Sonnige Zeiten

2020 wurden in China knapp 50 Gigawatt Photovoltaikleistung neu installiert – ein Zubau von 25 Prozent. Auch in anderen Ländern stehen die Signale auf Wachstum, zum Beispiel in Japan, Indien und den USA. Weltweit summierte sich die installierte Leistung Ende 2020 auf mehr als 700 Gigawatt, davon entfiel über ein Drittel auf China.

Ein Grund für das steigende Interesse an der Solarenergie sind die stetig sinkenden Kosten für neue Anlagen – und damit für die Erzeugung von Sonnenstrom. Fallende Preise für die Aufbereitung des Rohstoffs Silizium tragen dazu ebenso bei wie eine vereinfachte Herstellungstechnik, höhere Wirkungsgrade und der sogenannte Skaleneffekt: Wächst die Zahl der produzierten Solarmodule, verringern sich die Kosten der Fertigung pro Zelle oder Modul. In den letzten zehn Jahren fielen dadurch die Investitionskosten für neue Photovoltaikanlagen um rund 75 Prozent – das sind im Schnitt 12 Prozent pro Jahr.

Konkurrenzfähige Kosten

In Deutschland liegen die Kosten für das Erzeugen einer Kilowattstunde Solarstrom derzeit bei etwa 10 Cent pro Kilowattstunde bei kleinen Anlagen auf dem Dach und bei drei bis fünf Cent bei großen Solarparks mit mehreren Megawatt installierter Leistung. Damit betragen die Kosten für Sonnenstrom nur einen Bruchteil der gesamtgesellschaftlichen Kosten für Strom aus Braunkohle von rund 22 bis 24 sowie Kernkraft von rund 25 bis 38 Cent pro Kilowattstunde, wie Harry Wirth betont. Der Bereichsleiter Photovoltaik, Module und Kraftwerke am Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat die aktuellen Fakten zur Photovoltaik in Deutschland in einem umfangreichen Dokument zusammengefasst. Zu den gesamtgesellschaftlichen Kosten rechnet der Wissenschaftler auch Kosten für Umwelt- und Klimaschäden, die durch Abbau und Verbrennung von Kohle entstehen. Diese Kosten sind in den Marktpreisen für elektrischen Strom nicht berücksichtigt, sondern müssen letztlich von der gesamten Gesellschaft getragen werden.

Photovoltaikstrom aus sonnenreichen europäischen Regionen wie Spanien oder Portugal kostet sogar teils kaum mehr als ein Cent pro Kilowattstunde. Er ist damit weitaus preiswerter als elektrische Energie aus anderen Quellen. Strom aus Sonnenlicht ist also konkurrenzfähig geworden. Ein klarer Hinweis darauf ist auch, dass selbst im weniger sonnenverwöhnten Deutschland inzwischen mehrere Solarparks ohne Unterstützung durch das EEG errichtet worden sind.

Den Anfang hat EnBW 2020 mit dem Bau des 187-Megawatt-Photovoltaik Kraftwerks bei Werneuchen gemacht. Bis vor ein paar Jahren wäre ein so ambitioniertes Projekt wegen der teuren Solartechnik ohne öffentliche finanzielle Hilfe undenkbar gewesen.

Künftig winken weitere Fortschritte durch andere Techniken und Werkstoffe. Ein Beispiel dafür sind Dünnschichtsolarzellen, bei denen die für die Umwandlung von Licht in elektrische Energie verwendeten Materialien nur wenige Mikrometer dünn sind. Sie werden im Vakuum auf eine Unterlage aufgedampft und präpariert. Das Verfahren ist einfacher als die bisher bei den meisten kommerziellen Solarzellen übliche aufwendige Bearbeitung von Silizium-Kristallen. Zudem wird weit weniger Material benötigt, was zusätzliche Kosten spart. Allerdings können sich Dünnschichtsolarzellen bislang beim Wirkungsgrad noch nicht mit herkömmlichen Silizium-Zellen messen.

Zellen im Doppelpack

Anders ist das bei Tandem- oder Mehrfachsolarzellen: Sie bestehen aus zwei oder mehr übereinandergestapelten Zellen aus verschiedenen Materialien. Das Sonnenlicht durchdringt beide Unterzellen, wobei jeweils ein Teil des Lichts in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Clou: Werden die verwendeten Werkstoffe geschickt gewählt, ergänzen sich die spektralen Empfindlichkeiten der beiden kombinierten Zellen. So ist Silizium besonders gut geeignet für rotes und infrarotes Licht, während es Licht anderer Frequenzen deutlich weniger effizient in elektrischen Strom umwandelt. Das lässt sich in einer Tandemsolarzelle durch ein zweites Material korrigieren. Als aussichtsreich dafür gelten beispielsweise Perowskite: kristalline Materialien mit einer besonderen atomaren Struktur.

An Tandemsolarzellen, die Silizium und Perowskit-Kristalle in sich vereinen, forschen unter anderem Wissenschaftler am ISE und am Helmholtz-Zentrum Berlin für Energie und Materialien (HZB). Dort hält ein Team um den Physiker Steve Albrecht derzeit den Weltrekord beim Wirkungsgrad solcher Kombizellen: Die Effizienz der Energiewandlung beträgt hier 29,15 Prozent.

Noch effektiver kann die Stromerzeugung per Photovoltaik durch Mehrfachsolarzellen mit weiteren zusätzlichen lichtempfindlichen Materialschichten gelingen – jede davon auf einen bestimmten Spektralbereich optimiert, etwa auf rotes, blaues oder grünes Licht.

Die Forscher am HZB kennen noch einen weiteren Trick, um zu höheren Wirkungsgraden zu gelangen: Sie wollen das Licht auf der Oberfläche der Solarzelle umwandeln. Physiker sprechen dabei von Upconversion oder Aufkonvertierung. Der Prozess gelingt mit exotischen Materialien, die langwelliges Licht in solches mit kürzerer Wellenlänge umwandeln.

Photonen vereinen

Dazu werden je zwei energiearme Lichtteilchen – Photonen – zu einem einzelnen Photon mit doppeltem Energiegehalt vereint. Dadurch ändert sich die Wellenlänge des Lichts. In der Photovoltaik eröffnet dieser Effekt die Möglichkeit, bisher kaum genutzte Anteile des Sonnenlichts für die Stromgewinnung zu erschließen – etwa Licht im sehr langwelligen infraroten Spektralbereich.

Doch bislang ließ sich die Aufkonvertierung nur mit Licht sehr hoher Intensität realisieren. „Das Licht der Sonne war dafür schlichtweg zu schwach“, sagt Christiane Becker, die am HZB eine Nachwuchsforschergruppe leitet. Becker und ihr Team fanden nun eine Möglichkeit, dieses Manko zu beseitigen. Sie beschichteten eine sogenannte Metaoberfläche – ein Material mit einer regelmäßigen Struktur im Maßstab weniger Nanometer – mit Nanopartikeln aus Elementen wie Natrium, Yttrium und Fluor. Das Ergebnis ist eine bis zu tausendfache Verstärkung des Lichts an manchen Stellen der Metaoberfläche, wodurch eine Wandlung der Wellenlänge per Upconversion auch bei eigentlich zu schwachem Sonnenlicht stattfinden kann.

Sonnenlicht überflügelt Biomasse

Bis solche technischen Kniffe sich in einer besseren Ausbeute kommerzieller Solarmodule niederschlägt, wird es wohl noch ein paar Jahre dauern. Doch bereits heute hat die Photovoltaik ihr einstiges Image als teure Spielerei für Öko-Freaks verloren. Gemessen an der Menge des erzeugten Stroms steht sie in der Rangliste der regenerativen Energiequellen in Deutschland inzwischen hinter der Windenergie auf Platz zwei. 2020 haben Solarmodule auf den Dächern und große Solarkraftwerke wie das bei Werneuchen insgesamt rund 50 Terawattstunden elektrische Energie produziert – das entspricht einem Beitrag von 9,3 Prozent zur Stromversorgung. Damit überflügelte die Sonne erstmals die Biomasse. Insgesamt lieferten alle erneuerbaren Energiequellen – vor allem Sonne, Wind, Wasserkraft und Biomasse – im letzten Jahr fast 46 Prozent des in Deutschland verbrauchten Stroms: ein neuer Spitzenwert.

An sonnigen Tagen lassen sich hierzulande sogar mehr als zwei Drittel des aktuellen Strombedarfs ausschließlich durch Solarenergie decken. Doch im wechselhaften mitteleuropäischen Klima ist es meist deutlich weniger. In Deutschland kommen Photovoltaikanlagen im Schnitt nur auf gut 900 Volllaststunden pro Jahr – kaum mehr als ein Viertel dessen, was bei dauerhaft schönem Wetter möglich wäre. Doch das reicht rechnerisch aus, um etwa auf dem nach Süden geneigten Dach eines Einfamilienhauses mit 15 Photovoltaikmodulen den durchschnittlichen Jahresstrombedarf einer mehrköpfigen Familie zu decken.

Aufholbedarf fürs Klima

Die Nutzung von Solarenergie gewinnt an Fahrt. Doch um die Klimaziele der Bundesregierung zu erreichen, muss sie noch deutlich an Tempo zulegen, betont Harry Wirth. Diese Ziele sehen vor, den Ausstoß an Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2) bis 2050 um bis zu 95 Prozent gegenüber 1990 zu verringern. „Das wird nur gelingen, wenn der Strombedarf weitgehend aus erneuerbaren Quellen gedeckt wird“, sagt der Forscher, der vor allem einen massiven Ausbau der Photovoltaik für erforderlich und möglich hält.

Auf der Basis eines umfassenden Energiemodells haben die Forscher am Fraunhofer ISE berechnet, wie viel installierte Photovoltaikleistung bis 2050 benötigt wird. Sie kamen auf 400 bis 500 Gigawatt – fast das Zehnfache der derzeitigen Kapazität. Um in den nächsten 30 Jahren dorthin zu gelangen, müsste der jährliche Zubau auf rund 15 Gigawatt wachsen.

Kaum Belastung fürs Stromnetz

Doch bedeutet eine immer größere Zahl von Solarpaneelen nicht eine enorme Belastung für die Stromnetze dar? Harry Wirth stellt in seinem Faktencheck fest: „Die meisten Solarstromanlagen sind an das dezentrale Niederspannungsnetz angeschlossen und erzeugen Solarstrom verbrauchsnah. Der Strom wird somit vorwiegend dezentral eingespeist und stellt kaum Anforderungen an einen Ausbau des innerdeutschen Übertragungsnetzes.“ Zwar könnten große Photovoltaikkraftwerke oder eine Ballung vieler kleinerer Anlagen in einer dünn besiedelten Region mitunter eine Verstärkung des Verteilnetzes und der Trafostationen erforderlich machen. Doch mit den Netzengpässen, von denen seit einigen Jahren im Zusammenhang mit der Energiewende häufig die Rede ist, hat der Sonnenstrom kaum etwas zu tun – anders als der Transport riesiger Strommengen aus Windkraftanlagen vom Norden in den Süden des Landes, der eine immense Herausforderung für das Netz darstellt.

Strom aus Sonnenlicht hingegen wird Deutschland auch in den nächsten Jahren gut verkraften können: Laut einer Studie der Agora Energiewende wird das deutsche Stromnetz selbst bei einer Verdopplung der installierten Photovoltaikleistung auf rund 100 Gigawatt in der Lage sein, den Strom zu befördern.

Sichere Versorgung gewährleistet

Auch im Hinblick auf die Versorgungssicherheit geben die Fraunhofer-Forscher Entwarnung. „Die Stabilität der Stromversorgung für die Verbraucher hat parallel zum Ausbau der Photovoltaik seit 2006 zugenommen“, stellt Harry Wirth fest. Denn während es früher in längeren Hitzeperioden häufig zu einer kritischen Erwärmung der als Kühlreservoir für Kohle- oder Kernkraftwerke genutzten Flüsse kam, habe die in Deutschland installierte Photovoltaik dieses Problem weitgehend beseitigt.

Ein Plus für die Versorgungssicherheit ist zudem, dass sich sonnige und windige Wetterlagen in Mitteleuropa häufig abwechseln. Die Folge: Wenn es an Strom aus Solaranlagen mangelt, steht Strom aus Windkraftwerken zur Verfügung und umgekehrt. Und dank recht zuverlässiger Wetterprognosen lässt sich die Erzeugung von Solar- und Windstrom bereits Tage im Voraus gut planen. Besonders wichtig ist in den Augen der ISE-Forscher deshalb, dass der Ausbau von Solar- und Windkraftwerken Hand in Hand geht.

Dennoch wird es vor allem im Winter immer wieder Tage geben, an denen es zugleich trüb und windstill ist. Dann kommt ein erhöhter Strombedarf für Licht und Heizung mit einem Mangel an Strom aus regenerativen Quellen zusammen. Um das Problem zu meistern, schlagen die ISE-Wissenschaftler kleine, flexible Gaskraftwerke vor, deren Leistung sich rasch hochfahren oder drosseln lässt.

Sie könnten sich künftig neben Erdgas auch mit Wasserstoff betreiben lassen, der gleichzeitig als Speicher für Energie aus Sonne oder Wind dienen kann. (siehe bild der wissenschaft 9/2020, „Zukunft Wasserstoff“). In einem Gaskraftwerk würde die an sonnigen oder windreichen Tagen geerntete und im Wasserstoff gebunkerte Energie dann wieder in elektrischen Strom verwandelt. Auch andere Arten von Energiespeichern kommen infrage – etwa Batterien oder Wärmespeicher, die elektrischen Strom zum Heizen nutzbar machen.

Strom vom Acker

Bleibt die Frage, ob in Deutschland überhaupt genügend Flächen für einen weiteren raschen Ausbau der Photovoltaik zur Verfügung stehen. Die Wissenschaftler am Fraunhofer ISE sind optimistisch: Sogenannte integrierte Solarmodule bieten dafür ein enormes Potenzial. Sie ließen sich etwa in Gebäudefassaden, Lärmschutzwänden, als Straßenbelag oder auf der Außenhaut von Fahrzeugen anbringen – und könnten Sonnenstrom überall dort erzeugen, wo er benötigt wird. Außerdem bieten landwirtschaftliche Anbauflächen die Möglichkeit, neben Feldfrüchten auch Solarstrom zu produzieren. Fachleute sprechen bei dieser Form der doppelten Flächennutzung von Agri-Photovoltaik.

Die Verbindung von Landwirtschaft und Stromproduktion auf derselben Fläche bietet ein enormes Potenzial für die Photovoltaik. Die aufgestellten Solarpaneele vermindern zwar die Sonneneinstrahlung auf den Acker, aber das würde etliche Nutzpflanzen nicht in ihrem Wachstum stören. Manche Pflanzen profitieren sogar davon, wie Studien zur Agri-Photovoltaik beispielsweise am ISE gezeigt haben. Würden die gegenwärtigen Anbauflächen dieser Pflanzenarten vollständig auch für die solare Stromproduktion genutzt, kämen deutschlandweit bis zu 1,7 Terawatt (1700 Gigawatt) neu installierte Solarstromleistung zusammen.

Außerdem werden auf vielen landwirtschaftlichen Flächen keine Nahrungsmittel angebaut, sondern Energiepflanzen wie Raps oder Mais. Würden diese Flächen stattdessen für die Erzeugung von Sonnenstrom genutzt, ermöglichte das nochmals bis zu 700 Gigawatt installierte Leistung. Die Effizienz bei der Energiegewinnung der Flächen ließe sich dadurch enorm steigern.

Harry Wirth verdeutlicht das mit einem Vergleich: Energiepflanzen beanspruchen derzeit etwa 14 Prozent der landwirtschaftlichen Fläche in Deutschland, vor allem um Biogas, Biodiesel, Pflanzenöl und Bioethanol herzustellen. „Vergleicht man die Effizienz der Flächennutzung zur Stromproduktion, dann schneiden Photovoltaikkraftwerke um den Faktor 40 besser ab als Energiepflanzen“, schreibt der Freiburger Fraunhofer-Forscher. „So bringt Silomais, der zur Energiegewinnung dient und in Deutschland auf einer Fläche von rund einer Million Hektar angebaut wird, 18 Megawattstunden Energie pro Hektar, Photovoltaik in Südausrichtung dagegen 700 Megawattstunden.“

Auf dem Weg zur Nummer eins

Nicht nur solche Vergleiche deuten auf eine goldene Zukunft bei der Nutzung der Sonnenenergie hin. „Aus heutiger Sicht ist ein Energiesystem auf Basis von fast 100 Prozent erneuerbaren Energiequellen technisch und wirtschaftlich realisierbar“, ist Wirth überzeugt. Und auch weltweit sind die Weichen in diese Richtung gestellt. So erwarten Experten der Internationalen Energie-Agentur (IEA) in Paris, dass das Sonnenlicht bis 2040 die meisten anderen Stromquellen hinter sich gelassen haben wird: Wind- und Wasserkraft ebenso wie Kohle und Erdgas. Noch weiter in die Zukunft blickt der Energiekonzern Shell International. In einer Studie von 2018 beschreiben Forscher des Unternehmens ein Szenario für einen klimaschonenden Umbau der Energieversorgung. Darin deckt die Sonnenenergie 2075 mehr als die Hälfte des globalen Strombedarfs.

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