Wo liegt die Zukunft der Photovoltaik: Power aus der Mauer oder Power vom Bauer?

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Photovoltaik tritt derzeit weltweit seinen Siegeszug an. Baywa re prognostiziert Stromgestehungskosten bei aktuell neu geplanten Freiflächen-Photovoltaik-Parks von nur noch rund zweieinhalb Cent pro Kilowattstunde in wirken als Gamechanger und lassen nun auch für die Energiewirtschaft neue Szenarien mit hohem Photovoltaik-Anteil für Deutschland in greifbare Nähe rücken. Im Kloster Banz ist vergangene Woche beim „Forum Bauwerkintegrierte Photovoltaik“ diskutiert worden, wo die großen erforderlichen Flächen zur Solarstromerzeugung untergebracht werden sollten: auf dem Feld oder auf dem Bauwerk?

Wie viel Photovoltaik und wie viele Flächen brauchen wir für 100 Prozent Erneuerbare in Deutschland?

Den ersten Input brachte das Öko-Institut. Franziska Flachsbarth als Co-Autorin der 2018 erschienenen aktuellen Studie des WWF zum „Zukunft Stromsystem II“ stellte zwei Szenarien vor: moderater oder starker Photovoltaik-Ausbau – und umgekehrt weniger Photovoltaik und mehr Windkraft.

Bild 1: Öko-Institut F. Flachsbarth aus: WWF-Studie „Zukunft Stromsystem II“

Das „Szenario 2: Fokus Solar“ sieht einen Ausbau von 313 Gigawatt Photovoltaik vor und ‚nur‘ 166 Gigawatt Windkraft, wobei die traditionellen Erneuerbaren Biomasse und Wind bei heutigen Werten von zusammen rund 12 Gigawatt Leistung verbleiben. Wobei angemerkt wurde, dass je nach Berücksichtigung aller Energiebedürfnisse auch noch mehr Bedarf an Erneuerbaren entstehen kann, die Zahl also möglicherweise noch wächst.

Bild 2: Öko-Institut aus: WWF-Studie „Zukunft Stromsystem II“

Auch das Fraunhofer ISE drängt auf einen rascheren Photovoltaik-Ausbau. So ergab auch eine in Banz vorgestellte „Bierdeckelberechnung“ von Andreas Bett, dem Direktor des Freiburger Instituts, die auch an die Bundeskanzlerin geschickt wurde, dass eine Steigerung der erneuerbaren Stromerzeugung um 17 Terawattstunden pro Jahr nötig sei, um bis 2030 das Ziel von 65 Prozent Erneuerbaren im Strommix zu erreichen – optimalerweise durch die Installation von 8 Gigawatt Photovoltaik und 4 Gigawatt neuen Windkapazitäten pro Jahr.

Bild 3: Fraunhofer ISE, Andreas Bett/Bruno Burger: „Bierdeckel-Berechnung Zubau Erneuerbare für 65 Prozent Erneuerbaren Strom in 2030

Ideal sei dabei ein möglichst ausgewogenes Verhältnis von Wind und Photovoltaik damit sich diese jahreszeitlich ausgleichen: mehr Wind im Winter und mehr Sonne im Sommer. Dabei sei in Deutschland derzeit die Photovoltaik gegenüber dem Wind unterinstalliert und müsse verstärkt zugebaut werden, wie Bruno Burger vom Fraunhofer ISE anhand der Energy Charts erläutert.

Bild 4: Fraunhofer ISE, Bruno Burger, Energy Charts (https://www.energy-charts.de/)

Vom Szenarien-Gigawatt zu Quadratkilometern Modulfläche in der gebauten Umwelt

Die spannende Frage lautet nun: Wo ist der beste Platz für die Solarstromgewinnung? Welche Flächen sollten für Photovoltaik genutzt werden? Die benötigte Fläche für 313 Gigawatt Photovoltaik beträgt 2191 Quadratkilometer (km2) reine Modulfläche, ohne Abstandsflächen – wenn man 7 Quadratmeter für 1 Kilowatt ansetzt.  Das mag nicht viel klingen, wenn man bedenkt, dass Deutschland eine Fläche von 357.386 km2 hat. Vergegenwärtigt man sich allerdings, dass 2191 km2 Fläche der Grundfläche der Stadtstaaten Berlin (892 km2) und Hamburg (755 km2) sowie der Städte München (310 km2) und Hannover (204 km2) zusammen entspricht, so wird schnell klar, um welche Dimensionen es sich handelt. Freiflächenparks dieser Größenordnung auf die Felder und Fluren zwischen diesen Städten zu stellen, würde schnell in Gefahr laufen Akzeptanzprobleme ähnlich der Windkraft provozieren.

Welche Flächen sollten genutzt werden?

Agrophotovoltaik

Als einen interessanten Weg zur flächenfreundlicheren Installation von großen Photovoltaik-Freiflächenanlagen stellte Willi Ernst von der Biohaus Stiftung die sogenannte Agro-Photovoltaik vor, die eine Doppelnutzung der Äcker für Energie- und Bioernte ermöglicht: neue Technologien wie vertikal installierte ‚Wände‘ aus bifazialen Solarmodulen strukturieren den Acker dabei in passgenauer Traktoren-Breite. In heißen Ländern werden Gewächshäuser mit Photovoltaik zur Beschattung bestückt.

Weltweit sind dabei nach Aussage von Stephan Schindele vom Fraunhofer ISE Ende 2018 bereits 2,1 Gigawatt Agro-PV-Anlagen installiert, 700 Megawatt in einer einzigen Großanlage in China. Doch auch Italien und Frankreich installieren Agro-Photovoltaik bereits im Megawatt-Stil.

Bild 5: Kioto / PVP Photovoltaik GmbH, Österreich – Gewächshaus mit Photovoltaik-Überdachung

Die österreichische Firma Kioto / PVP Photovoltaik GmbH hat für Agro-PV ein eigenes Glas-Glas-Gewächshausmodul entwickelt, welches auch bifazial erhältlich ist mit Leistungen bis zu 375 Watt.

Bild 6: Astrid Schneider, Glas-Glas-Standardmodul zur Überkopfverglasung / Bauwerksintegration von Aleo Solar

Der deutsche Hersteller Aleo Solar hat im Kloster ein Standard-Glas-Glas-Modul vorgestellt, welches mit einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung nach dem neuen Bauprodukterecht vom Deutschen Institut für Bautechnik als Überkopfverglasung zertifiziert worden ist und so in großflächigen Überdachungen über Äckern, Gewächshäusern oder Parkplätzen preiswert integriert werden kann.

Durch eine Mischung von Lichtdurchlässigkeit der Module selbst und einer lockeren Anordnung können Lichtverhältnisse geschaffen werden, von denen einige Ackerfrüchte sogar profitieren.

Bild 7: Fraunhofer ISE, Stephan Schindele – „Agrophotovoltaics“ – Kategorisierung Pflanzenarten

Je nach Pflanzenart ergeben sich durch eine lockere Beschattung mit PV-Anlagen sogar erhöhte – oder zumindest keine niedrigeren Ernteerträge. Großblättrige Pflanzen wie Spinat, Salat oder Kartoffeln und einige Obstsorten profitieren vom Halbschatten. Basierend auf den heutigen Anbauflächen in Deutschland, auf denen die positiv oder neutral auf die Überdachungen reagierenden Feldfrüchte heute angebaut werden, hat das Fraunhofer ISE in einem Projekt das Potential für Agro-PV errechnet. Eine realistische Größenordnung für Agro-PV in Deutschland sieht Schindele bei rund 47-94 Gigawatt installierter Leistung.

Bild 8: Fraunhofer ISE, Stephan Schindele – „Agropgotovoltaics“ – Flächenberechnung

Die Flächeneffizienz ließe sich bei der kombinierten Agro+PV-Lösung um 60 Prozent steigern gegenüber der getrennten Flächennutzung von Acker auf der einen und Freiflächenanlagen auf der anderen Seite.

Gebäudepotenziale für Photovoltaik

Die größte Akzeptanz aller Erneuerbaren findet derzeit Photovoltaik an und auf Gebäuden. Und hier weist die WWF-Studie „Zukunft Stromsystem II“, welche vom Öko-Institut zusammen mit Prognos erstellt wurde, auch die größten Potentiale an aus: 210 Gigawatt Photovoltaik-Potenzial sind alleine auf gut geeigneten und südorientierten Dächern in Deutschland vorhanden. Bei diesem Potenzial sind BIPV-Anwendungen in der Fassade noch gar nicht berücksichtigt.

Franziska Flachsbarth bezeichnet das von Prognos errechnete Dachflächenpotenzial als konservativ, aber realistisch erschließbar. Allerdings sollte die rasche Erreichung der Ziele der Energiewende Vorrang haben und bei der Gebäudeinstallation – unabhängig ob Aufdach oder integriert – sorge die Vielzahl der involvierten Akteure für eine mögliche Verlangsamung des Ausbaus. Daher plädierte das Öko-Institut zur Risikodiversifizierung für einen ausgeglichenen Mix von Freiflächen und Gebäude-Photovoltaik sowie von Wind- und Solarstrom.

Das Mieterstrommodell als Schlüssel für Photovoltaik in Städten

An die Erschließung großer Gebäudepotenzialflächen hat sich der Energieversorger Mainova gemacht, welcher zu 75 Prozent der Stadt Frankfurt gehört. Er kooperiert dazu unter anderem mit Wohnungsbaugesellschaften. Gemeinsames Ziel: Mieter an den Vorteilen der solaren Energiewende zu beteiligen. Als Hauptproblem dafür, dass bis zum Start dieser neuen Aktivitäten noch fast gar keine Photovoltaik auf Frankfurts Dächern zu sehen war, hat Roland Neuner, der bei Mainova Vertriebsmanager für Photovoltaik Eigenstromlösungen ist, darin ausgemacht, dass Frankfurt eine Stadt der Mieter und Wohnanlagen ist – neben den Bankentürmen.

Die komplexe Eigentümerstruktur im Zusammenspiel mit der EEG-Rechtslage und bisher ungünstige Regelungen haben verhindert, dass es Wohnungseigentümern, Hausbesitzern oder Mietern bisher leicht gemacht wurde, Initiativen zur solaren Dachnutzung zu Eigenversorgung zu starten. In diese Lücke springt nun der städtische Energieversorger und nutzt ebendieses zu sein: ein EVU. Denn noch heute ist es nicht besonders einfach, als Mieter oder Vermieter den auf dem Dach erzeugten Strom an die Mietergemeinschaft direkt zu vermarkten.

Mainova fährt hier parallel. Der Frankfurter Energieversorger investiert in die gesamte PV-Anlagentechnik, baut diese schlüsselfertig und betreibt die Anlagen. Der gesamte erzeugte Solarstrom wird nach EEG vergütet, einerseits durch den EEG-Zuschlag für direkt vor Ort selbst verbrauchten Mieterstrom und andererseits durch den EEG-Tarif für die Überschusseinspeisung. Gleichzeitig bietet Mainova den Mieterstrom-Kunden im Haus einen speziellen Ökostrom-Tarif „Mainova Strom Lokal (Photovoltaik)“, der laut Mieterstrom-Gesetz nur 90 Prozent des lokal verfügbaren Grundversorgungstarifes betragen darf und dem Mieter somit einen Vorteil einräumt.

Bild 9: Mainova AG – Mieterstrommodell

Hier macht sich der Vorteil selbst EVU zu sein bezahlt gegenüber vor Ort selbst organisierten Mieterstrommodellen, denn gemäß Mieterstrommodell muss einerseits jeder Mieter die freie Wahl des Stromversorgers stets behalten – und können nur EVU Vollversorgungstarife anbieten.

Mainova ermittelt gebäudeweise die Solarstromproduktion sowie über einen Zweirichtungszähler pro Gebäudeanschluss die Photovoltaik-Netzeinspeisung sowie den Reststrombezug aus dem öffentlichen Netz. In der Differenz ergibt sich der solare Eigenstromverbrauch pro Wohngebäude. Im PV-Mieterstrom-Modell setzt Mainova ausschließlich Eigenverbrauchsanlagen mit Überschusseinspeisung.

Bild 10: Mainova AG – Mieterstrommodell Kostenvorteile

Für den direkt im Gebäude verbrauchten Solarstrom entfallen laut Mieterstromgesetz diverse Entgelte wie zum Netzentgelt, Konzessionsabgabe und andere in Höhe von derzeit rund 11,5 Cent pro kWh. Zukünftig wird dieser Direktverbrauch auch mit Smart Metern erfasst werden können.

Hessens größte Photovoltaik-Mieterstromanlage mit 1500 Kilowatt auf Wohnsiedlung

Frisch ans Netz im März 2019 gegangen ist nun die wohl größte Photovoltaik-Mieterstromanlage in Hessen mit 1500 Kilowatt auf 35 Gebäuden der Frankfurter Friedrich-Ebert Siedlung. Sie entstand in Kooperation von Mainova mit der Wohnungsbaugesellschaft ABG Frankfurt Holding, welche auch bereits das Aktiv-Stadthaus in Frankfurt realisiert hat, bei welchem Mainova ebenfalls den Mieterstrom anbietet. Mieter mit rund 2500 Kilowattstunden jährlichem Stromverbrauch können 90 Euro sparen gegenüber dem Grundversorgungstarif. Die gesamte Anlage ist mit intelligenten Stromzählern ausgerüstet. Insgesamt hat Mainova bereits 4 Megawatt PV-Mieterstromanlagen errichtet.

Wirtschaftlich ist dieses Modell für Mainova nur bei möglichst preiswerten Aufdachanlagen mit Standardmodulen und Stromgestehungskosten unter elf Cent pro Kilowattstunde. Die Nutzung der Flachdächer bestehender großer Siedlungen – zum Beispiel des weit verbreiteten städtischen Wohnungsbaus in Frankfurt – ist damit möglich, wenn auch nicht einfach.

Dazu ist der Erhalt entsprechender EEG-Regelungen unerlässlich. Basierend auf diesen Erfahrungen wurde festgestellt, dass die Grenze von 750 Kilowatt, ab welcher Photovoltaik-Anlagen in die ins Ausschreibungsverfahren der Bundesnetzagentur müssen, für Anlagen auf Gebäuden angehoben werden sollte, um Gebäudepotenziale erfolgreich, gesichert planbar und somit in großen Mengen zu erschließen, auch wenn es sich um ‚simple’ Flachdachanlagen handelt.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik als Massenmarkt erschließen

Von der massenhaften, leichten und wirtschaftlichen Erschließung der Potenziale der wirklich gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) sind wir noch immer meilenwert entfernt. Doch auch diese müssten mit Blick auf 100 Prozent Erneuerbare zügig erschlossen werden. Daher rückte erneut die Frage in den Blick, wie die Integration stärker stimuliert werden könnte, um auch diesen Markt als Massenmarkt zu starten. Maria Roos vom Bundesverband Solarwirtschaft brachte die Idee eines 1000-Solarfassadenprogramms ins Spiel.

Neuste Technologien und Konzepte für BIPV wurden ebenfalls im Kloster Banz vorgestellt. Standard-Modulhersteller wie Aleo Solar bieten nun ebenfalls Gebäudeprodukte an. Avancis hat bereits seit einiger Zeit ein voll zertifiziertes Fassadensystem mit Standard-Dünnschichtmodulen in verschiedensten Farben im Programm. Solibro rüstet nun mit einem neuen Fassadenprodukt nach und Opvius beginnt Großprojekte wie Hallenüberdachungen mit organischen Solarzellen in Membrandächern auszustatten, während Solaxess neben weißen Fassadenmodulen nun auch terracottafarbene für Dächer anzubieten beginnt.

Fazit

Die Zukunft steht vor der Tür und sie wird wegen der Klima- und Ökobilanz Photovoltaik integriert in bestehende Flächennutzungen und Konstruktionen sein: Bauwerks-appliziert (BAPV), Bauwerksintegriert (BIPV) oder Agro-PV (APV) – oder zusammenfassend: ‚Construction Incorporated Photovoltaics’ (CIPV).

(Astrid Schneider – Solar Architecture)