Fotovoltaik
in Deutschland
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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).
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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)
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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 ( ![](9030303.gif) = 1) , müsste also eine Anlagenfläche von
APV = Pe/( I)
= 3.4 · 10 9 m 2 = 3400 km 2
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. |
![](9-3-3-04.gif)
Jährlicher Kapazitätsfaktor von
deutschen Fotovoltaikanlagen seit 2001. Ist der Anstieg
(gestrichelte Linie) etwa der Klimaänderung
geschuldet?
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Dieses Beispiel macht auch
deutlich, wie die Anteile erneuerbarer Energien am gesamten
Primärenergiebedarf zu berechnen sind:
- 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!
- . 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).
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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.
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Nach Gleichung (1) sind 2 Faktoren bestimmend für die Größe
des Nutzungsgrads:
- 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.
- 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.
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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.
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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:
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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.
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![](9-3-3-01-04.gif)
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)!
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Von der Solarindustrie wurde dies mit Sorge zur
Kenntnis genommen und es hat bis heute zu zahlreichen
Insolvenzen
in der Solarindustrie geführt.
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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.
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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.
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