Strahlen, die sich auszahlen: Warum Solarenergie eine unaufhaltsame Energiequelle ist

Strahlen, die sich auszahlen: Warum Solarenergie eine unaufhaltsame Energiequelle ist
Strahlen, die sich auszahlen

Solar 69% : Eine aktuelle Studie der finnischen Lappeenranta University of Technology (LUT) kommt zu dem Ergebnis, dass bis 2050 ein zu 100 % erneuerbare Energieversorgung möglich ist, wobei 69 % der gesamten Energie auf die Photovoltaik entfallen. Eine mutige und optimistische Zahl. Was sind die Voraussetzungen um dieses Ziel zu erreichen?

Christian Breyer Leiter der Forschungsarbeiten an der LUT , skizziert den Modellierungsprozess, beschreibt, wie sich die Solarenergie durchsetzen wird und erklärt, warum PV in naher Zukunft die kostengünstigste und am schwersten zu ignorierende Energiequelle sein wird – egal ob es Politikern oder Konzernen gefällt.

Selbst der härteste, ölgetränkte Kritiker der Solarenergie wird widerwillig zugeben, dass die Sonne die Grundlage allen Lebens auf dem Planeten ist. Diese einfache Tatsache ist jedoch einer der Hauptgründe, warum es so lange gedauert hat, bis die Sonnenenergie ernst genommen wurde: Sie ist eine Energiequelle, die alles umfasst, die unausweichlich, unvermeidlich und notwendig ist. Sie ist zu groß, um zu scheitern. Warum also sollte man sie beachten?

Die Branchen, die durch die Nutzung der Kraft der Sonne entstanden sind, beschränken sich nicht nur auf Energie. Der gesamte Ackerbau, die Landwirtschaft und die Nahrungsmittelproduktion nutzen Solarenergie. Ebenso sind es die Modebranche, Fußball und - ja - sogar die Industrie für fossile Brennstoffe. Die Sonne ist ihr Antrieb. Dass genug Sonnenenergie in einer Stunde auf die Erde trifft, um den Planeten ein ganzes Jahr lang mit Energie zu versorgen, ist eine dieser abgedroschenen und oft wiederholten Tatsachen von Studenten, die darauf aus sind, eine Eins für ihre Hausarbeit in Physik zu erhalten.

Und es ist einer der Gründe, warum die Photovoltaik (PV) die sich bietenden Chancen oft nicht genutzt hat. Die Photovoltaik galt lange Zeit als Nischen-Energiequelle; eine „Alternative" zu den Hauptpfeilern der Energieversorgung, sprich Kohle, Gas und Kernenergie. Jeder, der im Energiesektor tätig ist, war sich jedoch bewusst, dass die Ressourcen, mit denen er zu tun hat, endlich sind, und dass solche „Alternativen" irgendwann massentauglich gemacht werden müssen.

Und dieser Punkt ist nun erreicht. Das rekordverdächtige Wachstum der letzten Jahre erfolgte vor dem Hintergrund von Unsicherheiten auf dem Markt und in der Politik, sinkenden Gas- und Ölpreisen und ungleichmäßiger Preisgestaltung. Dennoch installierte die Welt 2017 laut SolarPower Europe 98,9 Gigawatt (GW) neue PV-Leistung - was einem jährlichen Zuwachs von 29,3 % gegenüber 2016 entspricht (als die kumulierte PV-Leistung 303 GW erreicht hatte; siehe Grafik). Diese Zahl entspricht 34 % der gesamten neuen Stromerzeugungskapazität unter den konventionellen und erneuerbaren Technologien - mehr als jede andere - und ist die Fortsetzung eines weltweiten, jahrzehntelangen Aufwärtstrends.

Fig 1 Abb. 1: Insgesamt installierte erneuerbare Energiekapazität im Jahr 2016 weltweit (links) und Anteile der jährlich installierten Stromerzeugungstechnologien 2010 bis 2014 weltweit (rechts). Quelle: Lappeenranta University of Technology (LUT)

Doch trotz jahrelanger Nachweise dafür, dass PV immer billiger, besser und beliebter wird, unterschätzen globale Analysten, die mit der Erfassung und Prognose der zukünftigen Energieversorgung der Welt betraut sind, regelmäßig das Potenzial der Solarenergie.

Warum so konservativ?

Die Internationale Energieagentur (IEA) ist eine angesehene Organisation, die aufgrund jahrelanger Datensammlung regelmäßig Berichte und Prognosen zu allen Energiequellen veröffentlicht, die den stetigen Anstieg der Solarenergie belegen. Im jüngsten Bericht vom November 2017, der auf globalen Daten für 2015 basiert, stellte die IEA fest, dass die Solarenergie die Kohle beim Netto-Wachstum überholte und zusammen mit der Windkraft und anderen erneuerbaren Energien zwei Drittel der in diesem Jahr neu hinzugekommenen Stromkapazität ausmachte.

Durch den Vergleich der Daten könnte die IEA positive Prognosen für das zukünftige Wachstum der Photovoltaik abgeben. Doch beim Thema Solarenergie bleibt die IEA konservativ.

Da beispielsweise im Jahr 2017 fast 100 GW PV hinzukamen, würde die IEA in diesem Jahr im Wesentlichen die gleiche Zahl erwarten. Selbst nach Jahren rekordverdächtiger Neuinstallationen prognostiziert die IEA in ihren Berichten für das folgende Jahr weniger Installationen. Selbst der progressivere Ansatz der IEA, der in ihrem Szenario der nachhaltigen Entwicklung (Sustainable Development Scenario) umrissen wird, übersteigt 140 GW neue PV-Leistung pro Jahr nicht, obwohl das jährliche PV-Wachstum in den letzten zehn Jahren durchschnittlich 44 % betrug. Doch ein kurzer Blick auf die Entwicklung der letzten 20 Jahre zeigt, dass viele Prognosen zur Solarenergie nicht nur optimistischer werden könnten, sondern es durchaus werden sollten, um realistisch zu sein.

Ein positiverer Ansatz

Die IEA steht nicht alleine, wenn es um die konservative Darstellung des Solarpotenzials geht. Nach der jüngsten Entscheidung der chinesischen Regierung, Subventionen und Unterstützung für die heimische PV-Industrie abzubauen, prognostizierte GTM Research für den Rest des Jahres 2018 einen Rückgang der Modulpreise um 34 %. Ob sich das als zutreffend erweist oder nicht, bleibt abzuwarten, aber eine solche reflexartige Negativität ist in der Solarbranche üblich.

Aus diesem Grund haben die Ergebnisse der von der Lappeenranta University of Technology (LUT) in Finnland durchgeführten Studie zur Modellierung erneuerbarer Energien, auch bei uns, den Forschern hinter der Studie, große anfängliche Skepsis ausgelöst. Die Modellierung - die einzige, die mit voller stündlicher Auflösung rund um den Planeten in angemessener räumlicher Auflösung läuft - ergab, dass Solarenergie bis 2050 69 % der weltweiten Stromversorgung ausmachen wird, wobei die erneuerbaren Energien zusammen 100 % des Strombedarfs der Erde decken werden.

Wir waren von der Höhe der Zahl überrascht. Es dauerte sechs Monate, bis das Team das Ergebnis überprüft hatte, und nach mehr als 20 Modell-Updates kamen wir zu dem Schluss, dass das Ergebnis immer wieder bei 69 % lag - egal was wir taten.

Und jetzt ist völlig klar, wieso wir auf diese Zahl kommen.

Das LUT-Modell berechnet die Höhe der erforderlichen neuen Investitionen in Stromkapazitäten auf die kostengünstigste Art und Weise. Es gibt nicht vor, in welche Art von Technologie investiert werden soll, sondern basiert auf der Ressourcenqualität der Region. So wird zum Beispiel in Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung PV wahrscheinlich eine empfohlene Technologie sein.

So funktioniert das Modell

Das von LUT verwendete Modell unterteilt die Welt in 145 Regionen. Für jede Region werden reale Wetterdaten aus dem Jahr 2005 verwendet, im Stundentakt und auf 50 km Entfernung rund um den Globus. Eine stündliche Lastkurve pro Region wird mit der an jedem Standort verfügbaren Energieerzeugung überlagert, die der Lastkurve entspricht. Dabei werden auch Flexibilitätsoptionen wie Stromleitungen, Speicher und regelbare Erzeugung aus Bioenergie- und Wasserspeichern berücksichtigt.

Natürlich berücksichtigt das Modell nicht nur die technische Effizienz oder den technischen Ertrag, sondern auch die Finanzkennzahlen. Mit anderen Worten, es bewertet den Investitionsaufwand (Capex) und Betriebskosten (Opex) über die Lebensdauer der Anlage und ermittelt die kostengünstigste Lösung zur Deckung des Bedarfs. Der bestehende Kraftwerkpark bleibt während der gesamten Energiewende bis zum Ende seiner technischen Lebensdauer im Einsatz.

Der Wert von 69 % Solarabdeckung ist das Ergebnis des gleichen Modellierungsprozesses, der in diesen 145 globalen Regionen durchgeführt wurde. Das Modell erreicht diese Durchdringungsrate, weil PV an vielen Standorten ganz einfach am wirtschaftlichsten ist. Das Wachstum der Solarenergie wird Zeit brauchen, aber wenn die Kosten weiter sinken, die PV-Lernraten steigen und die Speichertechnologien Schritt halten, wächst die Verbreitung exponentiell. Beispielsweise werden die jährlichen Solarinstallationen von heute rund 100 GW auf rund 500 GW bis 2030 steigen. Demgegenüber wird die kumulierte installierte Kohlekapazität weiter schrumpfen und bis 2030 auf 1.293 GW sinken. Die Gasturbinenkapazität wird dagegen im nächsten Jahrzehnt steigen, bevor sie mit der zunehmenden Einführung erneuerbarer Energien stetig abnimmt (siehe Tabelle unten).

Fig 2 Abb. 2: Global installierte kumulierte Kapazitäten und Nettostromerzeugung durch verschiedene Stromquellen; installierte Kapazitäten und Nettoleistung verschiedener Speicherquellen während der Energiewende von 2015 bis 2050 im 5-Jahres-Rhythmus. Umstellung der Brennstoffnutzung von Gasturbinen von fossilem Gas im Jahr 2015 zu Biomethan und Power-to-Gas im Jahr 2050. Quelle: Lappeenranta University of Technology (LUT)

Der Kostenansatz des Modells liegt bei 70 €/MWh, inklusive Investitionskosten, Amortisation, Kapitalkosten, Speicherkosten und allen Verlusten im Zusammenhang mit der Übertragung und Abschaltung. Dieser aggregierte Wert basiert auf den Daten von 2015, und das Modell zeigt allmähliche Preisrückgänge bis 2050, wenn Solarstrom 52 €/MWh kosten wird. Grundsätzlich gilt: Je mehr Solaranlagen installiert sind, desto geringer sind die Kosten des globalen Energiesystems.

Da diese Modellierung mit stündlicher Auflösung durchgeführt wird, sind die Ergebnisse stabil. Das bedeutet, dass das Modell für alle Stunden des Jahres eine ausreichende und die billigste Energieversorgung für die Nachfrage zu jeder Zeit gewährleistet, was zu einer PV-Gesamtkapazität von etwa 22 Terrawatt (TW) im Jahr 2050 führt (siehe Karte).

Fig 3 Abb. 3: Sonne und Wind bilden die bedeutenden Kapazitäten für erneuerbare Energien im Jahr 2050: Für ein Energiesystem ist es auch von Bedeutung zu wissen, wie das Wetter zu einer bestimmten Stunde und an einem bestimmten Ort ist. Quelle: Lappeenranta University of Technology (LUT)

Rechnerisch müssen die derzeitigen 100 GW neuer PV-Jahresleistung bis zur Mitte des Jahrhunderts auf fast zwei TW pro Jahr ansteigen, um den in der obigen Karte dargestellten Wert von 69 % und die globale Verbreitung zu erreichen und auch den Energiebedarf im Strom- und Transportsektor zu decken.

Die entscheidende Rolle der Speicherung

Diejenigen, die ein persönliches Interesse daran haben, dass die Sonnenenergie scheitert, werden fragen: „Was ist, wenn die Sonne nicht scheint?", und man wird bei ihnen mit der folgenden Antwort auf taube Ohren stoßen: „Dann kommen erschwingliche Speicher ins Spiel.“ Erschwingliche Speichermöglichkeiten kommen, und zwar in großem Stil. Denn es ist klar, dass ohne substantielle Unterstützung durch Speicheranwendungen nie so ein so hohes Maß an Solarstrom resultieren kann. Daher ist es eine Grundvoraussetzung, Zugang zu kostengünstigen Speichern zu haben, um eine hohe Durchdringungsrate von Solarstrom erreichen zu können. Andernfalls würde die Solarenergie ihre globale Durchdringungsgrenze bei etwa 20 % bis 30 % des Energiesystems erreichen. Mit Batteriespeicherung sind hingegen 70 % möglich.

Aktuelle Lithium-Ionen-Batterie-Technologien zeigen mit der Solarenergie vergleichbare, und mit den Wachstumsraten identische Lernraten. Wie bei jeder Technologie sorgen hohe Lernraten in Verbindung mit hohen Wachstumsraten für schnelle Kostensenkungen. Der Hauptunterschied besteht derzeit darin, dass die PV in keinster Weise durch Rohstoffverfügbarkeit eingeschränkt ist. Mit Lithium-Ionen-Batterien, von denen einige Kobalt benötigen, ist es nicht so einfach. Kobalt wird hauptsächlich im Kongo abgebaut - einem Land mit einer oft instabilen politischen und Sicherheitslage.

Was Lithium betrifft, so hat die Welt Reserven für die nächsten 20 bis 30 Jahre. Dies bedeutet, dass die Branche unter Berücksichtigung der Prognosen des LUT-Modells für das Speicherwachstum mittelfristig alternative Batteriechemikalien einsetzen müsste. Das Modell geht auch davon aus, dass es große Mengen an Batterie-Recycling geben wird. Dies ist ein Gebot, das in Stein gemeißelt werden muss.

Nicht nur Wachstum, sondern Entwicklung

Solarenergie ist bereits ein wichtiger Teil der erneuerbaren Energien in den meisten führenden Ländern, aber die Durchdringungsraten bleiben niedrig, wenn sie zum Beispiel mit Gas verglichen werden. In Deutschland werden durchschnittlich rund 7 % des jährlichen Strombedarfs durch Solarstrom gedeckt, in Italien bis zu 10 % und in Kalifornien und Hawaii bis zu 20 % bzw. 25 %.

Diesem Aufwärtstrend folgt natürlich auch die Weiterentwicklung des Anschlusses, der Speicherung und des Verbrauchs von Solarstrom. Wie bereits erwähnt, sind Batterien für die Flexibilität des Stromnetzes unerlässlich, und die Solarenergie wird auch bald Einfluss auf den Wärmesektor haben. Der Großteil des Heizbedarfs entsteht im Winter, wenn die Sonnenenergie offensichtlich nicht am stärksten ist. Allerdings kommt ein großer Teil des Heizbedarfs rund um die Uhr aus der Industrie - und das ganzjährig. Es gibt einen erheblichen Heizanteil, zu dem die Solarenergie - unterstützt durch Speicher - beitragen kann, und während die Modellierung noch im Gange ist, wird sie zweifellos den Terrawatt-Maßstab weltweit erreichen.

Auf dem Vormarsch

Überraschende Wendungen sind ein natürlicher Bestandteil der Solarindustrie. Wann immer die Luft rein aussieht, wissen die Industrie-Veteranen, dass es an der Zeit ist, sich anzuschnallen. Unvorhersehbares zu erwarten ist für die Photovoltaik selbstverständlich, aber die reifende Industrie wird weniger anfällig für unvorhergesehene Schocks sein je mehr sie auf ihren Grundlagen aufbaut. Sie wird externen Kräften standhalten können, was die Planung für die Zukunft wesentlich vereinfacht.

Dies wird nicht über Nacht geschehen. Das LUT-Modell ist ein objektives Instrument, das zukünftige Wirtschaftskrisen, Umweltkatastrophen oder unkluge politische Entscheidungen nicht vorhersagen kann. Es ist keine Kristallkugel, aber es ist ein sehr genaues, unparteiisches Instrument zur Bewertung zukünftiger Energiesysteme. Da die Solarenergie bis 2050 die skalierbarste und kostengünstigste Stromquelle ist, gibt das Modell diese Zahlen einfach kommentarlos wieder.

Die Chance für Hanwha Q CELLS

In vielen Ländern, die den PV-Durchmarsch anscheinend stoppen wollen, ist Solarenergie bereits jenseits oder nahe an der Netzparität. Die Lobbyarbeit der Erneuerbaren-Energien-Branche muss anspruchsvoller und engagierter werden, um die Aufmerksamkeit der Entscheidungsträger auf sich zu ziehen. Als einer der weltweit führenden Solarzellen- und Modulhersteller gibt es für Hanwha Q CELLS Möglichkeiten, die Bemühungen zur Abschaffung der Subventionen für fossile Brennstoffe zu unterstützen.

Dadurch würde kein Goldregen auf die Solarenergie fallen. Es ist schlicht der Wunsch nach gleichen Wettbewerbsbedingungen zum Wohle der Gesellschaft. Alle Technologien sollten allein über Kosten und Leistung konkurrieren und diejenigen, die der Menschheit aktiv schaden, sollten mit Sanktionen belegt werden.

Fig 4 Abb. 4: Solarenergie wäre bis 2050 nicht nur die am weitesten verbreitete und sauberste Stromquelle, sondern auch die kostengünstigste Option an den meisten Orten der Welt. Quelle: Lappeenranta University of Technology (LUT)

Addiert man die Kosten der Luftverschmutzung durch fossile Brennstoffe und vergleicht sie mit dem Gesundheitswesen, so sind die gesundheitlichen Belastungen mindestens doppelt so hoch wie der Wert des erzeugten Stroms. Ein gutes Beispiel dafür findet man in Ontario, Kanada. Im Jahr 2014 wurde dort ein großes Kohlekraftwerk stillgelegt, und der Hauptfaktor hierfür hatte nichts mit dem Klimawandel oder CO2-Emissionen zu tun. Es ging um Schwermetall-Emissionen, die erhebliche Kosten im Gesundheitswesen verursachten. Diese Geldwerte waren einfach doppelt so hoch wie der Wert des Stroms. Die politischen Entscheidungsträger haben also etwas Einfaches getan: Sie fragten, ob es sich wirklich lohnt, diese gesundheitlichen Belastungen für etwas zu akzeptieren, das einen negativen Wert hat? Und die zweite Frage lautete: „Wollen wir die Subvention wirklich am Leben erhalten?“ Nein, wenn es einen negativen Wert gibt, sollte sie gestrichen werden. Nun gibt es in Ontario kein Kohlekraftwerk mehr.

Diese Politik verdient Respekt, aber noch gibt es keine solche in Europa. Das sagt uns nur, wie unterentwickelt die moderne Energiepolitik ist. Das sind einfache politische Maßnahmen, die die Regierungen noch nicht erkannt haben. Die Bürger müssen sich fragen, warum das so ist. Die Antwort ist einfach, aber beunruhigend: Lobbyismus, in dem die Industrie für fossile Brennstoffe sehr erfahren ist.

Globale Solarunternehmen haben heute und in Zukunft eine viel verantwortungsvollere Rolle zu spielen. Wenn es um die globale Energiewende geht, müssen multinationale Unternehmen weltweit die Botschaft verbreiten, dass der Einsatz erneuerbarer Energien unerlässlich und wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft ist. Es liegt zunehmend in der Hand von Weltkonzernen wie Google, IKEA und Hanwha, Entscheidungsträgern beizubringen, wie die realen Möglichkeiten für ein nachhaltiges Energiesystem wirklich aussehen, und zwar in einer Sprache, die sie verstehen. Dabei müssen sie von Wissenschaft, Umweltbewegungen, Gesundheitsorganisationen und anderen gesellschaftlichen Gruppen unterstützt werden. Eine gemeinsame Anstrengung ist erforderlich, um das Versprechen der Solarenergie zu erfüllen: die sauberste, billigste und beliebteste Energiequelle aller Zeiten zu werden. Die Zeit zum Handeln ist gekommen.

Christian Breyer
Dr. Christian Breyer, Professor für Solarwirtschaft

Christian Breyer ist Professor für Solarwirtschaft an der Technischen Universität Lappeenranta (LUT) in Finnland. Sein Fachgebiet ist die integrierte Erforschung von technologischen und wirtschaftlichen Eigenschaften erneuerbarer Energiesysteme, speziell hinsichtlich der Modifizierung von Energiesystemen für 100% erneuerbare Energien. Professor Christian Breyer verfolgt dieses Forschungsfeld auf lokaler wie auch globaler Ebene. Sein Team veröffentlichte die meisten Studien und Publikationen zu 100% erneuerbarer Energie im Auftrag mehrerer Länder und territorialer Großräume. Besondere Bedeutung wird den Publikationen seines Teams zu negativen CO2-Emissionen zugemessen. Er arbeitete zuvor für das Reiner Lemoine Institut in Berlin und Q-Cells (jetzt: Hanwha Q CELLS). Er ist Mitglied der ETIP PV und des IEA-PVPS, Beirat des wissenschaftlichen Ausschusses der EU PVSEC und IRES, Vorsitzender für erneuerbare Energien bei der Energy Watch Group und Gutachter für das IPCC.

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