Photovoltaik

Solarmodul von BP an einer Autobahnbrücke

Unter Fotovoltaik (auch Photovoltaik) versteht man die Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie. Sie ist seit 1958 zunächst in der Energieversorgung von Satelliten mittels Solarzellen im Einsatz. Mittlerweile wird sie zur Stromerzeugung auf der ganzen Welt eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, an Schallschutzwänden oder auf Freiflächen.

Die Fotovoltaik durchbricht zum Zeitpunkt mit Modulherstellungspreisen von 2000 €/kW_p in vielen Ländern die Schwelle zur Wirtschaftlichkeit. Zukünftig kann mit weiter fallenden Herstellungspreisen gerechnet werden, da die Siliziumknappheit überwunden wird. Die Endkundenpreise werden allerdings aufgrund der weltweit starken Nachfrage und den hohen Investitionskosten zum Bau neuer Fabriken in naher Zukunft nicht wesentlich nachlassen können. Mit der aktuellen Produktionskapazität würde es 1281 Jahre dauern um 25% des Weltstrombedarfs zu decken der nur 17% des Weltenergiebedarfs ausmacht und sich in den nächsten 50 Jahren verdreifachen könnte. Zum Zeitpunkt wird die Produktionskapazitätserweiterung der Fotovoltaik von über 500 Millionen Menschen in 35 Ländern (u.a. Deutschland, Japan, Frankreich, Spanien, Kalifornien(USA), Südkorea, Italien, Griechenland und einige Provinzen in China) gefördert. Da sich die Förderkosten so auf sehr viele Kilowattstunden verteilen und Spitzenlaststrom für 2007 an der EEX bereits mit 8,4 Cent/kWh gehandelt wird konnten die verbleibenden Kosten bis zum Erreichen der Wirtschaftlichkeit auf weniger als 0,1 Cent/kWh reduziert werden, wenn der produzierte Strom mit 8,4 Cent/kWh gegengerechnet wird - positive volkswirtschaftliche und ökologische Faktoren nicht eingerechnet! Bei konstanten Förderraten könnte in den ganannten Ländern schon 2013 ein Solarstromanteil von 8,8%, Endkundenpreise von 2290 €/kW_p und Herstellungskosten von 750 €/kW_p erreicht werden.

Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos - das griechische Wort für Licht - und Volta - nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität - zusammen.

Technische Beschreibung

Die als Licht und Wärme auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie (1,5 x 10¹⁸ kWh / Jahr) ist 15.000 mal höher als der Primärenergieverbrauch (Stand 2006, 1,0 x 10¹⁴ kWh / Jahr) der Menschheit. Der Lichtenergieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 10¹⁸ kWh. Diese Strahlungsenergie kann fotovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt.

Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Fotovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden.

Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt.

Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Fotovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Bekannte, akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind Parkuhrsysteme, die sich häufig in größeren Städten finden.

Die fotovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Fotovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die fotovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Ohne die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im großen Maßstab werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Allerdings haben das Stromeinspeisegesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz zu einem Boom bei der Errichtung von Fotovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1000 MW installierter elektrischer Leistung von Fotovoltaikanlagen überschritten, das entspricht einem großen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten 10 Jahren.

Leistung

Die Nennleistung in der Fotovoltaik wird in W_p (Watt_peak) beziehungsweise kW_p angegeben. "peak" (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad.

Die zu erwartende mittlere Jahresproduktion einer jeweils neu errichteten netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage in Deutschland steigt seit Jahren mit Verbesserung der Technik kontinuierlich an und liegt derzeit bei sinnvoller Auslegung der Anlage bei Werten um 900-1000 kWh pro kW_p und Jahr (also $\mathrm {\frac {kWh}{Jahr\cdot kW_{p}}}$ ).

Dieses entspricht einer Leistungausbeute von 102 bis 114 $\mathrm {\frac {W}{kW_{p}}}$ oder einer Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit der Solarzelle von 10,2 bis 11,4 % (Quelle: Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, 2006).

Wirkungsgrad

Die mit Solarzellen in der Fotovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 6 (Dünnschichtmodule) und 16 (monokristalline Module) Prozent. Zur Gesamtbetrachtung fließen allerdings noch die Verluste des Wechselrichters mit ein.

Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Fotovoltaik aufgrund des zur Zeit eher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv. So erzeugt eine Windkraftanlage mit 5 MW Leistung etwa genauso viel Energie wie eine 500 m x 500 m (25 ha) große Solarstromanlage. Trotzdem ist auch heute schon die Leistungsdichte der Fotovoltaik besser, da Windkraftanlagen dieser Größe mehr als 500m Abstand zueinander halten müssen.

Potenzial

Das erreichbare Potenzial ist sehr hoch: Trotz der scheinbar ungünstigen Bedingungen in Deutschland genügten theoretisch etwa 2 Prozent der Gesamtfläche des Landes, um mit heute verfügbarer Technik in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten, die Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt. Der Einwand, die Fläche in Mitteleuropa würde für einen wesentlichen Anteil von Fotovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist somit nicht haltbar. Die nötige Fläche könnte ohne Neuversiegelung über die Nutzung bisher bebauter Flächen (vor allem Dächer) erreicht werden. Die Fotovoltaik kann daher langfristig auch in Deutschland einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourcenschonung liefern.

Die genannte Zahl von 2 % ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kW_p pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kW_p, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Größenordnung für das Jahr 2004 und 2005) und der Gesamtfläche Deutschlands von ca. 350.000 km².

Im Jahr 2005 wurden ca. 0,2 Prozent der deutschen Stromerzeugung aus Solarenergie gewonnen, allerdings bei konstant starkem Wachstum, das etwa einer Verzehnfachung der Erzeugung alle fünf Jahre entspricht. Für das Jahr 2010 gehen verschiedene Prognosen von 0,45-1,0 Prozent aus (Quelle: Verband der Netzbetreiber/Bundesverband Erneuerbare Energien). Auch bei theoretisch hohen Potenzialen spielt Solarstrom aktuell und in den nächsten Jahren für die deutsche Stromerzeugung nur eine sehr kleine Rolle, allerdings ist durch das zum Wind gegenläufige Angebotsverhalten der Sonnenenergie der Stromanteil aus Fotovoltaik für einen funktionierenden regenerativen Energiemix erforderlich.

Bei den obigen Angaben zum Flächenbedarf ist eine eventuell notwendige Zwischenspeicherung der Energie noch nicht berücksichtigt. Geht man davon aus, dass 25 % der Energie sofort verbraucht und 75 % gespeichert werden, würde dies bei Umwandlungsverlusten von 50 % den Flächenbedarf für Fotovoltaik ungefähr verdoppeln und zusätzliche Investitionskosten erfordern. Beim einem Anteil von 25% am Gesamtstrombedarf ist eine Speicherung nicht notwendig. Darüber hinaus kann überschüssiger Strom in Form von Wasserstoff gespeichert und für Automobile genutzt werden.

Sehr viel besser als in Deutschland ist das weltweite Potential der Photovoltaik. In Chile (2500 kWh/Jahr), Californien (2200 kWh/Jahr), Australien (1900 kWh/Jahr) oder Indien (2200 kWh/Jahr) lassen sich aufgrund der hohen Solarstrahlungswerte deutlich günstigere Stromgestehungskosten erzielen. Hinzu kommt noch, daß in vielen Entwicklungsländern kein Stromnetz existiert und somit die Fotovoltaik eine preisgünstigere Möglichkeit bietet elektrischen Strom zu erzeugen als dies mit Dieselgeneratoren möglich ist.

Integration in das Stromnetz

Schwankung des Angebots

Das schwankende Angebot der Fotovoltaik wirkt aus Sicht des Stromnetzes nicht anders als schwankender Verbrauch; die im Niederspannungsbereich eingespeiste Fotovoltaikleistung stellt sich dabei wie eine Verbrauchsminderung dar. Diese ist, wie die durch den Stromverbraucher verursachte Schwankungen der Last, vorhersehbar. Aufgrund dieser Planbarkeit kann Fotovoltaikleistung wie die Windenergie in den Kraftwerksfahrplan des Tageslastgangs einbezogen und ohne zusätzlichen Aufwand wie Verbrauchsschwankungen im Mittellastbereich gesteuert werden. Bei einem Ausbau in großem Maßstab muss die Fotovoltaik mit anderen, gut regelbaren Kraftwerken oder Speichertechnologien kombiniert werden. Hierfür in Frage kommen insbesondere Gaskraftwerke (GuD), Wasserkraftwerke, Pumpspeicherwerke, verteilte Anlagen auf Basis der Kraft-Wärme-Kopplung sowie zukünftig auch Druckluftspeicherkraftwerke, Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicherung sowie Speicherung in Form von Wasserstoff. Sehr gut geeignet sind auch rein logistische Konzepte wie das Demand Side Management und das Virtuelle Kraftwerk.

Konformität zum Verbrauch

Da Strom aus Fotovoltaik naturgemäß tagsüber, zu Zeiten hohen Verbrauchs zur Verfügung steht, trägt sie gerade zur Deckung der Spitzen- und Mittellast bei und ergänzt damit ideal Grundlastkraftwerke.

Übertragung

Bei einer dezentralen Stromversorgung aus vielen großflächig verteilten Fotovoltaikanlagen werden Leitungsverluste aufgrund der geringen Entfernungen zwischen Stromquelle und Endverbraucher verringert. Der erzeugte Strom verlässt den Niederspannungsbereich praktisch nicht, sondern wird sofort lokal verbraucht. Zwar speist der Betreiber einer häuslichen Photovoltaikanlage den Strom in das Netz ein, da er aber selbst der näheste Verbraucher ist, wird physikalisch der Strom hauptsächlich von ihm selbst genutzt und nur der überschüssige Anteil zum Nachbarn übertragen.

Speicherung

Der in einer Solarzelle genutzte Fotovoltaische Effekt erzeugt zunächst nur eine Verschiebung von Ladungsträgern im Siliziumhalbleiter, welche als Spannung messbar ist. Ein angeschlossener Verbraucher sorgt nun für einen als Strom bezeichneten Ladungsträgerausgleich, welcher eine erneute Ladungsträgerverschiebung in der Solarzelle ermöglicht.

Dieser Strom wird in einer netzgekoppelten Fotovoltaikanlage, nachdem er wechselgerichtet wurde, permanent an das Versorgungsnetz abgegeben und dort verbraucht, was eine Zwischenspeicherung unnötig macht.

Der Einsatz von Fotovoltaikanlagen als Insellösung macht jedoch eine Speicherung notwendig, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Während in Kleinstanlagen (öffentliches Telefon, Parkscheinautomat...) die Speicherung in Akkumulatoren zweckmäßig ist, setzt man bei größeren Anlagen (Berghütte) zunehmend auf Brennstoffzellen als Speichermedium und die Windenergie als zusätzliche Energiequelle.

Versorgungssicherheit

Trotz des schwankenden Angebots steht die geplante Leistung aus Fotovoltaik deutlich sicherer zur Verfügung als die eines einzigen Großkraftwerks. Ein unvermuteter Ausfall eines solchen großen Stromerzeugers hat im Stromnetz stärkere Störwirkung als der Ausfall einer einzelnen Fotovoltaikanlage. Durch die breite Streuung und die hohe Anzahl der Fotovoltaikanlagen (derzeit ca. eine Million) ergibt sich eine, im Vergleich zu einer einzelnen Großanlage, extreme Betriebssicherheit.

Um einen ungeplanten Ausfall großer Stromerzeuger abzusichern muss permanent Reserveleistung bereitgehalten werden, dies ist für den Anteil Fotovoltaikleistung nicht notwendig und spart somit Kosten. Aber auch ein geplanter Ausfall eines Großkraftwerks (z.B. für eine Revision) muss durch ein anderes Kraftwerk abgesichert sein, was bei Fotovoltaik ebenfalls nicht erforderlich ist.

Kosten

Investitionskosten

Ein kW_p installierte Leistung einer netzgekoppelten Fotovoltaikanlage kostet derzeit (Inbetriebnahme 2006) bei großen Freiflächenanlagen ca. 4.000 €, bei kleineren Dachanlagen je nach Montageaufwand um ca. 5.500 €, bei Eigenleistung auch weniger. Solch eine Anlage liefert in Süddeutschland nach dem aktuellen Stand der Technik einen Jahresertrag von ca. 930 bis 1.100 kWh, in Abhängigkeit von Zellentyp, Ausrichtung, Dachneigung, Sonneneinstrahlung und Temperatur: das Wetter bietet nicht jedes Jahr die gleichen Einstrahlungswerte, im Simulationsrechnungen geht man von den gemittelten Werten der letzten zehn Jahre für den jeweiligen Standort aus.

Für eine private Hausanlage mit 3 kW_p hat die Stiftung Warentest Preise von 12760 € bis 16840 € für die Module sowie 1750 € bis 2120 € für den Wechselrichter ermittelt. Dies entspricht (ohne Montagekosten) einem Preis von 4836 € bis 6320 € pro kW_p. ^[1]

Für alle bei Fotovoltaikanlagen entstehenden Kosten (Module, Wechselrichter, Installation, Versicherung) sind generell nur die Nettopreise (ohne Mehrwertsteuer) zu betrachten, da der Betreiber einer solchen Anlage vom Finanzamt als Unternehmer betrachtet wird. Auch die im EEG genannten Einspeisevergütungen sind Nettovergütungen. Der Stromnetzbetreiber zahlt also zusätzlich die Mehrwertsteuer (in Deutschland 2006: 16 %) aus. Diese muss dann allerdings als Umsatzsteuer an das Finanzamt abgeführt werden.

Stromgestehungskosten

Bei Kapitalkosten von 4 % für die Investitionssumme und Betriebskosten von typisch ca. 1 % ergeben sich in unseren Breiten Erzeugungskosten von ca. 37 – 52 ct/kWh über einen üblichen Abschreibungszeitraum von 20 Jahren. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß die Branche extrem wachsen muß, da weltweit erst 0,055 % des Stroms aus Solarenergie erzeugt wird. Das für die Investitionen (Bau neuer Fabriken) nötige Kaptial wird hauptsächlich über die Gewinne durch den Modulverkauf finanziert. Im Jahr 2004 lagen die Modulpreise noch bei 3250 $/kW_p und sind seitdem bis auf 4300 $/kW_p angestiegen. Um in naher Zukunft einen nennenswerten Anteil durch Solarstrom decken zu können müssen die Modulpreise weiter steigen um ein starkes Wachstum zu erreichen. Gemessen an den Herstellungskosten (ca. 1900 €/kW_p) kostet Solarstrom bei 1000 kWh/Jahr ca. 19 Cent pro Kilowattstunde.

Die Tabelle bildet die Stromgestehungskosten bei 4% Kapitalkosten, 1% Betriebskosten und 20 Jahren Abschreibung ab. In der Regel sind aber Fotovoltaikanlagen bis weit über den Abschreibungszeitraum voll funktionsfähig.

20 Jahre, 4%	2400 kWh	2200 kWh	2000 kWh	1800 kWh	1600 kWh	1400 kWh	1200 kWh	1000 kWh	800 kWh
200 € / kW_p	0,8	0,9	1,0	1,1	1,3	1,4	1,7	2,0	2,5
600 € / kW_p	2,5	2,7	3,0	3,3	3,8	4,3	5,0	6,0	7,5
1000 € / kW_p	4,2	4,5	5,0	5,6	6,3	7,1	8,3	10,0	12,5
1400 € / kW_p	5,8	6,4	7,0	7,8	8,8	10,0	11,7	14,0	17,5
1800 € / kW_p	7,5	8,2	9,0	10,0	11,3	12,9	15,0	18,0	22,5
2200 € / kW_p	9,2	10,0	11,0	12,2	13,8	15,7	18,3	22,0	27,5
2600 € / kW_p	10,8	11,8	13,0	14,4	16,3	18,6	21,7	26,0	32,5
3000 € / kW_p	12,5	13,6	15,0	16,7	18,8	21,4	25,0	30,0	37,5
3400 € / kW_p	14,2	15,5	17,0	18,9	21,3	24,3	28,3	34,0	42,5
3800 € / kW_p	15,8	17,3	19,0	21,1	23,8	27,1	31,7	38,0	47,5
4200 € / kW_p	17,5	19,1	21,0	23,3	26,3	30,0	35,0	42,0	52,5
4600 € / kW_p	19,2	20,9	23,0	25,6	28,8	32,9	38,3	46,0	57,5
5000 € / kW_p	20,8	22,7	25,0	27,8	31,3	35,7	41,7	50,0	62,5

Da Fotovoltaikanlagen keine beweglichen Teile beinhalten sind sie sehr langlebig. Sie können also durchaus über einen Zeitraum von 30 Jahren abgeschrieben werden. Folgende Tabelle zeigt die Stromgestehungskosten bei 30 jähriger Abschreibung.

30 Jahre, 4%	2400 kWh	2200 kWh	2000 kWh	1800 kWh	1600 kWh	1400 kWh	1200 kWh	1000 kWh	800 kWh
200 € / kW_p	0,7	0,8	0,8	0,9	1,0	1,2	1,4	1,7	2,1
600 € / kW_p	2,1	2,3	2,5	2,8	3,1	3,6	4,2	5,0	6,3
1000 € / kW_p	3,5	3,8	4,2	4,6	5,2	6,0	6,9	8,3	10,4
1400 € / kW_p	4,9	5,3	5,8	6,5	7,3	8,3	9,7	11,7	14,6
1800 € / kW_p	6,3	6,8	7,5	8,3	9,4	10,7	12,5	15,0	18,8
2200 € / kW_p	7,6	8,3	9,2	10,2	11,5	13,1	15,3	18,3	22,9
2600 € / kW_p	9,0	9,8	10,8	12,0	13,5	15,5	18,1	21,7	27,1
3000 € / kW_p	10,4	11,4	12,5	13,9	15,6	17,9	20,8	25,0	31,3
3400 € / kW_p	11,8	12,9	14,2	15,7	17,7	20,2	23,6	28,3	35,4
3800 € / kW_p	13,2	14,4	15,8	17,6	19,8	22,6	26,4	31,7	39,6
4200 € / kW_p	14,6	15,9	17,5	19,4	21,9	25,0	29,2	35,0	43,8
4600 € / kW_p	16,0	17,4	19,2	21,3	24,0	27,4	31,9	38,3	47,9
5000 € / kW_p	17,4	18,9	20,8	23,1	26,0	29,8	34,7	41,7	52,1

Problematisch ist allerdings, daß sich bei stark steigenden Energiekosten (zum Beispiel durch Verdopplung des Rohölpreises von derzeit 37 Cent/Liter auf 74 Cent/Liter) auch die Kapitalkosten bedingt durch die große Inflation erhöhen. Bei 12% Kapitalkosten (letzte Ölkriese) wäre Solarstrom doppelt so teuer wie heute und damit wieder weit fernab der Wirtschaftlichkeit. Mittlerweile sind die 10 jährigen KfW Kredite auf 4,85% (effektiv) angestiegen. Bei 5000 €/kW_p wird Solarstrom pro Prozentpunkt um 5 Cent/kWh teurer. Durch das nötige starke Wachstum und den damit verbundenen Investitionen in Milliardenhöhe werden auch alternative Energien immer teurer werden müssen, bis das Wachstum nachläßt und sich die Preise wieder entspannen können. Dieser Effekt betrifft natürlich nicht nur die Fotovoltaik sondern auch alle anderen regenerativen und fossilen Energien. Es muß desshalb rechtzeitig gehandelt werden, damit es erst gar nicht dazu kommt bzw. der Effekt gemildert ausfällt.

20 Jahre, 12%	2400 kWh	2200 kWh	2000 kWh	1800 kWh	1600 kWh	1400 kWh	1200 kWh	1000 kWh	800 kWh
200 € / kW_p	1,5	1,6	1,8	2,0	2,3	2,6	3,0	3,6	4,5
600 € / kW_p	4,5	4,9	5,4	6,0	6,8	7,7	9,0	10,8	13,5
1000 € / kW_p	7,5	8,2	9,0	10,0	11,3	12,9	15,0	18,0	22,5
1400 € / kW_p	10,5	11,5	12,6	14,0	15,8	18,0	21,0	25,2	31,5
1800 € / kW_p	13,5	14,7	16,2	18,0	20,3	23,1	27,0	32,4	40,5
2200 € / kW_p	16,5	18,0	19,8	22,0	24,8	28,3	33,0	39,6	49,5
2600 € / kW_p	19,5	21,3	23,4	26,0	29,3	33,4	39,0	46,8	58,5
3000 € / kW_p	22,5	24,5	27,0	30,0	33,8	38,6	45,0	54,0	67,5
3400 € / kW_p	25,5	27,8	30,6	34,0	38,3	43,7	51,0	61,2	76,5
3800 € / kW_p	28,5	31,1	34,2	38,0	42,8	48,9	57,0	68,4	85,5
4200 € / kW_p	31,5	34,4	37,8	42,0	47,3	54,0	63,0	75,6	94,5
4600 € / kW_p	34,5	37,6	41,4	46,0	51,8	59,1	69,0	82,8	103,5
5000 € / kW_p	37,5	40,9	45,0	50,0	56,3	64,3	75,0	90,0	112,5

Diese Kosten bei Großanlagen liegen gegenwärtig etwa 5 mal höher als die Kosten für konventionelle Erzeugung. Für 2007 wird Strom an der EEX bereits mit 8 ct/kWh gehandelt. Gemessen an den Haushaltsstrompreisen (ca. 20 ct/kWh; 18 ct/kWh + 2 ct/kWh Grundgebühr) und Solarkleinanlagen ergeben sich 2,5-fach höhere Kosten.

Nach 20 Jahren ist die Anlage abbezahlt und es fallen bis zum Ende der Lebensdauer (25 bis 40 Jahre) nur noch die geringen Betriebskosten an. Bei konventioneller Stromerzeugung ist dagegen aufgrund der steigenden Brennstoffkosten mit einem Preisanstieg zu rechnen. Sollten bei weiter steigenden Haushaltsstrompreisen immer mehr Menschen den produzierten Strom selbst nutzen (die meisten EEG-Vergütungen liegen unter 20 Cent/kWh) und nur noch den Überschuss in das Netz einspeisen, verteilen sich die konstanten Netzkosten auf immer weniger verkaufte Kilowattstunden was die Kosten pro kWh erhöht. Dies würde den Effekt weiter anheizen, bis sich der Betrieb nicht mehr rechnet und die Migration in ein dezentrales Energienetz abgeschlossen ist.

In Italien ist Solarstrom erstmalig seit diesem Jahr (2006) auch ohne Fördermittel günstiger als Strom aus der Steckdose und damit wirtschaftlich geworden. Die Kilowattstunde Haushaltsstrom kostet dort ohne Grundgebühr durch die überraschend stark gestiegenen Rohstoffpreise 21,08 Cent/kWh. Mit durchschnittlich 1600 kWh (Sizilien sogar 1800 kWh) Solarstrahlung pro Jahr, 4 % Kapitalrendite und 25 Jahren Abschreibung kostet Solarstrom bei 4600 €/kW_p nur noch 20,91 Cent/kWh. Bei Großanlagen mit 3900 € pro installiertem kW_p sinken die Kosten sogar auf 17,75 Cent/kWh und ist somit über 15 % günstiger. Bei weiter sinkenden Preisen für Solarzellen von jährlich 8 % und steigenden Kosten für Haushaltsstrom von 5 % klafft diese Lücke weiter auf, wodurch der Solarmarkt sehr viel schneller als bisher erwartet wachsen könnte. Um in Italien einen 19 %igen Solarstromanteil zu erreichen müssten 34 000 MW_p Leistung installiert werden, die 0,09 % der Landesfläche beanspruchen würden. 9 % der Fläche Siziliens könnten 25 % des Strombedarfs der gesamten EU (ca. 2100 TWh/Jahr) decken.

Vermiedene Kosten

Durch die absolute Emissionsfreiheit im Betrieb weist die Fotovoltaik extrem niedrige externe Kosten auf. Liegen diese bei Stromerzeugung aus Stein- und Braunkohle bei ca. 6 bis 8 ct/kWh, betragen sie bei Fotovoltaik nur ca. 1 ct/kWh. Zu diesem Ergebnis kommt ein aktuelles Gutachten [1], welches vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR, Stuttgart) und dem Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (ISI, Karlsruhe) erstellt wurde.

Aktuelle Situation der Preisentwicklung

Die reinen Herstellungskosten der Module sind in den letzten Jahren (bis 2006) stark gesunken. Das EEG hat somit wie geplant bewirkt, dass dank Massenproduktion, Produktivitätssteigerungen und technischem Fortschritt die Kosten gesenkt werden konnten.^[2] Nur leider hat die weltweit andauernd hohe Nachfrage nach Solarmodulen Preissenkungen verhindert. Die Preise für Solarmodule sind in den Jahren 2004 und 2005 um durchschnittlich rund zehn Prozent gestiegen, seit Anfang 2006 stagnieren sie und leiten einen Abwärtstrend ein. Sie liegen heute höher als 1999, dem Jahr vor der Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes. (Quelle: Zeitschrift Photon 3/2006, Seite 52). Allerdings gilt dies für Kleinanlagen im unteren kWp-Bereich; die Investitionskosten für große Freiflächen- und Dachanlagen im MWp-Segment sind so niedrig wie nie. Oftmals wird als Ursache der steigenden Modulpreise die Verteuerung des Rohstoffes Silizium genannt. Die Materialkosten sind derzeit etwa 5 mal höher als die Lohnkosten. Um auch weiterhin die Produktion stark zu steigern, sind enorme Investitionen nötig. Diese können allerdings nur getätigt werden, wenn die Solarzellen und Module mit einer großen Gewinnspanne verkauft werden können. Sollten die Margen sinken, sinkt mangels Investitionskapital zwangsläufig auch die Kapazitätserweiterung und damit das gesamte Wachstum der Branche.

Mittlerweile (August 2006) gibt es weltweit 35 Länder (u.a. Deutschland, Japan, Frankreich, Spanien, Kalifornien(USA), Südkorea, Italien, Griechenland und China) mit Einspeisevergütungen die meist dem deutschen EEG sehr ähneln. Die Nachfrage nach Solarmodulen steigt stark an, zumal weitere Länder Einspeisevergütungen ankündigen. Anders als in Deutschland ist Solarstom in Spanien (1800 kWh/qm/a, 14,33 ct/kWh ohne Installationskosten) mittlerweile gegenüber Gaskraftwerken zur Deckung der Spitzenlast wirtschaftlich geworden. Bremsender Faktor sind nach wie vor fehlende Investitionen in Solarsilizium produzierende Anlagen. Die Siliziumpreise am Spotmarkt stiegen von ursprünglich 15 $/kg (Chipsilizium mit 1000x höherer Reinheit) auf über 100 $/kg. Für die Produktion von 1 kW_p sind ca. 10 kg Silizium notwendig. Die Herstellungskosten für Solarmodule (Netto) bewegen sich derzeit zwischen 1,7 und 2,3 €/W_p (6,6 - 9,1 ct/kWh bei 1800 kWh/qm/a (Spanien)). Im Großhandel kostet 1 W_p (Juni 2006) 3,6 € (Netto). Die Gewinne werden anders als bei den Ölfirmen nicht ausgeschüttet sondern fast ausschließlich in Wachstum reinvestiert. Weltweit werden 0,06% des Strombedarfs bzw. 0,01% des Primärenergiebedarfs mit Fotovoltaik gedeckt (2006).

Da die Herstellungskosten um 20% pro Verdopplung der produzierten Menge sinken (Massenproduktionsgesetz) errechnet sich bei einer 1%igen Versorgung, einem 25%igen jährlichen Wachstum der Branche und einer Sonneneinstrahlung von 1300 kWh/qm/a (weltweiter Durchschnitt 1500 kWh/qm/a) ein an den Herstellungskosten gemessener Preis von 2,0 Cent/kWh (660 €/kW_p im Jahre 2018) am Strombedarf bzw. 1,1 Cent/kWh (370 €/kW_p im Jahre 2026) am Primärenergiebedarf. Dabei ist allerdings noch nicht berücksichtigt, dass der weltweite Bedarf steigt und sich bis 2050 der Primärenergiebedarf und Strombedarf verdreifachen könnte.

Aufgrund der Vergütungssenkung im EEG rechnen sich neue Solarstromanlagen nur noch an guten Standorten. Auch wer seine Anlage mit zinsgünstigen Krediten zum Beispiel aus dem Programm »Solarstrom erzeugen« der KfW-Bankengruppe finanziert, muss bei dem derzeitigen Preisniveau sehr sorgfältig kalkulieren und sollte vor allem seinen Solarstrombetrieb als Unternehmen führen. Das ist unkompliziert und bietet (unter anderem) die Möglichkeit, sich die Mehrwertsteuer erstatten zu lassen, dann kann sich eine Anlage unter normalen Umständen noch rentieren. ^[3] Die Rendite von privaten Solarstromanlagen ist für den Laien schwer zu berechnen, es existieren allerdings detaillierte Berechnungsprogramme die alle wesentlichen Faktoren berücksichtigen. [2] [3]

Einspeisevergütung

Die Vergütung des Solarstroms in Deutschland ist im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) geregelt und liegt derzeit (Inbetriebnahme 2006) bei 40,6 bis 51,8 ct/kWh und ist für Personen, welche ihre Anlage im Jahr 2006 installieren bis 2026 garantiert. Ab 2007 verringert sich die jährliche Einspeisevergütung auf 37,9 bis 49,2 ct/kWh, bleibt dann aber auch für 20 Jahre konstant.

Installationen, Exportraten und weltweit führende Hersteller

2004 wurden in Deutschland gemäß einer umfangreichen Untersuchung der Zeitschrift Photon Solaranlagen mit einer Gesamtleistung von 700 MW_p installiert. Damit wurden - bedingt durch die Förderung über die Einspeisevergütung (siehe oben) - nirgends in der Welt so viele Solarstromanlagen ans Netz genommen wie in Deutschland. Erhebungen der Zeitschrift Photon zufolge wurden knapp die Hälfte aller weltweit produzierten Solarzellen im vergangenen Jahr auf deutschen Dächern und Freiflächen installiert.

Während in Deutschland im Jahr 2005 am meisten Solarstromanlagen installiert wurden, haben die japanischen Hersteller von Solarzellen ihre weltweite Führungsposition bei der Produktion verteidigt. Wie aus einer internationalen Markterhebung der Zeitschrift Photon International hervorgeht, wurden in vergangenen Jahr 45 Prozent aller Solarzellen von japanischen Unternehmen produziert, 19 Prozent von deutschen.

Im vergangenen Jahr wurden weltweit Solarzellen mit einer maximalen Leistung von 1.818 Megawatt (MW) hergestellt. Davon stammten 824 MW aus Japan, deutsche Hersteller kamen mit 332 MW auf Platz zwei. Die nächstplatzierten sind die amerikanischen Hersteller mit 156 MW sowie die chinesischen mit 150 MW. Chefredakteur Michael Schmela von PHOTON International: „Chinesische Hersteller von Solarzellen haben ihre Produktion 2005 verdreifacht. 60 Prozent aller weltweit nachgefragten Solarzellen kommen mittlerweile aus Asien.“ Im Vergleich zum Vorjahr stieg die weltweite Zellproduktion 2005 um 45 Prozent.

Der weltweit größte Hersteller ist seit dem Jahr 2000 unangefochten Sharp. Das japanische Unternehmen produzierte im vergangenen Jahr mit 428 MW mehr als alle deutschen Hersteller zusammen. Der deutsche Hersteller Q-Cells konnte sich mit 166 MW auf Platz zwei vorschieben (2004: 76 MW). Die nächstplatzierten deutschen Unternehmen sind Schott Solar auf Platz sechs (95 MW) und die Deutsche Cell (38 MW auf Platz zwölf).

Wie das englischsprachige Magazin Photon International im März 2005 berichtete, wiesen die großen deutschen Hersteller von Solarmodulen 2005 Exportraten von zwei bis sechs Prozent auf. Demgegenüber exportierte der Weltmarktführer Sharp 52 Prozent seiner Produktion, chinesische Hersteller bringen es auf Exportraten von 80 bis 100 Prozent.

Die Autoren der Marktübersicht gehen davon aus, dass das für 2006 prognostizierte Wachstum der internationalen Solarbranche wieder durch die Siliziumknappheit begrenzt sein wird. Rund 93 Prozent aller 2005 weltweit produzierten Solarzellen wurden aus kristallinem Silizium gefertigt.

Quellen: Zeitschriften Photon und Photon International, Januar bis April 2006.

Geschichte der Fotovoltaik

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik

Der fotoelektrische Effekt wurde bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. 1905 gelang es Albert Einstein den Fotoeffekt richtig zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekam. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Fotovoltaikzellen.

Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und auch die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem 100.000-Dächer-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet.

Das 100.000-Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben.

Im Jahr 2005 erreicht die Gesamtleistung der in Deutschland installierten Fotovoltaik-Anlagen 1 Gigawatt_peak. Bei Arnstein in der Nähe von Würzburg entsteht auf dem Gelände des ehemaligen Weinbauversuchsguts Erlasee 2005/2006 die größte Fotovoltaikanlage der Welt mit einer Leistung von mehr als 13 Megawatt.

Siehe auch

Quellen

↑ Stiftung Warentest 05/2006
↑ Photon 3/2006, Seite 54
↑ Photon 4/2006, Seite 121

Literatur

Ralf Haselhuhn: Photovoltaik - Gebäude liefern Strom. Ein BINE-Informationspaket, TÜV Verlag, Köln 2005, ISBN 3-8249-0854-9
Thomas Seltmann: Photovoltaik: Strom ohne Ende. Solarpraxis Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-934595-40-5
Adolf Goetzberger, Bernhard Voß, Joachim Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik. Teubner, Wiesbaden 1997, ISBN 3519132141
H.-G. Wagemann, H. Eschrich: Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung. Teubner, Wiesbaden 1994, ISBN 3-519-03218-X

Weblinks

Commons: Fotovoltaik – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

"Gefahren an der Einsatzstelle durch Photovoltaikanlagen" Unterrichtspaket (4MB zip-Download) für Feuerwehren
gemeinnütziges Solarenergie Informations- und Demonstrationszentrum
Photon - auflagenstärkste deutsche Solarstromzeitschrift
Photon International - führende internationale Solarstromzeitschrift (englisch)
Seite zum Thema Fotovoltaik, regenerative Energien
Interaktiver Förderberater von BSW und KfW-Bankengruppe
Nachrichten-Online-Magazin zum Thema Fotovoltaik, regenerative Energien Solar-Rechner
Weiterführende Dokumentation anhand einer PV-Anlage auf dem Kirchendach
BMU - Beitrag der erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung in D (1990–2005)
Statistiken zu Stromerträgen von Fotovoltaikanlagen - bundesweit
Berechnungstool für PV-Inselanlagen
European Photovoltaic Industry Association (englisch)
www.solarbuzz.com - weltweite News und Preise (englisch)
Schadenpotenziale aus Sicht der Photovoltaikversicherer

Forschungseinrichtungen

[1] Stiftung Warentest 05/2006

[2] Photon 3/2006, Seite 54

[3] Photon 4/2006, Seite 121

[1]

[2]

[3]