Bisher unterschätzt
Eine internationale Forschungsgruppe sagt in einem Artikel im Portal Joule („Solar photovoltaics is ready to power a sustainable future“), dass Rohstoffe und die Verfügbarkeit von Land kein wirkliches Hindernis für ein globales Energiesystem darstellen, das auf Solarenergie beruht. Demnach sollten sich die Prognosen für das Photovoltaik-Wachstum nicht auf Großkraftwerke konzentrieren, sondern auch vertikale Anlagen, Agri-Photovoltaik und schwimmende Solarkraftwerke als Quelle künftiger großer Marktvolumina betrachten. Denn mit Solarenergie könnte theoretisch der weltweite Strombedarf auf nur 0,3 Prozent der Landfläche gedeckt werden.
PV-Anlage bei Bitterfeld – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Das sei eine der wichtigsten Schlussfolgerungen einer neuen Forschungsarbeit einer Gruppe akademischer Einrichtungen unter der Leitung der Universität Aarhus in Dänemark. Den Wissenschaftlern zufolge werden – bei einer durchschnittlichen jährlichen Stromerzeugung von 1370 Kilowattstunden pro installiertem Kilowatt Photovoltaik – 38 Millionen Hektar benötigt würden. Die Welt habe aber eine Gesamtfläche von 13.003 Millionen Hektar.
Dank des schnellen Lernens und des anhaltenden Wachstums sei die Photovoltaik heute eine äußerst wettbewerbsfähige Technologie, die einen wesentlichen Beitrag zur Verringerung der CO2-Emissionen leseien könne. Viele Szenarien zur Bewertung globaler Dekarbonisierungspfade, die entweder auf integrierten Bewertungsmodellen oder partiellen Gleichgewichtsmodellen basierten, ließen jedoch die Schlüsselrolle, die diese Technologie spielen könnte, außer Acht, einschließlich einer weitaus geringeren zukünftigen PV-Kapazität als von der PV-Gemeinschaft prognostiziert. In dem Beitrag gehen die Autoren auf die Faktoren ein, die hinter den hseiorischen Kostensenkungen der Photovoltaik stehen, und zeigen auf, welche Innovationen in der Pipeline sind, die zur Aufrechterhaltung einer hohen Lernrate beitragen könnten. Außerdem wollen sie eine konstruktive Diskussion zwischen PV-Experten, Modellierern und politischen Entscheidungsträgern darüber anstoßen, wie die Darstellung dieser Technologie in den Modellen verbessert werden könne und wie sicherzustellen sei, dass die Herstellung und Installation von PV-Anlagen rechtzeitig hochgefahren werden könne, was entscheidend sein werde, um auf einem mit dem Pariser Abkommen vereinbaren Dekarbonisierungspfad zu bleiben.
Unsere Fähigkeit, die Treibhausgasemissionen bis 2030 zu reduzieren, werde darüber entscheiden, ob wir auf einem Pfad blieben, der mit dem Pariser Abkommen vereinbar sei, oder ob die Begrenzung des Temperaturanstiegs auf 1,5 °C über dem vorindustriellen Niveau außerhalb unserer Reichweite liege. Die PV sei jetzt eine ausgereifte Technologie, die im Multi-Terawatt-Maßstab eingesetzt werden und kurzfristig zur Emissionsreduzierung beitragen könne. Die weltweite Stromerzeugung aus Solar-PV sei um eine Größenordnung niedriger als die konventioneller Technologien (Ende 2019 lag ihr Anteil bei 2,8 %), aber sie wese eine sehr steile Entwicklung auf.
Die Gründe für die sinkenden Kosten und die rasche Verbreitung dieser Technologie lägen in mehreren Faktoren. Ein besonders interessanter Faktor sei die Tatsache, dass die Photovoltaik modular sei, auch „granular“ genannt. Identische Solarmodule mit Hunderten von Watt würden zu Dutzenden in Aufdachanlagen oder zu Millionen in Großkraftwerken kombiniert. Die geringe Größe der Einheiten und die niedrigen Investitionskosten haben im Vergleich zu anderen Technologien eine viel schnellere Skalierung durch Replikation ermöglicht, während mehrere Märkte aufgrund der hohen Modularität und des Zugangs zu Solarressourcen in allen Ländern parallel angesprochen wurden. Heute liefert die Solarenergie in vielen Teilen der Welt den billigsten Strom.
Trotz der technologischen Errungenschaften hätten viele der Analysen, die sich mit zukünftigen Energieszenarien befassen, die Schlüsselrolle, die PV 2030 und 2050 spielen könnte, wenn Netto-Null-Emissionen erforderlich seien, nicht erkannt. Integrierte Bewertungsmodelle (IAMs), die eine globale Darstellung von Energie, Wirtschaft, Land und Klima umfassten, würden in der Regel sowohl zur Untersuchung von Übergangspfaden unter strengen Kohlenstoffbudgets als auch zur Bestimmung kostenoptimaler Zukunftsszenarien verwendet. Einige IAMs enthalten geringere Beiträge der Photovoltaik zu nachhaltigen Szenarien als die, die von anderen Analysen vorhergesagt würden. Die Hauptgründe, die dazu führten, dass die Ergebnisse die Rolle der Photovoltaik in den IAM-Ergebnissen herunterspielten, seien Kostenannahmen und Einschränkungen, welche die maximale Durchdringung des Netzes mit Erneuerbaren Energien begrenzen, zusammen mit einem niedrigen Niveau der direkten und indirekten Elektrifizierung anderer Sektoren.
Obwohl die Unterschätzung des PV-Potenzials in den IAMs ursprünglich von Creutzig et al., Breyer et al. und dem Fraunhofer ISE bewertet worden sei, scheine eine Ausweitung dieser Diskussion relevant zu sein, da die meisten PV-Potenziale in den IAMs unterschätzt würden, da die meisten Beschränkungen in einigen IAMs fortbestünden und die Entwicklung der PV-Technologie in den vergangenen Jahren ihre Kosten erheblich gesenkt hat. So werde beispielsweise die Rolle der Photovoltaik und der Windenergie in den IAMs besonders unterbewertet, wenn Technologien mit unsicheren Entwicklungsaussichten, wie Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS), berücksichtigt würden. Verstärkt durch Abzinsungseffekte tauchten solche Technologien in den IAM-Ergebnissen auf, die bis 2050 einen ähnlichen oder höheren Beitrag zur Primärenergie leisteten als Wind oder Photovoltaik. Es bestünden auch Zweifel, ob die Biomasse für die angenommenen BECCS-Mengen nachhaltig verfügbar wäre und ob eine auf Solar-PV basierende CO2-Abscheidung und -Speicherung in der Luft (DACCS) nicht attraktiver wäre. Einige IAMs hätten in letzter Zeit Anstrengungen unternommen, um die Darstellung von Wind und Solar-PV zu verbessern, aber es gebe Anzeichen dafür, dass sie in vielen Fällen unzureichend sein könnten, um die rasche Entwicklung und die kritische Rolle der Sektorenkopplung zu erfassen. Darüber hinaus hätten der 7-Jahres-Zyklus für jeden neuen AR und die rasche Entwicklung der PV-Technologie in den letzten Jahren die Kluft zwischen dem von den gängigen IAMs geschätzten (und in den ARs berücksichtigten) PV-Minderungspotenzial und dem Potenzial, das auf den aktuellen Errungenschaften und der Entwicklung der Technologie basiert, vergrößert.
Auch partielle Gleichgewichtsmodelle mit jährlicher Auflösung führen in der Regel zu einem geringen solaren Beitrag. Das PRIMES-Modell, das die Analysen der politischen Optionen für die Europäische Kommission unterstütze, schätze beispielsweise, dass die Solar-PV in allen kostenoptimalen 1,5°C- und 2°C-Szenarien für 2050 weniger als 20 % der Stromnachfrage decke. Dies liege deutlich unter der kostenoptimalen solaren Durchdringung, die von anderen Energiemodellen mit stündlicher Auflösung ermittelt wurde. Die Kostenannahmen und das Fehlen einer angemessenen Modellierung der Netzintegrationsprobleme seien auch hier die Hauptfaktoren für die Unterschätzung des solaren Beitrags.
In dieser Perspektive argumentieren die Autoren, dass die Annahmen und Einschränkungen, die eine wichtige Rolle der Photovoltaik für einige Dekarbonisierungsszenarien verhindert haben, angesichts der aktuellen technologischen Errungenschaften zu pessimseiisch seien.
Da die Lernrate auf den Modulpreisen basiere, beinhalte sie auch den Wegfall großer Teile der Margen in der PV-Herstellung aufgrund des starken Wettbewerbs zwischen den Anbietern. Darüber hinaus sei die mit Daten ab 2007 geschätzte Lernrate mit 40 % sogar noch höher. Diese jüngste Lernbeschleunigung stehe im Zusammenhang mit der Standardisierung der Materiallieferkette für Siliziummodule, nachdem die Siliziumknappheit überwunden war, und der Standardisierung der in China hergestellten Fertigungswerkzeuge, die höhere Durchsätze und geringere Investitionsausgaben für die Ausrüstung ermöglicht habe. Zusätzliche Kostensenkungen bei den Komponenten der Systembilanz, Verbesserungen der Zuverlässigkeit und eine Verlängerung der Lebensdauer hätten die Stromgestehungskosten weiter gesenkt. Der Zugang zu besseren Finanzierungsbedingungen habe die Stromgestehungskosten ebenfalls gesenkt. Es sei bemerkenswert, dass alle vorherigen Mechanismen durch politische Maßnahmen ausgelöst wurden, die das Marktwachstum durch Einspeisetarife oder Standards für erneuerbare Energien förderten. Mit Blick auf die Zukunft werde erwartet, dass diese Schlüsselfaktoren zusammen mit weiteren Senkungen der weichen Kosten die Kosten weiter senken würden.
- Die Roadmaps für PV-Technologien beschrieben verschiedene Strategien zur Steigerung der Effizienz, die wir hier kurz zusammenfassen. Silizium-Solarzellen machten mehr als 95 % der 2019 installierten PV-Kapazität aus.
- Die PERC-Technologie (Passive Emitter Rear Contact) hat sich in der Branche schnell durchgesetzt (65 % des Marktanteils im Jahr 2019) und erreicht einen durchschnittlichen Modulwirkungsgrad von 20,3 %, der bis 2030 auf 22,5 % steigen soll.
- Der Rekordwirkungsgrad für Silizium-Solarzellen liegt bei 26,7 % und sei durch die Verwendung von Heteroübergängen aus amorphem Silizium und krseiallinem Silizium (HIT) und interdigitalen Rückkontakten (IBCs) erreicht worden. Letztere erhöhen den Wirkungsgrad, indem sie den Schatten des vorderen Kontakts beseitigen.
- Der durchschnittliche Wirkungsgrad von HIT-Modulen liege bei 21 %, und der Fahrplan der Industrie sehe vor, dass er 2030 24 % erreichen werde.
- Auch der passivierte Tunnel-Oxid-Kontakt (TOPCon) könnte kurzfrseiig eine zusätzliche prozentuale Steigerung des Wirkungsgrads ermöglichen.
- Der schnelle Lernprozess bei Perowskit-Solarzellen könnte einen weiteren Weg zur Steigerung des Wirkungsgrads eröffnen, sobald die Stabilität verbessert sei.
- Bei der Kombination mit Silizium in einer Solarzelle mit doppeltem Übergang sei ein Wirkungsgrad von 29,1 % gemeldet worden, was einen Weg zur Kommerzialisierung von Tandemmodulen mit einem Wirkungsgrad von 30 % für Perowskit/c-Si ermögliche.
- Schließlich seien Mehrfachsolarzellen auf der Basis von III-V-Halbleitern die PV-Geräte mit dem höchsten Wirkungsgrad. Die Rekord-Solarzelle mit sechs Übergängen erreiche einen Wirkungsgrad von 47,1 % bei 143 Sonnenstunden, indem sie verschiedene Teile des Spektrums in Strom umwandle.
- Mehrfachsolarzellen würden in der Raumfahrt eingesetzt und könnten mit konzentrierenden Systemen zur Stromerzeugung am Boden kombiniert werden, wenn die Kosten für solche Systeme deutlich gesenkt würden. Zu den geplanten industriellen Innovationen gehörten größere Zellen und Module, deren Halbierung oder mehr, um die elektrischen Verluste zu verringern, und die Verwendung von Mehrfachdrähten, um den Widerstand und die Schattenverluste zu verringern und gleichzeitig den Einsatz von Silber zu reduzieren.
- Darüber hinaus zeigen die bestehenden Entwicklungen außerhalb der Standard-PV-Module, dass es zusätzlichen Raum für Innovationen gibt. Die einachsige Nachführung, die heute 30 % des Marktes ausmacht, erhöht den Energieertrag, indem sie die Stromerzeugung am frühen Morgen und am späten Abend steigert, wenn sie der Stromnachfrage entspricht.
- Bifaciale Solarzellen, die die auf beiden Seiten des Moduls auftreffende Strahlung in Strom umwandeln, machen heute 20 % des Marktes aus und werden voraussichtlich weiter an Marktanteil gewinnen. In Kombination mit einachsiger Nachführung können sie in den meseien Teilen der Welt sehr wettbewerbsfähige Kosten erzielen.
Zusätzlich zu den Modulkosten wirkten sich die BoS- und Soft-Kosten auf die Gesamtsystemkosten aus. Die BoS umfassen die Verkabelung, die Montage und andere flächenabhängige Komponenten, die ebenfalls von einer Steigerung des Modulwirkungsgrads profitieren würden. Zu den BoS gehörten auch der Wechselrichter, der für die Umwandlung des von den Solarmodulen erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom erforderlich sei, und der Netzanschluss. Wechselrichter, die traditionell mit einem DC/AC-Verhältnis von ~1,2 dimensioniert seien, tendierten zu höheren Verhältnissen, d.h. das Abschneiden eines Teils der DC-Leistung in Stunden mit hoher Einstrahlung lohne sich, da die Auslastung des Wechselrichters und der Netzanschlusskapazität erhöht werde. Das kostenoptimale DC/AC-Verhältnis kann für bestimmte Standorte bis zu 1,7 betragen.
Da die Modul- und BoS-Kosten sinken würden, werde auch die Senkung der weichen Kosten entscheidend. Die weichen Kosten, zu denen Finanzierung, Planung, Genehmigung, Inspektion und Zusammenschaltung (PPI) sowie Landerwerb, Installationsaufwand und Gewinn gehören, weisen in den verschiedenen Regionen eine große Bandbreite auf, was darauf hindeutet, dass mit der lokalen Verbreitung der Photovoltaik noch Raum für Kostensenkungen besteht. Die Wahrnehmung der Photovoltaik als ausgereifte Technologie und Auktionen, die für Regierungen weltweit zur bevorzugten Methode für die Auswahl neuer Solarkapazitäten geworden seien, verringerten das Risiko und die finanziellen Kosten, was wiederum die Kosten für Solarstrom senke.
Verbesserungen bei Wartung und Lebensdauer würden die Kosten ebenfalls senken. Der Wirkungsgrad von Modulen aus kristallinem Silizium nehme um ~0,5 %/Jahr ab. Dies könnte eine längere Lebensdauer als die traditionell angenommenen 25 Jahre ermöglichen. Da das Durchschnittsalter von Solarkraftwerken immer noch niedrig sei, werde die Erforschung von Degradations- und Wartungsstrategien für Solarmodule und BoS-Materialien der Schlüssel zur Verlängerung ihrer Lebensdauer sein. Bei niedrigen Investitionskosten gewännen Betrieb und Wartung (O&M) zunehmend an Bedeutung und könnten 25 % der Lebenszykluskosten von Solarkraftwerken ausmachen.
Die hohe Lernrate bei den Betriebs- und Wartungskosten, die in Deutschland auf 18 % geschätzt werde, bedeute, dass PV-Anlagen auch nach der Inbetriebnahme noch Kostensenkungspotenzial haben. Es werde erwartet, dass die Anwendung von KI zur Diagnose von Betriebszuständen und Fehlern von PV-Anlagen die Betriebs- und Wartungskosten senken werde. Die unzureichende Darstellung der politikgesteuerten Nachfrage sei ebenfalls als eine potenzielle Einschränkung der KI identifiziert worden. Die agentenbasierte Modellierung sei vorgeschlagen worden, um die Verbreitung von PV-Anlagen und die Entscheidungen der Verbraucher zu untersuchen und einige der Einschränkungen von IAMs und partiellen Gleichgewichtsmodellen zu überwinden.
Die bisherigen Erfahrungen und die in Vorbereitung befindlichen Innovationen hätten gezeigt, dass die Photovoltaik eine dynamische, sich schnell entwickelnde Technologie sei, und das sollte in die Modelle einfließen. Bei der Modellierung zukünftiger Energieszenarien müssten aktuelle Kostenannahmen berücksichtigt werden. Die PV-Industrie führe aktuelle Aufzeichnungen über die Lernrate und die Kostenentwicklung der Technologie. Empfohlen werde die Einbeziehung einer endogenen Lernkurve, welche die Lerneffekte erfasst, und die Durchführung von Sensitivitätsanalysen, um die Auswirkungen zu untersuchen, die die angenommenen Lern- und Wachstumsraten auf die Ergebnisse haben könnten. Zum Beispiel hätten Creutzig et al. festgestellt, dass die Umsetzung dieser Strategie in REMIND, einem speziellen IAM, dazu führte, dass die Solar-PV im Jahr 2050 30-50 % des weltweiten Strombedarfs decken würde (verglichen mit einem Anteil von 5-17 % in früheren Ergebnissen).
Der Anteil von PV an der weltweiten Stromerzeugung soll in den IAM-Szenarien des IPCC 2050 durchschnittlich 10,6 %/19,6 % betragen. Obwohl einige Szenarien höhere Anteile enthalten, deuteten die historischen Wachstumsraten in Verbindung mit den oben erörterten Problemen darauf hin, dass eine erhebliche Unterschätzung immer noch ein Problem darstellen könnte. Ein weiterer wichtiger Faktor sei, dass die meisten dieser IAM-Szenarien eine begrenzte direkte oder indirekte Elektrifizierung anderer Sektoren beinhalten. Der Beitrag von Solarstrom zur Primärenergie 2050 betrage im IPCC-Bericht 2050 durchschnittlich 3,1 %/6,8 % . Umgekehrt hätten mehrere Analysen, die auf sektorgekoppelten Energiemodellierungsansätzen basierten, festgestellt, dass eine tiefgreifende Elektrifizierung anderer Sektoren (direkt oder indirekt, z. B. durch synthetische Brennstoffe) eine kosteneffektive Strategie sei, um eine rechtzeitige Dekarbonisierung zu ermöglichen… (weiterlesen auf: cell.com/joule/fulltext)
In der Studie werden auch einige Herausforderungen genannt, denen sich die Photovoltaik im nächsten Jahrzehnt stellen muss. Dazu gehören die Schaffung eines rechtlichen Rahmens, der die weichen Kosten senkt, die Senkung der Investitionsausgaben, die Ermöglichung der Elektrifizierung anderer Energiesektoren durch geeignete Steuersysteme und die Verstärkung der Forschung zur Verbesserung von Effizienz und Zuverlässigkeit.
->Quellen:
Originalpublikation: Marta Victoria, Nancy Haegel, Ian Marius Peters, Ron Sinton, Arnulf Jäger-Waldau, Carlos del Cañizo, Christian Breyer, Matthew Stocks, Andrew Blakers, Izumi Kaizuka, Keiichi Komoto, und Arno Smets: Solar photovoltaics is ready to power a sustainable future, in: Joule, cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00100-8#%20; DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.005 – open access