Die Zukunft der Photovoltaik – ein Ausblick

Sonne

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Photovoltaik leistet bereits jetzt einen entscheidenden Beitrag zur Energieversorgung in Deutschland. Doch um unsere Klimaziele zu erreichen und unabhängig von fossilen Energieträgern zu werden, ist ein noch massiverer Ausbau nötig.

Dabei stehen wir vor einer Reihe von Herausforderungen: Solarmodule haben bei der Leistung immer noch das Nachsehen. Für die erforderliche Menge an Photovoltaik müssen neue Flächen erschlossen werden; und schließlich geht es darum, Solarzellen noch umweltfreundlicher zu gestalten und das Recycling voranzutreiben. Zum Glück stehen bereits Technologien in den Startlöchern, die diese Probleme in Zukunft lösen könnten.

In diesem Beitrag wage ich einen vorsichtigen Ausblick, wie sich die Solarenergie in den nächsten Jahren und Jahrzehnten entwickeln wird.

These 1: Solarmodule werden immer günstiger

Bei der ersten These lehne ich mich nicht sehr weit aus dem Fenster – denn um sie zu untermauern, muss man sich nur die Preisentwicklung der letzten Jahre ansehen. Zum Vergleich: 2006 kostete eine Photovoltaik-Anlage noch durchschnittlich 5.000 Euro pro installiertem Kilowatt. Heute sind es nur noch 1.400 Euro/Kilowatt. Geht man weiter zurück – etwa ins Jahr 2000 – fällt der Preisverfall noch deutlicher aus.

Doch lässt sich dieser Trend fortführen? Experten meinen: Ja – zumindest bis zu einem gewissen Grad. Der Grund: Die Fertigung von Solarmodulen wird immer effizienter und günstiger. Gleichzeitig buhlen mehr und mehr Anbieter um Kunden und versuchen, sich gegenseitig zu unterbieten, sodass die Kosten bis 2030 um ein Drittel sinken könnten.

Moment mal wird der ein oder andere sagen. So ganz stimmt das mit dem Preisverfall nicht, denn 2022 sind die Kosten für Photovoltaik leicht gestiegen. Der Einwand ist berechtigt. Doch hat dieser Kostenanstieg vor allem mit der Verknappung von Rohstoffen wie Silizium sowie der allgemeinen Inflation zu tun. Solche Preisschwankungen werden wahrscheinlich auch in Zukunft auftreten. Den langfristigen Trend repräsentieren sie jedoch nicht.

Die Leistung von Photovoltaik wird weiter steigen

Zwar scheint die Sonne je nach Standort den ganzen Tag. Doch heutige Solarmodule haben ein Problem: Sie können nur einen kleinen Teil des Lichtspektrums nutzen. So geht viel Potenzial verloren. Die Herausforderung besteht also darin, die Module leistungsstärker zu machen.

Als große Hoffnungsträger gelten aktuell sogenannte Perowskit-Solarzellen. Diese bestehen aus ferroelektrischen Materialien wie Bariumnitrat, Strontium- und Calciumnitrat, die positive und negative Ladungen besitzen. Der Wirkungsgrad ist mit über 29 Prozent beachtlich – zum Vergleich: Kristalline Solarmodule erreichen lediglich 15 bis22 Prozent. Ein Manko: Aktuell sind Perowskit-Solarzellen noch anfällig für Umwelteinflüsse und besitzen eine kürzere Lebensdauer als ihre kristallinen Pendants.

Einen anderen Ansatz verfolgt das Schweizer Start-up Insolight. Hier werden Module entwickelt, die das Sonnenlicht mit speziell geformten Glaskörpern bündeln. Der Wirkungsgrad kann dadurch auf 29 Prozent erhöht werden.

Oder wie wäre es mit beweglichen Solarmodulen? Inspiriert von Sonnenblumen entwickeln Forscher der UCLA gerade Zellen, die sich an der Sonne ausrichten, um ein Maximum an Licht einzufangen. So könnten bis zu 90 Prozent der Sonnenstrahlen effektiv genutzt werden.

Ein echter Durchbruch gelang unlängst der New York University: Dort schafften es Forscher, ultraviolettes und blaues Licht in Nahinfrarotlicht umzuwandeln. Möglich macht es ein spezieller Film, mit dem ganze 82 Prozent des verfügbaren Lichts genutzt werden können. Gleichzeitig lassen sich durch den Film schädliche UV-Strahlen abblocken – heißt: Die Lebensdauer der Solarzelle erhöht sich.

Für Photovoltaik müssen neue Flächen erschlossen werden

Ein Problem von Photovoltaik-Anlagen stellt der enorme Platzbedarf dar. Außerdem ist nicht jeder Standort geeignet: Damit sich die enormen Kosten von Freiflächenanlagen lohnen, müssen die Flächen beschattungsfrei sein und eine Mindestgröße von 20.000 Quadratmetern aufweisen. Es kommt also vor allem Ackerland infrage, das dann jedoch nicht mehr landwirtschaftlich genutzt werden.

Mit dem Ausbau der Photovoltaik wird es immer herausfordernder, geeignete Flächen zu finden – doch zum Glück stehen bereits zwei Hoffnungsträger in den Startlöchern:

Eine Lösung nennt sich schwimmende Photovoltaik: Solaranlagen, die auf Gewässern errichtet werden. Die Vorteile liegen auf der Hand. Allein in Deutschland stehen tausende Seen zur Verfügung, sodass schwimmende Photovoltaik bis zu 2,74 Gigawatt Leistung für Solarstrom liefern könnte; Nutzungskonflikte mit der Landwirtschaft fallen weg, und noch dazu können die Module mit Wasser gekühlt werden, was ihren Wirkungsgrad steigert. Auch Gewässer profitieren von der Beschattung, denn so lässt sich die Algenblüte reduzieren.

Dass schwimmende Photovoltaik-Anlagen keine Zukunftsmusik sind, zeigt das Projekt Sirindhorn in Thailand. Hier wurden auf einem Stausee über 144.000 Solarmodule installiert, die die eine Gesamtleistung von 58,5 Megawatt haben. Noch größere Anlagen mit über 100 Megawatt finden sich in China, und nicht nur Binnengewässer kommen infrage: 2021 installierte Singapur die erste Photovoltaik-Anlage vor der Küste.

Eine alternative Lösung stellt die Agri-Photovoltaik dar. Der Grundgedanke: Statt Solarmodule neben landwirtschaftlich genutzten Flächen zu installieren – was den Platzbedarf in die Höhe treibt – könnten Photovoltaik und Pflanzenanbau auf einer Fläche kombiniert werden. Dies bietet sich vor allem bei Pflanzen an, die von einer Beschattung profitieren: etwa Kartoffeln, Sellerie und Zuckerrüben.

Außerdem können die Pflanzen so vor extremen Wetterbedingungen geschützt werden. Ein Beispiel dafür ist Tubesolar: Diese Röhrenmodule sind licht- und wasserdurchlässig und halten noch dazu Hagel sowie Starkregen ab – eine Win-Win-Situation für Landwirte und Stromerzeuger gleichermaßen.

Photovoltaik auf dem Dach bekommt Konkurrenz

Hausbesitzer, die Photovoltaik installieren wollen, haben derzeit nur eine sinnvolle Option: Dachanlagen. Die Größe und Beschaffenheit des Dachs ist darum ein limitierender Faktor, wenn es um die Stromerzeugung zuhause geht. Dies könnte sich in Zukunft ändern.

Eine Möglichkeit, mehr Photovoltaik zu installieren, stellt transparente Solarfolie dar. Diese wird einfach auf Fenster oder andere Glasflächen geklebt und wandelt ultraviolettes Licht in Strom um. Zugegeben: Die Leistung lässt bisher noch zu wünschen übrig und in Deutschland stießen entsprechende Konzepte bisher auf wenig Anklang. Hoffnung bringt jedoch ein Projekt aus Korea: Dort ist es Forschern des Ulsan National Institute of Science & Technology (UNIST) bereits gelungen, den Wirkungsgrad ihrer transparenten Module auf 12,2 Prozent zu steigern. Gleichzeitig lassen die Module Licht durch, ohne dieses abzuschwächen oder zu verfärben.

Neben Fenstern könnte in Zukunft auch die Fassade des Hauses zur Stromerzeugung genutzt werden. Möglich macht es eine spezielle Farbe, die aktuell von der University of Notre Dame entwickelt wird. Die Farbe enthält winzige Partikel mit den Eigenschaften von Halbleitern und kann ohne Aufwand auf jede leitende Oberfläche gepinselt werden. Die Wirkungsgrad dieser Produkte liegen allerdings noch deutlich unter dem von klassischen Solarmodulen. Dafür ist die Farbe günstig in der Produktion. Sollten die Forscher es schaffen, die Ausbeute an Energie zu erhöhen, könnten in Zukunft riesige Wandflächen zur Stromerzeugung genutzt werden.

Und wie sieht es mit Solarzellen auf Autodächern aus? Lange Zeit wurde diese Idee belächelt – kein Wunder, denn die Fläche genügte kaum für eine ernsthafte Stromerzeugung. Nun jedoch wird es ernst. Bereits 2019 entwickelte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ein Panoramadach mit Photovoltaik, das genug Strom für 10 Kilometer Fahrstrecke liefert. Auch der neue Toyota Prius PHEV ist mit Solardach verfügbar, sodass Besitzer pro Jahr bis zu 1.249 Kilometer weiter kommen. Ähnliche Werte erzielt der Hyundai Sonata.

Bis sich das komplett autarke Elektroauto durchsetzen wird, dürfte es allerdings noch etwas dauern. Projekte wie der Münchener Kleinwagen Sion oder der Lightyear 0 sollten Autofahrern wesentlich mehr Reichweite liefern, wurden jedoch 2023 eingestellt. Es bleibt abzuwarten, wann große Autokonzerne diese Idee aufgreifen.

Solarmodule werden umweltfreundlicher

Schon heute spart Photovoltaik im Vergleich zu fossilen Energieträgern eine Menge CO2 und Ressourcen ein. Doch natürlich sind Solarmodule noch nicht komplett umweltfreundlich. Der Grund: Vor allem chinesische Module werden größtenteils mithilfe von Kohle und Gas hergestellt. Außerdem ist für die Gewinnung von Silizium – einem wichtigen Bestandteil von Solarzellen – viel Energie nötig, was sich in den Emissionen zeigt. Pro Kilogramm Silizium werden etwa 5 Kilogramm CO2 ausgestoßen. Noch schädlicher für das Klima ist Stickstoff-Fluorid (NF3). Dieses Treibhausgas entsteht bei der Produktion von Dünnschichtmodulen.

Um Solarmodule in Zukunft umweltfreundlicher zu machen, stehen mehrere Lösungen bereit:

Da wären etwa organische Solarzellen. Diese kommen ohne Silizium und klimaschädliches NF3 aus. Zwar ist der Wirkungsgrad organischer Zellen mit 7 Prozent noch nicht konkurrenzfähig. Dafür jedoch lassen sie sich günstig produzieren und flexibel einsetzen – etwa an Hauswänden oder Fenstern.

Eine weitere Lösung stammt von den Philippinen: Dort ist es einem Studenten gelungen, Solarzellen aus Bio-Abfällen herzustellen. Möglich machen es fluoreszierende Bestandteile, die UV-Licht absorbieren und so Strom erzeugen – und das sogar an bewölkten Tagen. Die Energieausbeute ist beachtlich: So kann die „AuREUS“ genannte Technologie zu 48 Prozent der Zeit Strom liefern, während es herkömmliche Module nur auf maximal 25 Prozent bringen.

Wo wir schon beim Thema „Abfall“ sind: Ab 2030 werden in Deutschland viele Solarmodule ausgemustert, und dies führt zur Frage: Wie lassen sich diese Module möglichst effizient wiederverwenden? Zwei Möglichkeiten erscheinen dabei besonders vielversprechend:

So arbeitet das Fraunhofer-ISE aktuell daran, neben Glas, Kupfer und Aluminium auch die Silizium-Zellen selbst zu recyceln. Erste Ergebnisse sind vielversprechend, denn die Solarzellen aus wiedergewonnenem Silizium kommen mit einem Wirkungsgrad von 22 Prozent schon fast an brandneue Zellen heran.

Einen etwas anderen Ansatz verfolgt das französische Startup ROSI Solar: Hier werden Silizium-Späne, die bei der Produktion anfallen und bisher entsorgt werden, von der Schneideflüssigkeit getrennt. Zurück bleibt hochreines Silikon, das anschließend weiterverwendet werden kann.

Die Zukunft der Photovoltaik – mein Fazit

Einige der hier vorgestellten Technologien mögen aktuell noch wie Science-Fiction wirken. Doch dies ist nichts Neues. Wer hätte 2006 schon gedacht, dass der Preis für Photovoltaik-Anlagen in den nächsten 17 Jahren um 70 Prozent sinken würde – oder dass Photovoltaik einmal 11 Prozent des deutschen Strommixes ausmachen könnte?

Angesichts des rasanten technischen Fortschritts halte ich folgende Entwicklungen für realistisch:

  • Zukünftige Solarzellen werden das gesamte Spektrum des Sonnenlichts nutzen – bei nahezu jedem Wetter und mit einem Wirkungsgrad, der 30 Prozent weit übersteigt.
  • Photovoltaik wird nicht nur auf Hausdächern oder in großen Anlagen, sondern dank hauchdünner, flexibler Module auf nahezu jeder Fläche eingesetzt werden.
  • Für die Herstellung von Solarzellen wird nur noch ein Bruchteil der heutigen Energie nötig sein, während innovative Recycling-Methoden die Module komplett wiederverwendbar
  • All diese Entwicklungen senken die Kosten in Zukunft so weit, dass Photovoltaik nicht nur zum effizientesten, sondern auch zum günstigsten Energieträger

— Der Autor Max Karänke ist seit über zehn Jahren auf dem Immobilienmarkt, unter anderem als Sachverständiger für Immobilienbewertung, tätig. Auf seiner Website karaenke.com informiert er über alle Themen rund um die Immobilie. —-

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