Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

  • Lektion 3

    • Potentiale und Grenzen der Photovoltaik

      Potentiale
      Sonnenlicht ist auf der Welt in großen Mengen vorhanden und ist prinzipiell die größte Energiequelle. Wie bereits erwähnt ist im Prinzip auch Energie die aus Wind- und Wasserkraft oder aus fossilen Energieträgern gewonnen werden kann, letztlich umgewandelte Sonnenenergie. Der Energiebetrag, der jährlich als Sonnenlicht auf der Erde auftritt ist im Verhältnis zum jährlichen Energieverbrauch auf der Welt und den Energiereserven in Form von fossilen Energieträgern und Uran um ein vielfaches größer. Das Potential ist also gewaltig.

      Natürlich trifft das Sonnenlicht nirgendwo konstant auf. Die Einstrahlung verändert sich im Laufe des Tages und mit zunehmender Entfernung vom Äquator und auch im Verlauf der Jahreszeiten. Auch die Winkel, in denen das Sonnenlicht auf die Erde trifft, unterscheiden sich zwischen den Breitengraden und haben Auswirkung auf die Strahlungsenergie, die dann vorhanden ist. Auch Phänomene wie Bewölkung oder geographische Gegebenheiten, wie z.B. der Schatten von Bergen, haben Einfluss auf die Strahlungsenergie, die an einem Ort genutzt werden kann. 

      Für ein Solarmodul ist nicht nur die direkte Strahlung die auftritt nutzbar, sondern auch reflektierte Strahlung und diffuse Strahlung. Insgesamt ist an den lichtstärksten Standorten auf der Welt bis zu 2.500 kWh pro Quadratmeter und Jahr Solarstrom möglich, in den Regionen nahe Süd- und Nordpol sind es aber deutlich unter 1.000 kWh pro Quadratmeter und Jahr. Theoretisch, würde in einer sehr lichtstarken Region, zum Beispiel der Sahara, eine Fläche von 800 x 800 km reichen, um die ganze Welt mit Strom zu versorgen. Das ist natürlich aus verschiedenen Gründen nicht praktikabel, verdeutlicht aber das Potenzial der Solarenergie.


      In der folgenden Karte sehen wir die Lichtintensitäten für Europa aufgelöst. Es ist logisch, dass in den nördlichen Regionen weniger intensives Licht zu erwarten ist. Im Süden Deutschland sind bis zu 1.200 kWh pro Quadratmeter und Jahr zu erwarten, in Mittel und Norddeutschland eher 1.100.


      (Grafik: "SolarGIS-Solar-map-Eurpoe-de.png" von SolarGIS © 2011 GeoModel Solar s.r.o. auf wikimedia commons, Lizenz: CC-BY-SA 3.0)

      Natürlich schwankt die Lichtmenge auch über das Jahr. Vergleicht man die Tageslichtmengen im Laufe des Jahres in Hamburg und München, stellvertretend für Nord- und Süddeutschland, ist zu erkennen: Über das Jahr kann in München eine halbe Kilowattstunde pro Quadratmeter und Tag mehr genutzt werden. Die Spitzenleistung ist mit ca. 5 kWh ähnlich, wird aber in München viel länger erreicht. Zwischen März und Oktober ist in beiden Regionen wenig Licht, in München aber immer noch doppelt so viel wie in Hamburg. 

      Ähnlich wie die Windkraft, hat auch die Photovoltaik das Problem, dass sie nicht kontinuierlich Energie liefert. In der Nacht wird durch Photovoltaik kein Strom bereitgestellt und im Laufe des Jahres schwanken die bereitgestellten Energiemengen gewaltig. Von daher ist auch hier die Speicherung von Energie notwendig, wenn die Potentiale der Technologie ausgeschöpft werden sollen. Wir werden die Thematik der Energiespeicherung in einem späteren Kapitel noch intensiver besprechen.

    • Installations-Standorte

      Solaranlagen können im Wesentlichen auf Dächern oder Freiflächen gebaut werden. Auch die Nutzung von Hauswänden ist möglich und an der Nutzung von Wegen und Straßen als Solarflächen wird geforscht. Die Nutzung von bereits versiegelten Flächen bietet hier die Möglichkeit auf zusätzliche Versiegelung der Landschaft zu verzichten und dem Flächenfraß vorzubeugen.


      Die potentiell verfügbaren Flächen auf Flach- und Schrägdächern in Deutschland sind in folgender Tabelle (vgl.: Mertens (2020)) angegeben. Insgesamt sind 809 TWh pro Jahr nutzbare Lichtenergie auf diesen Flächen vorhanden. Für die Schrägdächer wurden nur solche Flächen einbezogen, die eine geeignete Ausrichtung Richtung Süden haben, da hier die eingestrahlte Lichtenergie am größten ist.

      In der nächsten Tabelle (vgl.: Mertens (2020)) sind die Potentiale der verschiedenen Aufstellungsarten in Deutschland angegeben. Die Nennleistung von Solarmodulen ist in Watt-Peak (Wp) angegeben. Damit ist die maximale Leistung des Moduls unter den Standardbedingungen Sonneneinstrahlung 1.000 W/m2, 25°C Temperatur und Standard-Lichtspektrum gemeint. Ausgehend von einem Modulwirkungsgrad von 20% und einem Systemwirkungsgrad von 18%, der Verluste durch Wechselrichter etc. mit einbezieht, wird hier angegeben, wieviel Energie gewonnen werden könnte, wenn alle verfügbaren Flächen genutzt würden. Für die Freiflächen wurde modelhaft davon ausgegangen, dass 1% der Ackerflächen in Deutschland genutzt würden. In der Summe bestünde das Potential, ungefähr die Hälfte des Strombedarfs in Deutschland (hier angenommen mit 600 TWh/a) zu decken.

      Im Unterschied zu anderen Stromgewinnungsarten ist die Photovoltaik für Privatanwender ein realisierbare und finanzierbare Möglichkeit Strom zu erzeugen und in das Netz einzuspeisen. Im Jahr 2022 haben in Deutschland ca. 1,8 Millionen Haushalte, was ca. 5% aller Haushalte entspricht, Strom aus Photovoltaik verkauft (vgl. DESTATIS, Pressemitteilung Nr. 038/2024)

    • Gesellschaftliche Akzeptanz
      Im Gegensatz zur Windkraft - die zum Teil sehr kontrovers diskutiert wird - gibt es für die Photovoltaik in der Gesellschaft deutlich weniger Kontroversen. Hauptsächlich bezieht sich Kritik zur Nutzung der Photovoltaik auf Freiflächen, die sonst für die Produktion von Nahrungsmitteln genutzt werden könnten (vgl. Colell et al. (2022)). Diese Problematik fügt sich in die allgemeine Problematik des Flächenfraßes ein und wird zu einem späteren Zeitpunkt der Lehrveranstaltung noch einmal aufgegriffen.

      Abbildung: Verteilung von Konflikten bezüglich verschiedener erneuerbaren Technologien
         

      (Bild: Colell et al. (2022))

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