortisiert sich energetisch bereits nach weniger als einem halben Jahr.

Emissionsbilanz: Die Warmwassergewinnung mit Solarthermieanlagen ist deutlich klimaschonender als mit Heizöl oder Erdgas – Solarthermie trägt also wesentlich zur Vermeidung von Treibhausgasemissio-nen bei. Dies zeigt eine Bilanz des Umweltbundesamtes (2013), nach der Solarthermie 25 Gramm Koh-lendioxid-Äquivalente pro erzeugter Kilowattstunde freisetzt (CO2-Äq./kWhel). Der Wert für Erdgas ist in etwa zehnmal so hoch, der von Heizöl liegt sogar noch höher (248 bzw. 314 g CO2-Äq./kWhel). Der Energieaufwand für die Herstellung der Kollektoren sowie der Stromverbrauch für die Kreislaufpumpe ist hier mit eingerechnet.

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Entsorgung: In jedem Fall können Sie sich zunächst an den Betrieb wenden, der die Anlage installiert hat. Zum Teil können die Kollektoren auch beim kommunalen Wertstoffhof abgegeben werden. Sonnen-kollektoren mit dem Blauen Engel nimmt der Hersteller zurück. Der Wärmeträger besteht in der Regel aus Wasser mit Frostschutzmittel und ist über die Problemmüllsammlung zu entsorgen.

Weitere Informationen: ABFALLBERATUNG VOR ORT ► im Landratsamt oder in der kreisfreien Stadt

3.3 Genehmigung Genauso wie bei Photovoltaikanlagen sind Dachanlagen meist genehmigungsfrei, örtliche Bauvorschrif-ten, städtebauliche Satzungen und der Denkmalschutz sind zu berücksichtigen.

Weitere Informationen: ANSPRECHPARTNER VOR ORT ► Untere Denkmalschutzbehörden BAYERISCHES LANDESAMT FÜR DENKMALPFLEGE ► Gebietsreferenten und ► Solarenergie und Denkmalpflege

Abb. 12: Sofern der Denkmalschutz nicht beeinträchtigt wird, können Photovoltaikanlagen und Solarthermieanlagen in der Regel genehmigungsfrei angebracht werden. Letztere brauchen nur wenig Fläche, wenn sie ausschließlich zur Unterstützung der Wasserer-wärmung eingesetzt werden.

3.4 Förderung Solarthermieanlagen werden unter bestimmten Voraussetzungen durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle gefördert. Die Förderung hängt von der Größe der Anlage ab und davon, ob sie nur der Warmwasserbereitung dient oder auch für die Heizungsunterstützung konzipiert ist.

Weitere Informationen: ENERGIE-ATLAS BAYERN ► Förderung Solarthermie BUNDESAMT FÜR WIRTSCHAFT UND AUSFUHRKONTROLLE (BAFA) ► Förderübersicht Solarkollektoren

4 Nutzung von Sonnenenergie in Neu- und Altbauten Das Prinzip der passiven Solarenergienutzung ist einfach: Die Sonne scheint durch die Fenster ins Haus. Treffen die Strahlen auf Boden, Wände oder Möbel, wird ein Teil in Wärme umgewandelt, die so-genannte langwellige Infrarotstrahlung. Wie in einem Treibhaus werden die Räume dadurch erwärmt. Da im Sommer der Sonnenstand höher ist, kann eine geeignete Konstruktion eine direkte Sonneneinstrah-lung minimieren. Auf diese Weise lassen sich unangenehm hohe Raumtemperaturen vermeiden. Im Winter dagegen ist die direkte Sonneneinstrahlung ins Gebäude erwünscht, um einen möglichst hohen Wärmegewinn zu erreichen.

Um die Wärme durch planerische und bauliche Maßnahmen optimal zu nutzen, sollte man alle Möglich-keiten der passiven Nutzung der Solarenergie ausnutzen, zum Beispiel: Fenster vor allem nach Süden und Westen ausrichten, eine gute Wärmedämmung und Wärmeschutzverglasung vorsehen, Fenstergrö-ßen optimieren, Beschattung des Gebäudes in der Heizperiode vermeiden, starkes Aufheizen im Som-mer durch Außenjalousien vermeiden.

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Abb. 13: Passive Nutzung: Eine günstige Gestaltung des Hauses lässt im Winter viel und im Sommer wenig Son-nenstrahlung einfallen.

Bei Neubauten können Solaranlage und Architektur als Gesamtentwurf geplant und aufeinander abge-stimmt werden. Die technischen Anlagen werden dabei häufig als Gestaltungselement genutzt. Bei Altbau-ten ist ein Gesamtkonzept ebenso wichtig: Zuerst die Dämmung optimieren, dann die Heizungsanlage sanieren, dabei sollte man ein Konzept für eine Solaranlage prüfen. Da Photovoltaikanlagen mindestens 20 Jahre funktionsfähig sind, sollte vor ihrem Bau das Dach saniert und vor allem gedämmt werden.

5 Bürgersolarkraftwerke Auch wer zur Miete wohnt oder kein geeignetes Dach hat, kann von Photovoltaik profitieren. Die Beteili-gung an einem Bürgersolarkraftwerk kann dann eine gute Lösung sein: Das sind gemeinschaftliche An-lagen auf einem großen Dach, wie man es häufig auf Schulen, Bauhöfen oder anderen öffentlichen Ge-bäuden findet.

Abb. 14: Auf dem Maximilia-neum, dem Sitz des Bayerischen Landtags, wurde bereits 2005 eine Bürgersolaranlage eingeweiht. © Achim Schröer

Diese Anlagen werden zum Beispiel von Solarvereinen initiiert, die oft auch die Planung sowie die Ver-waltung und die Gewinnauszahlung übernehmen. Häufig kann man sich schon mit kleinen Summen beteiligen.

Weitere Informationen: BEISPIEL FÜR LANGJÄHRIGES BÜRGERENGAGEMENT: ► Sonnenkraft Freising PLANUNG, REALISIERUNG UND BETRIEB VON BÜRGERSOLARANLAGEN: ► Green City Energy GmbH BÜRGER-ENERGIE: VORTEILE, POTENZIALE UND GEWINNE: ► EnergieGewinner

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6 Ausblick Die Photovoltaik hat sich in den vergangenen Jahren zu einem wichtigen Bestandteil unserer Energie-versorgung entwickelt. Sie ist leicht handhabbar und wird immer billiger. Gleichzeitig arbeiten Forscher-gruppen an interessanten Weiterentwicklungen. Ob es sich um Photovoltaik auf Firmenparkplätzen, zur Kühlung oder als Stromquelle für E-Mobile handelt oder um die dezentrale Speicherung von Solarstrom im Keller: Neben einer möglichst günstigen Erzeugung des Stroms gilt es auch, die Verteilung des Stroms sowie die Entlastung des Stromnetzes zu berücksichtigen. Denn Strom aus Sonnenenergie wird vor allem dezentral in vielen kleinen Anlagen erzeugt und steht überdies nicht kontinuierlich zur Verfü-gung. Lösungen für den Umbau der Energieversorgung und insbesondere für die Speicherung des er-neuerbaren Stroms zu finden ist also eine der großen Herausforderungen der Energiewende.

Auch für Solarthermie ergeben sich immer neue Anwendungsfelder: Zum Beispiel die Bereitstellung von solarer Prozesswärme, die Sonnenenergie für den Wärmebedarf technischer Verfahren nutzt. Häufiges Einsatzgebiet sind Trocknungsanlagen, gerade auch für Klärschlamm. Auch an der Optimierung der Anlagen zur Unterstützung der Raumheizung wird intensiv gearbeitet: So wurden Häuser in mehreren Projekten bereits ausschließlich mit Solarthermie beheizt. Dazu sind entsprechend große Langzeitwärm-speicher mit sehr guter Dämmung erforderlich. Aus Kostengründen konnte sich diese Anwendung bis-lang jedoch noch nicht durchsetzen. Auch die solare Kühlung ist eine Technik der Zukunft. Was zunächst wie ein Widerspruch klingt, bietet mehrere Möglichkeiten: Ohne den Umweg über die Stromerzeugung, wie beim Betrieb von Klimaanlagen mit Photovoltaik-Strom, können sogenannte Absorptions-Kältemaschinen ihre Energie aus Sonnenkollektoren beziehen und damit ein Kühlsystem betreiben.

7 Literatur und Links BAYERISCHES LANDESAMT FÜR DENKMALPFLEGE (2012): Solarenergie und Denkmalpflege. PDF, 28 S.

BAYERISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT: (2011) Berechnung von Immissionen beim Brand einer Photovoltaikanlage aus Cadmiumtellurid-Modulen. PDF, 10 S. (2014) Praxis-Leitfaden für die ökologische Gestaltung von Photovoltaik-Freiflächenanlagen. PDF, 74 S.

BAYERISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT: INFOZENTRUM UMWELTWIRTSCHAFT: (2010*) ► Entsorgung Sonnenkollektoren (2011*) ► Entsorgung von Photovoltaikanlagen

BAYERISCHES STAATSMINISTERIUM FÜR WIRTSCHAFT, INFRASTRUKTUR, VERKEHR UND TECHNOLOGIE (2010): Bayerischer Solaratlas. PDF, 66. S

BAYERISCHE STAATSREGIERUNG (2011): Bayerisches Energiekonzept Energie innovativ. PDF, 84 S.

BAYERISCHE STAATSREGIERUNG: ENERGIE-ATLAS BAYERN (2015*): ► Auslegung einer PV-Anlage ► Förderung und Vergütung von PV-Anlagen ► Photovoltaik: Daten und Fakten ► Potenzialkarten der Solarenergie ► Solarflächenbörse ► Solarthermie

BIFA UMWELTINSTITUT (2013): ► Ökoeffizienzanalyse von Photovoltaikmodulen. bifa-Text Nr. 62

CENTRALES AGRAR-ROHSTOFF-MARKETING- UND ENERGIENETZWERK (2015*): ► Photovoltaik ► Solarthermie

CORRADINI, ROGER; SUTTER, MANUEL (2012): Heizen mit Sonnenwärme: Mehr als nur warmes Wasser. In: Energiewirtschaftliche Tagesfragen 9/2012

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DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR SONNENENERGIE, LANDESVERBAND BERLIN BRANDENBURG (2011): Brand-schutzgerechte Planung, Errichtung und Instandhaltung von PV-Anlagen. PDF, 40 S.

DÜRSCHNER, CHRISTIAN (2014): Schadensrisiko PV-Anlage – Brandsicherheit und Brandrisiko von Photo-voltaikanlagen. In: Sonnenenergie 3/2014

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SOLARE ENERGIESYSTEME ISE: (2015*) ► Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland. Fassung vom 19.05.2015, PDF, 91 S. (2015*) ► Solarmodul aus organischer PV besteht Stresstest (2015*) ► Organische Photovoltaik am laufenden Meter

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SOLARE ENERGIESYSTEME ISE, NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY NREL (2015*): ► Current Status of Concentrator Photovoltaik (CVP) Technology. PDF, 24 S.

LANDESANSTALT FÜR UMWELT, MESSUNGEN UND NATURSCHUTZ BADEN-WÜRTTEMBERG, BAYERISCHES LAN-DESAMT FÜR UMWELT (2010): Elektromagnetische Felder im Alltag, PDF, 144 S.

PV CYCLE (2015*): ► PV Cycle - Rücknahme und Recyclingprogramm für PV

QUASCHNING, VOLKER: (2010) Erneuerbare Energien und Klimaschutz. Carl Hanser Verlag München. 339 S. (2013) Regenerative Energiesysteme. Hanser Verlag München. 422 S.

REGIERUNG VON OBERBAYERN (O. J.): ► Planen und Bauen in Oberbayern. Infobrief 8. PDF, 6 S.

TÜV RHEINLAND ENERGIE UND UMWELT GMBH (2015*): ► Vorbeugen ist besser als Löschen – Brand-schutz bei Photovoltaik-Anlagen

UMWELTBUNDESAMT (2013): Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger. PDF, 136 S.

VDE PRÜF- UND ZERTIFIZIERUNGSINSTITUT GMBH, GESAMTVERBAND DER DEUTSCHEN VERSICHERUNGSWIRT-SCHAFT (2011) : ► Photovoltaikanlagen – Technischer Leitfaden; VDS 3145 : 2011-7 (01). PDF, 24 S.

VERBRAUCHERZENTRALE BUNDESVERBAND E. V. (VZBV) (2015*): ► Solare Wärme. PDF, 7 S.

WIKIPEDIA (2015*): ► Solarzelle ► Sonnenenergie

* Zitate von online-Angeboten am 30.09.2015

8 Ansprechpartner Bei Fragen zu den Umweltaspekten der Sonnenenergie wenden Sie sich bitte an das Ökoenergie-Institut im Bayerischen Landesamt für Umwelt, Infoline: 0821 / 9071-5444, E-Mail: oekoenergie@lfu.bayern.de. Zum Thema Denkmalschutz und Solarenergie unterstützt und berät die ► Untere Denkmalschutzbehör-de vor Ort oder die ► Gebietsreferenten des Bayerischen Landesamtes für Denkmalpflege. Fragestel-lungen rund um die Genehmigung von Photovoltaik- oder Solaranlagen beantwortet Ihr ► Landratsamt oder Ihre ► kreisfreie Stadt.

Sonnenenergie

14 Bayerisches Landesamt für Umwelt 2015

9 Weitere Publikationen UmweltWissen-Publikationen: ► Bauen und Sanieren für die Zukunft ► Energiesparlampe und LED: energieeffiziente Beleuchtung ► Energiewende vor Ort – ein Rollenspiel für Schüler ► Erdwärme – die Energiequelle aus der Tiefe ► Kaminöfen umweltfreundlich betreiben ► Oberflächennahe Geothermie ► Windenergie in Bayern ► Windkraftanlagen – beeinträchtigt Infraschall die Gesundheit?

Umweltschutz im Alltag: ► Ansprechpartner und ► weitere Publikationen

Impressum: Herausgeber: Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU) Bürgermeister-Ulrich-Straße 160 86179 Augsburg

Telefon: 0821 9071-0 Telefax: 0821 9071-5556 E-Mail: poststelle@lfu.bayern.de Internet: http://www.lfu.bayern.de

Postanschrift: Bayerisches Landesamt für Umwelt 86177 Augsburg

Bearbeitung: LfU, Ökoenergie-Institut Bayern: Simone Klett, Angela Dittfurth, Dr. Stephan Leitschuh LfU, Ref. 12: Dr. Katharina Stroh LfU, Ref. 26: Bernhard Ruttka LfU, Ref. 27: Dr. Thomas Kurz LfU, Ref. 31: Jürgen Beckmann

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Stand: Oktober 2015

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