Photovoltaik – führende Energietechnologie des 21. Jahrhunderts

Photovoltaik entwickelt sich in grossen Schritten zu einer der weltweit bedeutendsten Energieformen des 21. Jahrhunderts. Die Schweiz ist ebenfalls gut aufgestellt, um eine bedeutende Rolle zu spielen. Packen wir diese Chance mit Mut und Weitsicht!

Von Stefan Nowak

Dass die Energie der Sonne für das Leben auf der Erde die treibende Kraft ist, und dies seit Millionen von Jahren, haben wir bereits in der Primarschule gelernt. Trotzdem wird diese Energiequelle wieder neu entdeckt und auch immer wieder hinterfragt.

Die Nutzung der Sonnenenergie erfolgt heute auf unterschiedliche Arten: Solarthermische Kollektoren erzeugen Wärme für Brauchwasser und Heizung, Photovoltaikmodule wandeln die Solarstrahlung in elektrischen Strom um und solarthermische Kraftwerke nutzen konzentrierte Sonnenenergie in thermischen Kraftwerken zur Erzeugung von Strom, dies vor allem in sonnenreichen Ländern des Südens.

Hier soll von Photovoltaik die Rede sein, der in den letzten 20 Jahren wohl am meisten diskutierten Form der Sonnenenergie. Zugegeben, dass man mit Sonnenlicht mittels einer Siliziumscheibe Strom erzeugen kann, ohne Bewegung und ohne Geräusch, entspricht nicht unbedingt unserer intuitiven Vorstellungskraft, ebenso wenig wie die diesem Phänomen zugrundeliegende Physik. Und dass dies wahrscheinlich eine der wichtigsten Energieformen der Zukunft sein wird, noch viel weniger.

Zu unbedeutend der Beitrag des Solarstroms, zu teuer die Gestehungskosten, zu zufällig die Verfügbarkeit oder zu wenig nachhaltig ihre Nutzung, dies sind nur die wichtigsten Vorurteile, welche sich – obwohl inzwischen alle vielfach widerlegt – landauf, landab über lange Zeit halten konnten und die Diskussion in die ideologische Ecke abschieben. Dabei geht zuweilen unter, welch enorme Entwicklung diese junge Energietechnologie, im Schatten der Halbleiterentwicklung, über die letzten 20 Jahren vollzogen hat und welche Chancen sich für die Zukunft eröffnen.

Potenzial

Eigentlich ist es sehr klar: Betrachtet man die Energiemenge, welche die Sonne über ein Jahr auf die Erde strahlt, so ist dies ein Vielfaches aller Formen der Energienutzung wie wir sie heute kennen. Die Sonnenenergie hat somit sicher kein Mengenproblem. So könnte z.B. der jährliche Strombedarf der Schweiz mittels Photovoltaik auf einer Fläche von 400 km2 oder rund 1% der Landesfläche erzeugt werden. Das beabsichtigt niemand ernsthaft zu tun, aber es hilft, sich solche Zahlen vor Augen zu führen. Wird man etwas konkreter mit der Überlegung, dass Sonnenenergie in der Schweiz vorzugsweise im bebauten Raum erfolgt, so lassen sich etwa 150 km2 günstige Dachflächen identifizieren, auf welchen sich rund 30 % des heutigen Strombedarfs erzeugen liessen. Auch dies wäre ein hochgestecktes Ziel, aber es wird damit klar zum Ausdruck gebracht, dass das technische Potenzial der Sonnenenergie auch in der Schweiz sehr gross ist. Mehr noch: Nimmt man sich die Ziele der Energiestrategie 2050 vor Augen, so stellt die Photovoltaik zumindest im Strombereich die wichtigste neue erneuerbare Energiequelle überhaupt dar – ein hohes Ziel, aber grundsätzlich machbar.

Bedeutung der Photovoltaik in der Schweiz

Die Schweiz ist auf dem Gebiet der Photovoltaik sehr gut aufgestellt. Diese Entwicklung nahm vor bald 40 Jahren ihren Anfang, als Schweizer Solarpioniere erste grössere Photovoltaik-Anlagen konzipierten und bauten. Die auf der heutigen Fachhochschule SUPSI in Lugano durch Mario Camani initiierte und 1982 erstellte Anlage mit einer Leistung von 10 kW gilt als eine der ersten grösseren an das Netz gekoppelten Anlage überhaupt. Gleichzeitig tüftelte Markus Real, zuerst am damaligen Eidgenössischen Institut für Reaktorforschung (EIR), dem heutigen Paul Scherrer Institut (PSI), und später in seiner Firma Alpha Real an Systemansätzen und Wechselrichtern für Photovoltaik-Anlagen. Die mehr grundlagenorientierte Photovoltaik-Forschung nahm 1985 mit Prof. Arvind Shah an der Universität Neuenburg ihren Anfang. Sie konzentrierte sich auf die Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen. Dies sind nur einige Beispiele wie über die Jahre eine breite Kompetenzbasis entstanden ist, welche Hochschulen, Fachhochschulen, Industrie- und Dienstleistungsunternehmen umfasst und immer mehr auch die Energiewirtschaft mit einbezieht. Gemeinsam wird an immer besseren Wirkungsgraden, neuen Prozessen, innovativen Produkten und qualitativ hochstehenden Anlagen gearbeitet.

Dabei sind heute folgende Aspekte von besonderer Bedeutung: Die aktuelle Schweizer Photovoltaik-Forschung auf dem Gebiet der Solarzellen ist gleich auf mehreren Technologiepfaden weltweit führend, insbesondere bei fortgeschrittenen kristallinen Siliziumsolarzellen (EPFL Neuenburg), Dünnschichtsolarzellen auf der Grundlage von Verbindungshalbleitern (Empa) sowie organischen und Perowskit-Solarzellen (EPFL und Empa). Wichtige Forschungspreise gingen in diesem Zusammenhang an Prof. Michael Grätzel (EPFL Lausanne) für seine langjährigen Forschungsarbeiten zu Farbstoffsolarzellen. Als weiteres Zeichen der internationalen Anerkennung ihrer Forschungsanstrengungen und Erfolge ging der begehrte europäische Becquerel-Preis bereits zweimal an Forscher aus der Schweiz (Prof. Arvind Shah, 2007, und Prof. Christophe Ballif, 2016, beide EPFL Neuenburg).

Ähnlich decken die Fachhochschulen in Burgdorf, Lugano, Luzern, Rapperswil, Wädenswil und Winterthur, um nur einige zu nennen, ein breites Spektrum von Tätigkeiten auf der Produkte- und Systemebene ab und legen damit umfassende Grundlagen für die Anwendung der Photovoltaik. Besonders hat sich die Schweizer Photovoltaik darüber hinaus seit ihrem Bestehen durch eine sehr innovative Anwendungspraxis einen internationalen Namen gemacht und schon sehr früh ästhetische Lösungen zur Gebäudeintegration vorgestellt. Im Zuge der technologischen Entwicklung hat sich eine Photovoltaik-Industrie herausgebildet, welche mittlerweile entlang der gesamten Wertschöpfungskette tätig und am internationalen Markt präsent ist. Dementsprechend ging auch die in den letzten Jahren erfolgte Konsolidierung der weltweiten Industrie nicht spurlos an der Schweiz vorbei.

Während die Anwendung der Photovoltaik in der Schweiz über viele Jahre im einstelligen MW-Bereich erfolgte, hat sich dies seit der Einführung der kostendeckenden Einspeisevergütung KEV (2009) massiv geändert. Aktuell bewegt sich der Schweizer Photovoltaik-Markt zwischen 250 und 330 MW pro Jahr. Ende 2016 waren rund 1,65 GW Photovoltaik installiert, welche jährlich zirka 1,5 TWh Strom produzieren bzw. etwa 2,5% des Verbrauchs abdecken. Mit einer breiten Technologiebasis, einer wettbewerbsfähigen Industrie und einem intakten, aber deutlich ausbaubaren Markt ist die Schweiz sehr gut aufgestellt, um auch in Zukunft in der Photovoltaik eine bedeutende Rolle zu spielen.

Grafik: Weltweite Entwicklung des PV-Marktes

 

Weltweite Marktentwicklung

Der Photovoltaik-Markt in der Schweiz hat sich bisher verhalten positiv entwickelt, wobei die nähere Zukunft vom Ausgang der Abstimmung zur Energiestrategie 2050 abhängen wird. Demgegenüber ist der weltweite Markt durch eine hohe Dynamik gekennzeichnet. Optimistische Schätzungen des Marktes für 2016 gehen von zirka 75 GW installierter Leistung allein in diesem Jahr aus, was etwa 50 % über dem Vorjahreswert liegt und die gesamthaft installierte Leistung auf rund 300 GW bringt, welche mehr als 1,5 % des weltweiten Strombedarfs abdecken. Trotz dieses absolut noch kleinen Beitrags gehört die Photovoltaik damit zu den Energiequellen, welche am schnellsten wachsen, insbesondere wenn man die neu installierte Leistung betrachtet.

Dieses Wachstum ist noch ungleichmässig auf die Welt verteilt: Während Europa, allen voran Deutschland, den Markt über viele Jahre geprägt hat, findet heute und in naher Zukunft weitaus der grösste Zubau in Asien, speziell China, statt. Gegen die Hälfte – rund 34 GW – der weltweit installierten Leistung erfolgte 2016 allein in diesem Land. Massgebliche Märkte befinden sich aber ebenso in den USA, Japan und zunehmend in Indien sowie weiteren Ländern Asiens. In den USA wird der Photovoltaik-Markt seit vielen Jahren durch Kalifornien dominiert, verschiedene Staaten wechseln sich in ihrer Reihenfolge der Top 10 ab; so ist z.B. in Texas der Markt im Jahr 2016 förmlich explodiert. Damit wächst die Anzahl Länder mit bedeutenden Photovoltaik-Märkten jedes Jahr und trägt dazu bei, den Markt als Ganzes robuster zu machen.

Mit diesem anhaltend hohen Wachstum hat die Photovoltaik die meisten Prognosen der letzten Jahre regelmässig und signifikant übertroffen. Einhergehend mit dieser enormen Dynamik geht eine rasante Kostenreduktion, welche die Photovoltaik in den Augen der meisten ExpertInnen viel schneller als erwartet in die Nähe der Wirtschaftlichkeit gebracht hat. Die bisher tiefsten Gestehungskosten wurden in sonnenreichen Ländern des Südens, z.B. Chile, Mexiko oder den Vereinten Arabischen Emiraten erzielt, liegen unter 3,5 US-Cents pro kWh und damit zum Teil tiefer als für Strom aus Kohlekraftwerken.

Aktuelle Rekordhalter sind Chile und Mexiko mit Preisen unter 3 US-Cents pro kWh. Dabei handelt es sich um Grossprojekte mit idealen Randbedingungen wie hohe Solarstrahlung, langfristigen Lieferverträgen und tiefen Finanzierungskosten. Dennoch zeigen diese Beispiele, welchen Weg die Wirtschaftlichkeit der einst so teuren Photovoltaik nehmen kann und wird.

Obwohl die zahlenmässig wichtigen Märkte noch massgeblich durch günstige regulatorische Rahmenbedingungen getrieben sind, mehren sich die Situationen, wo die Photovoltaik ohne besondere Förderung ihren Platz im Markt findet. In gleichem Mass werden die Fördermassnahmen immer mehr zurückgefahren und marktwirtschaftliche Ansätze vorangetrieben. Der Übergang von politisch motivierten, durch günstige Rahmenbedingungen getriebenen Märkten zu marginal oder gar nicht speziell geförderten Marktsituationen ist eine der wichtigsten Voraussetzungen, um langfristig das Wachstum der Photovoltaik zu sichern. Gleichzeitig stellt ein möglichst kontinuierlicher Übergang hier grosse Anforderungen an das regulatorische Umfeld.

Herausforderungen

Das immense Potenzial und die zunehmende Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik wecken für die Zukunft grosse Erwartungen. Damit diese auch erfüllt werden, sind einige Herausforderungen zu meistern. So ist die Photovoltaik definitiv im Energiemarkt angekommen und technisch wie wirtschaftlich systemrelevant geworden. Durch den raschen Zubau können lokal Situationen entstehen, wo die Photovoltaik ohne entsprechende Gegenmassnahmen in Zukunft an die Grenzen der Aufnahmefähigkeit der elektrischen Netze stossen wird. Systemintegration und Flexibilität sind deshalb Schlüsselbegriffe der aktuellen technischen Herausforderungen. Um die zukünftig hohen Beiträge der Photovoltaik zu realisieren, gewinnt die Energiespeicherung von kurzfristigen Überkapazitäten, in der Schweiz aber auch die saisonale Speicherung, an Bedeutung, sowohl als Elektrizität (z.B. Batterien, Pumpspeicherkraftwerke) wie in anderen Energieformen. Man spricht in diesem Zusammenhang von «Power-to-X», wobei X für verschiedene Energieträger (z.B. Gas, flüssige Energieträger, Wärme, usw.) stehen kann.

Welche Lösung sich in welcher Situation am besten eignet, hängt von zahlreichen Faktoren ab und ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Vor allem aber stellen sich hier neue Herausforderungen der Wirtschaftlichkeit und der entsprechenden Geschäfts- und Marktmodelle. Mit anderen Worten: Die Photovoltaik ist Teil des Energiesystems geworden und zukünftige Lösungen können nur mit einem umfassenden Systemansatz gefunden werden.

Fazit

Es steht ausser Zweifel, dass die Photovoltaik weltweit auf dem Weg ist, rasch zu einer der bedeutendsten Energieformen des 21. Jahrhunderts zu werden. Dies wird nicht von selbst geschehen, es sind dazu weitere grosse Anstrengungen nötig. Die Frage ist aber längst nicht mehr ob, sondern wo und wann die Photovoltaik ihren Beitrag zum Nutzen der Gesellschaft leisten kann. Die Schweiz ist gut aufgestellt, um hier eine bedeutende Rolle zu spielen, sowohl technologisch, industriell wie bei der Nutzung in unserem Land. Packen wir diese Chance mit Mut, Kraft und Weitsicht!

Zum Autor

Stefan Nowak ist Physiker und Managing Director der NET Nowak Energie & Technologie AG und befasst sich seit mehr als 20 Jahren mit der Entwicklung der Photovoltaik. Er leitet im Auftrag des BFE das Schweizer Forschungsprogramm Photovoltaik und ist Vorsitzender des Photovoltaik-Programms der Internationalen Energieagentur (IEA) PVPS.

Dieser Artikel ist im SES-Magazin «Energie und Umwelt», Ausgabe 1/2017 erschienen.

 

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