Fotovoltaik



Ergänzungen
Mitte 2021:

  
Spanien
Deutschland
Daten update

Zur Bedeutung der Fotovoltaik
Im Prinzip besitzt die Fotovoltaik ein ausreichendes Entwicklungspotenzial, um in Zukunft die Versorgung der Welt mit Primärenergie zu übernehmen. Der Grund dafür ist, und darauf wurde in Energie2 mehrfach hingewiesen, dass die Erde über genügend ungenutzte Flächen verfügt, auf denen die entsprechenden Wandlungsanlagen aufgebaut werden könnten. Wegen der hohen Sonneneinstrahlung mit einer Leistungsflächendichte von mehr als = 2500 kWh a-1 m-2, die fast ausschließlich aus der direkten Komponente des Sonnenlichts besteht, sind die Wüstengebiete für diese Aufgabe besonders geeignet, falls zunächst einmal die Auswirkungen auf unsere Umwelt nicht beachtet werden1).

Von allen europäischen Ländern gibt es nur über Spanien eine solare Einstrahlung, die ähnlich groß ist zu der über der Sahara (siehe Abbildung auf der rechten Seite). Der spanische Staat hat daher in den letzten Jahren viel Geld in die Entwicklung der Fotovoltaik investiert, in einem Extrakapitel werden die Ergebnisse dieser Investitionen diskutiert.


Deutschland dagegen ist für die Anwendung der Fotovoltaik nur sehr eingeschränkt geeignet. Das gilt auch dann, wenn sich bei der industriellen Anwendung neue Technologien durchsetzen sollten. Warum deutsche Investoren mit dem DESERTC-Projekt aber die Länder der Sahara (die politisch nicht stabil sind) als Gebiet für die Fotovoltaik ausgesucht haben und nicht das zur EU gehörende Spanien, ist mir rätselhaft.

Der Solaratlas über Europa
In der Tat, wie man in Presseberichten lesen kann, gibt es erhebliche Streitigkeiten zwischen den einzelnen Gruppen, die bei DESERTEC entscheiden. Und 2014 wurde das Projekt ganz beerdigt.

Daher ist es verständlich, dass Deutschland  bei der Nutzung der Fotovoltaik im Jahr 2019 seine Spitzenstellung eingebüßt hatte, die es im Jahr 2012 noch besaß. In der Tabelle rechts sind die 5 Länder mit der höchsten Nutzung aufgeführt. Daneben findet sich der prozentuale Anteil an der globalen Nutzung und wie hoch der Anteil an der Deckung des nationalen Primärenergiebedarfs PEB war. Daraus ergibt sich eine bemerkenswerte Korrelation: Je höher der globale Anteil ist, um so geringer ist oft der nationale Versorgungsgrad. U.U sind ökonomische Gründe dafür verantwortlich. Denn der Preis für elektrische Energie aus Fotovoltaik ist hoch, nur reiche Länder können sich die Subventionskosten leisten.
Land
 Nutzung
(TWh/a)
 global
%
 PEB
%
1. China
 223.8
 30.3
 0.57
2. USA
 108.4
 15.0
 0.41
3. Japan
 75.3
 10.4
 1.45
4. Deutschland2)
 47.5
 6.6
 1.30
5. Indien
 46.3
 6.4
 0.49
Die 5 wichtigsten (2019) Nutzer der Fotovoltaik, ihr Anteil an der globalen Nutzung und wie hoch der prozentuale Beitrag zur Deckung des nationalen Primärenergiebedarfs PEB ist.

Aber nicht alle Wüstengebiete eignen sich gleichermaßen. Eine weitere Bedingung dafür, dass großflächige Fotovoltaikanlagen die Versorgung mit elektrischer Energie auch praktisch übernehmen können, ist:
  • Die Fotovoltaikanlage muss sich in der Nachbarschaft von industrialisierten Regionen mit der entsprechenden technischen Infrastruktur befinden.
Unter diesem Aspekt sind nur wenige der möglichen Wüstengebiete wirklich attraktiv. Auch die an die EU grenzenden Gebiete im nördlichen Afrika scheiden wohl aus, hauptsächlich wegen der geopolitischen Gegebenheiten dort. Günstige Rahmenbedingungen, ohne Berücksichtigung der ökonomischen Gründe, bieten dagegen prinzipiell
  • die Vereinigten Staaten von Amerika,
  • Australien.
Mit den Möglichkeiten in den USA werden wir uns jetzt beschäftigen und wir werden, wie auch im letzten Kapitel über die Biomasse, erkennen, dass die USA sehr vorteilhafte Standortbedingungen für einen nationalen Fotovoltaikmarkt bieten, falls sich diese Vorteile realisieren lassen.

Der nationale Fotovoltaikmarkt in den Vereinigten Staaten von Amerika
In den USA befinden sich Wüstengebiete mit einer Gesamtfläche von ca. 1.39 · 1012 m2, die ausschließlich im Süden und Süd-Westen der USA liegen. Wir wollen annehmen, dass sich 10% dieser Gebiete prinzipiell für den Aufbau von Fotovoltaikanlagen eignen. Dies entspricht einer Fläche von
A = 1.4 · 1011 m2.
Wie viel elektrische Energie lässt sich auf dieser Fläche wandeln?
Wir werden hier eine Technik besprechen, die von der Firma Pyron-Solar3) entwickelt wurde und die vor kurzem auch in der deutschen Presse und Öffentlichkeit großes Interesse erregt hat, obwohl sie unter deutschen Verhältnissen nicht genutzt werden kann. Denn sie verlangt, dass das Sonnenlicht im Wesentlichen aus der direkten Komponente besteht, wie es auf der Erde eigentlich nur in den Wüstengebieten der Fall ist. Ich diskutiere die Pläne von Pyron-Solar trotzdem in diesem Kapitel, einmal als Rechenbeispiel und dann aber als Demonstration, wie weit Theorie und Praxis auseinander liegen können.

Denn irreführend ist es, wenn "wissenschaftlich bewiesen" nur für "theoretisch möglich" steht und sich dann als "praktisch undurchführbar" erweist.

Das Besondere an der Technik von Pyron-Solar ist:
  • Die direkte Komponente des Sonnenlichts wird mithilfe von Fresnellinsen auf eine kleinere Fläche konzentriert. Das bedeutet:
  • Die lichtempfindlichen Elemente der Anlage müssen nach dem Stand der Sonne ausgerichtet werden und den täglichen Veränderungen des Sonnenstands folgen können. Die lichtempfindlichen Elemente sind:
  • Mehrschichtige Fotodioden, die einen größeren Teil des Sonnenspektrums in elektrische Energie wandeln, als es bei normalen Fotodioden der Fall ist, die aus einer amorphen oder monokristallinen Si-Schicht bestehen. Diese Zellen wurden von der Firma Boeing für die Nutzung auf Satelliten im Weltraum entwickelt, sie besitzen nach Angaben der Herstellerfirma einen außerordentlich großen Wirkungsgrad von  = 0.373.
Wir wollen zunächst die Gültigkeit dieser Angaben und die Durchführbarkeit des Wandlungskonzepts voraussetzen, aber auch berücksichtigen, dass die elektrische Energie aus der Fotovoltaik immer nur für gewisse Zeiten zur Verfügung steht und, auch wegen des Energietransports über sehr lange Strecken, zwischengespeichert werden muss. Die beste Speicher- und Transportmöglichkeit bietet Wasserstoff, diese Möglichkeit wird auch von  Pyron-Solar als notwendiger Schritt in der Versorgungskette berücksichtigt. Die Speichernotwendigkeit reduziert den Wirkungsgrad um einen Faktor  = 0.4. Daher ergibt sich die Menge der auf der Fläche A aus der Sonnenenergie gewandelten elektrischen Energie zu
W = A = 52 · 1012 kWh/a.
Dies sind bereits ca. 25% des gesamten Primärenergiebedarfs der Welt im Jahr 2050, wobei noch nicht einmal  berücksichtigt ist, dass es sich bei der elektrischen Energie nicht um eine Form der Primär-, sondern der Endenergie handelt (siehe Kap. 3.1). Auf jeden Fall würde diese Menge vollkommen ausreichen, um den gesamten Bedarf der USA nach elektrischer Energie zu befriedigen, der z.Z. (2020) nur etwa 28 · 1012 kWh/a beträgt. Aber sind diese Rechnungen auch realistisch? Wir wollen diese Frage untersuchen anhand von 2 Parametern, den Energiebereitstellungskosten und der technischen Lebensdauer der Wandlungsanlage.
  • Energiebereitstellungskosten
Die Lebensdauer L der Wandlungsanlage ist entscheidend dafür, zu welchem Preis die elektrische Energie an den Abnehmer verkauft werden muss: Je größer L um so kleiner kann der Preis sein. Für konventionelle Wandlungsanlagen, wie z.B. Kernkraftwerke, werden als Lebensdauer allgemein 40 Jahre zugrunde gelegt. Auf dieser Basis wollen wir auch den Energiepreis der Anlage von Pyron-Solar berechnen, wobei zunächst ganz unberücksichtigt bleiben soll, dass auch Kosten durch die Zwischenspeicherung entstehen.

Pyron-Solar gibt als Herstellungskosten ihrer Anlage einen Preis von ca. 3 USD/W an4). In den hier verwendeten Einheiten entspricht dies einem Wert von ca. 0.34 USD (kWh/a)-1. Soll mit der Anlage der gesamte Bedarf der USA an elektrischer Energie im Jahr 2020 gedeckt werden, dann sind also Investitionsmittel in Höhe von
Ktot = 9.8 · 1012 USD (9.8 Billionen USD)
erforderlich, die über den Kapitalmarkt aufgebracht werden müssen. Wir nehmen an, dass dies zu einem relativ geringen Zinssatz von x = 5% möglich ist. Falls diese Investitionsmittel über die Lebensdauer von L = 40 a zurückgezahlt werden, dann beträgt die jährliche Tilgungsrate
Ka = Ktot x (1 + x)L ( (1 + x)L -1 )-1  = 5.7 · 1011 USD a-1,
oder umgerechnet auf die gelieferte elektrische Energie ergibt sich ein Preis von ca. 0.02 USD/kWh. Dies beinhaltet noch nicht den Gewinn, den Pyron-Solar sicherlich auch erzielen will und, wie bereits erwähnt, die Kosten für die Energiespeicherung und den Energietransport. Es ist nicht abwegig anzunehmen, dass dies den Preis verdoppelt. Selbst dann sind die Kosten für die elektrische Energie aus der Fotovoltaik-Anlage von Pyron-Solar immer noch nur etwa 1/4 so hoch, wie sie im Jahr 2020 in den USA wirklich waren5).
Auch wenn wir davon ausgehen, dass der Zinssatz als vielleicht zu günstig angenommen wurde und dass u.U. die angenommenen Kosten für die Energiespeicherung zu klein sind, kommt man bei Gültigkeit der im Internet zur Verfügung gestellten Daten zu dem Schluss:

In den USA kann der gesamte Bedarf nach elektrischer Energie mithilfe eines nationalen Fotovoltaikmarkts gedeckt werden, während das in Deutschland nicht möglich ist.

Unter diesen Umständen fragt man sich natürlich, warum der Fotovoltaik nicht die herausragende Stellung in den offiziellen Planungen der USA für die zukünftige Energieversorgung des Lands eingeräumt wird. Und man vermutet, dass die Angaben im Internet nicht die ganze Wahrheit über die Vorteile und Nachteile dieser Wandlungstechnik widerspiegeln.
Aus den Angaben bzw. Nicht-Angaben der Firma Pyron-Solar im Internet lässt sich bereits ein gravierendes Problem erkennen:
  • Nutzungsgrad und Lebensdauer
Die Firma gibt an, dass sich mithilfe der von ihr entwickelten Technik eine Sonnenleistung von 2850 kWh/a in eine elektrische Leistung von 450 kWh/a wandeln lässt. Dies ergibt einem Nutzungsgrad von nur
= 0.16
und entspricht weniger als der Hälfte des angegebenen (wohl theoretischen) Wirkungsgrads . Es kann spekuliert werden, ob diese Reduktion auf die Erwärmung der Fotodioden zurückzuführen ist, welche die Ausgangsspannung der Fotodioden vermindert. Noch schlimmer wäre die Vermutung, dass die Fotodioden ohne Kühlung nur eine relativ kurze Lebensdauer in dem konzentrierten Sonnenlicht besitzen. Ebenfalls muss angenommen werden, dass das Problem, die Fotodioden gegen Umwelteinflüsse zu schützen, wie z.B. gegen  die Verschmutzung durch Sandstürme, bisher nicht gelöst ist. Die Sicherheit gegen Umweltgefahren muss aber gewährleistet sein, wenn eine Fotovoltaikanlage von den erforderlichen Ausmaßen die genügend lange Lebensdauer von ca. 40 Jahren besitzen soll, die einen konkurrenzfähigen Energiepreis garantiert.
Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei diesen Bemerkungen um reine Vermutungen handelt, die ausgelöst werden durch den Umstand, dass Fotovoltaikanlagen auch in den USA keine Rolle in der Energieversorgung spielen. Falls sich die Fotovoltaikanlagen von Pyron-Solar aber großtechnisch einsetzen ließen, wäre dies der erhoffte Durchbruch für die erneuerbaren Energien:

Die Fotovoltaik wäre die dominante Energiequelle der Zukunft.

Bis wir aber soweit sind, ist noch eine weitere wichtige Frage zu beantworten (siehe Energie2 und Kap. 6.2):

Wie verändert sich das Klima auf der Erde, wenn große Flächen in den Wüstengebieten mit Fotodioden belegt werden, welche die einfallende Exergie der Sonne hauptsächlich in Anergie - d.h. thermische und nicht elektrische Energie - wandeln?

1) Ein Hinweis darauf, dass diese Auswirkungen jetzt wirklich ernst genommen werden, ist die Tatsache, dass die USAmerikanische Regierung Mitte 2008 alle Anträge für die Zuteilung von Staatsland zum Zwecke der Errichtung von Solaranlagen gestoppt hat.
2) Die Daten sind der BP Statistik 2020 entnommen. Im Falle Deutschlands weichen sie unübersehbar von den Angaben des BMWi mit 6.4% ab - ein weiteres Beispiel dafür, dass sich nationale und internationale Statistiken durchaus unterscheiden (siehe auch Kap. 3.1).
3) Anfang 2008 war die Original-Homepage von Pyron-Solar aus dem Internet verschwunden und eine neue Homepage wurde angekündigt. Hoffen wir, dass sich die Ankündigung auch bewahrheitet und die gemachten Versprechungen nicht zurückgenommen werden. 2010 war die Homepage wieder da, die Versprechungen sind nicht zurückgenommen, aber sie sind einfach nicht mehr vorhanden! Und Mitte 2017 hatte sich Pyron-Solar von der Fotovoltaik offensichtlich total verabschiedet - ein weiteres Beispiel für ein start-up auf dem Gebiet erneuerbarer Energie, das es nicht geschafft hat.
4) Als Investitionskosten werden die gesamten Herstellungskosten pro installierter Leistung bezeichnet. Diese Kosten werden jährlich getilgt, die Tilgungskosten sind daher die Kosten pro gelieferter Energie.
5) In Deutschland werden für elektrische Energie, die mithilfe der Fotovoltaik gewandelt wird, etwa 10mal höhere Investitionskosten veranschlagt. Dass die dadurch verursachten hohen Preise überhaupt durchsetzbar sind, liegt allein an den staatlichen Subventionen und der Tatsache, dass die Fotovoltaik praktisch keinen Beitrag zu unserer Energieversorgung leistet (siehe Kap. 3.1).