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1996 | Buch

Photovoltaik

Technik, Potentiale und Perspektiven der solaren Stromerzeugung

verfasst von: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Frithjof Staiß

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Entwicklung des Photovoltaik-Marktes in den 80er und 90er Jahren
Zusammenfassung
Der Markt für Photovoltaiksysteme hat in den letzten 15 Jahren eine sehr dynamische Entwicklung durchlaufen. Die weltweite Produktion von Modulen stieg von etwa 5 MWp1 im Jahr 1980 auf heute (1994) 70 MWp (Bild 1–1). Insgesamt wurden bislang rund 400 MWp auf den Markt gebracht. In den frühen 80er Jahren wurde der Aufschwung vor allem durch Demonstrations- und Regierungsprojekte getragen, dann jedoch in zunehmendem Maße vom kommerziellen Bereich, der heute über 90% der Anwendungen ausmacht. Hier betrug die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate seit Mitte der 80er Jahre etwa 15%. Wie bei vielen anderen neuen Technologien resultierte dieser Erfolg daraus, daß sich Nachfrage und technische Entwicklungen gegenseitig stimulierten und somit eine Steigerung der Leistungsfähigkeit der Systeme zu gleichzeitig niedrigeren Kosten erreicht werden konnte. Zugute kam der Photovoltaik (PV) aber auch eine ihrer herausragendsten Eigenschaften: ihre außergewöhnliche Modularität, die es erlaubt, Kleinstsysteme mit elektrischen Leistungen von wenigen Milliwatt gleichermaßen zu realisieren wie Kraftwerke im Megawatt-Bereich. Auch heute ist dieser Trend ungebrochen.
Frithjof Staiß
2. Stand der Technik
Zusammenfassung
Durch den Begriff Photovoltaik wird die direkte Umwandlung von Licht in Elektrizität mit Hilfe von Solarzellen beschrieben. Er ist abgeleitet aus dem griechischem Wort phos für Licht und dem Namen des Italieners Alessandro Volta, einem Pionier in der Erforschung der Elektrizität. Der photovoltaische Effekt wurde bereits im Jahr 1839 durch den französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Intensive Arbeiten mit dem Ziel einer technischen Umsetzung des Effekts begannen aber erst Mitte dieses Jahrhunderts, als für Satelliten eine nachschubunabhängige, dauerhafte und wartungsfreie Energieversorgung benötigt wurde. Die erste (Silicium)-Solarzelle wurde im Jahr 1954 entwickelt. In den 70er Jahren wurde mit terrestrischen Anwendungen begonnen. Vor allem durch die forcierte Forschung und Entwicklung nach der ersten Ölpreiskrise konnten nicht nur die Leistungsfähigkeit deutlich verbessert, sondern auch die Kosten auf einen Bruchteil gesenkt werden.
Frithjof Staiß
3. Kosten photovoltaischer Systeme
Zusammenfassung
Bei der Analyse der gegenwärtigen Kostensituation in der Photovoltaik ergeben sich Schwierigkeiten, wie sie häufig bei Technologien auftreten, die sich in einer vorkommerziellen Phase befinden und die belastbare präzise Aussagen kaum zulassen. Die Bandbreite der Kostenangaben ist sehr groß, was im Falle von Photovoltaik-Modulen zum einen aus unterschiedlichen Produktions- und Vertriebsstrukturen der Anbieter resultiert, andererseits kann es sich aber im Einzelfall auch um eine subventionierte Produktion (z.B. durch öffentliche Förderung) handeln, was in den Kostenangaben nicht immer zum Ausdruck kommt. Zudem wird teilweise nicht nach Herstellungskosten und Verkaufspreisen (Liefermengenabhängigkeit) unterschieden, die jedoch erheblich differieren können. Dabei ist es auch möglich, daß die Verkaufspreise unter den Herstellungskosten angesetzt werden, um eine Marktposition zu erlangen bzw. zu halten.
Frithjof Staiß
4. Technische und ökonomische Entwicklungspotentiale bis zum Jahr 2020
Zusammenfassung
Die Photovoltaik weist unter allen solaren Stromerzeugungstechnologien die weitaus größten Kostenreduktionspotentiale auf. Eine Halbierung der Stromgestehungskosten bis zum Jahr 2005 und eine Abnahme um den Faktor 3–5 bis zum Jahr 2020 erscheinen heute durchaus realisierbar, wodurch sich neue, umfangreiche Märkte erschließen würden. Wann es jedoch zu einer breiten Markteinführung kommt, wird sehr stark davon abhängen, wie sich technische Innovationen und die Zunahme der Nachfrage wechselseitig stimulieren. Diese starke gegenseitige Abhängigkeit läßt eine isolierte Betrachtung der technologischen Entwicklungsmöglichkeiten, der Ausschöpfung von Kostenreduktionspotentialen und der Entwicklung der Produktionskapazitäten nicht zu. Im weiteren wird daher versucht, den zukünftigen Entwicklungsstand der verschiedenen Techniken jeweils durch die drei Größen Wirkungsgrad, Produktionsvolumen und Kosten zu charakterisieren.
Frithjof Staiß
5. Definition von Referenzsystemen
Zusammenfassung
Für die Abschätzung der technischen Potentiale der photovoltaischen Stromerzeugung in Deutschland und die Diskussion möglicher Ausschöpfungsstrategien (s. Kapitel 6 und 7) ist es sinnvoll, aufbauend auf den Ergebnissen der vorangegangenen Abschnitte, eine einheitliche und repräsentative Datenbasis zu den technisch-ökonomischen Eigenschaften relevanter photovoltaischer Systeme zu definieren. Es werden daher folgende Referenzanlagen festgelegt:
  • 3 kWp-Hausdach-Anlage stellvertretend für die Klasse von 1–5 kWp (Tabelle 5-1)
  • 50 kWp-Freiflächen- oder Flachdach-Anlage stellvertretend für die Klasse von 50 – 150 kWp (Tabelle 5-2)
  • 500 kWp-Kraftwerk stellvertretend für die Klasse von 300 – 700 kWP mit
a)
Standard-Solarzellen aus multikristallinem Silicium; Module fest aufgestellt (Tabelle 5-3)
 
b)
schwach konzentrierendes V-Trog-System (Konzentrationsfaktor c = 2), einachsige Modulnachführung und Solarzellen aus multikristallinem Silicium (ab 2005, Tabelle 5-4)
 
c)
Solarzellen aus Kupfer-Indium-Selenid (CIS); Module fest aufgestellt (ab 2005, Tabelle 5-5)
 
Frithjof Staiß
6. Technisches Potential der Photovoltaik in Deutschland
Zusammenfassung
Wichtigstes Kriterium für die Ermittlung der technisch nutzbaren Stromerzeugungspotentiale der Photovoltaik in Deutschland sind die nutzbare Sonneneinstrahlung in Verbindung mit den zur Verfügung stehenden Aufstellungsflächen sowie den Jahresnutzungsgraden der Anlagen (zur Definition des Jahresnutzungsgrades s. Abschnitt 2.3). Es läßt sich zunächst eine theoretische Obergrenze ableiten, wenn der unveränderliche Parameter Sonneneinstrahlung und die Gebietsfläche Deutschlands in Bezug gesetzt werden zu den theoretisch erreichbaren Wirkungsgraden photovoltaischer Systeme. Auch wenn die Abschätzung des theoretischen Potentials, was quasi einer Überdachung des Bundesgebietes gleichkäme, für die Ermittlung möglicher Beiträge der Photovoltaik zur Energieversorgung wenig hilfreich ist, so lassen sich doch einige grundsätzliche Aussagen ableiten, z.B. wieviel Prozent der Fläche einer Region solar genutzt werden müßten, um einen bestimmten Anteil an der Stromversorgung zu erreichen. Daher soll kurz darauf eingegangen werden: Geht man von einer mittleren Einstrahlung in Deutschland von etwa 1000 kWh/m2 pro Jahr aus (s. Abschnitt 2.3) und multipliziert diesen Wert mit der Gebietsfläche von 357000 km2, so erhält man eine Einstrahlung von 357000 TWh pro Jahr, bzw. eine maximale solare Leistung von 357 TW (bei 1000 W/m2). Zur Umrechnung dieses Wertes in elektrische Energieäquivalente muß der Wirkungsgrad photovoltaischer Systeme bekannt sein, insbesondere die theoretische Obergrenze des photovoltaischen Effektes in Halbleiterübergängen.
Frithjof Staiß
7. Kriterien für eine umfassende Beurteilung der Photovoltaik
Zusammenfassung
Wie das vorangegangene Kapitel zeigt, verfügt die Photovoltaik in Deutschland über erhebliche Potentiale. Bei der Entscheidung darüber, ob bzw. in welchem Umfang sie langfristig erschlossen werden sollten, muß geprüft werden, welchen Beitrag die Photovoltaik zur Erfüllung der Forderungen leisten kann, die heute an Energiesysteme gestellt werden. Dazu zählen nicht nur die Sicherung der Energieversorgung und die ökonomische Nutzung von Ressourcen, sondern auch die Minimierung von Umweltbelastungen und Risiken für die Bevölkerung sowie die Vermeidung gesellschaftlicher Spannungen und die langfristige Sicherung der Lebensbedingungen.
Frithjof Staiß
8. Perspektiven der Photovoltaik-Nutzung in Deutschland bis zum Jahr 2010
Zusammenfassung
Betrachtet man die Ergebnisse der vorangegangenen Kapitel, so wird deutlich, daß die Photovoltaik langfristig in erheblichem Umfang zur Stromerzeugung in Deutschland beitragen kann. Selbst unter vorsichtigen Annahmen reichen die Potentiale aus, um ein Äquivalent von etwa 50% der heutigen Stromnachfrage zu decken. Für die Zukunft ist davon auszugehen, daß sich dieser Prozentsatz eher noch erhöht, wenn z.B. als Folge einer Klimaschutzpolitik Maßnahmen zur rationellen Energieverwendung in erheblichem Umfang eingeführt werden. Um nennenswerte Anteile des Potentials ausschöpfen zu können, müssen allerdings die Voraussetzungen für effiziente und kostengünstige Energiespeicher geschaffen werden, um die zeitlichen Unterschiede zwischen Stromnachfrage und solarem Energieangebot ausgleichen zu können.
Frithjof Staiß
9. Möglichkeiten des Imports solarer Elektrizität
Zusammenfassung
In den vorangegangenen Kapiteln wurden ausschließlich die Möglichkeiten zur Stromproduktion aus Solarenergie in Deutschland betrachtet. Als Haupthemmnis wurden dabei die hohen Stromgestehungskosten photovoltaischer Anlagen aufgezeigt. Da die wichtigsten Einflußgrößen die Investitionskosten der Anlagen und die solaren Einstrahlungsbedingungen am jeweiligen Standort sind, stellt sich die Frage, ob nicht gegenüber der heimischen Stromproduktion der Import solarer Elektrizität aus einstrahlungsreichen Ländern günstiger sein kann.
Frithjof Staiß
10. Langfristige Perspektiven der solaren Stromversorgung in Deutschland
Zusammenfassung
Da man sich bei der Formulierung von Szenarien immer an der heute gegebenen Situation orientieren muß, sind die Spielräume, alternative Energiesysteme für die Zukunft zu beschreiben, um so geringer, je kürzer der Zeithorizont gesetzt wird. Daher soll im weiteren eine mögliche langfristige Option diskutiert werden, die davon ausgeht, daß eine aktive Klimaschutzpolitik umgesetzt wird und kurz- bis mittelfristig bestehende Hemmnisse weitgehend beseitigt werden.
Frithjof Staiß
11. Zusammenfassung
Zusammenfassung
Der Motor jeder wirtschaftlichen Entwicklung, die Versorgung mit Energie, steht heute zu Recht in der Kritik. Vor allem deshalb, weil wir mehr Energie verbrauchen als notwendig und weil wir durch die Verbrennung fossiler Ressourcen das globale Ökosystem in einer Weise gefährden, die zunehmend zu einer Bedrohung für die Menschheit selbst werden kann. Die Umgestaltung der weltweiten Versorgung mit Energie ist daher in den nächsten Jahren und Jahrzehnten eine der zentralen Herausforderungen für Wirtschaft, Politik und Gesellschaft. Der Schlüssel hierzu liegt in einem sehr viel effizienteren Umgang mit Energie und in der Erschließung erneuerbarer Energiequellen, insbesondere der Sonnenenergie, die die weitaus größten Potentiale aufweist und überall verfügbar ist.
Frithjof Staiß
Backmatter
Metadaten
Titel
Photovoltaik
verfasst von
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Frithjof Staiß
Copyright-Jahr
1996
Verlag
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-322-83122-4
Print ISBN
978-3-528-06639-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-322-83122-4