Die Kosten der Photovoltaik

07.06.2004

Photovoltaik - das Flaggschiff der Erneuerbaren Energien (Teil II)

Rund 98% der Photovoltaikmodule bestehen aus Silizium. Silizium wird gerne als häufigstes Element in der Erdekruste oder zweithäufigstes Element auf der Erde (nach Sauerstoff) genannt. Leider führen solche Vergleiche in die Irre, denn Silizium existiert nicht in einer Form, die für industrielle Herstellung von Solarzellen geeignet wäre, sondern kommt vor allem in Verbindung mit Sauerstoff als Quarzsand vor - Ähnliches gilt für Wasserstoff, der zwar häufig vorkommt, aber nicht in einer reinen, für Brennstoffzellen geeigneten Form. Wie billig kann die Photovoltaik (PV) aus Siliziumzellen werden? Gibt es andere Möglichkeiten für PV? In welchen Anwendungen ist PV trotz des heutigen Preises schon wettbewerbsfähig? Und erzeugt PV überhaupt mehr Energie als für ihre Herstellung benötigt wird?

Photovoltaikzellen gibt es hauptsächlich in drei Typen: monokristallin, polykristallin, und amorph (auch Dünnschicht-Zelle genannt). Der Wirkungsgrad von Monozellen ist am höchsten (bis zu 16%), während der von Polyzellen leicht niedriger ist (bis zu 15%). Leider ist die Herstellung von Monozellen vergleichsweise teuer, denn das Silizium muss hochrein sein. Dazu werden einkristallige Stangen aus flüssigem Silizium gezogen. Bei Polyzellen wird das flüssige Silizium in Blöcke gegossen und dann in Scheiben gesägt. Bei der Erstarrung entstehen viele Kristalle. Die Risse zwischen ihnen belasten den Wirkungsgrad, aber solche Zellen sind billiger bei der Herstellung.

Bisher ist das Solarsilizium oft aus den Abfallprodukten bei der Herstellung von Halbleitern gewonnen worden, denn das Halbleitersilizium hat eine noch höhere Reinheit. Bei Diskussionen über die Umweltverträglichkeit von Photovoltaikmodulen wird oft und gerne auf die in den Zellen enthaltenen und bei der Herstellung verwendeten Giftstoffe verwiesen, wobei zwei Sachverhalte meistens übersehen wird: erstens, dass Solarzellen heute schon quasi Abfallprodukte aus der Halbleiterindustrie sind; und zweitens, dass das Solarsilizium in PV-Modulen wiederverwertet werden kann, wenn die Modulen in 30 Jahren (oder noch länger) ersetzt werden müssen. Das Silizium selbst altert nicht, lediglich die Glassplatten und Laminate, die die Zellen vor Witterung schützen, müssen erneuert werden.

Bei amorphen (weil ohne Kristalle) Zellen sieht die Lage allerdings etwas anders aus. Hier wird eine dünne Schicht Silizium auf ein billiges Trägermaterial (wie Glas) aufgedampft. Hier müsste für die Wiederverwertung also die aufgedampfte Schichte teuer vom Trägermaterial getrennt werden, was umso sinnloser ist als der große Vorteil von Dünnschichtzellen darin besteht, dass sie mit so wenig Silizium auskommen. Das bedeutet große Kostenersparnisse, weshalb man den niedrigen Wirkungsgrad in Kauf nimmt: rund 8%.

Hier zeigt sich, dass die bloße Angabe des Wirkungsgrads uns nicht weiterbringt. Es muss nämlich nicht nur das Preis-/Leistungsverhältnis erwogen werden, sondern auch die tatsächliche Energieausbeute, denn Dünnschicht-Zellen erzeugen mehr Energie als Poly- und Monozellen bei diffusem Licht. Anders gesagt: Wenn der Himmel bewölkt oder die Orientierung der PV-Module suboptimal ist, kann es vorkommen, dass die billigeren Dünnschichtzellen in etwa so viel Strom wie die kristallinen Zellen erzeugen. Deshalb werden Dünnschicht-Zellen auch gerne an Fassaden angebracht, also bei einer Neigung von 90° zur Erde. Der optimale Neigungsgrad in Deutschland liegt eher bei 30°.

Skaleneffekte? Preissenkungen?

Auch wenn von Fall zu Fall entschieden werden muss, welche Art Zellen verwendet werden, so richtig billig wird es nicht. Dabei haben sich die Preise für PV seit 1990 mehr als halbiert - von rund 15.000 Euro pro kWp auf weniger als 6.000 Euro pro kWp. Werden Skaleneffekte nicht weiterhin eintreten, wenn immer mehr PV-Anlagen hergestellt werden? Man liest ja immer wieder, dass z.B. bis 2020 die PV wettbewerbsfähig sein wird - oder gar bis 2008, wie Helmut Engel von Sharp Deutschland meinte:

In vier bis fünf Jahren werden Solarzellen wirtschaftlich sein und dann folgt eine lange Wachstumsphase.

Apex-BP Solar wurde wie folgt im Februar 2004 von Le Monde Diplomatique zitiert: In Japan und in Kalifornien soll der Preis für die solar gewonnene Kilowattstunde bis 2005 oder 2010 auf das Niveau herkömmlicher Energieträger sinken.

Man sollte sich nicht darauf verlassen, denn so viel billiges Abfall-Silizium aus der Halbleiterindustrie gibt es nicht. Die PV-Industrie macht sich nun daran, billigere Verfahren zur Herstellung von Solarsilizium zu entwickeln. Trotzdem schätzt die EU, dass der Preis pro kWp auf 3.200 Euro bis 2030 fallen wird. Das entspräche einem Preis von 17c pro kWh, was bedeuten würde, dass PV immer noch "generally uncompetitive" bleiben würde.

Der Durchbruch könnte aus einer Neuentwicklung kommen. Einerseits müssen Solarzellen nicht unbedingt aus Silizium bestehen. Alan Heeger bekam 2000 den Nobelpreis für die Entwicklung von stromleitender Plastik, was irgendwann zur Entwicklung von billigen Solarzellen führen könnte. Und im April 2004 berichteten die US-Firma TDA Research und die National Science Foundation die Entwicklung einer neuen stromleitenden Plastik namens Oligotron. Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA haben außerdem eine Metalllegierung entwickelt, die den Wirkungsgrad von Solarzellen auf 45% oder mehr erhöhen könnte. Es könnte noch zu einem Durchbruch kommen, selbst wenn wir beim Silizium bleiben: Das Fraunhofer ISE hat erst Anfang 2004 mitgeteilt, eine 38 Mikrometer dünne Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von über 20% entwickelt zu haben.

Im Augenblick ist das aber alles Zukunftsmusik. Niemand kann sagen, wann PV so billig wird wie Strom aus Kohlekraftwerke. Aber eine Tendenz ist da: PV wird jedes Jahr rund 4% billiger und Kohle immer knapper.

Netzferne Anwendungen

In manchen Anwendungen ist PV trotz des hohen Preises heute schon die billigste Stromquelle - ganz ohne Subventionen. Oft wird der Strom aus der PV-Anlage auf dem Dach direkt im Haus verwendet. Wenn nicht genug Solarstrom zur Verfügung steht, wird Strom aus dem Netz genommen; wenn die PV-Anlage mehr produziert, als im Haus verbraucht wird, wird der überschüssige Strom ins Netz gespeist.

Wenn aber auf das Stromnetz nicht zurückgegriffen werden kann, ist die Photovoltaik oft die beste und billigste Lösung. Der Ausbau des Stromnetzes ist oft viel zu teuer für viele dezentrale Anwendungen, und andere Stromgeneratoren wie Dieselaggregate sind kaum kleiner als 5 kW zu haben. Und selbst wenn man einen Dieselgenerator hat, läuft er meistens nur ein paar Stunden am Tag. PV bietet eine breitere Verteilung über den Tag.

Weltweit ist fast die Hälfte der installierten PV-Leistung nicht mit dem Stromnetz verbunden. Einerseits sind dies Anwendungen, die man in Deutschland mittlerweile überall sieht: Tastaturen, tragbare Radios, Parkautomaten, Telematik-Erfassungsgeräte an Autobahnen, usw. Bei den Kleingeräten möchte man viele große Batterien durch wenige, kleine Akkus ersetzen, während bei Parkautomaten und Autobahnkameras der Netzanschluss oft teurer als die Versorgung durch PV wäre. Selbst im neonbeleuchteten Las Vegas haben manche Bushaltestellen eine photovoltaisch versorgte Beleuchtung, weil es viel teurer wäre, eine Stromleitung unter die schon fertigen Bürgersteige zu verlegen. Für die wenigen Watt, die man benötigt, genügen ein paar Solarzellen und ein Akku. Tagsüber laden die Solarzellen den Akku, der dann abends die Lampe mit Strom versorgt.

Diese Art der Stromversorgung verspricht für den Westen eine nahezu unbegrenzte Mobilität. Heute ist es beispielweise möglich, das Büro mit einem Laptop und einem Handy in eine Ferienhütte mitzunehmen. Solange der Akku hält, kann man seine Geräte bedienen. Dann heißt es: zurück an die Steckdose. Wenn man aber ein kleines Ladegerät mit PV hätte, könnte man sein Handy direkt im Straßencafé oder in der abgelegensten Ferienhütte ohne Netzanschluss laden.

Und falls Sie denken, das Handynetz reicht doch gar nicht bis in den abgelegensten Ferienort, warten Sie es ab: Ein großes Hindernis beim Ausbau von Mobilnetzen ist die Stromversorgung für abgelegene Basisstationen. Es stellt sich immer wieder heraus, dass ein Solarsystem (PV-Anlage mit Akkus) die billigste Stromquelle für solche Anwendungen ist, d.h. die Mobilnetze selbst werden mit PV weiter ausgebaut. Andere Anwendungen sind auch denkbar: In Japan wird z.B. ein neues Solarladegerät als erdbebensichere Stromquelle vermarktet.

Ein Schaubild der netzfernen photovoltaischen Stromversorgung für eine Telekommunikationsstation der marokkanischen Firma Afrisol Sud

Anderseits wird PV in sogenannten Inselnetzen (microgrids/minigrids) verwendet. Hier wird quasi auf Dorfebene ein kleines Hybrid-Stromnetz aufgebaut. Solche Inselnetze können mit dem schon vorhandenen Dieselaggregat beginnen, der Akkus lädt. Wenn PV-Anlagen hinzu kommen und die Häuser miteinander in einem Stromnetz verbunden sind, muss der Aggregat nur noch als Notlösung funktionieren. Andere Kombinationen sind auch denkbar, z.B. ein Windgenerator mit PV-Anlage; hier funktioniert der Dieselaggregat als Notstromgenerator, denn Wind und Sonnenenergie ergänzen sich bestens. Im philippinischen Dorf Atulayan hat die Firma Synergy Power ein solches Inselnetz aufgebaut, um das alte System mit einem Dieselgenerator zu ersetzen. Früher hatten die Dorfbewohner lediglich 4 Stunden am Tag Strom. Heute haben sie ihn rund um die Uhr. Der Dieselaggregat schaltet für ein paar Stunden alle paar Tage an, wenn der Ladezustand der Batterien zu tief sinkt.

Soziale Probleme und das Großkraftwerk als Notstromaggregat

Wenn ein Inselnetz oder ein "Solar Home System" (SHS) -meistens bestehend aus mindestens einer PV-Anlage, einem Wechselrichter, und einer Batterie, um Strom für Sparlampen, ein Radio, einen S/W-Fernseher, usw. bereitzustellen - erst mal installiert ist, steigt der Konsum oft, so dass das System oft bald überlastet ist. Das führt zu Frustration unter den Anwendern, die meinen, die Technik funktioniere nicht. Das System kann natürlich von der Technik her fast immer problemlos ausgebaut werden, aber das kostet Geld. Die Treibstoffkosten entfallen gänzlich für PV-Anlagen und die Wartungskosten sind minimal, aber die Anschaffungskosten sind enorm, d.h. alle Kosten entstehen am Anfang, bevor Strom überhaupt erzeugt worden ist.

Wie sollen ausgerechnet arme Menschen diese Mittel aufbringen? Neben staatlicher Förderung und Entwicklungshilfe gibt es auch die Mikrofinanzierung, z.B. von der Firma Grameen Shakti (Teil der Grameen Bank). In solchen Programmen werden kleine Geldsummen an Frauen (die Darlehensnehmer sind meistens weiblich) geliehen, die ihr Einkommen z.B. durch die Anschaffung einer Nähmaschine und eine Lampe steigern könnten. In solchen Fällen erhöht die Anschaffung eines SHS das Einkommen des Nutzers, aber in anderen Fällen - wenn z.B. Licht für Schulen und Gemeinschaftsgebäude bereitgestellt wird - ist der Zusammenhang zwischen erhöhtem Lebensstandard und höherem Einkommen indirekter. Manchmal steigt das Einkommen der Nutzer von Inselnetzen und SHS eben nicht so schnell wie ihr Lebensstandard, damit sie den Ausbau des Systems selbst finanzieren könnten.

In Europa, wo das Stromnetz besser ausgebaut ist, kommen solche Hybridanlagen in entlegenen Orten zum Einsatz, z.B. in der Rappenecker Hütte im Schwarzwald, wo neben einer Windanlage und einer PV-Anlage eine Brennstoffzelle den Dieselgenerator mittelfristig ersetzen soll. Eine ähnliche Wind/PV/Diesel-Hybridanlage wird seit 1996 am Rotwandhaus betrieben.

Rund zwei Milliarden Menschen - ein Drittel der Menschheit - haben keinen Zugang zum Stromnetz. Diese Menschen geben einen viel größeren Anteil ihres Einkommens für Energie aus. Trotz ihrer Armut zahlen sie bis zu 10 Euro im Monat für Brennstoffe, Batterien, Kerzen, usw. Hybridsysteme mit Photovoltaik und Windenergie bieten mehr Energie für weniger Geld pro kWh. Außerdem sind diese erneuerbaren Energien viel sauberer und gesünder als die qualmenden Öllampen, die in den ärmsten Entwicklungsländern immer noch zum Luxus gehören. Die größten Probleme hier sind sozialer Art: Die Menschen müssen lernen, mit den neuen Technologien umzugehen. Man kann einen Generator anschmeißen, wenn man Strom braucht, aber wenn die Batterien leer sind, kein Wind weht und die Sonne nicht scheint, muss man ohne Strom auskommen.

Diese Herausforderung gilt aber nicht nur in den Inselnetzen der Entwicklungsländer, sondern auch zunehmend im entwickelten Westen. Wenn wir bedenken, dass Netzbetreiber die Energie von Windkraftanlagen in Dänemark und Deutschland kaufen und die Großenkraftwerke dabei herunterfahren müssen, wird klar, dass die Großkraftwerke in solchen Fällen zunehmend die Rolle des Dieselaggregats im einem Hybrid-Inselnetz übernehmen, der eher Notstrom liefert. Das ist auch nicht schlecht, denn endliche Ressourcen sollten auch nur zur Not verbraucht werden.

Aber dieser Wandel erfordert ein Umdenken seitens der Energiewirtschaft. Die Betreiber der Großkraftwerke sehen ihre Margen schwinden, wenn sie immer ein paar Prozentpunkte weniger produzieren dürfen, nur weil der Wind weht - ein Vorgang, der mittlerweile mit einiger Sicherheit vorhergesagt aber eben nicht kontrolliert werden kann. Und wenn PV und andere Erneuerbare Energien einen immer größeren Anteil der Stromversorgung deckt, werden die Großkraftwerke immer mehr zu Notstromaggregaten "degradiert" (aus den Augen der Betreiber).

Wenn man diesen Zusammenhang begriffen hat, versteht man die recht übertriebenen Klagen der Kraftwerksbetreiber, sie müssten immer so viel "Reserve" parat halten, weil so viel Windenergie eingespeist wird - ganz so, als müssten mehr Kohlekraftwerke gebaut werden, wenn mehr erneuerbare Energien eingespeist werden. In Wirklichkeit werden die großen Kohle- und Atomkraftwerke immer weniger ausgelastet, was die Gewinnmarge kürzt.

Energy payback

Letztlich muss mit dem alten, hartnäckigen Vorurteil aufgeräumt werden, die PV würde nicht einmal so viel Energie erzeugen, wie für ihre Herstellung nötig wäre. Das ist nicht nur falsch, sondern unterstreicht den großen Vorteil von PV.

Man sagt ja, ein einziges Kohlekraftwerk erzeuge große Mengen an Energie, z.B. es habe eine Kapazität von 600 MW. Das klingt sehr stark. In der Tat verwandelt ein Kohlekraftwerk auf eine höchst ineffiziente Weise - sagen wir mal 30% - die über Jahrmillionen gespeicherte Sonnenenergie in Strom - der Rest ist Abwärme. Das Kohlekraftwerk "verwandelt" also viel mehr Energie, als für ihren Bau verbraucht wurde, aber es wird immer weit mehr Energie in ein solches Kraftwerk eingesteckt, als sinnvoll herauskommt. Das wird uns irgendwann aufgehen, spätestens wenn die Kohle alle ist (schätzungsweise in 2 bis 3 Jahrhunderten).

Wir werden aber nicht erleben, dass die PV ohne Sonne nicht funktioniert, da wir vorher vor der wachsenden Sonne verdampfen werden (keine Angst, wir haben noch gut 1 Milliarde Jahre). Bis dahin sollten wir die Energiemenge, die die Sonne uns jeden Tag schickt - das 16.000-Fache unseres Weltenergiekonsums - nutzen. Auch in Deutschland fällt jährlich rund 1.000 kWh an Sonnenenergie auf ein Quadratmeter. Das entspricht in etwa dem jährlichen Konsum eines Durchschnittsdeutschen. Bei einem Wirkungsgrad von 12,5% könnte man also seinen Strombedarf mit 8 Quadratmeter PV in Deutschland decken.

Selbst Kritiker der PV wie ExxonMobil geben zu, dass eine PV-Anlage in zwei Jahren die Energiemenge produziert hat, die für ihre Herstellung notwendig war. Befürworter von PV wie Irm Pontenagel schätzen den "energy payback" von ganzen PV-Anlagen (inklusive Wechselrichter, Rahmen, usw.) etwas konservativer auf 3 bis 6 Jahre. Selbst dann erzeugt eine PV-Anlage das 5- bis 10-Fache der Energie, die für seine Herstellung notwendig war.

So relativiert sich auch der Begriff Wirkungsgrad, denn ein Kohlekraftwerk (30%) ist eben nicht doppelt so effizient wie PV (15%): Uns wird die Kohle ausgehen, wenn wir sie verbrennen, aber wir können die Sonne nie überstrapazieren. Sie schenkt uns weit mehr, als wir annehmen können. Nehmen wir das Geschenk an!

Craig Morris übersetzt im Bereich Energie, Technik, und Finanzen bei Petite Planète.

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Warum das bewölkte Deutschland einen PV-Boom auslösen kann

Craig Morris 17.05.2004

Photovoltaik - das Flaggschiff der Erneuerbaren Energien (Teil I)

Wer das Wort Solarenergie hört, denkt vermutlich als erstes an Solarzellen, die man immer häufiger auf deutschen Dächern sieht: die Photovoltaik (PV). PV ist zum Hoffnungsträger schlechthin für die Solarenergie geworden; wie MdB und Energie-Experte Hermann Scheer (SPD) gegenüber der Welt sagte: "Die Photovoltaik ist der zukunftsträchtigste Bereich im gesamten Spektrum der erneuerbaren Energien, und zwar weltweit." PV bietet sauberen Strom vor Ort, überall, auch ohne Netzanschluss, in allen Größen - von kleinen Zellen zur Versorgung von Taschenrechnern bis hin zum größten PV-Kraftwerk der Welt (5 Megawatt "peak" Leistung, oder 5 MWp), das zur Zeit von der Geosol GmbH in Sachsen gebaut wird. Aber ist ein PV-Kraftwerk überhaupt sinnvoll in Sachsen, wo die Sonne kaum hinkommt? Ist das nicht schon wieder eine Verschwendung von Steuergeldern und ein rot-grünes Hirngespinst? Sollte man nicht lieber riesige PV-Kraftwerke in der Sahara oder mindestens in Spanien aufstellen, wo die Sonne häufiger und stärker scheint? Und ist PV nicht ohnehin schon unsäglich teuer?

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