Erneuerbare Energien Teil 2: Die Photovoltaik, das Universum und der ganze Rest

Im zweiten Teil unserer Energieübersicht widmen wir uns dem zweiten großen Hoffnungsträger der Erneuerbaren, der Sonnenenergie. Außerdem: der ganze Rest

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Großes Scheunendach mit Ausrichtung gen Süden: Da kommt ordentlich Strom zusammen übers Jahr, und die Fläche war ohnehin schon versiegelt.

(Bild: Clemens Gleich)

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Der erste Teil dieses Artikels widmete sich der Windkraft, anhand derer der Leser auch einen Eindruck erhielt von den verwendeten Maßgrößen. Sie sollten ihn daher vorher lesen, um anfängliche Desorientierung zu vermeiden.

Nachdem der mentale Größenordnungsmuskel im Winddruck gedehnt ist: Wie sieht es mit Photovoltaik (PV) aus? Die Sonnenenergie gehört seit den Anfängen der Erneuerbaren zu den Hoffnungsträgern der Energiewende, weil sie selbst im vergleichsweise schattigen Deutschland so viele Vorteile bietet. Es beginnt schon bei der verfügbaren Energie. Die jährlich aufsummierte Globalstrahlung (also der Bruttoeintrag reiner Sonnenenergie am Boden) liegt in Deutschland laut Deutschem Wetterdienst bei über die Jahre gemittelt etwas über 1000 kWh / m².

Der Wirkungsgrad von PV-Modulen liegt bei 10 bis 22 Prozent, je nach Bauweise und Kosten. Nehmen wir gute 20 Prozent an. Dann sind wir bei 200 kWh / m² pro Jahr, was einer gemittelten Dauerleistung von 23 W / m² entspricht. Nicht schlecht! Also: im Vergleich zur Windkraft. 15.105 km² würden damit ausreichen, um unseren gesamten Primärenergieverbrauch von 3021 TWh (unter der Annahme, dass wir unseren Bedarf auf 100 kWh pPpT senken) zu decken, also unter 5 Prozent der deutschen Landfläche. Wir lassen jeden Verlust durch Schatten und jeden Gewinn durch Neigung in der Schätzung einmal weg, um die Rechnung zu vereinfachen.

Die Sonne liefert auch in unseren Breitengraden ordentlich Energie – leider fast alles im Sommerhalbjahr.

(Bild: Deutscher Wetterdienst)

Anders als bei Windrädern ist der Boden darunter nicht mehr so einfach anderweitig zu nutzen, wie Freiflächenanlagen zeigen. Ein guter Start daher: PV auf alle Dächer. Die TU München hat in einer Studie das Dach-PV-Potenzial für ganz Deutschland auf 161 GWp geschätzt. Das kleine “p” steht für “peak” der Wert steht also für die installierte Nennleistung. Der Ertrag hängt vom Sonnenschein ab. In Deutschland erntet man normalerweise rund 800 bis 1000 Wh pro Jahr pro installiertem Wp. In der Schätzung der TU München enthalten sind alle halbwegs geeigneten Dachflächen aller privaten und öffentlichen Häuser abzüglich der Flächen für bestehende Solarthermieanlagen. Sie enthält als maximale Potenzialschätzung auch alle Dächer, auf denen schon Panels liegen. Aus 161 GWp installierter Leistung könnten wir in unseren Breitengraden pro Jahr 130 bis 161 TWh ernten.

Andere Studien (z. B. die des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie) gehen von einem deutlich niedrigeren Dachflächenpotenzial aus. Es ist trotzdem eine ausgezeichnete Idee, denn Dachflächen sind bereits versiegeltes Land und der Strom kann direkt unter dem Dach verbraucht (und in Batterien gepuffert!) werden, was die Netze entlastet. Kontext: Laut Fraunhofer waren 2019 in Deutschland 49 GWp installiert. Sie deckten gut 8 Prozent des deutschen Stromverbrauchs, also 1,6 Prozent des Gesamtenergiebedarfs.

Wir sehen demnach auch hier: Die einfachen Lösungen, die gern vorgeschlagen werden, reichen nicht aus. Es reicht auch nicht aus, wenn jeder ein Scherflein beiträgt. Wir brauchen Energie im großen Stil. Über 15.000 km² in Deutschland zu finden für über 3000 TWh im Jahr, das wird sicher nicht einfach. Zur Einordnung: Die weltweit installierte Solarleistung lag laut Fraunhofer Ende 2019 bei etwas über 600 GWp. Das würde in etwa unseren Strombedarf decken. Für unseren etwas niedriger als aktuell geschätzten deutschen Gesamtenergiebedarf benötigen wir grob das Fünffache der aktuell weltweit installierten Solarleistung – unter der rein theoretischen Annahme für dieses Gedankenspiel, dass alle Energie aus PV gedeckt werden müsste. Wie beim Wind wird es natürlich keine solche Einzellösung werden, es geht zunächst um das Verständnis der Größenordnungen.

Eine mögliche Lösung für das Platzproblem könnten halbtransparente oder mit größerem Abstand gestellte Solarpanels sein, die auf Äckern stehen (Agro-Photovoltaik). Sie lassen einen Teil des Sonnenlichts zu den Pflanzen darunter durch und sie stehen so, dass der Regen auch die Wurzeln der Pflanzen unter den Panels erreicht. In ersten Tests hat sich das als leicht positiv auf die Ernte ausgewirkt, weil weniger Wasser verdunstet. Die Idee befindet sich im Versuchsstadium. Erweist sie sich als tragbar, brauchen wir wesentlich mehr Solarfläche, aber die Hälfte Deutschlands besteht ohnehin aus Agrarflächen. Da sollte sich genug finden lassen. Die größere Hürde ist der Umstand, dass im Sommer viel Sonne da ist und im Winter fast nichts. Deshalb ist es sinnvoll, PV UND Wind zu installieren (im Winter weht mehr Wind). Dennoch müssen Schwankungen und Flauten ausgeglichen werden. Hier ist noch viel Arbeit zu tun. Die aktuelle Fraunhofer-Übersicht kommt zum Schluss:

“Solange keine nennenswerten Strom-zu-Strom-Speicherkapazitäten oder Speicherwasserkraftwerke im Netz zugänglich sind, reduzieren PV- und Windstrom zwar den Verbrauch an fossilen Brennstoffen, die Energieimporte und den CO2-Ausstoß, sie ersetzen aber keine Leistungskapazitäten. Die Nagelprobe sind windstille, trübe Wintertage, an denen der Stromverbrauch Maximalwerte erreicht, ohne dass Sonne- oder Windstrom bereitstehen.“

Dennoch kommt ausgerechnet der Mineralölkonzern Shell zum Schluss, dass PV nach 2050 der wichtigste Primärenergieträger werden kann. Was letztendlich passieren wird, liegt an den künftig gesetzten Prioritäten.

Energienachfrage der Bürger und Energielieferungen der Sonne decken sich selten. Wir brauchen also Speichersysteme. Das gute alte Pumpspeicherkraftwerk kennt jeder Schüler: Bei Überenergie pumpt es Wasser elektrisch auf ein höheres Niveau. Bei Mangel lässt es dieses Wasser durch eine Turbine rauschen zur Stromproduktion. Die Effizienz liegt bei etwa 70 Prozent. Laut dem Bundesverband Energiespeicher waren 2016 31 Anlagen mit insgesamt knapp 6,4 GW Pumpspeicherleistung und 37,4 GWh Kapazität installiert. Weitere 40 GWh sind in Planung. Studien sehen Potenzial für noch weitere 100 GWh in Deutschland.

Pumpkraftwerke zeigen, dass wir prinzipiell selbst mit steilen Regelkurven umgehen können. Traditionell treten die auf, wenn eine Mehrzahl der Leute aufsteht und Kaffee kocht. Nachts gibt es weniger Nachfrage. Früher gab es daher sehr günstige Nachtstromtarife. Ein Pumpkraftwerk pumpte mit diesem billigen Strom und verkaufte erzeugten Strom zum Spitzenpreis tagsüber. Das war lange Zeit ein sehr gutes Geschäft. Der Schwankungsverlauf ist jedoch viel komplexer geworden.

Die Nachfrage nach Strom wird in der Nacht steigen, wenn Leute nach der Arbeit E-Autos aufladen. Tagsüber muss nicht nur der Bedarf ausgeregelt werden, sondern auch der variable Eintrag aus EE-Techniken. Die Regeltechnik müsste sich dem anpassen, und die Gesetzgebung für Pumpspeicher ebenfalls. Da die Anlagen sehr groß sind, waren sie in der Vergangenheit nicht besonders beliebt unter Umweltschützern. Wir bräuchten jedoch bei rein erneuerbaren Energien mehr davon. Viel mehr. Wahrscheinlich so viel, dass es nicht die sinnvollste Lösung ist. Oder wir finden Lösungen, die Anlagen schöner, mit Mehrfachnutzen in die Kulturlandschaft zu integrieren.

Wasserkraftwerke (im Bild das Rheinkraftwerk Rheinfelden der EnBW) können vergleichsweise zügig ein- und ausgeschaltet werden, sodass auch sie zur Regelung beitragen können. Bei einer Abregelung fließt nur eben CO2-neutraler Strom nicht, das ist also weniger hilfreich als Speicherung.

(Bild: EnBW)

Die Pufferleistung heutiger EE-Anlagen stellen meistens regelbare Wärmekraftwerke zur Verfügung. Sie verlieren durch das Abregeln zwar ein paar Prozent Effizienz, das gleicht der EE-Strom jedoch mehr als aus. Doch sie verbrennen hauptsächlich fossile Brennstoffe. Die im Hinblick auf die nötige Decarbonisierung beste Variante ist das Gaskraftwerk, denn Erdgas verbrennt bei selber Wärmeabgabe mit deutlich weniger CO2 im Abgas als Kohle. Eine Idee ist daher, überschüssigen Strom per Elektrolyse in Wasserstoffgas zu wandeln, das zu Methangas zu katalysieren und so zu speichern ("Power to Gas"). Diesen Speicher können die installierten Gaskraftwerke dann rückverstromen, und nebenbei fiele eine Wasserstoff-Wirtschaft ab, um zum Beispiel LKW mit Brennstoffzellen zu betreiben.