Die Energiegewinnung mit Photovoltaikanlagen und aus Solarthermik ist die Zukunft der Energieversorgung. Im Kampf gegen den Klimawandel ist eine Umstellung auf erneuerbare Energieträger absolut notwendig.
Der Preisverfall der Solarmodule macht die Stromerzeugung aus Sonnenenergie billiger als die aus fossilen Brennstoffen. Kernkraftwerke, Gas- und Kohlekraftwerke werden durch staatliche Subventionen am Leben erhalten.
Innovationen bei der Entwicklung der Solarmodule verbessern kontinuierlich die Wirkungsgrade. Stand der Technik sind Wirkungsgrade von 20-25%. Im Labor wurden Wirkungsgrade von über 40% erreicht, eine Entwicklung, die künftig Kosten und Flächenbedarf von Photovoltaikanlagen weiter reduzieren wird.
Anteil der erneuerbaren Energie in Deutschland und in Österreich
Das Bild zeigt den Stromverbrauch in Deutschland. Der Anteil der Solarenergie beträgt 9% und jener von Windkraft 24,6%. Insgesamt beläuft sich der Anteil erneuerbarer Energie auf 46% (inklusive Wasser- und Biokraftwerke).
In Österreich sind die Verhältnisse auf Grund des hohen Anteils an Lauf- und Speicherkraftwerken (60,5%) günstiger. Windkraft ist mit 9% vertreten, die Photovoltaik fristet ein Schattendasein von nur 1%.
Warum Photovoltaikanlagen die Zukunft der Stromerzeugung sind
Die ehrgeizigen Ziele der EU einer Senkung der Treibhausgase um 55% bis 2030 bezogen auf den Wert von 1990 führen zu einem starken Ausbau erneuerbarer Energieträger.
Die Energiegewinnung aus Biomasse ist aus Umwelt- und Effizienzgründen ungenügend und wird bei diesem Vorhaben keine Rolle spielen. Ein weiterer Ausbau der Wasserkraft ist nur mehr marginal möglich (die großen Ströme in Europa sind mit Wasserkraftwerken genutzt) – weswegen von dieser Seite wenig Unterstützung zu erwarten ist.
Die Windkraft verspricht Zuwächse, aber zweifellos ist es die Solarenergie, die die Herkulesaufgabe der Umstellung auf erneuerbare Energiegewinnung bewältigen muss.
Die deutsche Bundesregierung beschloss eine Energiewende. Diese sieht die Erhöhung des Stromanteils aus erneuerbaren Energien auf 65% bis 2030 und auf mindestens 80% im Jahr 2050 vor.
Alle Energieszenarien zeigen, dass die Photovoltaik die wichtigste Säule der zukünftigen Energieversorgung bilden wird – sie ist billig und es stehen genügend nutzbare Flächen zur Verfügung.
Wer besitzt und betreibt heute Photovoltaikanlagen (PV)?
Die in Deutschland betriebene PV-Leistung befand sich 2016 überwiegend im Eigentum von Privatpersonen, Landwirten und Gewerbebetrieben. Die großen Kraftwerksbetreiber (die „Großen 4“ in der Abbildung) hielten lediglich 0,2%.
Wie und wo Photovoltaikanlagen nutzbar sind
Welcher Teil des technischen Potenzials für Photovoltaikanlagen wirtschaftlich und praktisch nutzbar ist, hängt von komplexen ökonomischen, gesetzgeberischen und technischen Randbedingungen ab. Hinzu kommen Fragen der Akzeptanz durch die Bevölkerung.
Integrierte PV, die mit der Hülle von Gebäuden, Verkehrswegen und Fahrzeugen verschmilzt, Flächen gemeinsam mit der Landwirtschaft nutzt oder Wasserflächen in gefluteten Tagebauen belegt, weist etwas höhere Stromgestehungskosten auf als einfache Freiflächen-Kraftwerke.
Dafür meidet integrierte PV Nutzungskonflikte und schafft Synergien, indem sie bspw. eine Gebäudefassade ersetzt, die Unterkonstruktion einer Lärmschutzwand nutzt oder die Reichweite von E-Fahrzeugen erhöht.
Jedes Haus hat ein Dach, und auf jedem Dach lässt sich mehr Strom erzeugen, als eine Familie im Jahr verbrauchen kann.
Frank Asbeck, SolarWorld-Chef
Agro-Photovoltaikanlagen
Agro-Photovoltaikanlagen sind Kombinationsanlagen. Die aufgeständerten Solarmodule befinden sich über den bewirtschafteten Flächen. Diese Methode erhöht die Flächeneffizienz.
Oft gesellt sich der Vorteil dazu, dass manche Nutzpflanzen im Schatten gut oder besser gedeihen als in der prallen Sonne und die PV-Module schützen die Pflanzen vor Starkregen, Hagel, Frost- und Dürreschäden.
Das Foto zeigt halbdurchlässige Solarmodule, die genügend Licht für das Wachstum der Himbeeren durchlassen. Da der höchste Punkt der Solarmodule über den Gängen liegt wird die Temperatur und Feuchtigkeit durch die Pflanzen reduziert/gemindert.
Die Temperatur unter den Modulen liegt wegen dieses Kühleffektes der Pflanzen um acht Grad tiefer deshalb arbeiten sie effizienter. Der Wasserverbrauch der Pflanzen ist reduziert, weil bei niedrigen Temperaturen weniger verdunstet.
In Japan gibt es mehr als 2.000 APV-Farmen mit 560 Hektaren Fläche. Gemäß Makoto Tajima vom Institute for Sustainable Energy Policies in Tokyo werden 120 verschiedene Produkte unter APV produziert – darunter Ingwer, Shiitake-Pilze, Pestwurz, Heidelbeeren und Reis.
Fahrzeugintegrierte Photovoltaik
Bei der Integration von PV-Modulen auf Fahrzeugen werden diese mechanisch, elektrisch und konstruktiv eingebunden. Die PV-Module sind mit den elektrischen Verbrauchern im PKW vernetzt. Weitere Anwendungen sind Wohnwagen und Wohnmobile, Lastenfahrräder, Straßenbahnen, Züge, Schiffe, Flugzeuge und Drohnen.
Das Potential für fahrzeugintegrierte PV wird in Deutschland auf 40 GW geschätzt. PV-Anlagen kommen bei Elektro-PKWs zum Einsatz und erhöhen deren Reichweite. Ergänzend wir die Belastung der Stromnetze und Ladeeinrichtungen reduziert.
Die Abbildung zeigt einen Kühl-LKW der Firma TBV. Integrierte PV-Module unterstützen die Kühlung.
Biokraftstoffe als Energieträger erreichen nur eine bescheidene Effizienz. Zum Beispiel braucht ein Biodiesel-PKW mit 5,5l/100km den Jahresertrag eines ein Hektar großen Rapsfeldes. Mit einer PV-Anlage auf der gleichen Fläche könnte ein Elektroauto mit 16kWh/100km vier Millionen Kilometer weit fahren. Dies entspricht bei 30.000km/Jahr 130 Jahren Betriebsdauer.
Photovoltaikanlagen an Verkehrswegen
Die Kombination von Lärmschutzwänden mit PV-Anlagen ist naheliegend. Die Deutsche Bahn hat auf der ICE-Bahnstrecke Nürnburg-Regensburg eine Lärmschutzwand mit einer 1,2 Megawatt-Solaranlage ausgerüstet. An der Autobahn A92 nahe des Münchener Flughafens betreiben die Freisinger Stadtwerke einen 1,2 Kilometer langen Photovoltaik-Lärmschutzwall. Im Gegensatz zu einer Aufständerung von PV-Freiflächenanlagen wird bei einer Lärmschutzwand kaum weiteres Material für die Modulmontage benötigt, da die Solarzellen selbst die Lärmbarriere sind.
In China wurde eine Autobahn mit Solarmodulen gebaut. Die Zukunft wird zeigen, ob die Paneele die Belastungen durch Witterung und Fahrzeuge dauerhaft standhält. In Amsterdam wurde 2014 ein Radfahrweg mit Solarmodulen eröffnet. Die Idee ist also nicht neu.
Bauwerkintegrierte Photovoltaik
Ein Beispiel für die Integration von PV-Anlagen in eine Fassade ist die neue Halle des Helmholtz-Zentrums Berlin. Es werden Dünnschichtmodule eingesetzt, die speziell für diese Anwendung entwickelt wurden.
Bauwerkintegrierte Photovoltaikanlagen erzeugen Strom nahe beim Verbraucher. Das reduziert die Belastung der Stromnetze. Fassadenintegrierte Solarmodule abseits der Südorientierung liefern Strom verstärkt in den Morgen- bzw. Nachmittagsstunden und ergänzen so das Stromerzeugungsprofil.
Urbane Photovoltaikanlagen
Die Abbildung zeigt eine Photovoltaikanlage in Wien, Bezirk Wien-Mitte.
Zwei Drittel der Wiener Dachflächen sind theoretisch zur Solarnutzung geeignet. Technisch werden diese durch Kamine, Lüftungsschächte etc. reduzierte Flächen eingeschränkt.
Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus dem Wiener Solarpotenzialkataster. Es gibt Auskunft über verschiedene Standortfaktoren – wie Ausrichtung, Neigung der Dachflächen oder Globalstrahlungswerte.
Rot markierte Dachflächen sind sehr gut und orange gekennzeichnet gut für den Aufbau von Solartechnik geeignet. Die Stadt Wien weist rund 50 km2 Dachflächen auf, davon sind 64% für Solarthermie oder Photovoltaik geeignet.
Das theoretische PV-Potential liegt bei 5.400 GWh pro Jahr. Schätzungen zufolge lassen sich 360 GWh bis 2030 technisch und wirtschaftlich in Wien realisieren. Eine Studie zeigte, dass für eine vollständige Dekarbonisierung des Energiesystems Wiens 1.700 GWh Sonnenstromkapazität erforderlich sind.
Bis 2050 rechnet man mit der Errichtung von 700 GWh aus Solarenergie in Wien. Weitere 1.000 GWh müssen daher auf Flächen außerhalb Wiens gebaut werden. Wien hat lenkend bereits eine Photovoltaik-Verpflichtung für Neubauten angekündigt.
Schwimmende Photovoltaikanlagen
Das Bild zeigt eine schwimmende Photovoltaikanlage in China.
Das Bild zeigt die weltweit größte schwimmende PV-Anlage auf einem See bei der chinesischen Stadt Huainan, Provinz Anhui – in einem gefluteten ehemaligen Kohleabbaurevier.
Nicht nur die Windkraft braucht geeignete Flächen, sondern auch die Photovoltaik. Der herausragende Vorteil schwimmender PV-Anlagen ist der höhere Wirkungsgrad der Solarzellen aufgrund der besseren Kühlung. In Deutschland gibt es ein großes Potential auf Braunkohle-Tagebauseen. Die nutzbare Leistung schwimmender PV-Anlagen in Deutschland wird auf 56 GW geschätzt.
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Teil 2 der sich mit den Eigenschaften von PV, der Speicherung von Energie und oft gestellten Fragen betreffen die PV beschäftigt.
Teil3: Photovoltaikanlagen gegen den Klimawandel – Technologie der Solarzellen
