Die Wettbewerbsfähigkeit der Solarenergie

Solarstrom könnte in zehn Jahren genauso billig wie Kohlestrom sein, hat eine neue MIT-Studie ergeben. Dazu braucht es keine technische Revolution. Eine Vielzahl kleiner Verbesserungen reicht auch.

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Solarstrom könnte in zehn Jahren genauso billig wie Kohlestrom sein, hat eine neue MIT-Studie ergeben. Dazu braucht es keine technische Revolution. Eine Vielzahl kleiner Verbesserungen reicht auch.

Die Ankündigung der Bundesregierung, die Solarförderung ab Juli um bis zu 30 Prozent zu kürzen, sorgt in der Energiebranche für gehörige Aufregung. Die Kritiker der Subventionen für erneuerbare Energien hingegen fühlen sich bestätigt. Schließlich sei die Volkswirtschaft durch die hohe Einspeisevergütung für Solarstrom mit unnötigen Milliarden belastet worden. Solarstrom sei eben nicht wettbewerbsfähig, argumentieren sie. Das könnte sich jedoch schon bald ändern, zeigt nun eine neue Studie des MIT für den US-Energiemarkt: Im Jahre 2020 könnten Solarmodule halb so teuer sein wie heute – und Solarstrom damit sogar billiger als Kohlestrom.

Der Report, der im Journal Energy & Environmental Science veröffentlicht worden ist, untersucht verschiedene neue Technologien im Frühstadium. Zusammengenommen könnten sie die Kosten für Solarmodule auf 52 US-Cent pro Watt senken. In den sonnigen Gegenden der USA könnte Solarstrom dann mit Gestehungskosten von sechs US-Cent pro Kilowattstunde produziert werden. Dies entspricht den derzeitigen durchschnittlichen Produktionskosten für Strom in den USA. Derzeit liegt Solarstrom nach Angaben des US-Energieministeriums in sonnenreichen Gefilden bei 15 US-Cent pro Kilowattstunde. Bei kleinen Anlagen und in häufig bewölkten Gegenden ist er jedoch noch deutlich teurer in der Erzeugung.

Den wichtigsten Ansatz zur Kostensenkung sieht der Report in der Verbesserung des Wirkungsgrades. Weil dann weniger Solarzellen für die gleiche Menge Strom benötigt würden, sänken umgerechnet auch die Kosten für die Installation einer Solaranlage. Um Kosten von 52 US-Cent pro Watt zu erreichen, seien bessere Wirkungsgrade allein jedoch nicht ausreichend. Die Hersteller müssten zu dünneren Wafern übergehen, weniger Silizium-Abfall produzieren und ihre Produktions-Anlagen schneller machen. Eine hocheffiziente Siliziumzelle reduziere die Kosten nicht nennenswert, wenn ihre Herstellung den Fertigungsprozess verlangsamt und dickere Wafer benötigt.

Vor allem Materialeffizienz in der Produktion halten die Autoren der Studie für geboten. Derzeit endet die Hälfte des eingesetzten Siliziums für Hochleistungszellen als Abfall. Das Start-up 1366 Technologies will dies ändern, indem es Wafer direkt aus geschmolzenem Silizium erzeugt. Das Verfahren soll herkömmliche Schmelzen ersetzen, das Zersägen von Silizium-Blöcken (so genannten Ingots) in einzelne Wafer überflüssig machen und in einer einzigen Maschine erfolgen. Andere Start-ups arbeiten an Methoden, die Wafer direkt von einem Ingot abzuschälen.

Dünner Wafer genügen aber ebenfalls nicht, wenn sie mit unpassenden Geräten gehandhabt werden, die sie womöglich zerbrechen. Im Prinzip sind 25 Mikrometer dünne Wafer möglich – der Industriestandard sind derzeit 180 Mikrometer für Siliziumzellen. Eine Möglichkeit wäre, die hauchdünnen Wafer auf Glasscheiben zu platzieren, um sie weiterzuverarbeiten. Das Glas könnte hinterher als Schutzabdeckung im Freien gleich mitgenutzt werden. Ein anderer Ansatz, der ursprünglich in den neunziger Jahren ersonnen wurde, bewegt die Wafer mit einer magnetischen Führung möglichst kontaktlos durch die Anlagen zu. Dabei liegen die nichtmagnetischen Wafer auf einer metallischen Plattform auf.

Auch für die Verbesserung des Wirkungsgrades können dünne Wafer nützlich sein. Der japanische Hersteller Sanyo hat eine Zelle entwickelt, in der kristallines Silizium von zwei Schichten aus amorphem Silizium eingeschlossen ist. Durch die symmetrische Schichtstruktur kommt es zum einen zu geringeren Verspannungen zwischen den Schichten. Zum anderen verhindern die Grenzflächen der unterschiedlich dotierten Siliziumarten, dass bewegliche Elektronen zu schnell in die elektronischen Löcher zurückfallen, die von Photonen erzeugt worden sind – was den Wirkungsgrad erhöht. Die Zelle lässt sich außerdem bei niedrigeren Temperaturen als bislang üblich verarbeiten.

Die US-Firma Sunpower etwa nutzt eine Konstruktion, bei der alle elektrischen Kontakte auf der Rückseite einer Zelle angebracht sind. Dies vermindert die Verschattung durch die Kontakte, erhöht also die Lichtausbeute. Die Konstruktion würde zugleich auch die Verarbeitung auf Glasscheiben erleichtern.

Die meisten Technologien, die der Report auflistet, haben es bisher noch nicht in eine Produktion im industriellen Maßstab geschafft. Vor allem für die Waferherstellung ohne Zersägen sind noch einige technische Probleme zu lösen: Wie stellt man sicher, dass die Kristallstruktur eines Wafers die nötige Qualität hat, dass die Wafer in der richtigen Größe entstehen und dass sie sich schnell genug produzieren lassen?

Aber auch auf der Seite derjenigen, die Solaranlagen installieren, könnte noch gespart werden. Wechselstromrichter, Anschluss ans Stromnetz, Grundstück und Finanzierung machen mitunter 80 Prozent der Kosten für eine neue Solaranlage aus, im Durchschnitt immerhin die Hälfte. Höhere Wirkungsgrade würden helfen, die Installationen kleiner und damit billiger zu halten.

Tonio Buonassisi, Verfahrenstechniker am MIT und Hauptautor der Studie, hält es sogar für möglich, die Solarmodul-Kosten langfristig unter 50 US-Cent pro Watt zu drücken. Das werde aber nur mit ganz neuen Konstruktionen gelingen, etwa nanostrukturierten Siliziumschichten von einem Mikrometer Dicke. Die könnten im Idealfall, so Buonassisi, denselben Wirkungsgrad erzielen wie die heutigen 180-Mikrometer-Zellen. Ob solche Aussichten die Skeptiker umstimmen, steht jedoch auf einem anderen Blatt.

Der Report:

Powell, D. et al.: “Crystalline silicon photovoltaics: a cost analysis framework for determining technology pathways to reach baseload electricity costs”, Energy & Environmental Science, 14.2.2012 (Abstract)

(nbo)