Heiß begehrt: Photovoltaik und Solarthermie
Fakten
- Seit wann: 1953
- Bedeutung Photovoltaik: Wortgebilde aus photos, griechisch Licht, und Volt, die Einheit der elektrischen Spannung, benannt nach Alessandro Volta (1745-1827) [1]
- Bedeutung Solarthermie: Wortgebilde aus solar, lateinisch für Sonne, und thermós, griechisch für warm/heiß
- Installierte Photovoltaik-Leistung in Deutschland im Jahr 2022: 67 GW [2]
- Anteil der Photovoltaik an der Bruttostromerzeugung in Deutschland im Jahr 2022: ca. 11 % [3]
- Beitrag von Solarthermie zur Wärmebereitstellung in Deutschland im Jahr 2022: 9.7 TWh [4]
- Anzahl deutscher Solarmodulproduzenten mit inländischer Fertigung (Stand 2023): 9 [5]
- Geplante installierte Photovoltaik-Leistung im Jahr 2030 in Deutschland: 215 GW [6]
- Geplante installierte Photovoltaik-Leistung im Jahr 2030 in der EU: 600 GW [7]
Die Solarenergiebranche verzeichnet in Europa eine rapide Expansion: Im Jahr 2022 wurden rund 40 Gigawatt (GW) an Solarleistung installiert, was einer Steigerung von beinahe 50 Prozent im Vergleich zum Vorjahr 2021 entspricht.[8] Durch diese rasante Zunahme dürfte das Ziel des europäischen Fit-for-55-Plans voraussichtlich bereits im Jahr 2026 erreicht werden.[9] Und der schnelle Ausbau soll weitergehen: Die Solarstrategie der EU sieht eine PV-Kapazität von 600 GW bis 2030 vor.[10]
Als eine der insgesamt acht strategischen Netto-Null-Technologien des geplanten EU Net Zero Industry Act beschäftigt sich dieser Transformationscheck mit Photovoltaik und Solarthermie. Die Transformationschecks sind eine Reihe zur Vorbereitung des Industrieforums 2023 Auf dem Weg zu Net Zero: Technologien für die Transformation am 5. September in Berlin. Erfahren Sie hier mehr zum Industrieforum 2023.
Die Solarzelle in Photovoltaik- und thermischen Solaranlagen
Solarzellen sind die grundlegenden Bausteine, aus denen Photovoltaik-Anlagen bestehen. Eine Solarzelle ist ein Halbleiterbauelement, das in der Lage ist, Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Wenn Lichtpartikel auf die Oberfläche einer Solarzelle treffen, wird ein Teil der Lichtenergie im Halbleitermaterial, das oft aus Silizium besteht, absorbiert. Diese Absorption führt dazu, dass Elektronen in den Atomen des Halbleitermaterials Energie aufnehmen und sich von ihren normalen Positionen im Atomgitter lösen. Das Resultat sind Elektron-Loch-Paare, bei denen ein Elektron (negativ geladen) und ein Loch (positiv geladen) entstehen.
Aufgrund der elektrischen Potenzialdifferenz im Halbleitermaterial bewegen sich Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen. Die Elektronen bewegen sich zur negativ geladenen Elektrode (Kathode), während die Löcher zur positiven Elektrode (Anode) wandern. Durch diese Bewegung der Ladungsträger wird elektrischer Strom erzeugt. Der erzeugte Gleichstrom aus den Solarzellen wird durch Wechselrichter der Photovoltaik-Anlagen in Wechselstrom umgewandelt, der für den Hausgebrauch oder die Einspeisung ins Stromnetz geeignet ist. Der so erzeugte Wechselstrom kann in das örtliche Stromnetz eingespeist werden, um den Strombedarf von Haushalten oder Unternehmen zu decken.
Im Gegensatz dazu erzeugt eine Solarthermieanlage warmes Wasser durch die Nutzung von Sonnenenergie. In diesem Verfahren trifft das Sonnenlicht auf Röhren mit einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Das Wasser wird erhitzt und durch einen Wärmetauscher transportiert, um es dann ins Heizungssystem des Gebäudes einzuspeisen.[11] In der Industrie wird das erwärmte Wasser zum Beispiel für Reinigungs- und Trocknungsprozesse sowie Herstellungsprozesse in der chemischen Industrie genutzt.[12]
Die Energie der Sonne ist unerschöpflich
Die Nutzung von Solarenergie bietet eine Vielzahl von bedeutenden Vorteilen:
- Umweltfreundlichkeit: Solarenergie ist eine saubere Energiequelle, die keine schädlichen Emissionen von Treibhausgasen oder Luftschadstoffen bei der Energieerzeugung verursacht.
- Unerschöpfliche Ressource: Die Energie der Sonne, die auf die Erde trifft, hat das Potenzial, den gesamten globalen Energiebedarf zu decken.[13] Dadurch steht Solarenergie langfristig zur Verfügung und reduziert die Abhängigkeit von begrenzten fossilen Brennstoffen.
- Dezentrale Energieerzeugung: Solarenergie ermöglicht eine dezentrale Erzeugung, da Solaranlagen auf Dächern von Gebäuden, auf Freiflächen und in ländlichen Gebieten installiert werden können. Dies fördert die Unabhängigkeit von zentralisierten Stromerzeugungssystemen.
- Investitionskosten: Die Kosten für Photovoltaikanlagen betragen in Deutschland aktuell im Durchschnitt etwa zwischen 1.400 und 2.000 Euro pro Kilowatt Leistung.[14] Diese Kosten sind im Vergleich zu anderen Anlagen für erneuerbare Energien relativ niedrig: Biogasanlagen können beispielsweise Investitionskosten von bis zu 10.000 Euro pro Kilowattstunde haben.[15]
- Betriebskosten: Nach der Installation sind die Betriebs- und Wartungskosten von Solarsystemen im Vergleich zu traditionellen Stromquellen relativ gering. Laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE liegen die jährlichen Betriebskosten eines PV-Kraftwerks bei ca. 1-2 % der Investitionskosten.[16] Zum Vergleich: Elektrolyseure haben hohe variable Betriebskosten, die von den Kosten des verwendeten Stroms dominiert werden.[17]
- Schaffung von Arbeitsplätzen: Die Solarenergiebranche bietet vielfältige Arbeitsmöglichkeiten in Bereichen wie Forschung, Entwicklung, Produktion, Installation, Wartung und Vertrieb von Solartechnologien. Im Jahr 2021 waren 58.500 Beschäftigte im Bereich Solarenergie tätig.[18]
Die Solarenergie bietet somit eine vielfältige Palette von Vorteilen, die sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Aspekte berücksichtigen und langfristig zu einer nachhaltigen Energiezukunft beitragen können.
Ohne Sonne keine Energie
Die Implementierung von Photovoltaikanlagen birgt trotz ihrer zahlreichen Vorteile auch einige nachteilige Aspekte:
- Variabilität der Sonneneinstrahlung: Photovoltaik- und Solarthermie-Anlagen sind stark abhängig von Sonneneinstrahlung und Witterungsbedingungen, was zu einer intermittierenden Energieerzeugung führt. Dies erfordert die Nutzung von Energiespeichersystemen oder Backup-Quellen, um die Stromversorgung bei niedriger oder fehlender Sonneneinstrahlung aufrechtzuerhalten.
- Flächenbedarf: Große Photovoltaikanlagen benötigen ausgedehnte Flächen, um eine signifikante Energieerzeugung zu gewährleisten. Dies kann zu Konflikten mit landwirtschaftlicher Nutzung oder anderen Landanforderungen führen. Hier kann Agri-Photovoltaik – die gleichzeitige Nutzung von Flächen für die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion und die Stromproduktion – eine Lösung aufzeigen.[19]
- Herstellung und Entsorgung: Die Produktion von Solarzellen erfordert den Einsatz von Ressourcen wie Silizium. Die Produktion von Silizium ist durch einen hohen Strom- und Wasserbedarf, Reduktionsmaterialien wie Kohle sowie weiteren Emissionen wie Stickoxiden und Feinstaub schädlich für die Umwelt. An nachhaltigeren Alternativen wird bereits geforscht.[20] Auch die Entsorgung von nicht mehr funktionsfähigen Modulen kann Herausforderungen im Zusammenhang mit Elektroschrott und Recycling darstellen.[21]
- Netzintegration und Netzstabilität: Die Integration einer großen Anzahl von Photovoltaikanlagen ins Stromnetz erfordert eine sorgfältige Netzplanung, um die Stabilität und Zuverlässigkeit des Stromnetzes aufrechtzuerhalten.
Ausblick
Als emissionsfreie und unerschöpfliche Energiequelle ist die Solarenergie ein zentraler Pfeiler der Energiewende. Photovoltaik und Solarthermie sind maßgebliche Net Zero-Technologien. Der Net Zero Industry Act soll den Weg für einen schnellstmöglichen Ausbau der Produktionskapazitäten ebnen. Die Ziele sind hochgesteckt. Gleichzeitig ist die Solarindustrie häufig von Problemen in den Lieferketten sowie gestiegenen Finanzierungskosten betroffen. Von 2019 bis 2023 verzeichneten europäische Solarprojekte eine Kostensteigerung von 15 Prozent.[22]
Solarenergie wird in Zeiten verminderten Energiebedarfs oft aus dem Netz genommen, teilweise zugunsten der klima- und umweltschädlichen Kohleverstromung. Die Rentabilität von Solaranlagen kann durch die Anfälligkeiten der Stromnetze für Überbelastung, die begrenzte Systemflexibilität sowie schwankende Preise negativ beeinflusst werden und somit die Investitionsbereitschaft verringern.[23] Um die Solarenergie besser nutzbar zu machen, müssen daher Marktmechanismen und politische Stellschrauben aufeinander abgestimmt werden.
Quelle: IEA[24]