Der Weg des Solarstroms: Vom Dach bis in die Steckdose

Solarstrom entsteht, wenn Lichtteilchen auf dem Dach gebundene Elektronen in einer Halbleiterschicht anstoßen und ein internes elektrisches Feld diese Teilchen in eine gemeinsame Richtung zwingt. Über geschützte Gleichstromleitungen fließt dieser Strom zum Wechselrichter, der ihn in 230-Volt-Wechselstrom mit 50 Hertz umformt und in die Hausverteilung einspeist. Dort versorgen die Elektronen nach den Gesetzen des geringsten elektrischen Widerstands zuerst die aktiven Verbraucher im Gebäude, bevor Überschüsse in die Batterie abzweigen oder über den Stromzähler ins öffentliche Niederspannungsnetz fließen.

Die Stationen im Überblick: Vom Lichtquant zum Haushaltsstrom

Die Umwandlung von Sonnenstrahlung in nutzbare Arbeit an der Steckdose folgt einer geschlossenen physikalischen Kette. Anders als bei thermischen Kraftwerken existieren in Photovoltaikanlagen keine beweglichen Teile, keine Turbinen und keine Reibungsverluste durch Mechanik. Die gesamte Energiewandlung vollzieht sich lautlos auf quanten- und elektrotechnischer Ebene.

Dabei durchläuft die Energie sechs aufeinander aufbauende Stationen: das Modul auf der Dachfläche, die Gleichstrom-Verkabelung, den Wechselrichter als elektrotechnische Schnittstelle, den häuslichen Sicherungskasten, den elektrochemischen Zwischenspeicher und schließlich den Übergabepunkt zum öffentlichen Netz. Um diesen Kreislauf zu verstehen, lohnt es sich, die Reise eines einzelnen Elektrons von seinem Ausgangszustand bis zu seinem Verwendungsort zu begleiten.

Auf dem Dach: Wie Licht im Modul Elektronen in Bewegung setzt

Ausgangspunkt jedes Solarstroms ist der innere photoelektrische Effekt in einer Solarzelle. Die Zelle besteht überwiegend aus hochreinem kristallinem Silizium, einem Halbleiter. In seinem Grundzustand bildet Silizium feste Kristallgitter, in denen alle vier Valenzelektronen der Atome fest in kovalenten Bindungen verankert sind. Es sind keine freien Ladungsträger vorhanden, die einen elektrischen Strom leiten könnten.

Um Bewegung in das Gitter zu bringen, wird das Silizium gezielt mit Fremdatomen verunreinigt, ein Vorgang, den die Halbleiterphysik als Dotierung bezeichnet. Die obere, der Sonne zugewandte Schicht wird mit Phosphor dotiert. Da Phosphor fünf Außenelektronen besitzt, bleibt pro Atom ein Elektron ungebunden und leicht beweglich (n-dotierte Schicht). Die dickere Schicht darunter wird mit Bor versetzt, das nur drei Valenzelektronen besitzt. Hier fehlen Elektronen, wodurch positive Leerstellen oder sogenannte „Defektelektronen“ entstehen (p-dotierte Schicht).

An der Grenzfläche zwischen beiden Schichten, dem p-n-Übergang, diffundieren überschüssige Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht und besetzen die dortigen Löcher. Dadurch baut sich in dieser Raumladungszone ein permanentes inneres elektrisches Feld auf: Die n-Seite lädt sich positiv auf, die p-Seite negativ. Dieses Gleichgewicht blockiert zunächst jede weitere spontane Ladungsbewegung.

Trifft nun ein Lichtquant (Photon) der Sonnenstrahlung auf das Silizium und besitzt mindestens die Bandlückenenergie von rund 1,1 Elektronenvolt, schlägt es ein gebundenes Elektron aus seiner Bindung heraus. Es entsteht ein freies Elektron-Loch-Paar. Das permanente elektrische Feld im p-n-Übergang reißt diese beiden Partner sofort auseinander, bevor sie wieder rekombinieren können: Das freie Elektron wird zur vorderen n-Schicht getrieben, das Loch wandert zur rückseitigen p-Schicht. An den metallischen Kontakten an Ober- und Unterseite der Zelle entsteht eine elektrische Potenzialdifferenz – eine Spannung von etwa 0,6 bis 0,7 Volt pro Zelle. Sobald ein geschlossener Stromkreis existiert, beginnen die gesammelten Elektronen zu wandern.

Der Transportweg: Warum Gleichstrom durch spezielle Solarkabel wandert

Die in einer einzelnen Solarzelle erzeugte Spannung reicht für Haushaltsanwendungen nicht aus. Aus diesem Grund werden in einem Standardmodul typischerweise 60 bis 108 halbierte Solarzellen in Reihe geschaltet, wodurch sich deren Einzelspannungen auf etwa 30 bis 40 Volt Gleichspannung addieren. Auf dem Dach werden wiederum mehrere Module zu Strängen (sogenannten Strings) in Serie verkabelt. Bei 10 bis 20 Modulen pro Strang summiert sich die Gleichspannung auf 300 bis über 800 Volt.

Diese hohe Spannung ist physikalisch beabsichtigt. Nach dem ohmschen Gesetz und der Formel für elektrische Leistung (Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke) sinkt bei höherer Spannung die erforderliche Stromstärke für dieselbe übertragene Energiemenge. Da die thermischen Leistungsverluste in Leitungen quadratisch mit der Stromstärke ansteigen, minimiert die hohe Strangspannung Leitungsverluste auf dem Weg vom Dach nach unten.

Die Elektronen wandern in diesem Abschnitt ausnahmslos in eine einzige Richtung – es handelt sich um reinen Gleichstrom (Direct Current, DC). Um diesen Transport über Jahrzehnte sicherzustellen, kommen spezielle doppelisolierte Solarkabel zum Einsatz. Sie bestehen aus verzinnten Kupferlitzen und einer halogenfreien Ummantelung, die extremer UV-Strahlung, Ozonbelastung und Temperaturwechseln von minus 40 bis über plus 90 Grad Celsius widersteht. Am Eintritt ins Gebäude sorgt ein Gleichstrom-Trennschalter dafür, dass dieser Stromfluss bei Wartungsarbeiten oder im Gefahrenfall mechanisch unterbrochen werden kann.

Das Nadelöhr Wechselrichter: Die Umwandlung in nutzbare Netzspannung

Die Elektronen erreichen das Gebäude als stetiger Gleichstromfluss. Nahezu alle Haushaltsgeräte sowie das Verbundnetz arbeiten jedoch mit Wechselstrom (Alternating Current, AC), bei dem die Ladungsträger periodisch ihre Richtung ändern. In europäischen Netzen geschieht dies mit einer Frequenz von exakt 50 Hertz, also 50 Mal pro Sekunde hin und her, bei einer effektiven Spannung von 230 Volt im einphasigen beziehungsweise 400 Volt im dreiphasigen Drehstromnetz.

Hier kommt der Wechselrichter ins Spiel, das elektrotechnische Herzstück der Anlage. Er erfüllt zwei elementare Aufgaben:

• Maximum Power Point Tracking (MPPT): Die Strom-Spannungs-Kennlinie von Solarmodulen ändert sich permanent mit Sonneneinstrahlung und Temperatur. Der Wechselrichter misst in Millisekundentakten den Arbeitspunkt und passt seinen Eingangswiderstand so an, dass den Modulen stets das mathematische Produkt aus maximaler Spannung und Stromstärke entnommen wird.
• DC-AC-Wandlung: Halbleiter-Leistungsschalter (meist IGBT- oder Siliziumkarbid-Transistoren) in einer Brückenschaltung zerhacken den ankommenden Gleichstrom mit Frequenzen von mehreren zehntausend Hertz. Mittels Pulsweitenmodulation (PWM) und nachgeschalteter Glättungsdrosseln und Filterkondensatoren wird aus den Rechteckimpulsen eine saubere Sinuswelle geformt.

Der Wechselrichter synchronisiert seine erzeugte Sinuswelle mit mikroskopischer Genauigkeit auf Phase, Frequenz und Amplitude des bestehenden Haus- und Verbundnetzes. Seine Ausgangsspannung liegt dabei stets einen winzigen Bruchteil über der Netzspannung, da elektrischer Strom nur bei einem Spannungsgefälle in ein Netz hineinfließen kann.

Die Kreuzung im Hausnetz: Eigenverbrauch vor Netzeinspeisung

Vom Wechselrichter gelangt der frisch gewandelte Wechselstrom über Standard-Installationskabel in den Hausanschluss- und Unterverteilerkasten. An dieser Stelle stellt sich vielen Betreibern die Frage: Woher „weiß“ das Elektron, ob es in den Toaster fließen oder die Straße hinunterwandern soll?

Dahinter steckt kein digitaler Befehl, sondern das erste Kirchhoffsche Gesetz (die Knotenregel) in Verbindung mit dem ohmschen Gesetz. Elektrischer Strom teilt sich an Verzweigungspunkten umgekehrt proportional zu den Widerständen der Leitungswege auf und nimmt den Weg des geringsten elektrischen Widerstands. Schaltet man in der Küche einen Toaster oder eine Kaffeemaschine ein, schließt sich dort ein Stromkreis. Der ohmsche Widerstand des Geräts bietet den Elektronen ein lokales Potenzialsenkental.

Da die Leitungslänge vom Wechselrichter zur heimischen Küchensteckdose nur wenige Meter beträgt, ist der Leitungswiderstand hier verschwindend gering im Vergleich zum Weg über die Hausanschlussleitung, die Straßenerdkabel und den nächsten Ortstransformator. Der lokal erzeugte Strom fließt deshalb ohne jedes Zutun physikalisch erzwungen direkt in die aktiven Verbraucher im Haus. Netzstrom wird erst dann anteilig oder vollständig aus dem öffentlichen Netz nachgezogen, wenn die Leistungsaufnahme der Verbraucher die momentane Erzeugungsleistung des Wechselrichters übersteigt.

Der Puffer: Wann und wie Strom in die Batterie abzweigt

Erzeugen die Solarmodule an einem sonnigen Mittag mehr Leistung, als Kühlschrank, Wärmepumpe oder Haushaltsgeräte zeitgleich verbrauchen können, entsteht ein Energieüberschuss. Existiert im System ein Batteriespeicher, greift dieser die überzähligen Elektronen ab.

Physikalisch wird die elektrische Energie dabei in chemische Bindungsenergie umgewandelt. In gängigen Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch einen flüssigen oder festen Elektrolyten von der Kathode zur Anode, während die über die Ladeelektronik zugeführten Elektronen über den äußeren Stromkreis zur negativen Elektrode fließen und dort in Graphit-Zwischengitterstrukturen eingelagert werden. Bei DC-gekoppelten Speichersystemen geschieht dies noch vor dem Wechselrichter direkt auf der Gleichstromebene; bei AC-gekoppelten Speichern wandelt ein eigener Batteriewechselrichter den Hauswechselstrom zurück in Gleichstrom. Sobald abends die Sonne untergeht und im Hausnetz ein Energiedefizit entsteht, kehrt sich die chemische Reaktion um: Die Ionen fließen zurück, und die gespeicherten Elektronen werden als Wechselstrom wieder in die Stromkreise entlassen.

Die Endstation: Wie Überschüsse die Grenze ins öffentliche Netz passieren

Ist der Batteriespeicher vollständig geladen und deckt die Modulleistung den aktuellen Hausverbrauch vollständig ab, bleibt der physikalische Überschuss bestehen. Die überschüssigen Elektronen verlassen das Hausnetz über die Hauptleitung in Richtung des öffentlichen Niederspannungsnetzes.

An der Grundstücksgrenze durchqueren sie den Zweirichtungszähler. Dieser elektronische Zähler erfasst getrennt, wie viele Kilowattstunden aus dem Verbundnetz bezogen (Zählwerk 1.8.0) und wie viele in das Netz abgegeben wurden (Zählwerk 2.8.0). Physikalisch fließen die Elektronen dabei über das lokale Erdkabelkabelnetz zum nächsten physikalischen Verbraucher – in der Praxis ist das meist der Backofen oder die Waschmaschine des unmittelbaren Nachbarn. Damit schließt sich der übergeordnete Kreislauf: Sonnenenergie, die vor Sekundenbruchteilen ein Elektron auf dem eigenen Ziegeldach angestoßen hat, verrichtet wenige Meter weiter im Ortsnetz reale mechanische oder thermische Arbeit.