Wie die Photovoltaik die Energiewelt verändert

Die Kostensenkungen und der Ausbau der Produktionskapazitäten weltweit in den vergangenen Jahren eröffnen völlig neue Dimensionen für die Photovoltaik. Sie mache die Technologie „zu einem Game Changer des globalen Energiesystems“, schreiben die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE. Aus der Entwicklung ergäben sich Chancen, aber zugleich auch Herausforderungen. Wie diese auf Ebene des Energiesystems sowie für Forschung und Industrie aussehen, wird in den Eckpunkten des Global Alliance for Solar Energy Research Institutes (GA-SERI) beschrieben. Der Artikel Terawatt-scale photovoltaics: Transform global energy – Improving costs and scale reflect looming opportunities“ führender Photovoltaik-Forscher weltweit, zu denen auch die Freiburger Wissenschaftler gehören, ist im Journal „Science“ veröffentlicht worden.

Das Wachstum der Photovoltaik-Branche zu einem Multi-Terawatt-Markt verlaufe schneller als erwartet, so die Experten in ihrem Artikel. Während Ende vergangenen Jahres waren bereits 500 Gigawatt Photovoltaik-Leistung weltweit installiert. Für 2030 rechnen die Forscher global mit zehn Terawatt und für 2050 mit 30 bis 70 Terawatt. „Die Kosten für PV- Module sind in den letzten 40 Jahren um zwei Größenordnungen gesunken, Ende 2018 lagen sie unter 25 US-Dollarcent pro Watt“, erklärte Andreas Bett, Leiter des Fraunhofer ISE. Mit diesen Kosten sei Solarstrom in weiten Teilen der Welt „absolut wettbewerbsfähig“. Zugleich würden sich durch den steigenden Anteil von Photovoltaik am Strommix Änderungen im Erzeugungs- und Übertragungssystem ergeben. „Der fundamentale Wandel in unserem Energiesystem stellt uns vor die Herausforderung, ergänzende Technologien wie Speicher zu entwickeln und die Sektorenkopplung voranzutreiben, sagt Bett weiter.

In dem Eckpunktepapier identifizieren die Forscher insgesamt fünf Handlungsfelder. Das erste sind „Netze und Leistungselektronik“. Dabei stehe eine Harmonisierung von Verbrauch und Erzeugung – auch über größere Distanzen – im Fokus. Photovoltaik-Anlagen müssten zunehmend netzdienliche Leistungen wie Spannungsregulierung und Frequenzsteuerung übernehmen. Wechselrichter der neuen Generation seien dafür entwickelt worden. Aber auch neue Technologien wie virtuelle Schwingungsregler und die Kopplung mit Batteriesystemen schafften widerstandsfähige, zuverlässige Photovoltaik-Systeme, so die Forscher.

Punkt zwei sind die „Speicher“. Die Preise für Lithium-Ionen-Batterien seien in den vergangenen acht Jahren um 80 Prozent gesunken. Angesichts des Kapazitätsausbau und der Technologieentwicklung seien auch künftig weitere Reduktionen zu erwarten. Zudem arbeiteten Wissenschaftler derzeit auch an Alternativen aus kostengünstigeren Materialien mit einer höheren Energiedichte. Die Wissenschaftler sehen in Pumpspeicherkraftwerken eine weitere Option mit erheblichem technischem Potenzial.

Das dritte Handlungsfeld, das die internationalen Forscher erkannt haben, ist die Sektorenkopplung. Zur Elektrifizierung des Transportsektors und der Gebäudeheizungen müsste in Zukunft die Nutzung erneuerbarer Energien erheblich gesteigert werden. Neben Wärmepumpen und einer Steigerung von Energieeffizienz spielte dabei auch solr erzeugter Wasserstoff und Ammoniak eine wichtige Rolle. Letztere könnten helfen die Emissionen der Prozesse in der Stahl-, Eisen – und Düngemittelherstellung zu reduzieren.

Das vierte Feld ist „Power-to-X und Power-to-Gas“. Kostengünstiger Solar- und Windstrom könnte dabei zur Erzeugung von Wasserstoff, Methan und anderen Kohlenwasserstoffverbindungen genutzt werden, die dann als Ausgangsstoffe für die chemische Industrie genutzt werden könnten. Mit Power-to-X-Technologien könnten viele Terawattstunden Wind- und Photovoltaik-Leistung aufgenommen und über lange Zeiträume gespeichert werden. Zugleich sehen die Wissenschaftler in diesem Power-to-X-Sektor noch viel Potenzial für Effizienzsteigerung und Kostensenkungen.

Das fünfte Handlungsfeld befasst sich mit „Forschung und Produktion“. Mit Blick auf die Lernkurve der Photovoltaik in der Vergangenheit heißt es von den Wissenschaftlern: In den letzten 40 Jahren habe es eine Senkung der Modulkosten von 23 Prozent pro Verdoppelung der installierten Kapazitäten gegeben. Dieser Trend werde sich nach Ansicht der Forscher weiter fortsetzen. Bei der kristallinen Photovoltaik gehe der Trend derzeit zu kostengünstigen Solarzellen mit passivierten Kontakten, die höhere Wirkungsgrade ermöglichten. Auch bei der Dünnschicht hätten technologische Fortschritte in den vergangenen Jahren nun Wirkungsgrade von mehr als 20 Prozent ermöglicht. Bei Mehrfachsolarzellen auf Silizium-Basis liege das Wirkungsgradpotenzial bei mehr als 35 Prozent, schreiben die Wissenschaftler. In puncto Produktion würden die erhöhten Volumina zu neuen Forschungs- und Entwicklungsaufgaben führen. Dabei stünden Fragen zur Materialversorgung, Nachhaltigkeit und des Recyclings stärker in den Blickpunkt.

Neben dem Fraunhofer ISE gehören auch die japanischen Forscher des AIST und die US-Kollegen des NREL zum GA-SERI. Seit 2016 wird in diesem internationalen Expertenkreis regelmäßig über die Herausforderungen bei der Photovoltaik-Nutzung diskutiert. Daran beteiligen sich dann auch Wissenschaftler aus anderen Ländern, wie es heißt.