Höhere Wirkungsgrade in Aussicht
Bei der Silizium-PV, die 95 % des Weltmarkts abdeckt, geht der Trend zu kostengünstigen Solarzellen mit passivierten Kontakten, die höhere Wirkungsgrade ermöglichen. Technologische Fortschritte im Bereich der Dünnschicht-Technologien haben hier die Wirkungsgrade über die 20 %-Marke gehoben, bei Mehrfachsolarzellen auf Basis von Silizium sind es bereits mehr als 35%.
Bei einer Produktion im Terawatt-Bereich werden Fragen der Materialversorgung (vor allem bei seltenen Elementen wie Silber), der Nachhaltigkeit und des Recyclings stärker in den Mittelpunkt rücken. Netze und Leistungselektronik, Speicher, Sektorenkopplung, sowie Power to Gas können weiterentwickelt werden, um einen hohen Anteil von Solarstrom aufzunehmen. Die Lösungen sind bereits vorhanden.
Der steigende Anteil von PV-Strom am Strommix zieht Änderungen im Stromerzeugungs- und Übertragungssystem, in den Betriebsführungsstrategien und bei den PV-Systemen selbst nach sich, so die Autoren. „Der fundamentale Wandel in unserem Energiesystem stellt uns vor die Herausforderung, ergänzende Technologien wie Speicher zu entwickeln und die Sektorenkopplung voranzutreiben“, so Bett. Fünf Handlungsfelder identifizieren die Wissenschaftler:
- Netze und Leistungselektronik – Die Harmonisierung von Verbrauch und Erzeugung auch über größere Entfernungen, Speicher sowie verbesserte Solarprognosen helfen, Schwankungen im Solarstromangebot auszugleichen. Mit einem wachsenden PV-Strom-Anteil im Stromnetz werden Solaranlagen zunehmend netzdienliche Leistungen wie Spannungsregulierung und Frequenzsteuerung übernehmen, wofür eine neue Generation PV-Wechselrichter entwickelt wurde. Bei einem sehr hohen PV-Anteil werden neue Technologien wie virtuelle Schwingungsregler zum Einsatz kommen, und die Kopplung mit Batteriesystemen schafft widerstandsfähige, zuverlässige Systeme.
- Speicher – Die Preise für Lithium-Ionen-Batterien sind in den letzten acht Jahren um 80 Prozent gesunken, und weitere Senkungen sind durch steigende Produktionskapazitäten und Technologieentwicklung zu erwarten. Darüber hinaus arbeiten Forschung und Industrie an neuen, kostengünstigen Materialien mit einer höheren Energiedichte als Alternative zu Lithium-Ionen – Batterien. Eine weitere Möglichkeit sind Pumpspeicherkraftwerke, für die weltweit ein erhebliches technisches Potenzial besteht.
- Sektorenkopplung – Die Elektrifizierung des Transportsektors, der für 39 Prozent des fossilen Gesamtenergieverbrauchs zuständig ist, sowie der Gebäudeheizung (17 Prozent der fossilen Energieträger) werden die Nutzung erneuerbarer Energien dramatisch erhöhen. Wärmepumpen als die führende Heizungsform der Zukunft werden die Energieeffizienz von Gebäude deutlich verbessern. Industrien wie die Stahl-, Eisen – und Düngemittelherstellung können mit kostengünstig solar erzeugtem Wasserstoff und Ammoniak die Treibhausgasemissionen ihrer Prozesse reduzieren.
- Power to X/Gas – Kostengünstiger Wind- und Solarstrom kann zur Erzeugung von Wasserstoff, Methan und anderen Kohlenwasserstoffverbindungen genutzt werden, die als synthetische Kraft- und Brennstoffe, Prozesschemikalien oder als Ausgangsstoffe für die chemische Industrie zum Einsatz kommen. Mit Power-to-Gas oder Power-to-X –Technologien können große viele Terawatt Wind- und Solarleistung aufgenommen und über lange Zeiträume chemisch gespeichert werden. Die Forscher sehen hier noch viel Potenzial für Effizienzsteigerung und Kostensenkung.
- Forschung und Produktion – Die Lernkurve der Photovoltaik, die in den letzten 40 Jahren eine Senkung der Modulkosten von 23 Prozent pro Verdopplung der installierten Kapazität gezeigt hat, wird sich nach Ansicht der Wissenschaftler fortsetzen. In der Silicium-Photovoltaik, die 95 Prozent des Weltmarktes ausmacht, geht der Trend zu kostengünstigen Solarzellen mit passivierten Kontakten, die höhere Wirkungsgrade ermöglichen. Technologische Fortschritte im Bereich der Dünnschicht- und neuartigen Technologien haben hier die Wirkungsgrade über die 20%-Marke gehoben, bei Mehrfachsolarzellen auf Basis von Silicium sind es bereits über 35%. Auch die erhöhten Produktionsvolumina bedingen neue Forschungs- und Entwicklungsaufgaben: Fragen von Materialversorgung (vor allem bei seltenen Elementen wie Silber), Nachhaltigkeit und Recycling rücken bei einer Produktion im Terawatt-Bereich stärker in den Mittelpunkt.
->Quellen und mehr:
Nancy M. Haegel, Harry Atwater Jr., Teresa Barnes, Christian Breyer, Anthony Burrell, Yet-Ming Chiang, Stefaan De Wolf, Bernhard Dimmler, David Feldman, Stefan Glunz, Jan Christoph Goldschmidt, David Hochschild, Ruben Inzunza, Izumi Kaizuka, Ben Kroposki, Sarah Kurtz, Sylvere Leu, Robert Margolis, Koji Matsubara, Axel Metz, Wyatt K. Metzger, Mahesh Morjaria, Shigeru Niki, Stefan Nowak, Ian Marius Peters, Simon Philipps, Thomas Reindl, Andre Richter, Doug Rose, Keiichiro Sakurai, Rutger Schlatmann, Masahiro Shikano, Wim Sinke, Ron Sinton, B.J. Stanbery, Marko Topic, William Tumas, Yuzuru Ueda, Jao van de Lagemaat, Pierre Verlinden, Matthias Vetter, Emily Warren, Mary Werner, Masafumi Yamaguchi, Andreas W. Bett: „Terawatt-scale photovoltaics: Transform global energy – Improving costs and scale reflect looming opportunities“– in: Science, 31 May 2019, DOI: 10.1126/science.aaw1845