Fotovoltaik in Deutschland
Bis in das Jahr 2010 spielte die Menge der elektrischen Energie aus Fotovoltaik (PV) in Deutschland kaum eine Rolle. Sie war in diesem Jahr nur mit 1.9% ( = 0.019) an der Deckung des Bedarfs nach elektrischer Energie beteiligt. Danach stieg dieser Anteil zwar an, aber auch im Jahr 2019 erreichte er nur einen Deckungsgrad von 7.8% ( = 0.078).
Dies ist nicht überraschend: Nach den Informationen des BMWi wurden im Jahr 2019 von den Pinst= 430 TWh/a an installierter PV-Leistung nur PPV = 46.4 TWh/a an tatsächlicher elektrischer Leistung bereit gestellt, was ein Verhältnis von PPV/Pinst = = 0.11 ergibt1). Der Parameter wird als Kapazitätsfaktor bezeichnet, er ist bei der Beurteilung der erneuerbaren Energien von entscheidender Bedeutung.

Bei einem möglichen Wirkungsgrad der Fotodioden von = 0.15 betrug der Nutzungsgrad deutscher Fotovoltaikanlagen daher nur
= 0.016. (1)
Mit diesem Nutzungsgrad wird in Deutschland die Sonnen- in elektrische Energie gewandelt. In Deutschland beträgt die solare Einstrahlung (auch Globalstrahlung genannt) im jährlichen Mittel
I = 1075 kWh a-1 m-2,
der im Jahr 2020 ein Bedarf nach elektrischer Energie von
Pe = 551.9 TWh/a
gegenüberstand. Um diesen Bedarf zu decken ( = 1) , müsste also eine Anlagenfläche von
APV = Pe/(I) = 3.4 · 109 m2 = 3400 km2
zur Verfügung stehen, und das ist fast 1% der Gesamtfläche Deutschlands.

Zu vermuten, diese Flächen ständen zur Verfügung, entspringt reinem Wunschdenken, zumal in dieser Rechnung noch nicht berücksichtigt ist, dass der Flächenbedarf sich noch um ein Vielfaches vergrōßert, wenn man den notwendigen Anstieg der installierten Leistung berücksichtigt, um die Fluktuationen der solaren Einstrahlung zu kompensieren (siehe später).

Auf der anderen Seite rechtfertigt das Ergebnis die Feststellung, dass die Fotovoltaik eine, in Deutschland nur beschränkt anwendbare Technologie ist, da sie wegen des kleinen Kapazitätsfaktors zu große Flächenanforderungen stellt. Und dies folgt nicht nur aus den Daten für das Jahr 2019, sondern ist typisch für alle Daten seit dem Jahr 2001. In der Abbildung rechts sind die jährlichen Kapazitätsfaktoren der deutschen Fotovoltaikanlagen im betrachteten Zeitraum gezeigt.
Jährlicher Kapazitätsfaktor von deutschen Fotovoltaikanlagen seit 2001. Ist der Anstieg (gestrichelte Linie) etwa der Klimaänderung geschuldet?

Dieses Beispiel macht auch deutlich, wie die Anteile erneuerbarer Energien am gesamten Primärenergiebedarf zu berechnen sind:
  1. Mithilfe des Standort abhängigen und nur empirisch zu bestimmenden Nutzungsgrads :
    PPV = Pmax
    unter Verwendung des optimalen Leistungsangebots Pmax = Imax APV, welches im Falle der solaren Einstrahlung den Wert Imax  = 165 W m-2  besitzt. Dies ist ein rein theoretischer Wert, realisierbar nur unter Laborbedingungen!
  2. . Mithilfe des Standort abhängigen und nur empirisch zu bestimmenden Leistungsangebots PI = I APV:
    PPV =  PI
    unter Verwendung des theoretisch berechenbaren Wirkungsgrads .
Jedoch stellt es eine unerlaubte Überschätzung der Bedeutung erneuerbarer Energien dar, wenn man Ppeak als Äquivalent2) von PPV benutzt und mithilfe dieser Gleichung definiert:
PPV Ppeak = Pmax
wie es öfters in der Literatur zu finden ist und wie es auch in diesem und einigen anderen Kapiteln geschieht, weil die entsprechenden Daten so im Internet publiziert wurden. Aber man vergesse nie, dass in allen Fällen gilt
PPV < Ppeak,
und dass allein die  Entwicklung von PPV entscheidend für die deutsche Energieversorgung ist und nicht die von Ppeak.

Und obwohl diese Tatsachen seit langem bekannt sind, wird die Fotovoltaik in Deutschland weiterhin mithilfe von Subventionen gefördert, allerdings mit abnehmenden Beträgen (siehe später).
Der Rückgang der Subventionen ist deutlich in der zeitlichen Entwicklung von PPV zu erkennen (siehe logarithmische Darstellung auf der rechten Seite): Die jährlichen Zuwächse seit 1990 erfolgten zunächst fast exponentiell bis etwa 2010, danach sind bis 2020 die Zuwächse eher linear mit ca. 2.5 TWh/a. Die roten Punkte zeigen die tatsächlichen Daten bis zum Jahr 2020, danach die lineare Extrapolation der Daten bis zum Jahr 2025. Ebenfalls dargestellt sind der aktuelle Bedarf an elektrischer Energie (blau) und der Anteil von ca. 20% , der sich mithilfe der auf Dächern installierten Fotodioden decken ließe (grün). Alle Angaben sind normiert auf den jährlichen deutschen Primärenergiebedarf.

Die Extrapolation lässt erkennen, dass die PV-Dachinstallationen bis 2025 niemals ihre maximale Kapazität mit Deckungsgrad = 0.2 erreicht haben werden. Und dies lässt unberücksichtigt , dass neben der Dachinstallation die Fotodioden auch auf dem Boden geständert werden (Freianlagen). Diese liefern ca. 25% der ins Netz eingespeisten Leistung aus Fotovoltaik, und sie könnten im Prinzip überall, außer auf Siedlungs-/Verkehrsflächen, installiert werden. Aber ihr weiterer Ausbau kollidiert dann natürlich mit den Anforderungen der Agrar-/Forstwirtschaft und des Umweltschutzes. Bevorzugte Standorte für Freianlagen sind daher Konversionsflächen, welche z.B. nach der Beendigung des Kohlentagebaus zurück bleiben. Auch die Bundesregierung anerkennt diesen Nachteil der Freianlagen und kürzte 2014 die Subventionen für Freianlagen auf 70% der Subventionen für Dachanlagen. Es ist daher sehr fraglich, ob der oben genannte Wert des Versorgungsgrads ( = 0.2) mithilfe der Fotovoltaik nach 2025 tatsächlich irgendwann überschritten wird.

Diese Zahlen erlauben keinen optimistischen Ausblick auf die Zukunft der Fotovoltaik in Deutschland, und es ist daher durchaus angebracht, die größten Nachteile dieser Technik aufzuzeigen:

Die Entwicklung des Bedarfs nach elektrischer Leistung(blau), des Dachflächenpotentials(grün) und der Leistung, die von PV-Anlagen bereit gestellt wurde. Alle Daten normiert auf den gesamten deutschen Primärenergiebedarf. Daten nach 2018 zeigen die lineare Extrapolation bis 2025.

Zur Abschätzung der Dachflächen, die für eine Nutzung der Fotovoltaik in Deutschland verfügbar sind, gehen wir von der Siedlungsfläche aus, die insgesamt eine Größe von ca. 2.5 · 1010 m2 hat. Etwa 1% dieser Fläche ist Dachfläche, aber die Hälfte dieser Dächer ist nach Norden ausgerichtet. Nur bei einer Südausrichtung lässt sich die Solarenergie mit statisch montierten Fotovoltaikanlagen  effektiv in elektrische Energie wandeln. Dies ergibt eine gesamte Dachfläche von
APV = 1.2 · 108 m2,
die für die Montage von Fotodioden in Deutschland geeignet ist.

  • Geringer Nutzungsrad
Nach Gleichung (1) sind 2 Faktoren bestimmend für die Größe des Nutzungsgrads:
  1. Der Kapazitätsfaktor (siehe Bild oben rechts).
    Der Kapazitätsfaktor ist der Parameter, welcher die geografischen und klimatischen Eigenschaften von Deutschland beschreibt, er ist damit menschlichem Einfluss i.W. entzogen.
    Deutschland ist eben kein sonnenreiches Land wie Spanien und daran kann niemand etwas ändern.
  2. Der Wirkungsgrad .
    Der Wert des Wirkungsgrads resultiert aus den physikalischen Eigenschaften von Halbleitern und ist nur wenig beeinflussbar, wie in Energie2 diskutiert. Der bestimmende Parameter ist die Größe W der Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband des Halbleiters, welche an die spektrale Verteilung der Globalstrahlung angepasst sein muss.
    Diese Technik ist seit langem bekannt und es ist nicht zu erwarten, dass sie durch eine komplett neue, mit größerem Wirkungsgrad, ersetzt werden kann.
  • Hoher Flächenbedarf
Der hohe Flächenbedarf ergibt sich einmal aus dem kleinen Nutzungsgrad der Fotovoltaik, zum anderen aus den zeitlichen Fluktuationen der Globalstrahlung. Zunächst mag es Leuten zumutbar erscheinen, wenn 1% der Fläche Deutschlands mit Fotodioden belegt werden muss, um den Versorgungsgrad  = 1 für elektrische Energie mithilfe der Fotovoltaik zu erreichen. Aber der Flächenbedarf wird in Zukunft stark ansteigen, aus folgenden Gründen:
  • Der Bedarf nach elektrischer Energie erhöht sich z.B. durch den Ausbau der eMobilität.
  • Die Fluktuationen der solaren Einstrahlung erzwingen eine Flächenerweiterung, um  = 1 zu jeder Zeit garantieren zu können.
Der letzte Punkt ist ausführlich in energie4 beschrieben und es wird gezeigt, dass bei einem Kapazitätsfaktor = 0.1 die Anlagenfläche um mindestens einen Faktor 10 erweitert werden müsste, falls nicht Energiespeicher mit genügend großer Kapazität zur Verfügung stehen. Und 10% der Gesamtfläche Deutschlands mit Fotodioden zu belegen, wird wohl auch dem leidenschaftlichsten Befürworter der Fotovoltaik unmöglich erscheinen.
  • Versorgungskosten
Das Ausgangsmaterial für Fotodioden ist in der Mehrzahl aller Fälle der Halbleiter Silizium, der entweder als monokristallines Reinstsilizium oder als als polykristallines Material zu Modulen verarbeitet wird. Der Wirkungsgrad der mono-Module ist mit = 0.15 etwas größer als der der poly-Module mit = 0.13.

Ganz allgemein lässt sich sagen, dass die Modulkosten für beide Modultypen mit der Anzahl der produzierten Module stark zurückgegangen sind und 2019 einen Wert2) von 1.6 €/Wp (0.18 €/kWh a-1) erreichten (siehe auch hier). Auf der anderen Seite weiß jeder, dass der Preis, den ein Privathaushalt für die Versorgung mit elektrischer Energie zu zahlen hat, keineswegs im gleichen Maße gefallen ist, sondern, ganz im Gegenteil, sich seit 2000 fast verdoppelt hat (siehe Abbildung unten). das heißt, die Modulkosten sind für die Strompreise von nur geringer Bedeutung. Von viel größerer Bedeutung sind die Kosten für das Gesamtsystem (siehe Abbildung unten), aber besonders auch die Subventionen für die Fotovoltaik und die Abnahmegarantie, beides nach dem EEG. Für die dadurch  verursachten Preissteigerungen sind i.W. zwei Mechanismen verantwortlich:
1) Der bis 2010 fast exponentielle Zuwachs der Fotovoltaik hat die Subventionssumme bis 2019 auf jährlich ca. 25.5 Mrd. € steigen lassen3).

2) Die Fluktuationen der Globalstrahlung ergeben zu Spitzenzeiten einen Überschuss an elektrischer Leistung, der zu einem Preiseinbruch an der Strombörse führt. Es gilt aber:  Je billiger der Strom an der Strombörse verkauft werden muss, um so stärker steigt die EEG Umlage und um so teurer wird der Strombezug für die Privathaushalte.

Auch die Bundesregierung hat die Wirkung dieser Mechanismen erkannt und hat seit 2012 die Subventionen für die Fotovoltaik stark reduziert (siehe Abbildung rechts). Bis dahin waren die Systemkosten für neu errichtete Anlagen und die für sie gezahlten Vergütungen gefallen, und die Abnahmen verliefen relativ parallel zueinander. Seit 2012 haben letztere aber stärker abgenommen als erstere, die Systemkosten haben offensichtlich ihren Boden erreicht. Und auch der Vergütungsmechanismus hat sich ab 2017 geändert: Anstelle der festen, von der Regierung festgelegten Subventionen, wird ein Ausschreibungsmechanismus treten, mit dessen Hilfe sich die Subventionssummen nach dem Angebot richten und damit weiter sinken.
Die Entwicklung der Systemkosten pro Ppeak für Fotovoltaikanlagen (linke Skala) und die Entwicklung der nach dem EEG jährlich gezahlten Vergütung für neu errichtete Anlagen (rechte Skala). Auch gezeigt ist die Entwicklung der Strompreise für Privathaushalte, die 2018 mehr als 3mal so hoch waren wie die Vergütung.

Die jährliche Anfangsvergütung wird für 20 Jahre garantiert, d.h. die Gesamtvergütungen sind etwa 20mal höher als die Systemkosten. Daraus wird deutlich, welche falschen Anreize durch das EEG geschaffen wurden, und zwar nicht auf Kosten des Staats, sondern auf Kosten der Privathaushalte. Es wird Zeit, dass dieser Unsinn aufhört (siehe links)!
Von der Solarindustrie wurde dies mit Sorge zur Kenntnis genommen und es hat bis heute zu zahlreichen Insolvenzen in der Solarindustrie geführt.
Diese 3 Punkte machen die Hindernisse deutlich, welche sich einer großflächigen Einführung der Fotovoltaik in Deutschland entgegen stellen, insbesondere dann, wenn die Subventionen einmal nicht mehr so üppig fließen. Das größte Hindernis ist natürlich, dass die Einführung dieser Technologie an anderen Orten auf der Erde unter wesentlich besseren Bedingungen und geringeren Kosten möglich ist. Man kann erwarten, dass im günstigsten Fall nur das Potenzial in Deutschland ausgeschöpft werden wird, das durch die verfügbaren Dachflächen gegeben ist4) - was die Bundesregierung ab 2023 per Gesetz tatsächlich beschließen will.  In diesem Fall ist, wegen des relativ geringen Beitrags, das Speicherproblem noch nicht so gravierend, dass eine vollständige Umstellung der Versorgungsstruktur in Deutschland vorgenommen werden muss. Aber natürlich können geografische Nachteile nicht mit noch so hohen Subventionen aus der Welt geschafft werden. Man muss daher mit Recht bezweifeln, ob diese Methode den deutschen Firmen eine Führungsposition in der weltweiten Solarindustrie verschafft und Deutschland von der Importabhängigkeit seiner Energieversorgung befreit. Denn seit dem Jahr 2005 wird der Markt für PV-Module mehr und mehr von chinesischen Firmen5) beherrscht und die Aktienkurse deutscher Konkurrenzunternehmen brechen ein und sie melden schließlich Insolvenz an.
1) Ein Beweis für den hohen Sachverstand deutsche Ministerien in Energiefragen ist die Tatsache, dass die installierte Leistung in der Einheit MW angegeben wird, die damit zu vergleichende, bereit gestellte Leistung aber in der Einheit GWh. Letztere ist eine Energieeinheit, und ich nehme an, dass diese Einheit eigentlich GWh a-1 sein sollte. Zur Berechnung des Kapazitätsfaktors ohne großen Umrechnungsaufwand müssen installierte und gelieferte Leistung mit derselben Maßeinheit angegeben werden. Oder ist es Ziel dieses Verfahrens zu verschleiern, wie ungeeignet die Fotovoltaik für die Energieversorgung Deutschlands ist?
2) Ppeak ist eher das Äquivalent der installierten Leistung Pinst, wird aber oft nicht als das dargestellt, was sie wirklich ist: nämlich unrealistisch groß. Statt dessen wird sie mit der Einheit [Ppeak] = Wp versehen. Dies ist keine physikalische Einheit! Was soll das also, soll es nur Verwirrung stiften?
3) Diese Summe bezieht sich auf die Gesamtsubventionen in erneuerbare Energien, die Fotovoltaik macht mehr als 40% davon aus.
4) Wären wir sicher, dass allein auf den Dachflächen Fotodioden installiert werden, so würde die Entwicklung der Fotovoltaik dem epidemischen Wachstum folgen (siehe Abbildung oben, die dann allerdings darauf hinweisen würde, dass ich die verfügbare Dachfläche überschätzt habe).
5) Auch die chinesische Solarindustrie ist, wie die deutsche, nicht dem Schicksal der Insolvenzen entkommen.