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Steht ein Durchbruch der Photovoltaik bevor?

03.06.2013 von

Die Kosten der Photovoltaik (PV) sinken seit Jahren mit über 20 Prozent pro Verdoppelung des Herstellungsvolumens («klassische Lernkurve»). Die Brisanz dieses Trends wird häufig unterschätzt, solange die Kosten noch hoch sind. Sobald allerdings der Marktpreis erreicht wird und Aussichten auf weitere Kostensenkungen bestehen, kann sich die Entwicklung beschleunigen und weitreichende technische und gesellschaftliche Umbrüche auslösen.

Eine solche Beschleunigung in der Entwicklung kennen wir von den Schaltkreisen. Deren Kosten bezogen auf die Rechenleistung haben sich regelmässig in jeweils 18 Monaten halbiert («Mooresches Gesetz»). PV-Strom könnte bei Fortsetzung des eingangs genannten Trends in wenigen Jahren günstiger werden als der heute günstigste Kohlestrom und damit eine kritische Hürde nehmen.

Das «Lernen» geht weiter

Neben den generellen Lern- und Skaleneffekten sind es vor allem Prozessverbesserungen, die für eine Fortsetzung des Trends zu sinkenden PV-Kosten sprechen1. Dünnere Schichten, bessere Materialausnutzung, effizientere Prozesse sind die Stossrichtungen, alles Front-Technologien aktueller Forschung. Einige Beispiele: «Meyer Burger» senkt mit einer neuen Kontakttechnik («Smart Wire») die Kosten. Das «Xerox Labor» entwickelte eine neue Drucktechnik für ultra-dünne Kontakte. «1366 technologies» stellen Wafer direkt aus geschmolzenem Silizium und ohne eine Reihe aufwendiger Zwischenschritte her; sie wollen damit «Solarstrom billiger als Kohlestrom» erreichen, siehe Grafik. Dazu auch ein Video einer Senatsanhörung.

Seit 1978 sinken die PV-Stromkosten exponentiell; gegenwärtig ist der Verbraucherpreis («grid parity») erreicht. «1366 technologies» wollen mit den PV-Modulen ihrer im Februar in Bedford (Massachusetts) eröffneten Fabrik in sechs Jahren den Grosshandelspreis für Kohlestrom unterbieten.

Viele Vorteile, aber auch eine Achillesferse

Schon in wenigen Jahren könnte PV also die kostengünstigste Stromproduktion werden und das mit einer überall verfügbaren Energiequelle.

Die Achillesferse der PV ist jedoch die mit der Sonneneinstrahlung schwankende Produktion. Solche offensichtlichen Handicaps («reverse salients») sind nicht ungewöhnlich für neue Basistechnologien («The Nature of Technology» von W. Brian Arthur). Der enorme Anreiz, diese zu überwinden, löst jedoch intensive Erfinder- und Entwicklungs-Aktivitäten aus, die schliesslich der neuen Technologie-Domäne den Weg bereiten.

Schneller in eine neue Energiezukunft

Um das Problem mit der schwankenden Produktion in den Griff zu kriegen, wird an einer Vielzahl technischer Lösungen gearbeitet, die inzwischen ebenfalls steile Lernkurven durchlaufen: Batterien, Netzspeicher, Kombination mit anderen erneuerbaren Energien, Steuerung des Verbrauchs, Hochspannungsgleichstromnetze.

Je nach Standort können diese Lösungen kombiniert und über weite Bereiche skaliert werden, von kleinsten Batterien für eine nächtliche LED-Beleuchtung bis zu Flow-Batterien für ganze Metropolen, für die bis 2020 ein breiter Einsatz prognostiziert wird.

«Die Innovation in der Energietechnik erfolgt schneller als erwartet», schreibt McKinsey in einer Studie über zehn Durchbruchstechnologien – darunter die hier diskutierten – und warnt vor einer Unterschätzung der Geschwindigkeit.

 

1siehe zum Beispiel: JRC Scientific and Technical Reports 2011, Strategic Energy Technology Plan: Scientific Assessment in support oft he Materials Roadmap enabling Low Carbon Energy Technologies – Photovoltaic Technology

Zum Autor

Gastautor Prof. Klaus Ragaller war bis zu seiner Pensionierung Direktor bei ABB. Seither setzt er sich im Rahmen der Schweizerischen Akademie der Technischen Wissenschaften SATW für den Wissenstransfer ein.





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Die oben wiedergegebene Graphik, die einen Kostenvorsprung der Photovoltaik gegenüber allen anderen Stormerzeugungstechnologien noch vor 2020 aufzeigt, stammt von der Photovoltaik-Firma «1366 technologies» und ist deshalb mit Vorsicht aufzunehmen. Doch die Tendenz, die die Kurve aufzeigt, stimmt und es gibt bereits jetzt ein verheissungsvolles Phänomen

The Future is Unsubsidised Solar PV and is already here

In Spanien wurden seit Sommer 2012 mehrere PV-Anlagen trotz gestrichener Einspeisevergütung gebaut oder geplant, z.B. von Conergy oder Solaria.
Allgemein zeichnet sich ein Solarboom mit unsubventionierten Solarpaneln in den sonnenverwöhnten Zonen ab, also in Südeuropa, Lateinamerika und allgemein im „sunbelt“, den Breitengraden kleiner als 35°.

Prognosen:
– Schon 2020 wird mehr nichtsubventionerter als subventionierter Solarstrom erzeugt und zwar in sonnenbegünstigen Zonen
– Schon 2020 werden selbst in Deutschland PV-Dachsysteme ohne Subventionen erstellt
– Schon vor 2020 wird mehr Strom in Megawatt-PV-Anlagen erzeugt als auf den Hausdächern
– Überschüssiger PV-Strom von Grossanlagen wird zuerst nicht gespeichert, sondern verworfen werden, weil billiger
– Überschüssiger PV-Strom aus sonnenbegünstigten Gegenden wird später einmal per Hochspannungsleitung über weite Strecken exportiert werden
Kalifornien wird 2020 bis 30% seines Stroms per PV erzeugen

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@Kommentar von Klaus Ragaller. 07.06.2013, 8:09

Sehr geehrter Herr Professor Ragaller,

Batterien als alleinige Stromspeicher in einem von erneuerbaren Energien dominierten System sind nicht realistisch, denn die benötigten Mengen an Batterien übersteigen jede Vorstellungskraft. Das gilt sogar für spezialisierte Grid-Scale-Batterien wie Flowbatterien.
Deshalb gilt ihre Aussage: „Im Gegensatz zu der verbreiteten Meinung, dass Batteriespeicher im Netz zu teuer und nur für Nischen geeignet seien, gibt es eine zunehmende Zahl von Projekten, die unter den heutigen Randbedingungen bereits profitabel sind. „ nur für den Einsatz von Batterien als Komponente eines Speichersystems, für den vermögenden Privathaushalt mit einer Kombination von PV auf dem Dach und Batterien im Keller/Auto oder in Kombination mit Backupspeicher.
Batterien eignen sich jedoch hervorragend um Produktionsschwankungen im Bereich von Minuten bis Stunden auszugleichen, was zum Beispiel Vehicle-To-Grid-System ausnutzen. Auch die Studie Energiezukunft Schweiz sieht sie in dieser Rolle (Zitat):„Wenn aber Batterien für die Speicherung lokal erzeugter Elektrizität eingesetzt werden, tragen sie zur Vermeidung von zusätzlichen Kosten für den Netzausbau bei und werden dadurch schneller wettbewerbsfähig.“

Im von Ihnen verlinkten Renewables Global Futures Report liest man zu Batterien als Speicher:
„However, an increasing number of commercial battery storage
projects today are dispelling that perception [batteries only suited for demonstration projects], particularly in “niche” applications that are profitable under current conditions.“
Erwähnt wird aber auch der dezentrale Einsatz von Batterien (Haus mit PV+Batterien) und man liest, dass Pumpspeicher viel billiger als Batterien sind.

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Erneuerbare Energien können nur ein Erfolg werden, wenn sie die Stromkosten nicht unbegrenzt steigen lassen. Denn eine Verdoppelung oder gar Verdreifachung der Strompreise ist für exportorientierte Länder potenziell gefährlich und auch für die inländische Industrie nicht vernachlässigbar (in der Schweiz würde eine Verdoppelung der Strompreise jährliche Mehrkosten von 12 Milliarden CHF bedeuten). Deutschland hat bereits 3 Mal höhere Endverbraucher-Strompreise als die USA und allein die EEG-Umlage (EE-Kostenanteil am Strom) beträgt im Jahr 2012 5,3 Cent pro Kilowattstunde und wird voraussichtlich auf über 6 Cent pro Kilowattstunde im Jahr 2014 ansteigen. 6 Eurocent entspricht dem US-Strompreis – wird aber in D allein für die EEG-Umlage gezahlt. Zum Glück für Deutschland zahlen das die Privaten, die Industrie – die 70% des deutschen Strom verbraucht – ist weitgehend ausgenommen.
Die grösste Gefahr dafür, dass erneuerbaren Energien sich nicht über nationale Grenzen hinaus durchsetzen sind viele Verfechter von EE selbst, denn sie tendieren zu extrem teuren, schlicht nicht finanzierbaren Lösungen wie einer vollkommenen Energieautarkie. Das Hauptproblem der Erneuerbaren Energien, ihre Produktionsschwankungen, kann kostengünstig – mit einem Supergrid – oder sehr teuer – mit Batterien – gelöst werden. Mit einem globalen Supergrid bräuchte es überhaupt keine Speicher mehr. Damit wäre es zudem längerfristig möglich jeden Erdenbewohner ans Netz anzuschliessen und die Stromlosigkeit von 1.4 Milliarden Menschen zu beenden.

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@Kommentar von Hansulrich Hörler. 06.06.2013, 16:55

Sehr geehrter Herr Hörler,

Sie haben sicherlich recht, wenn sie die Gesamtkosten eines PV-dominierten Stromversorgungssystems als wesentlich höher einschätzen als es die Kosten für die Fotovoltaik-Panel allein sind.
Doch sie überschätzen die Übertragungskosten über lange Strecken deutlich. Ein Grossteil der Kosten eines Netzsystems, das beispielsweise in der Schweiz aus 7 Ebenen besteht, fällt im regionalen und lokalen Verteilnetz an.
Auch ihre Einschätzung, dass nur 10% Fotovoltaikstrom vernünftig ins europäische Netz integriert werden können, stimmen nicht mehr, wenn es ein europäisches Supergrid gibt, denn damit lassen sich Produktionsschwankungen gut ausgleichen, vor allem wenn Wind- und PV-Strom in etwa gleiche Anteile an der erneurbaren Stromproduktion haben.
Die Kosten eines europäischen Supergrids, welches alle Staaten der EU-27 durchzieht, werden auf einige 100 Milliarden Euro geschätzt. Bei 500 Millionen Einwohner sind das höchstens 1000 Euro pro Kopf für ein Netz, dass Jahrzehnte lang genutzt werden kann. Auch im Vergleich zu den Gesamtinvestitionen in den europäischen Kraftwerkpark sind die Kosten für ein Supergrid gering, denn allein bis zum Jahr 2020 sind in der EU-27 Investitionen von bis zu einer Billion Euro in das Energiesystem geplant. Zitat „According to ENEL president Fulvio Conti, up to €1trn is required in the run up to 2020 for expansion of renewables capacity, for construction of new plants to back up that renewable generation, and for further development and deployment of innovative technologies such as smart grids and electricity storage. „
Wichtigster Vorteil eines Supergrids: Der Speicherbedarf sinkt dramatisch und Speicher sind teuer.

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@ Martin Holzherr, Hansulrich Hörler
Die Kostensenkung mit zunehmendem Volumen ist sowohl bei Batterien als auch bei der Leistungselektronik und vor allem auch bei den Installationsaufwendungen voll im Gang mit grossem weiteren Potential in all diesen Bereichen.
Ein Beispiel: Im Gegensatz zu der verbreiteten Meinung, dass Batteriespeicher im Netz zu teuer und nur für Nischen geeignet seien, gibt es eine zunehmende Zahl von Projekten, die unter den heutigen Randbedingungen bereits profitabel sind. Eine ausführliche Standortbestimmung findet sich im Bericht „Renewables Global Futures Report“ http://www.ren21.net/REN21Activities/GlobalFuturesReport.aspx
Die Zweifel an weiteren Kostensenkungen haben übrigens auch das Moore’sche Gesetz über die Jahrzehnte hinweg begleitet. Praktisch von Anfang an wurde bezweifelt, dass es so weitergehen könnte. Und scheinbar gute Gründe wurden dafür aufgezählt. Das sollte uns skeptisch machen, bei den scheinbar plausiblen Argumenten zu Grenzen der technischen Entwicklungspotentiale. Vor allem in Bereichen mit so enormer wirtschaftlicher Bedeutung und grossem Kundennutzen wie der Energieversorgung.

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Auch wenn die Pannels in Zukunft gratis wären: Fotovoltaikstrom mit mehr als etwa 10 % Anteil im europäischen Netz wird nicht billig. Die Halterung, die Netzgeräte, die zusätzlichen Hochspannungsleitungen, die laufenden Kapitalkosten der bei grossflächigem Sonnenschein zurückzufahrenden thermischen Kraftwerke, Backupkraftwerke oder die Speicherungskosten und Verluste in Pumpspeicherwerken oder gar Batterien müssen ehrlicherweise der Fotovoltaik angelastet werden. Vom Sommer in den Winter kann europaweit auf keine Weise wirtschaftlich gespeichert werden. Für Batterien und Leistungselektronik gilt wahrscheinlich das Mooresche Gesetz nicht, es könnte sein, das diese Komponenten sogar langfristig teurer werden wegen zunehmender Knappheit gewisser seltener Metalle.
Bei Solarstrom mit Spiegelrinnen und Dampfkreislauf (wie beim Desertec- Projekt in der Sahara) ist die Tagesspeicherung thermisch möglich und billig, dafür ist dort die Uebertragung nach Europa teuer.

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Sehr geehrter Herr Professor Ragaller,

Einspeisevergütungen helfen dabei eine Technologie fertigungstechnisch zu optimieren und damit zu verbilligen. Die Entwicklung neuer Technologien fördert sie dagegen kaum. Die Photovoltaikfirmen in Deutschland, die nun alle verschwunden sind, haben z.B. sehr wenig in die Forschung investiert.

Sehr hohe Einspeisevergütungen sind eine Gefahr für die geförderte Technologie, weil ein Politikwechsel allein schon aus Kostengründen droht. Ein Beispiele dafür ist Spanien, wo hohe Subventionen eine Blase entstehen liessen, was zu Kürzungen sogar bereits bestehende Anlagen führte und zu einem eigentlichen Bruch mit der Technologie führte, was auch Vertrauen zerstört. Zitat: „In Spanien hat die Regierung im Zuge der Haushaltskürzungen Anfang Februar 2012 die Förderungen für alle Erneuerbaren Energien und somit auch für die Photovoltaik vorläufig ganz ausgesetzt.“

Da heute ein nationale Grenzen übersteigender Ausgleich von Produktionsschwankungen die beste Art ist, Solar- und Windstrom einzubinden und es zudem grosse nationale und regionale Unterschiede im Solar- und Windpotenzial gibt, wäre es für die Erneuerbaren Energien am besten, wenn die nationalen Einspeisetarife durch europäische ersetzt würden, wobei für das ganze EU-Gebiet einheitliche Einspeisetarife je für Wind- und Sonnenstrom gelten würden. Mit einem Einspeisetarif für Solarstrom von 10 und von Windstrom von 8 Eurocent europaweit ab 2014 würden Solarpanel und Windräder dort hingepflanzt wo es sich lohnt und Europa würde bei gleichem EE-Ausbau wie bisher dutzende von Milliarden pro Jahr einsparen womit auch die Unterstützung für diese Technologie steigen würde. Das ist wichtig, denn es geht um ein Langfristziel und nicht um Boom & Bust wie er in den EU-Peripherieländern die Regel ist.

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Herr Holzherr,
Einspeisetarife sind laufend am Sinken und werden irgendwann überflüssig sein. Bei der enormen Bedeutung der Solarindustrie (sie könnte schon bald einer der grössten Industriezweige werden) werden sie dann vermutlich durch Standort- oder Technologie-Förderung ersetzt – dergleichen kann man jetzt schon im Dreieck USA/ China/ EU beobachten. Der grosse Vorteil der Einspeisevergütung ist jedoch, dass sie den Wettbewerb zwischen den Lieferanten verstärkt. Sie hat so wesentlich zu den bisherigen schnellen Kostensenkungen beigetragen.

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Sehr geehrter Herr Professor Ragaller,
Zwischen 2005 und 2010 hat sich die installierte Photovoltaik-Kapazität verzehnfacht und 2012 erzeugten Solarpanel 110 Terawattstunden Strom und damit 0.5% des weltweit erzeugten Stroms. Verlängert man diesen Trend wird 2020 14 Mal soviel Solarstrom erzeugt wie heute, also 7% des weltweit erzeugten Stroms. Andererseits schätzt die EU-Kommission, dass China seine PV-Module 80% unter dem Einstandspreis verkauft und der Artikel Cost of electricity by source schätzt die Vollkosten für PV-Strom (LCOE) in den USA im Jahr 2017 auf 2.5 Mal so hoch wie die für US-Erdgas-Strom. Berücksichtigt man noch die Backup- und Integrationskosten von PV-Strom ist im Jahr 2013 PV-Strom in den USA 15 Mal so teuer wie Strom aus Erdgaskraftwerken.
Dennoch: PV wird sich sicher massiv ausbreiten, wenn auch eine gleiche prozentuale Verbilligung wie bis anhin nicht vorausgesetzt werden kann. Eventuell braucht es völlig neue Technologien um die PV-Strom-Kosten wirklich unter diejenigen von Kohlestrom zu senken. Dennoch demonstriert die Photovoltaik, dass

Technologie schafft Opportunitäten, die Politik bestimmt ihre Ausbreitung und Akzeptanz

Mit gutem Willen und Sparen allein schafft man keine totale Umstellung eines Energiesystems, vor allem nicht weltweit, wo das als Neo-Kolonialimus aufgefasst wird. Neue Technologien dagegen können sich weltweit von allein durchsetzen, wenn ihre Vorteile offensichtlich sind, und so verändern sie unser Leben ständig. Aber auch umgekehrt kann die politisch und gesellschaftlich beeinflusste Intensität von Forschung und Entwicklung Technologien entscheidend voran bringen. Schliesslich muss die Technologie jedoch auch von der Gesellschaft an – und aufgenommen werden.
Fossile Energien sind nicht das Schicksal der Menschheit. Heute bestimmt menschliche Ingenuität und Erfindungskraft das menschliche Schicksal.

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Sehr geehrter Herr Professor Ragaller,

Das Moore’sches Gesetz gilt in Bezug auf die Photovoltaik wohl vor allem für die Module, weniger für die Inverter und kaum für die Installations- und Wartungskosten – mindestens nicht für Solarpanels auf dem Hausdach.
Der von Ihnen verlinkte STRATEGIC ENERGY TECHNOLOGY PLAN ist etwas weniger optimistisch in seinen Zukunftsprognosen als ihre Graphik schliessen lässt: Grid Parity für den Klein- und Privatverbrauch wird dort bis 2020 erwartet, Grid Parity im Vergleich zu allen andern Stromerzeugern bis 2030.

Wenn die Fortschritte in der Photovoltaik aber wirklich so gross sind, wie von Ihnen und vom verlinkten Bericht prognostiziert, dann ist die heutige Förderung über Einspeisetarife falsch, denn das Einspeisen von überschüssigem Strom schafft viele sekundäre Netzprobleme. Viel besser wäre dann die Förderung einer Kombination von PV plus Batterien – mindestens für Privathaushalte. Auch der von Ihnen verlinkte Bericht sieht schon bald das Ende von Einspeisetarifen (Zitat):„In view of its innate attributes, PV has an assured future in contributing to society’s long term energy and environmental sustainability needs; however at present it is still largely relying on external incentives such as Feed in Tariffs to be economically viable. It is of the utmost priority to the industry and society that PV becomes an attractive rational investment opportunity in as short a time frame as possible without the need for such incentives.“

Aber nicht nur national, sondern auch europaweit müsste auf Fortschritte und die Verbilligung in der PV-Technologie reagiert werden. Spanien, Italien und Griechenland könnte in einem solchen Szenario schon bald konkurrenzlos billigen Strom anbieten und die übrigen europäischen Länder sollten den dort erzeugten Strom importieren, was aber Leitungen benötigt.

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