kWh und kWp: ihre Bedeutung für den Ertrag von Photovoltaikanlagen

Die elektrische Leistung – die beispielsweise ein Haushaltsgerät erbringen kann – wird in Watt gemessen. Die tatsächliche Menge an Strom, die dabei verbraucht wird, beziffert man hingegen in Wattstunden bzw. Kilowattstunden (kWh). Dabei handelt es sich um die Einheit für elektrische Energie bzw. Arbeit. Eine Kilowattstunde entspricht 1.000 Wattstunden. 

Die Einheit kWh wird auch genutzt, um erzeugten Strom zu messen, wie es bei einer Photovoltaikanlage der Fall ist. Auch hier handelt es sich schließlich um eine Energiemenge. Die Leistung von Photovoltaikanlagen wird jedoch auch anders angegeben als zum Beispiel die Leitung eines Fernsehers oder Toasters. Während hier von Watt oder Kilowatt gesprochen wird, gibt es für PV-Anlagen eine eigens geschaffene, nicht normierte Einheit: Kilowatt-Peak, kurz kWp.

Die Bedeutung von kWp für Photovoltaik

Was ist kWp genau und warum wird die Leistung von Photovoltaik nicht einfach ebenfalls in Watt bzw. Kilowatt angegeben? Das liegt daran, dass die Leistung einer Photovoltaikanlage (beziehungsweise eines Solarmoduls oder gar einer einzelnen Solarzelle) nicht immer konstant ist. Ein Föhn oder ein Staubsauger arbeiten in aller Regel sehr gleichmäßig, doch bei Photovoltaikanlagen ist die Leistung abhängig von verschiedenen Umgebungsbedingungen:

1. Sonneneinstrahlung: Bereits innerhalb Deutschlands gibt es Standorte, die über das Jahr betrachtet mehr bzw. weniger Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Weltweit betrachtet sind die Unterschiede noch viel größer.
2. Einfallswinkel: Der größte Ertrag wird erzielt, wenn das Sonnenlicht im rechten Winkel auf die Solarzellen trifft. In der Realität ist das jedoch nur selten und nur während der Mittagszeit der Fall.
3. Temperatur: Solarzellen arbeiten unter hohen Temperaturen weniger effizient. Heizen sie sich zu stark auf, verringert sich der Ertrag der Anlage.

Um Photovoltaikanlagen dennoch vergleichen zu können, wurde die Einheit Kilowatt-Peak (kWp) geschaffen. Sie gibt die theoretische, größtmögliche Leistung an, die unter genormten Bedingungen erreicht werden kann. So lassen sich beispielsweise die Kosten für PV-Anlagen pro kWp vergleichen. 

Die sogenannten Standard-Testbedingungen (STC für engl. „Standard Test Conditions“) geben an, unter welchen Bedingungen die Nennleistung von Photovoltaik in kWp ermittelt wurde. Zu diesem Zweck werden die drei oben erwähnten Umgebungsbedingungen genormt:

1. Sonneneinstrahlung: Ein Solarmodul wird einer Sonneneinstrahlung von 1.000 Watt pro Quadratmeter (W/m²) ausgesetzt. Damit diese Sonneneinstrahlung erreicht wird, muss die Luftmasse 1,5 betragen.
2. Luftmasse: Die Luftmasse gibt ein Verhältnis zwischen Weglängen an. Steht die Sonne im Zenit und das Sonnenlicht fällt senkrecht auf die Erdoberfläche, beträgt die Luftmasse 1,0. Im Durchschnitt ist der Weg, den das Sonnenlicht zurücklegen muss, aber deutlich länger. Unter STC geht man daher von einer Luftmasse von 1,5 aus.
3. Temperatur: Unter Standard-Testbedingungen wird die Nennleistung bei einer Temperatur der Solarzellen von 25 Grad Celsius ermittelt.

Die gemessene Nennleistung nach STC kann dem Datenblatt eines Solarmoduls entnommen werden. Daneben gibt es jedoch noch ein zweites Verfahren, um die Nennleistung von Solarmodulen zu beschreiben, das zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die unter NOCT-Bedingungen (engl. Normal Operating Cell Temperature = normale Zellbetriebstemperatur) gemessene Leistung erlaubt eine realistischere Einschätzung des tatsächlichen Ertrags. Das Standard-Verfahren leistet aber weiterhin gute Dienste, wenn es darum geht, Photovoltaik-Kosten pro kWp zu vergleichen.

Die NOCT-Bedingungen zur Ermittlung der kWp

Kritik an den Standard-Testbedingungen wurde insbesondere deshalb laut, weil Solarmodule im Betrieb deutlich wärmer als 25 Grad Celsius werden können. Auch die Sonneneinstrahlung wurde angepasst. So ergeben sich für die Ermittlung der Nennleistung folgende Kriterien:

1. Sonneneinstrahlung: Die Sonneneinstrahlung der Testbedingungen wurde reduziert – es wird mit 800 W/m² gearbeitet.
2. Luftmasse: Die Luftmasse liegt unverändert bei 1,5.
3. Temperatur: Die Temperatur wurde deutlich angehoben – unter NOCT-Bedingungen geht man von einer Temperatur der Solarzellen von 45 Grad Celsius aus.

Beide Verfahren haben weiterhin ihre Berechtigung: die STC zum eindeutigen Vergleich der Nennleistung in kWp, die NOCT-Bedingungen zum Abschätzen des möglichen Ertrags.

Bei kWp und kWh handelt es sich um unterschiedliche physikalische Einheiten. Daher ist es nicht möglich, kWp direkt in kWh umzurechnen. Allerdings lässt sich zumindest annähernd ermitteln, wie viel Strom beispielsweise eine 10-kWp-Anlage produziert: Pro Kilowatt-Peak Nennleistung kann hierzlande durchschnittlich mit einem Stromertrag von etwa 1.000 Kilowattstunden im Jahr gerechnet werden.

Achtung: Diese Faustregel 1 kWp = 1.000 kWh gilt für Standorte in Deutschland – in anderen Regionen kann die Sonneneinstrahlung deutlich abweichen und das Ergebnis daher anders ausfallen. Selbst innerhalb Deutschlands gibt es Unterschiede: Abweichungen von 100 bis 200 Sonnenstunden pro Jahr und 100 bis 200 W/m2 Sonneneinstrahlung je nach Standort sind nicht ungewöhnlich, was sich selbstredend auf die Erträge auswirkt. Tendenziell ist die Sonneneinstrahlung im Süden Deutschlands höher als im Norden.

Beispiel für die Umrechnung von kWp in kWh

Eine Photovoltaikanlage hat eine Nennleistung von 8 kWp. Diese Zahl muss lediglich mit 1.000 multipliziert werden. Das ergibt einen ungefähren Ertrag von 8.000 Kilowattstunden im Jahr. Nach demselben Prinzip können auch die Erträge von Solarmodulen berechnet werden. Ein Modul mit einer Leistung von 400 Watt-Peak liefert etwa 400 Kilowattstunden Strom pro Jahr. Um 8.000 Kilowattstunden Strom jährlich zu produzieren, werden also 20 Solarmodule mit dieser Leistung benötigt.

Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass ein Ertrag von 8.000 kWh nicht mit dem Strom gleichzusetzen ist, der tatsächlich zur Deckung des Stromverbrauchs genutzt wird. Das liegt daran, dass das Erzeugungsprofil und das Verbrauchsprofil eines Haushaltes in der Regel nicht zusammenfallen: So wird zur Mittagszeit häufig Strom im Überschuss produziert, während in den Abend- und Nachtstunden nicht genug Solarstrom zur Verfügung steht. Das wirkt sich erst einmal nachteilig auf den Eigenverbrauch aus.

Üblich ist bei Photovoltaikanlagen auf Ein- oder Zweifamilienhäusern ein Eigenverbrauch an Solarstrom von etwa 25 bis 30 %. Mittels Energiemanagement, eines Stromspeichers oder anderer Maßnahmen lässt sich diese Zahl auf 70 bis 80 % steigern. Für das Rechenbeispiel bedeutet das:

• 30 % Eigenverbrauch bei 8.000 kWh Ertrag: ca. 2.400 kWh Strom werden im Haushalt genutzt
• 75 % Eigenverbrauch bei 8.000 kWh Ertrag: ca. 6.000 kWh Strom werden im Haushalt verbraucht

Die Kosten für gut geplante Photovoltaikanlagen amortisieren sich lange vor dem Ende ihrer Lebensdauer. Je höher der Eigenverbrauch, desto kürzer ist die Zeit bis zur vollständigen Amortisation. 

Anhand der kWp-Zahl kann der ungefähre Ertrag einer Anlage in kWh abgeschätzt werden. Die richtige Dimensionierung ist wichtig, denn zu große Anlagen gehen mit zu hohen Kosten einher – und produzieren Strom, der gegen eine kleine Vergütung ins öffentliche Netz eingespeist wird. Zu kleine Anlagen wiederum rentieren sich nicht, weil die Kosten pro kWp verhältnismäßig hoch sind und sie keinen relevanten Beitrag zur Selbstversorgung mit günstigem PV-Strom leisten.

Grundsätzlich gilt: Eine PV-Anlage sollte mindestens rechnerisch den Bedarf decken können. Wer also einen Strombedarf von 4.000 kWh im Jahr hat, braucht mindestens eine 4 kWp-Anlage. Ökonomisch betrachtet wird die Anlage umso günstiger, je größer sie ist, denn die Module machen nur einen Teil der Kosten aus. Weitere Kosten wie Einrüstung oder Anfahrt fallen unabhängig von der Größe der Anlage an, die benötigten Arbeitsstunden steigen nicht proportional zur Anzahl der Module an. 

Zusammenfassend lässt sich feststellen: Für die korrekte Dimensionierung der PV-Anlage können die Angaben in kWp und kWh nur eine grobe erste Orientierung geben. Mithilfe eines Photovoltaik-Rechners lässt sich der mögliche Ertrag am Standort genauer berechnen. Letztendlich sollte die Planung jedoch immer in den Händen einer qualifizierten Fachkraft liegen.