Degradation Photovoltaik: So bleibt deine Solaranlage wirtschaftlich

• Definition: Solarzellen unterliegen einem natürlichen Alterungs- und Verschleißprozess. Dadurch kommt es zu einem allmählichen Leistungsverlust – der Degradation. 
• Formen: Es gibt unterschiedliche Formen der Degradation in der Photovoltaik. Sie sind je nach Zell-Technologie unterschiedlich stark ausgeprägt. 
• Betroffene Module: Degradation beeinflusst sowohl Solarstrommodule als auch Solardachziegel.
• Auswirkungen hat die Degradation auf die Wirtschaftlichkeit der Solaranlage: Aufgrund der nachlassenden Leistungsfähigkeit der Solarzellen amortisiert sich die Anlage erst zu einem späteren Zeitpunkt. Wirtschaftlich ist die Investition in eine Solaranlage dennoch.
• Garantie: Degradation ist kein Grund für eine Reklamation oder Garantieansprüche. Leistungsgarantien von Herstellern sind freiwillig und sichern die Hersteller entsprechend ab.

Degradation in der Photovoltaik (auch: Degradation PV Module oder Degradation PV Anlage) ist der allmähliche Leistungsverlust von Solarzellen und -modulen, der durch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, UV-Strahlung und Temperaturschwankungen verursacht wird. Dieser natürliche Alterungsprozess, der üblicherweise 0,5 bis 1 Prozent pro Jahr beträgt, beeinflusst die Menge des erzeugten Solarstroms und ist ein wichtiger Faktor bei der Beurteilung der langfristigen Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage. Da es sich um einen fortlaufenden Prozess handelt, wird auch von einer Langzeitdegradation gesprochen.

Die Degradation kann je nach Zelltyp, Umweltbedingungen und Qualität der Komponenten variieren. Das Degradationsverhalten der Solarzellen zeigt sich in zwei Formen:

• Einmaleffekt, der direkt nach der Installation der Solaranlage auftritt, wenn zum ersten Mal Lichtstrahlen auf die Solarzellen treffen.
• Da die erstmalige Bestrahlung mit Licht die Anfangsdegradation auslöst, wird diese auch Lichtinduzierte Degradation (LID) genannt.
• Der Leistungsabfall stabilisiert sich nach einem gewissen Zeitraum und hat danach keinen Einfluss mehr auf die Zellleistung. 
• Der Effekt ist zumeist bereits bei der Nennleistung von Solarlösungen berücksichtigt. Heißt: Die im Datenblatt ausgewiesene Leistung der Solarzellen wird unter Einberechnung der erwarteten Anfangsdegradation erreicht. Die Anlage erbringt zum Installationszeitpunkt also eine höhere Leistung als im Datenblatt ausgewiesen.
• Betrifft sowohl kristalline Solarzellen, als auch amorphe Zellen (Dünnschicht-Technologie / Degradation Dünnschichtmodule), wobei Dünnschicht-Zellen deutlich stärker als kristalline Solarzellen betroffen sind. Der Leistungsverlust dort beträgt bis zu 25 Prozent für die ersten 1.000 Betriebsstunden.

• Betrifft insbesondere Solarzellen aus kristallinem Silizium.
• Tritt aufgrund von Spannungsunterschieden zwischen geerdeten Aluminiumrahmen und den Solarzellen in den Modulen auf.
• Solardachziegel sind aufgrund des fehlenden Metallrahmens trotz kristalliner Zellen nicht so anfällig für potentialinduzierte Degradation (PID).
• Der Effekt der PID führt zu einer Bewegung von Ladungsträgern in den Modulen, was sich wiederum vor allem bei schwachem Licht (Einstrahlungen unter 1.000 W/m2) negativ auf die Leistungsfähigkeit der Module auswirkt.
• Verschiedene Faktoren, wie verwendete Materialien, Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Zelltyp, entscheiden darüber, wie stark die Schädigung ausfällt.
• PID tritt vor allem dann auf, wenn Solarmodule in einer feuchten Umgebung und bei hohen Systemspannungen betrieben werden.

Solarzellen unterliegen – wie alles im Leben – einem natürlichen Alterungsprozess:

• Hauptursache Alterung Photovoltaikmodule: Verhärtungen im Halbleitermaterial.
• Entstehen vor allem durch starke Temperaturschwankungen:
  • Im Sommer kann die Temperatur in Solarmodulen bis zu 70 °C erreichen. Bei einem plötzlichen Wetterumbruch, wie etwa einem Sommergewitter, kühlen die Module schnell ab, was zur Bildung von kristallinen Verhärtungen führt.
• Diese Verhärtungen drosseln den Elektronenfluss und führen so zu einer stetigen Minderung des Ertrages.
• Weitere Belastungen von Solarzellen verursachen Moduldegradation:
  • UV-Strahlung, 
  • Regen, 
  • Schnee, 
  • Frost,
  • Hagel und
  • andere mechanische Belastungen wie z. B. (falsches) Betreten der Module.

Nicht nur die Solarzellen nutzen sich im Laufe der Jahre ab, auch andere Anlagenkomponenten sind von Altersschwäche betroffen. Beispielsweise Wechselrichter. Abhängig vom Installationsort liegt seine Lebensdauer bei 10 bis 15 Jahren. Unter Berücksichtigung einer ungefähren Solaranlagen-Lebensdauer von 30 Jahren muss der Wechselrichter also wenigstens einmal ausgetauscht werden, um weiterhin zuverlässig Strom zu erzeugen und einzuspeisen. 

Degradation ist Degradation – egal, ob Solarmodul oder Solardachziegel. Allerdings kann die Ausprägung der Degradation zwischen Solarstrommodul und Solardachziegeln unterschiedlich stark sein. Solardachziegel sind anders aufgebaut als klassische Solarmodule. Sie werden nicht auf dem Dach installiert, sondern bilden die Dacheindeckung. Dadurch unterscheidet sich beispielsweise die Art, wie Wärme abgeleitet wird. Eine bessere Wärmeableitung kann die Lebensdauer von Solarzellen verlängern bzw. den Effekt der Degradation dämpfen. Auch die Intensität, mit der Solarzellen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, wirkt sich auf die Degradation aus, ebenso die Wahl der eingesetzten und verwendeten Materialien. Oder die Art und Weise, wie die Solardachziegel geschaltet sind. Die Solardachziegel des Herstellers Autarq werden beispielsweise parallel verschaltet und nicht in Reihe, so dass die potentialinduzierte Degradation weniger problematisch für diese Solardachziegel ist. Grundsätzlich lässt sich aber festhalten, dass Solardachziegel ebenso wie Solarmodule einer PV-Degradation unterliegen. 

Die Auswirkungen der Degradation Solarzellen sind weniger gravierend, als oft angenommen. Der Amortisationszeitpunkt einer Anlage verschiebt sich durch den Leistungsverlust der Anlage zwar etwas nach hinten – wirtschaftlich sind Solarmodule und Solardachziegel aber trotzdem. Zumal sowohl Solardachziegel als auch klassische Solaranlagen nicht nach 20 Jahren schlagartig den Betrieb einstellen und aufhören, sauberen Sonnenstrom zu erzeugen. 

Nachfolgend betrachten wir zwei vereinfachte Ansätze zur Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage unter Berücksichtigung der PV-Degradation. Unsere Referenzanlage dafür: Ein Reihenendhaus mit Süd-West-Ausrichtung, einer Gaube sowie einer nutzbaren Dachfläche von 100 qm (50 qm je Dachseite). Nach einer Komplettsanierung wird das Dach neu mit Solardachziegeln eingedeckt. Mit dem Autarq-Konfigurator ergibt sich hierfür eine mögliche Anlagengröße von 9,6 kWp und eine jährliche Stromerzeugung von 7.463,54 Kilowattstunden Solarstrom.

Für den Vergleich betrachten wir 20 Jahre Laufzeit mit Volleinspeisung ohne Degradation sowie mit einer eher unwahrscheinlichen Degradation Photovoltaik Module von 1 Prozent im Jahr.

Die vereinfachte Rechnung zeigt: Bei einer Degradation von 1 Prozent im Jahr liegt der Unterschied in der erhaltenen Einspeisevergütung auf 20 Jahre betrachtet bei 1.500 € bzw. bei 13.365 Kilowattstunden weniger Solarstrom. 

Statt 100 Prozent Solarstrom wie in der vorangegangenen Rechnung werden in diesem Modell nur 40 Prozent eingespeist. Die restlichen 60 Prozent werden direkt am Erzeugungsort verbraucht. Dieser Ansatz ist realistischer und sinnvoller für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer Anlage, da die Einspeisevergütung mittlerweile nicht mehr so hoch ist wie noch zur Einführung der Solarförderung. Ein weiterer Punkt, der für einen hohen Eigenverbrauchsanteil insbesondere für Privatpersonen spricht: Die steigenden Preise für Strom aus dem Netz.

Bei einer Degradation PV von 1 Prozent im Jahr liegt der Unterschied zwischen einer hypothetischen Anlage ohne Degradation und einer mit Degradation bei aufgerundet 3.670 €. 

Erfahrungen zeigen übrigens, dass Solaranlagen nach 20 Jahren zwar weniger leistungsfähiger sind als zum Installationszeitpunkt, aber dennoch 30 Jahre und länger zuverlässig Solarstrom produzieren. Insbesondere hochwertige Solardachziegel sind, wie ihr Ziegel-Pendant ohne Solarzellen, darauf ausgelegt, ein Dach für 30 Jahre und mehr zu decken – und Strom zu produzieren. Übrigens ein großer Vorteil von Solardachziegeln gegenüber klassischen Solarstrommodulen: Zeigen sich bei einzelnen Solardachziegeln irgendwann Alterserscheinungen, können die betroffenen Ziegel unkompliziert ohne großen (Kosten-)Aufwand ausgetauscht werden. 

Die meisten Hersteller von Solarmodulen oder Solardachziegeln geben Käufer:innen eine sogenannte Leistungsgarantie. 

• Zusicherung einer Mindestleistung der Solarzellen nach einer bestimmten Nutzungsdauer.
• Greift nur, wenn die Leistungsverminderung eindeutig auf eine Degradation der Solarzellen zurückzuführen ist.
• Nicht abgedeckt sind Beschädigungen, Installationsfehler oder Verschmutzungen.

Zugesagte Anlagenleistung für Solarzellen:

• 80 Prozent Leistung nach 25 Jahren ist die am häufigsten angebotene Garantie.
• Einige Hersteller bieten eine lineare Garantie über 30 Jahre an, bei der ein jährlicher Leistungsverlust der Solarmodule von 0,5 bis 0,7 Prozent angenommen wird.
• Untersuchungen zeigen, dass der Leistungsverlust meist zwischen 10 und 13 Prozent über 30 Jahre liegt – deutlich über dem, was als Maximalleistung von Herstellerseite aus angegeben wird.

Doch wie so oft, lohnt sich auch im Bezug auf die Leistungsgarantie ein Blick ins Kleingedruckte: Da es sich bei der Leistungsgarantie um eine freiwillige Leistung handelt, entscheidet der Hersteller frei über die Formulierung und Festlegung der Garantiebedingungen. Sie greift beispielsweise nur, wenn die Leistungsminderung auch wirklich auf eine Degradation der Solarzellen zurückgeht – was für Hausbesitzer:innen und private Anlagenbetreiber:innen nicht so einfach nachzuweisen ist und in der Regel mit Kosten einhergeht. Zudem kann in den Garantiebedingungen festgehalten sein, dass der Hersteller im Garantiefall nur einen anteiligen Restwert erstattet. Wieder andere Hersteller nehmen Anlagenbetreiber:innen in die Pflicht und verlangen, dass diese die für die Garantieabwicklung anfallenden Kosten übernehmen. In diesem Fall ist die Leistungsgarantie durch den Hersteller für Endverbraucher:innen tatsächlich nutzlos und nichts als Augenwischerei.

Um negative Auswirkungen der Photovoltaik-Degradation möglichst zu reduzieren, können Anlagenbetreiber verschiedene Maßnahmen umsetzen:

• Clevere Anlagenplanung: Für möglichst viel Ertrag sollte die Anlage im Vorfeld bereits vorausschauend geplant werden. Hierbei spielen Sonnenstunden, mögliche Verschattungen, Neigungswinkel des Daches und die Lage des Objektes eine wichtige Rolle. 
• Materialwahl: Neben einer durchdachten Planung ist die Material- und Herstellerwahl entscheidend für die Langlebigkeit der Solaranlage. Hochwertige Materialien und Komponenten widerstehen Umwelteinflüssen besser und haben meist eine längere Lebensdauer. Hier zahlt sich die höhere Investition in einen Qualitätsanbieter langfristig aus. 
• Gutes Temperaturmanagement: Je besser die Wärme abgeleitet werden kann, umso besser für die Solaranlage. Überhitzung kann die Bildung kristalliner Verhärtungen und damit die Degradation beschleunigen. 
• Schutz gegen Umwelteinflüsse: Mechanische Belastungen, Feuchtigkeit und Verschmutzungen setzen der Anlage auf Dauer zu. Maßnahmen dagegen können helfen, die Anlagenleistung aufrechtzuerhalten.
• Regelmäßiges Monitoring: Eine kontinuierliche Überwachung der Anlage hilft, rechtzeitig Probleme zu identifizieren und gegenzusteuern.

Mit diesen Maßnahmen können Anlagenbetreibende und Hausbesitzende die Leistungsfähigkeit ihrer Solaranlage effektiv überwachen:

• Stromzähler ablesen:
  • Günstigste Methode
  • Regelmäßiges Notieren und Vergleichen der Zählerstände
• Datenlogger einsetzen:
  • Weniger Aufwand als manuelles Ablesen
  • Automatisches Erfassen und Speichern verschiedener Kennwerte der Anlage
  • Einfache Auswertung über eine App, zugänglich von überall und jederzeit
• Wechselrichter mit Display installieren:
  • Bereitstellung von Anlagendaten direkt am Gerät
  • Bietet Anlagenbetreibern einen direkten Überblick über die Leistung
• Regelmäßige Wartung durchführen:
  • Entdeckung und Behebung von Schwachstellen wie Verschmutzungen oder Verschattungen
  • Besonders wichtig für klassische PV-Anlagen zur Erhaltung der Performanz
• Besonderheit bei der Wartung von Solardachziegeln:
  • Deutlich geringerer Wartungsbedarf
  • Allgemein weniger störanfällig im Vergleich zu klassischen PV-Anlagen

In den vergangenen Jahren wurden Solardachziegel wie auch Solarmodule konsequent weiterentwickelt. Nicht nur die Effizienz von Solarzellen ist spürbar gestiegen, so dass auf der gleichen Fläche mehr Solarstrom erzeugt werden kann. Solarprodukte insgesamt konnten durch Optimierungen in der Produktion und im Herstellungsprozess laufend verbessert werden. Sei es ein effizienteres Schwachlichtverhalten, robustere Eigenschaften gegenüber Wind und Schnee oder eine verbesserte Wärmeableitung. Hersteller haben zudem bereits Maßnahmen innerhalb des Produktionsprozesses entwickelt und eingeführt, um auch die potentialinduzierte Degradation ihrer Produkte zu minimieren. Wir können mit gutem Gewissen davon ausgehen, dass die nächsten Generationen Solardächer noch länger sauberen Solarstrom erzeugen werden, als ihre Vorgänger.