Solarenergie

Motor der Energiewende

Autor: Dr. Robert Bartl, Bayern Innovativ GmbH (Stand: Februar 2015) Vergleicht man die unterschiedlichen Erneuerbaren Energien, hebt sich die Solarenergie deutlich hervor: Der wichtigste Punkte ist das große Ausbaupotenzial der Photovoltaik. Anlagen zur Erzeugung von Sonnenstrom können an jedem Ort der Welt installiert und betrieben werden. Der zweite Punkt: Dezentral und verbrauchernah erzeugte Energie entlastet die Netze und Komponenten und reduziert damit die Kosten für den Ausbau der Infrastruktur.

Natürlich hängt die Leistungsfähigkeit von PV-Anlagen von den meteorologischen Rahmenbedingungen ab. Ein geeigneter Standort mit der Fläche Süddeutschlands würde ausreichen, um den gesamten Strombedarf der heutigen Weltbevölkerung zu decken. In Deutschland konnte alleine mit Photovoltaikanlagen auf allen geeigneten Dachflächen eine Leistung von ca. 30 % des deutschen Strombedarfs erzeugt werden. Da sich auch versiegelte Areale wie Fassaden oder Carports bestens eignen, stehen Photovoltaikanlagen kaum in Konkurrenz zu anderweitig nutzbaren Flächen.

Klassische Solarmodule dominant

Betrachtet man die auf dem globalen und deutschen Markt konkurrierenden Solartechnologien, so dominieren nach wie vor die „klassischen“ Solarmodule auf Silizium-Halbleiterbasis. Sie erreichen heute auch in der großindustriellen Fertigung Wirkungsgrade von über 20 % und sind günstig zu produzieren. Für kommende Produktgeneration werden weitere Verbesserungen erwartet. Neue PV-Technologien können sich daher bislang nur schwer durchsetzen. Obwohl Dünnschichttechnologien deutlich weniger Halbleitermaterial benötigen, liegt ihr Marktanteil wegen ihrer niedrigeren Wirkungsgrade nur bei 10-15 %. Bis 2017 wird der Dünnschichtmarkt vielen Prognosen zufolge sogar auf 7 % schrumpfen.

Um die Wirkungsgrade und damit die Wettbewerbsfähigkeit der Dünnschichttechnologien zu verbessern, suchen Forscher und Entwickler nach günstigen und in ausreichender Menge zur Verfügung stehenden Halbleitermaterialien mit sehr guten Absorptionseigenschaften. Vielversprechende Forschungsergebnisse liefern Beschichtungen auf Basis der Struktur des Minerals Perowskit. Alternativen stellen aber auch CdTe- und CIS-Dünnschichttechnologien dar. Vorreiter sind die Unternehmen First Solar, AVANCIS, Manz und Solar Frontier. CdTe- und CIS-Dünnschichtzellen werden im Jahr 2014 voraussichtlich drei Viertel des gesamten Dünnschicht-Marktes bedienen.

Speicher sind Voraussetzung

Eine der größten Herausforderungen der Energiewende ist, den tages- und jahreszeitlich mit großen Schwankungen anfallenden Strom aus regenerativen Energiequellen in das bestehende Energieversorgungssystem zu integrieren oder geeignete alternative Konzepte zu erarbeiten. Einen interessanten Weg, um die Netze zu entlasten und die Stromkosten für den Endverbraucher zu reduzieren, bieten auf den häuslichen Strombedarf ausgelegte Photovoltaikanlagen mit integrierten Strom- und Wärmespeicherlösungen. Um eine nachhaltige Versorgung mit fluktuierenden Erneuerbaren Energien sicherzustellen, ist allerdings die großtechnische Speicherung von Energie Voraussetzung. Neben Minuten- und Stundenspeichern werden Langzeit- und saisonale Speicher benötigt.

Umwandlung des in Spitzenzeiten mit Wind- und PV-Anlagen erzeugten Stroms in Wasserstoff und dessen anschließende Methanisierung

Das entstehende synthetische „Substitute Natural Gas“ – kurz SNG – kann aufgrund der guten europäischen Gasnetz-Infrastruktur in großen Mengen effizient transportiert und gespeichert werden. SNG steht sowohl kurz-, mittel- als auch langfristig zur Verfügung und erfüllt alle Anforderungen an einen Energiespeicher. SNG eignet sich sowohl als Rohstoff für die chemische Industrie, als Brennstoff für Gebäudeheizungen und Fahrzeugmotoren und auch zur Rückverstromung. Damit ist SNG eine wichtige Alternative für eine klimaneutrale Energieversorgung.

Innovationen beschleunigen

Im Fokus vieler aktueller F&E-Arbeiten steht die Analyse potenzieller CO2-Quellen hinsichtlich Verfügbarkeit, Erzeugungspotenzial, Wirtschaftlichkeit und Kosten. Als sinnvolle CO2-Quelle für die industrielle Power-to-Gas-Erzeugung kommen Biogasanlagen infrage. Bereits mit dem im Rohbiogas enthaltenen CO2 der derzeit 6.000 in Deutschland betriebenen Biogasanlagen ließen sich über das Power-to-Gas-Verfahren jährlich mehr als 25 TWh speicherfähiges Methan erzeugen. Der dazu benötigte Strom stammt aus fluktuierend einspeisenden Wind- und Photovoltaikanlagen.

Mit Photovoltaik-Aufdachanlagen kann bereits heute Strom zu Gestehungskosten von 14 ct / kWh produziert werden. Diese liegen deutlich unter den aktuellen deutschen Endverbraucherpreisen von ca. 30 ct / kWh, allerdings noch über den Stromgestehungskosten von Braunkohle- (5,3 ct / kWh), Steinkohle- (8 ct / kWh) oder Gas- und Dampfkraftwerken (9,8 ct / kWh).

Um Photovoltaik, Speichertechnologien und Solar Fuels noch wettbewerbsfähiger zu machen, sind innovative Technologien, Produktionsprozesse und Installationsmethoden erforderlich. Die enge Verzahnung von Wirtschaft und Wissenschaft leistet einen wichtigen Beitrag, um neue Forschungsergebnisse schneller in die Produktionsstraßen der Industrie zu implementieren – unabhängig von den vielen unterschiedlichen Ansätzen, Wirkungsgrade weiter zu erhöhen und Produktionskosten zu senken. Wichtig ist der Blick auf das Gesamtenergiesystem. Steht derzeit noch der Strommarkt im Fokus, müssen der Wärmemarkt und nicht zuletzt das Thema Energieeffizienz konsequenter mit einbezogen werden, um die Energiewende gelingen zu lassen.