Organische Photovoltaik

Organische Photovoltaik
Solarmodul-Fassade
Photovoltaikanlage in Berlin-Adlershof

Unter Photovoltaik oder Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie. Seit 1958 ist sie zur Energieversorgung der meisten Raumflugkörper mit Solarzellen im Einsatz. Inzwischen wird sie auch auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an Schallschutzwänden oder auf Freiflächen. Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos – das griechische Wort für Licht – und Volta – nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrotechnik – zusammen. Die Photovoltaik gilt als Teilbereich der umfassenderen Solartechnik, die auch andere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschließt.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte der Photovoltaik

Hauptartikel: Geschichte der Photovoltaik

Der photoelektrische Effekt wurde bereits im Jahre 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. 1905 gelang es Albert Einstein, den Photoeffekt richtig zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekam. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Photovoltaikzellen.

Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und insbesondere die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem 100.000-Dächer-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet.

Das 100.000-Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben. Im Jahr 2005 erreichte die gesamte Nennleistung der in Deutschland installierten Photovoltaik-Anlagen 1 Gigawatt.

Technische Beschreibung

Parkscheinautomat als photovoltaisches Inselsystem

Die als Licht und Wärme auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie beträgt jährlich 1,5 · 1018 kWh; dies entspricht in etwa dem 15.000-fachen des gesamten Primärenergieverbrauchs der Menschheit im Jahre 2006 (1,0 · 1014 kWh/Jahr). Der Lichtenergieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 1018 kWh. Diese Strahlungsenergie kann prinzipiell aufgefangen und teilweise in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt.

Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Photovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Ein bekanntes Beispiel für akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind Parkscheinautomaten.

Die photovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Photovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die photovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Ohne die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im großen Maßstab werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Das Stromeinspeisungsgesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz haben zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1000 MW installierter elektrischer Nennleistung von Photovoltaikanlagen überschritten; das entspricht einer Verhundertfachung in den letzten zehn Jahren.

Organische Photovoltaik

Farbstoffsolarmodule in verschiedenen Designs

Photovoltaik auf Basis von Solarzellen aus organischen Kunststoffen wird als Organische Photovoltaik bezeichnet. Der Wirkungsgrad und die Haltbarkeit der augenblicklich verfügbaren Materialien liegen noch deutlich hinter denen vergleichbarer Zellen auf Siliziumbasis. Jedoch lassen sich aus organischen Materialien bei angestrebt deutlich geringeren Produktionskosten Solarzellen herstellen, die transparent, biegsam und dünn wie Kunststoff-Folien sind und daher wesentlich vielfältiger und breiter einsetzbar wären. So könnten beispielsweise Fenster vollständig mit organischen Solarzellen beschichtet werden. Aus diesem Grund hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Juni 2007 gemeinsam mit Industriepartnern eine Förderinitiative begonnen, um diese Technologie gezielt voranzutreiben und zu dem bestehenden technologischen Vorsprung amerikanischer Startup-Firmen aufzuschließen.[1][2]

Als Technologien kommen momentan hauptsächlich entweder die Grätzel-Zelle oder kunststoffbasierte Zellen zum Einsatz. Während bei der Grätzel-Zelle ein Gemisch aus Farbstoffmolekülen zur Lichtsammlung und Titandioxid-Nanopartikeln als Halbleiter zur Stromerzeugung verwendet wird, erfolgt die Lichtsammlung bei kunststoffbasierten Zellen etwa mit Fullerenen in Zusammenwirken mit elektrisch leitfähigen Polymeren.

Leistung

Nennleistung

installierte PV-Nennleistung in der EU (MWp)
No Staaten 2007[3] 2006[3] 2005[4]
1 Deutschland 3 846 2 743 1 910
2 Spanien 515,8 175,0 57,6
3 Italien 100,2 50,0 46,3
4 Niederlande 55,0 52,7 50,8
5 Frankreich 46,7 33,9 26,3
6 Österreich 28,6 25,6 24,0
7 Luxemburg 23,8 23,7 23,6
8 Portugal 17,9 3,4 3,0
9 UK 17,7 14,2 10,9
10 Griechenland 9,2 6,7 5,4
11 Belgien 6,2 4,2 2,1
12 Schweden 6,2 4,9 4,2
13 Finnland 5,0 4,5 4,0
14 Tschechien 4,0 0,8 0,5
15 Dänemark 3,1 2,9 2,7
16 Zypern 1,7 1,0 0,5
17 Polen 0,6 0,4 0,3
18 Slowenien 0,6 0,4 0,2
19 Irland 0,4 0,4 0,3
20 Ungarn 0,3 0,3 0,2
21 Rumänien 0,3 0,2
22 Bulgarien 0,1 0,1
23 Malta 0,1 0,1
24 Slowakei < 0,1 < 0,1 < 0,1
25 Litauen < 0,1 < 0,1 < 0,1
26 Estland < 0,1 < 0,1 < 0,1
27 Lettland < 0,1 < 0,1 < 0,1
EU27 GWp 4,69 3,15 2,17

Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird häufig in Wp (Wattpeak) beziehungsweise kWp angegeben. „peak“ (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die nicht der Leistung bei höchster Sonneneinstrahlung entspricht. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einer Luftmasse von 1,5 gemessen. Dies sind die Standard-Testbedingungen (meist abgekürzt STC, engl. Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad.

Die zu erwartende mittlere Produktion an elektrischer Energie einer jeweils neu errichteten netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage in Deutschland steigt seit Jahren mit Verbesserung der Technik kontinuierlich an und liegt derzeit bei sinnvoller Auslegung der Anlage bei Werten zwischen 700 und 1000 kWh pro kWp und Jahr,[5] bei den durchschnittlich älteren Anlagen im Bestand liegen die Werte zwischen 550 und 820 kWh pro kWp und Jahr (siehe folgendes Bild[6]). Für eine Nennleistung von 1 kW werden Solarzellen mit einer Fläche von etwa 8–10 m² benötigt. Daraus ergibt sich für eine neue Anlage ein tatsächlicher Energieertrag von etwa 70–125 kWh pro Quadratmeter und Jahr (entspricht einer mittleren Leistungsabgabe von 8 bis 14,3 W).

Tatsächlich erzeugte elektrische Energiemenge

Entwicklung der Stromerzeugung bei Photovoltaik[7]
Jahr 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Erzeugung (GWh) 64 116 188 313 557 1282 2220 3500
installierten Leistung (MWpeak) 100 178 258 408 1018 1881 2711 3811
Mittlere Einschaltdauer (h) 640 652 729 767 547 682 819 919

Im Jahr 2007 errechnet sich für Deutschland aus der installierten Leistung von 3,81 GWp und der erzeugten Energie von 3500 GWh eine mittlere Einschaltdauer von 919 h. Gemessen an den 8760 Stunden pro Jahr ergibt sich eine mittlere Nutzung von 10,5 %. Das übertrifft den Jahresdurchschnitt 2006 von 819 Stunden (8,2 %). Der Anteil an der deutschen Stromerzeugung liegt dabei bei 0,5 % (siehe Stromerzeugung).

Ein Forschungsprojekt der EU beschäftigt sich mit der tatsächlichen Leistung von Photovoltaik je nach Region. Hierzu gibt es eine Internetseite, auf der man sich, unter Angabe des Watt peak, die tatsächliche Leistung von Photovoltaik für alle größeren Städte in Europa und Afrika schätzen lassen kann.[8]

Wirkungsgrad

Die mit Solarzellen in der Photovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar) oder über 40 Prozent[9][10] (invertierte „triple-junction“-Solarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid und Gallium-Indium-Arsenid). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 6 Prozent (Dünnschichtmodule auf Siliziumbasis) und 18,5 Prozent (monokristalline Module).

Der Systemwirkungsgrad im Jahresverlauf ergibt sich dann aus der Multiplikation mit der Performance Ratio (PR). In diese fließen die Verluste des Wechselrichters ebenso mit ein wie Abschattungen und Verluste durch hohe Temperaturen. Die PR liegt im Bereich von 0,7 bis 0,85.

Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Photovoltaik aufgrund des bisher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv. So erzeugt eine Windkraftanlage mit 5 MW Leistung etwa genauso viel Energie wie eine 500 m × 500 m (0,25 km²) große Solarstromanlage. Dennoch ist auch heute schon die Leistungsdichte der Photovoltaik höher, da Windkraftanlagen dieser Größe in mehr als 500 Meter Abstand voneinander aufgestellt werden müssen. Allerdings steht die Fläche unter und um Windkraftanlagen weiterhin zur Energiegewinnung durch Photovoltaik oder Biomasse (solarer Wirkungsgrad 0,1 bis 0,24 %) zur Verfügung.

Von Kritikern der Solarstromtechnologie wird der – im Vergleich mit einer konventionellen Umwandlung fossiler Energieträger – vergleichsweise geringe Wirkungsgrad als Argument gegen die generelle Tauglichkeit der Photovoltaik angeführt. Bei der Betrachtung des Energie-Wirkungsgrades eines Systems sind aufzuwendende Kosten für die Primärenergie, sowie die Übertragungs- und Umwandlungsverluste zu berücksichtigen. Anders als bei klassischer Energieerzeugung steht hier die Sonneneinstrahlung als Primärenergieträger kostenlos zur Verfügung und ein geringer Wirkungsgrad hat – außer im Flächenverbrauch – keine Auswirkung auf die Umweltbelastung. Gerade die preiswerteren, polykristallinen Module, mit vergleichsweise geringem Wirkungsgrad, können z. B. auf Industrie-Flachdächern ohne Landschaftsverbrauch vergleichsweise einfach mit integrierten Dachabdeckungssystemen verlegt werden. Im Vergleich zu aufgeständerten Anlagen, mit hochwertigen monokristallinen Systemen, entsteht so kein „Landschaftsverbrauch“. Auch ist der Energieaufwand zur Herstellung hochwertiger Photovoltaikmodule höher als bei Dünnschichttechnologien mit geringerem Wirkungsgrad.

Solarmodule erzeugen immer Gleichstrom mit einer niedrigen Spannung, für die es kaum geeignete Verbraucher gibt. Die meisten elektrischen Energieverbraucher sind auf Wechselstrom (z. B. im Haushalt 230 V, 50 Hz) angewiesen, da das Energieversorgungssystem aus verschiedenen technischen Gründen (Transformatoren, Drehstrommotoren und Sicherheit) in Wechselstromtechnik gebaut wurde. Bei der Umwandlung und Übertragung des Gleichstroms in Wechselstrom entstehen Verluste (meist 3 bis 7 %). Als Umwandler werden Wechselrichter verwendet. Dies sind – technisch gesehen – starke Oszillatoren der Frequenz 50 Hz. Ohne diese ließe sich der erzeugte Strom nicht in das öffentliche Netz einspeisen.

Bei einem Einsatz in Deutschland wird die Energie, die zur Herstellung einer Photovoltaikanlage benötigt wird, in zwei bis sieben Jahren wieder hergestellt. Der Erntefaktor liegt zwischen 1,5 und 38. Die Lebensdauer wird auf 30 bis 40 Jahre geschätzt. Der energieintensive Teil der Solarzelle kann 4- bis 5-mal wiederverwertet werden.

In Zukunft könnte der Wirkungsgrad durch das neu entwickelte schwarze Silicium verdoppelt werden.

Potenzial

Entwicklung der Solarstromerzeugung in Deutschland

Trotz der scheinbar ungünstigen Bedingungen in Deutschland genügen theoretisch etwa 2 Prozent der Gesamtfläche Deutschlands um mit heute verfügbarer Technik in der Jahressumme die derzeit benötigte elektrische Energie zu produzieren. Nach Ecofys [11] eignen sich mehr als 2300 km² Dach- und Fassadenfläche (0,65 Prozent der Gesamtfläche Deutschlands) für die Nutzung durch Photovoltaikanlagen.

Flächenabschätzung

Die Zahl von 2 Prozent ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kWp pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von zirka 750 kWh pro kWp und einem angenommenen Strombedarf Deutschlands von 550 Milliarden kWh und der Gesamtfläche Deutschlands. Für eine Erzeugung der gesamten Primärenergie durch Photovoltaik ergibt sich nach Pfennig [12] bei einem derzeitigen Energieverbrauch pro Bundesbürger von 48649 kWh pro Jahr für einen angenommenen Gesamtwirkungsgrad der Photovoltaikanlagen von 8 % ein Flächenbedarf von 578 m², bei 82,2 Mio. Deutschen also 47512 Quadratkilometer (13 % der Fläche Deutschlands). Zum Vergleich: bei Verwendung von Biomasse wären insgesamt rund 1.000.000 Quadratkilometer (280 % der Fläche Deutschlands) notwendig. Bei Erhöhung des Wirkungsgrades würde die notwendige Fläche entsprechend sinken.

Gleichzeitig sinkt der Primärenergiebedarf. Die bei fossilen Energieträgern bei der Umwandlung in Strom oder Arbeit verloren gehende Abwärme (vgl. Entropie) fällt bei regenerativen Energiequellen nicht an. Wird die gewonnene Energie nicht gespeichert, z.B. Pumpspeicherkraftwerke, so entstehen die Verluste nur durch Umwandlung und Übertragung.

Solarstrahlungspotenzial in Europa

In Osnabrück wurde Anfang 2008 eine Studie vorgestellt, die zu dem Ergebnis kam, dass 70 % des Strombedarfs der Stadt durch Photovoltaik gedeckt werden kann, wenn alle sehr gut geeigneten Dachflächen mit photovoltaischen Zellen bestückt werden. Sehr gut geeignet sind etwa 20 % der gesamten Dachfläche von Osnabrück. Dabei wurde die Anzahl der Sonnenstunden in Abhängigkeit von der Jahreszeit berücksichtigt.[13] Bei der detaillierten Beurteilung der Dächer wurden außerdem Form, Neigung, Ausrichtung und Verschattung jeder Dachfläche berücksichtigt.[14]

Während Strom aus konventionellen Energiequellen im Jahresmittel etwa 6 Cent pro Kilowattstunde kostet, wird Solarstrom gemäß dem Erneuerbare-Energien-Gesetz mit – je nach Art und Größe der Anlage – 38 bis 51 Cent pro Kilowattstunde (2007) vergütet. Angesichts weltweit steigender Energiepreise und der sinkenden Produktionskosten für Solarzellen aufgrund größerer Produktionskapazitäten (Skaleneffekt) und neuer, billigerer Technologien wird langfristig mit einer Reduzierung der Produktionskosten gerechnet.

Im Jahr 2005 wurden laut Verband der Netzbetreiber 0,25 Prozent der deutschen Stromerzeugung aus Solarenergie gewonnen, für 2008 werden laut derselben Quelle 0,83 Prozent erwartet.


Entwicklung des weltweiten Energiemixes bis 2100
Strahlungsatlas

Ergänzung durch Speichertechnologien

Überschüssiger Strom könnte, voraussichtlich ab 2010, auch durch im Fahrzeug integrierte[15] Akkumulatoren und Wechselrichter gespeichert und verbraucht werden, unter Verzicht auf konventionelle Antriebstechnik und dem dadurch bedingten Verlust von großen Teilen des Wirkungsgrads. Überschüsse aus erneuerbaren Energien können z.B. mittels HGU (Hydrogen gas generating unit)[16] und Brennstoffzelle, mobil wie stationär, bedarfsgerecht in Wärme und Strom gewandelt werden. Diese Überlegungen können langfristig dazu führen, dass Solarstrom immer mehr Bedeutung gewinnt.

Weltweites Potenzial

Sehr viel besser als in Deutschland ist das weltweite Potenzial der Photovoltaik. Aufgrund der hohen Solarstrahlungswerte lassen sich in Chile (2400 kWh/m²/Jahr), Kalifornien (2150 kWh/m²/Jahr), Australien (2300 kWh/m²/Jahr) oder Indien (2200 kWh/m²/Jahr) deutlich günstigere Stromgestehungskosten erzielen. Hinzu kommt, dass in vielen Entwicklungsländern kein Stromnetz existiert und somit die Photovoltaik eine preisgünstigere Möglichkeit bietet, elektrischen Strom zu erzeugen, als dies mit Dieselgeneratoren möglich ist.

Standortfragen

Eine aus europäischer Sicht interessante Option wäre die Erzeugung von Solarstrom in Nordafrika und dessen Transport via Hochspannungsgleichstromübertragung nach Europa.[17] Allerdings sind bei solchen Modellen die notwendigen Investitionen zum Aufbau der gesamten technischen Infrastruktur und die Übertragungsverluste angesichts der Entfernung zu berücksichtigen. Aufgrund der hohen Einspeisevergütung durch das EEG in Deutschland wird die weltweite Nachfrage nach Solarzellen jedoch von deutschen Abnehmern dominiert. Dies führte in den vergangenen Jahren zu Engpässen bei der Herstellung und entsprechend hohen Preisen für Solarzellen, weshalb deren Installation in sonnenreicheren Ländern ohne Einspeisevergütung nicht mehr wirtschaftlich ist. Der aus Sicht des globalen Umweltschutzes uneffizienter Einsatz der Ressourcen führte 2007 zu Diskussionen über eine stärkere Absenkung des Vergütungssatzes im EEG, welche jedoch nicht beschlossen wurde.

Grid Parity

Grid Parity, auf deutsch „Netz-Gleichwertigkeit“ oder Netzparität, wird dann erreicht, wenn Strom aus einer Photovoltaikanlage zum gleichen Preis wie der Endverbraucherpreis von Steckdosenstrom angeboten werden kann. Wenn z.B. Steckdosenstrom eines Tages rund 25 Cent/kWh kostet (2007: ca. 19 Cent) und die Einspeisevergütung für Solarstrom z.B. 24 Cent beträgt (2010 geplant lt. EEG-Novelle: 39,5 Cent), kann es für den einzelnen Hauseigentümer sinnvoller sein, seinen Solarstrom direkt zu verbrauchen, statt ihn ins öffentliche Netz einzuspeisen. Nicht zu verwechseln ist „Grid Parity“ mit einer Wettbewerbsfähigkeit von Solarstrom, d.h. mit dem Vergleich der Produktionskosten von Solarstrom und konventionell erzeugtem Strom. Denn die reinen Produktionskosten z.B. für Atom- oder Kohlestrom liegen derzeit nur bei 3 bis 8 Cent/kWh (Produktionskosten plus Kosten für CO2-Zertifikate plus Netzentgelte). Erst wenn Solarstrom zum selben Preis wie diese hergestellt werden kann, ist er unabhängig von Fördermaßnahmen wettbewerbsfähig.

Die Stromgestehungskosten aus steuerfreiem Dieselkraftstoff (steuerfreier Dieselpreis = ca. 0,10 Euro je 10 Euro Rohölpreis/Barrel) in einem modernen Dieselstromaggregat betragen bei den üblichen 37 Prozent Wirkungsgrad ca. 2,8 Cent/kWh je 0,10 Euro Dieselpreis, ohne dass dabei die Anschaffungs- und Betriebskosten für das Aggregat mit einbezogen sind. Bei einem Rohölpreis von 120 US-Dollar/Barrel und einem Dollar-Kurs von 1,50 erhöhen sich die Stromgestehungskosten entsprechend auf ca. 22,4 Euro-Cent/kWh.

Auf vielen sonnenreichen Inseln, die ihren Strom aus Dieselkraftstoff gewinnen, wurde dies mit dem Durchbrechen der Marke von $70 US je Barrel Öl erreicht. So beginnt derzeit im US-Bundesstaat Hawaii ein regelrechter Photovoltaik-Boom. Allerdings ist dieser noch nicht vergleichbar mit dem Photovoltaik-Boom in Deutschland und beträgt nur einen kleinen Bruchteil dessen. Grund ist, dass in Deutschland hohe Einspeisevergütungen für Solarstrom gezahlt werden und daher der Großteil der Weltproduktion an Solarmodulen nach Deutschland importiert wird.

Integration in das Stromnetz

Schwankung des Angebots

Aus Sicht des Stromnetzes bewirkt die tages- und jahreszeitlich schwankende Sonneneinstrahlung der Photovoltaik Schwankungen, die sich ähnlich wie der schwankende Verbrauch darstellen lassen; die eingespeiste Photovoltaikleistung zeigt dabei ähnliche Variabilität wie der Stromverbrauch. Diese Laständerungen sind, wie die durch den Stromverbraucher verursachten Schwankungen der Last, statistisch vorhersagbar.

Aufgrund der kleinen Leistungen und der Planbarkeit räumlich verteilter kleinerer Anlagen kann die Photovoltaikleistung wie die Windenergie in den Kraftwerksfahrplan des Tageslastgangs einbezogen und ohne zusätzlichen Aufwand wie Verbrauchsschwankungen im Mittellastbereich gesteuert werden.

Bei einem Ausbau in großem Maßstab muss die Photovoltaik in einem Verbundnetz mit anderen, gut regelbaren Kraftwerken oder Speichertechnologien kombiniert werden. Größere Photovoltaikanlagen von einigen Megawatt aufwärts erfordern ein entsprechende Leistungsregelung und Lastflusskontrolle, speisen direkt in das Mittelspannungsnetz oder in Ausnahmefällen auch in das Hochspannungsnetz ein, und sind in puncto Regelung analog wie andere mittlere Kraftwerke auf dieser Ebene zu betrachten.

Konformität zum Verbrauch

Da Strom aus Photovoltaik naturgemäß tagsüber, zu Zeiten hohen Verbrauchs zur Verfügung steht, trägt sie bei sonnigen Bedingungen zur Deckung der Mittellast bei und ergänzt damit Grundlastkraftwerke, kann diese allein aber nicht ersetzen. Photovoltaikleistung entsteht zwar „ungesteuert“ aber vorhersagbar und hat ihr Maximum gerade in der mittäglichen Tageshöchstlast. Sie mindert somit den Mehrbedarf um diese Uhrzeit und unterstützt die vorhersehbare (geplante) Spitzenlast in diesem Teil des Tageslastgangs. Unvorhergesehene Spitzenlast muss wie bisher durch dafür geeignete Spitzenlastkraftwerke bereitgestellt werden.

Übertragung

Bei einer dezentralen Stromversorgung aus vielen großflächig verteilten und kleinen Photovoltaikanlagen im Leistungsbereich einiger 10 kVA werden Leitungsverluste aufgrund der geringen Entfernungen zwischen Quelle und Verbraucher verringert. Die erzeugte Leistung verlässt den Niederspannungsbereich praktisch nicht, sondern wird lokal verbraucht. Es speist der Betreiber einer häuslichen Photovoltaikanlage jene Mehrleistung die er nicht selbst verbraucht in den lokalen Strang des Niederspannungsnetzes ein: Diese Mehrleistung wird durch unmittelbar benachbarte Niederspannungsverbraucher aufgebraucht. Im Rahmen von Kleinanlagen ist ein Ausbau der Hochspannungsnetze daher nicht notwendig. Erst bei einem weiteren erheblichen Ausbau der Photovoltaik entstünden regional Überschüsse, die dann überregional ausgeglichen werden müssten.

Speicherung

Zur Frage der Speicherung der elektrischen Energie aus Photovoltaik muss zwischen Inselanlagen und Anlagen, welche in einem Verbundnetz betrieben werden, unterschieden werden, wobei die Verbundanlage den deutlich häufigeren Einsatzbereich darstellt.


Verbundanlage

Bei im Verbundnetz betriebenen Anlagen kann die wartungsintensive Energiespeicherung in einem Zwischenkreis entfallen, der eingespeiste elektrische Strom wird sofort verbraucht, der Ausgleich der unterschiedlichen Verbrauchs- und Angebotsleistungen erfolgt über das Verbundnetz. Eine Zwischenspeicherung ist nicht notwendig, solange das momentane Gesamtangebot aus Photovoltaik nicht häufig über der momentanen Last im Stromnetz liegt. Statt dessen wird die Produktion in regelbaren Kraftwerken zurück gefahren, die Anlage wird als „negativer Stromverbraucher“ behandelt. Bei kleineren Anlagen wird immer dann elektrische Leistung von der Photovoltaikanlage mittels Wechselrichter in das Verbundnetz abgegeben, wenn entsprechende Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Fehlt diese Primärenergie, beispielsweise in der Nacht, wird elektrische Leistung aus dem Verbundnetz von anderen Erzeugern des Energiemixes bezogen. Bei größeren Photovoltaikanlagen kommt wie bei allen größeren Kraftwerken noch eine zusätzliche Leistungsregelung über eine Fernsteuerung hinzu, die es erlaubt je nach Bedarf weniger Leistung in das Netz abzugeben als möglich wäre, um einen stabilen Betrieb des Versorgungsnetzes zu gewährleisten.

Da auch in einem großen Verbundnetz Verbrauchsschwankungen kurzfristig ausgeglichen werden müssen, erfolgt die Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie beispielsweise in dezidierten Speicherkraftwerken wie es Pumpspeicherkraftwerken darstellen. Diese speichern die elektrische Energie in Form von potentieller Energie mit Speicherwirkungsgraden von rund 80 % und können diese Energie bei Verbrauchsspitzen kurzfristig als elektrische Energie in das Verbundnetz abgeben. Die erreichbaren Spitzenleistungen liegen je nach Größe des Speicherkraftwerkes im Bereich von einigen 100 MVA. Diese Energiespeicherung ist nicht spezifisch auf die Photovoltaik bezogen, sondern dient dem allgemeinen Leistungsausgleich innerhalb eines Verbundnetzes.

Inselanlage

Bei Inselanlagen müssen die Unterschiede zwischen Verbrauch und Leistungsangebot der Photovoltaikanlage durch zusätzliche Energiespeicher ausgeglichen werden. Beispielsweise um elektrische Verbraucher auch während der Nachtstunden oder bei ungenügender Sonneneinstrahlung betreiben zu können. Die Speicherung erfolgt aufgrund der kleinen Leistungen meistens über einen Gleichspannungszwischenkreis mit Akkumulatoren welche die elektrische Leistung bei Bedarf an den Verbraucher abgeben können. Neben den meist noch üblichen und kostengünstigen Bleiakkumulatoren kommen auch neuere Akkutechnologien mit besserem Wirkungsgrad wie Lithium-Titanat-Akkumulatoren zur Anwendung. Mittels Wechselrichter wird daraus die übliche Netzwechselspannung mit 230 V und 50 Hz gebildet.

Anwendung finden Inselanlagen beispielsweise in entlegenen Gebirgsregionen, für die sich ein direkter Anschluss an das öffentliche Netz aufgrund der langen Leitungslängen nicht rechnet. Darüber hinaus ermöglichen autonome photovoltaische Systeme auch die Elektrifizierung einzelner Gebäude (wie Schulen o.Ä.) oder Siedlungen in „Entwicklungsländern“, in denen kein flächendeckendes öffentliches Stromversorgungsnetz vorhanden ist.

Versorgungssicherheit

Trotz des schwankenden Angebots steht die etwa 24 Stunden vorher (auf Basis von Wettervorhersagen) prognostizierte Leistung aus Photovoltaik deutlich sicherer zur Verfügung als die eines einzigen Großkraftwerks. Ein unvermuteter Ausfall eines solchen großen Stromerzeugers hat im Stromnetz eine stärkere Störwirkung als der Ausfall einer einzelnen Photovoltaikanlage. Durch die breite Streuung und die hohe Anzahl der Photovoltaikanlagen (derzeit ca. eine Million) ergibt sich eine im Vergleich zu einer einzelnen Großanlage extrem hohe Betriebssicherheit.

Um einen ungeplanten Ausfall großer Stromerzeuger abzusichern, muss permanent Reserveleistung bereitgehalten werden, dies ist für den Anteil Photovoltaikleistung nicht notwendig und spart somit Kosten, da aufgrund der vielen Einzelanlagen kein ungeplanter Totalausfall eintreten kann. Aber auch ein geplanter Stillstand eines Großkraftwerks (z. B. für eine Revision) muss durch ein anderes Kraftwerk abgesichert sein, was bei der Photovoltaik ebenfalls nicht erforderlich ist, da es bei allen PV-Anlage zusammen nie eine gleichzeitige Revision oder Reparatur geben kann. Andererseits erbringen PV-Anlagen ihre Leistung wetterabhängig und ausschließlich während des Tages, damit kann sowohl bei der langfristigen Planung von Kraftwerksbauten als auch bei der täglichen Planung der Produktion nur ein Teil der PV-Leistung berücksichtigt werden.

Die Netzanschlussbedingungen schreiben vor, dass bei einem Stromausfall keine Kleinproduzenten (PV, aber auch Windkraft oder BHKW) mehr Strom einspeisen dürfen. Daher können übliche PV-Anlagen nichts gegen einen bereits eingetretenen Stromausfall bewirken. Anlagen, die ein komplettes Gebäude vom Netz- auf Inselbetrieb umschalten können, sind technisch möglich, aber nicht üblich. Bei steigender Einspeisung von dezentral erzeugtem Solarstrom aus Photovoltaik-Kleinanlagen müsste eine zentrale Steuerung der Anlagen durch die Netzbetreiber erfolgen, wie dies bei größeren Windparks bereits der Fall ist, um das Netz nach einem Totalausfall wieder in einen stabilen Zustand zu bringen. Dies würde aber eine Ausstattung eines großen Anteils von Kleinanlagen mit entsprechender Steuerungstechnik bedeuten.

Investitionskosten

Eine photovoltaische Anlage hat sich etwa nach zehn Jahren amortisiert.[18]

Ein kWp schlüsselfertig installierte Leistung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage kostet derzeit (Inbetriebnahme 2007) bei großen Freiflächenanlagen ca. 3250 €/kWp Netto, bei 4 kWp Dachanlagen je nach Montageaufwand zwischen 3900 €/kWp und 6000 €/kWp Netto. Solch eine Anlage liefert in Süddeutschland nach dem aktuellen Stand der Technik einen Jahresertrag von ca. 850 bis 1200 kWh pro kWp, in Abhängigkeit von Zellentyp, Ausrichtung, Dachneigung, Sonneneinstrahlung und Temperatur: Das Wetter bietet nicht jedes Jahr die gleichen Einstrahlungswerte, in Simulationsrechnungen geht man von den gemittelten Werten der letzten zehn Jahre für den jeweiligen Standort aus.

Für alle bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen entstehenden Kosten (Module, Wechselrichter, Installation, Wartung, Versicherung) sind generell nur die Nettopreise (ohne Mehrwertsteuer) zu betrachten, da der Betreiber einer solchen Anlage vom Finanzamt als Unternehmer betrachtet wird. Auch die im EEG genannten Einspeisevergütungen sind Nettovergütungen. Der Stromnetzbetreiber zahlt also zusätzlich die Mehrwertsteuer (in Deutschland 2007: 19 %) aus und machte diese in der eigenen Steuererklärung steuermindernd als Vorsteuer geltend. Der Solaranlageneigentümer führt die erhaltene Mehrwertsteuer an das Finanzamt ab.

Zu den Investitionskosten zählt auch die Belastung der CO2-Bilanz durch die Herstellung. In Deutschland ergibt sich eine CO2-Last von 2 Tonnen CO2 pro Kilowatt installierter Leistung. Laut Berechnungen der Technischen Universität Berlin dauert es damit zwischen 25 und 57 Monaten, bis sich diese Investition in die Umweltbilanz amortisiert.[19]

Stromgestehungskosten

Allgemeines

Bei Kapitalkosten von 4 % für die Investitionssumme und Betriebskosten von typisch ca. 1 % werden dem Betreiber einer Photovoltaikanlage ca. 37 bis 52 ct/kWh im ersten Betriebsjahr vergütet, bei einem üblichen Abschreibungszeitraum von 20 Jahren. Die tatsächlichen Erzeugungskosten liegen darunter. Diese Erstattungen liegen gegenwärtig etwa siebenmal höher als die Kosten für konventionelle Erzeugung (typischerweise 6 Cent/kWh) oder zwei- bis dreimal über den Strompreisen für Privatkunden. Die Differenz wird auf alle Stromverbraucher umgelegt und erhöht deren Stromrechnung minimal. Für 2007 wird Strom an der EEX bereits mit 8 ct/kWh gehandelt. Ist die Anlage abbezahlt, fallen bis zum Ende der Lebensdauer nur noch die geringen Betriebs- und Wartungskosten an, welche wie auch beim konventionellen Vergleichskraftwerk aus dem Betriebskostenanteil gedeckt werden. Bei konventioneller Stromerzeugung ist dagegen aufgrund der steigenden Brennstoffkosten mit einem Preisanstieg zu rechnen. Dieser Faktor wirkt aber erst im längerfristigen Vergleich mit konventionellen Formen der Stromerzeugung.

Aus der installierten Leistung von 2,58 GWp und der erzeugten Energie von 2000 GWh errechnet sich für 2006 eine mittlere Einschaltdauer von 775 h. Gemessen an den 8760 Stunden pro Jahr ergibt sich eine mittlere Nutzung von 8,8 %. In den Vorjahren war dieser Wert noch geringer, im Jahr 2005 betrug die Einschaltdauer 532 h, 2004 etwas mehr.

Vergleich mit konventioneller Erzeugung über den Einsatzzeitraum

Photovoltaik konkurriert durch ihr Angebotsverhalten direkt mit der konventionellen Mittellast, also überwiegend mit elektrischer Energie aus Steinkohlekraftwerken, andererseits aber auch mit der Windenergie, der derzeit anteilsstärksten erneuerbaren Energieform zur Stromerzeugung.

Photovoltaik Steinkohle Kernkraft Wind (onshore) Wind (offshore)
spez. Investitionskosten (in €/kWpeak) 5000 800 3000 [20] < 1000 [21] 1500
spez. Investitionen (in €/kWmittel) 63300 1200 3000 6200
jährliche Volllaststunden (in h/a) 550-820[22] 4000 8000 1500 3300[23]
Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit (in %)

(jährliche Volllaststunden / 8760 h pro Jahr)

 7,9 % 46 % 91 % 17 % 38 %
jährliche Betriebskosten (fix) (bez. Inv.) 0,5 % 4 % 2 % 2 % 2 %
Brennstoffkosten + dynamische Betriebskosten (in ct/kWh) - 3 2 - -

Mit ihren deutlich höheren Investitionskosten und der markant niedrigeren Volllaststundenzahl zeigt die Tabelle die gegenwärtig deutlich höheren Kosten der Photovoltaik gegenüber der konventionellen Stromerzeugung. Der Vorteil der fehlenden Brennstoffkosten und dynamischen Betriebskosten kann über diese Darstellung nicht erkannt werden. Dazu ist eine Analyse der Stromgestehungskosten über den gesamten Einsatzzeitraum nötig. Durch die absolute Emissionsfreiheit im Betrieb weist die Photovoltaik extrem niedrige externe Kosten auf. Liegen diese bei Stromerzeugung aus Stein- und Braunkohle bei ca. 6 bis 8 ct/kWh, betragen sie bei Photovoltaik nur ca. 1 ct/kWh. Zu diesem Ergebnis kommt ein aktuelles Gutachten,[24] welches vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und dem Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung erstellt wurde. Negative Effekte fossiler Stromerzeugung wie die Kosten für CO2-Zertifikate und die Steinkohlesubventionen sind bei dieser Betrachtung ausgenommen.

Vergleich über Finanzierungskosten und Einstrahlung

Die Tabelle bildet die Stromgestehungskosten in Cent/kWh ab, bei 4 Prozent Kapitalkosten, 1 Prozent Betriebskosten und 20 Jahren Abschreibung. Da Photovoltaik-Anlagen kaum mechanischem Verschleiß unterliegen, hofft man, dass sie in der Regel bis weit über den Abschreibungszeitraum voll funktionsfähig bleiben.

20 Jahre, 4 % 2400 kWh 2200 kWh 2000 kWh 1800 kWh 1600 kWh 1400 kWh 1200 kWh 1000 kWh 800 kWh
200 €/kWp 0,8 0,9 1,0 1,1 1,3 1,4 1,7 2,0 2,5
600 €/kWp 2,5 2,7 3,0 3,3 3,8 4,3 5,0 6,0 7,5
1000 €/kWp 4,2 4,5 5,0 5,6 6,3 7,1 8,3 10,0 12,5
1400 €/kWp 5,8 6,4 7,0 7,8 8,8 10,0 11,7 14,0 17,5
1800 €/kWp 7,5 8,2 9,0 10,0 11,3 12,9 15,0 18,0 22,5
2200 €/kWp 9,2 10,0 11,0 12,2 13,8 15,7 18,3 22,0 27,5
2600 €/kWp 10,8 11,8 13,0 14,4 16,3 18,6 21,7 26,0 32,5
3000 €/kWp 12,5 13,6 15,0 16,7 18,8 21,4 25,0 30,0 37,5
3400 €/kWp 14,2 15,5 17,0 18,9 21,3 24,3 28,3 34,0 42,5
3800 €/kWp 15,8 17,3 19,0 21,1 23,8 27,1 31,7 38,0 47,5
4200 €/kWp 17,5 19,1 21,0 23,3 26,3 30,0 35,0 42,0 52,5
4600 €/kWp 19,2 20,9 23,0 25,6 28,8 32,9 38,3 46,0 57,5
5000 €/kWp 20,8 22,7 25,0 27,8 31,3 35,7 41,7 50,0 62,5
Kilowattstunden, die eine Anlage mit 1 kWp pro Jahr liefert
Land Ertrag Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit
Süddeutschland ~900–1130 kWh/Jahr 12 %
Schweiz, Mittelland 1050–1200 kWh/Jahr [25] 13 %
Alpen 1400–1600 kWh/Jahr [25] 17 %
Italien, Sizilien ~1800 kWh/Jahr 21 %
Südspanien ~1800 kWh/Jahr 21 %
China, Takla Makan ~1840 kWh/Jahr 21 %
USA, Great Basin ~1930 kWh/Jahr 22 %
Spanien, Kanaren ~2000 kWh/Jahr 23 %
USA, Hawaii ~2100 kWh/Jahr(Haushaltsstrompreis: ca. 30 Cent/kWh) 24 %
Afrika, Sahara ~2270 kWh/Jahr 26 %
Australien, Great Sandy ~2320 kWh/Jahr 26 %
Naher Osten, Arabien ~2360 kWh/Jahr 27 %
Südamerika, Atacama ~2410 kWh/Jahr 28 %

Modulpreise

2006 waren in Japan kristalline Sharp-Solarmodule ab 3150 €/kWp erhältlich.[26] Sharp-Markenmodule kosten in Deutschland etwa 3300 €/kWp Netto. Im deutschen Großhandel kosten monokristalline Module bei einer Abnahme von 100 kWp 2900 €/kWp Netto. Schlüsselfertige Komplettanlagen sind ab 3900 €/kWp Netto und Lieferanlagen zum Selbstaufbau ab 3580 €/kWp Netto erhältlich.

Das für die Investitionen (Bau neuer Fabriken) nötige Kapital wird hauptsächlich über die Gewinne durch den Modulverkauf finanziert. Gemessen an den Herstellungskosten (ca. 1900 €/kWp) kostet Solarstrom bei 1000 kWh/Jahr ca. 19 Cent pro Kilowattstunde bzw. 9,5 Cent/kWh bei 2000 kWh/Jahr.

Photovoltaikanlagen enthalten keine beweglichen Teile und sind deshalb sehr langlebig. Sie können also durchaus über einen Zeitraum von 30 Jahren abgeschrieben werden. Folgende Tabelle zeigt die Stromgestehungskosten bei 30-jähriger Abschreibung.

30 Jahre, 4 Prozent 2400 kWh 2200 kWh 2000 kWh 1800 kWh 1600 kWh 1400 kWh 1200 kWh 1000 kWh 800 kWh
200 €/kWp 0,7 0,8 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,7 2,1
600 €/kWp 2,1 2,3 2,5 2,8 3,1 3,6 4,2 5,0 6,3
1000 €/kWp 3,5 3,8 4,2 4,6 5,2 6,0 6,9 8,3 10,4
1400 €/kWp 4,9 5,3 5,8 6,5 7,3 8,3 9,7 11,7 14,6
1800 €/kWp 6,3 6,8 7,5 8,3 9,4 10,7 12,5 15,0 18,8
2200 €/kWp 7,6 8,3 9,2 10,2 11,5 13,1 15,3 18,3 22,9
2600 €/kWp 9,0 9,8 10,8 12,0 13,5 15,5 18,1 21,7 27,1
3000 €/kWp 10,4 11,4 12,5 13,9 15,6 17,9 20,8 25,0 31,3
3400 €/kWp 11,8 12,9 14,2 15,7 17,7 20,2 23,6 28,3 35,4
3800 €/kWp 13,2 14,4 15,8 17,6 19,8 22,6 26,4 31,7 39,6
4200 €/kWp 14,6 15,9 17,5 19,4 21,9 25,0 29,2 35,0 43,8
4600 €/kWp 16,0 17,4 19,2 21,3 24,0 27,4 31,9 38,3 47,9
5000 €/kWp 17,4 18,9 20,8 23,1 26,0 29,8 34,7 41,7 52,1

Mittlerweile sind die zehnjährigen KfW-Kredite auf 5,40 Prozent (effektiv)[27] angestiegen. Bei 5000 €/kWp wird Solarstrom pro Prozentpunkt um 5 Cent/kWh teurer. Durch das nötige starke Wachstum und die damit verbundenen Investitionen in Milliardenhöhe werden auch alternative Energien immer teurer werden, bis das Wachstum nachlässt und sich die Preise wieder entspannen können. Dieser Effekt betrifft natürlich nicht nur die Photovoltaik, sondern auch alle anderen regenerativen und fossilen Energieträger.

20 Jahre, 12 Prozent 2400 kWh 2200 kWh 2000 kWh 1800 kWh 1600 kWh 1400 kWh 1200 kWh 1000 kWh 800 kWh
200 €/kWp 1,5 1,6 1,8 2,0 2,3 2,6 3,0 3,6 4,5
600 €/kWp 4,5 4,9 5,4 6,0 6,8 7,7 9,0 10,8 13,5
1000 €/kWp 7,5 8,2 9,0 10,0 11,3 12,9 15,0 18,0 22,5
1400 €/kWp 10,5 11,5 12,6 14,0 15,8 18,0 21,0 25,2 31,5
1800 €/kWp 13,5 14,7 16,2 18,0 20,3 23,1 27,0 32,4 40,5
2200 €/kWp 16,5 18,0 19,8 22,0 24,8 28,3 33,0 39,6 49,5
2600 €/kWp 19,5 21,3 23,4 26,0 29,3 33,4 39,0 46,8 58,5
3000 €/kWp 22,5 24,5 27,0 30,0 33,8 38,6 45,0 54,0 67,5
3400 €/kWp 25,5 27,8 30,6 34,0 38,3 43,7 51,0 61,2 76,5
3800 €/kWp 28,5 31,1 34,2 38,0 42,8 48,9 57,0 68,4 85,5
4200 €/kWp 31,5 34,4 37,8 42,0 47,3 54,0 63,0 75,6 94,5
4600 €/kWp 34,5 37,6 41,4 46,0 51,8 59,1 69,0 82,8 103,5
5000 €/kWp 37,5 40,9 45,0 50,0 56,3 64,3 75,0 90,0 112,5

Diese Kosten bei Großanlagen liegen gegenwärtig etwa fünfmal höher als die Kosten für konventionelle Erzeugung. Gemessen an den Haushaltsstrompreisen (ca. 20 ct/kWh; 18 ct/kWh + 2 ct/kWh Grundgebühr) und Solarkleinanlagen ergeben sich 2,5-fach höhere Kosten.

In Italien ist seit dem Jahr 2006 Solarstrom auch ohne Fördermittel günstiger als Strom aus der Steckdose und damit wirtschaftlich geworden. Die Kilowattstunde Haushaltsstrom kostet dort ohne Grundgebühr durch die überraschend stark gestiegenen Rohstoffpreise 21,08 Cent/kWh. Mit durchschnittlich 1600 kWh (Sizilien sogar 1800 kWh) Solarstrahlung pro Jahr, 4 Prozent Kapitalrendite und 25 Jahren Abschreibung kostet Solarstrom bei 4600 €/kWp nur noch 20,91 Cent/kWh. Bei Großanlagen mit 3900 € pro installiertem kWp sinken die Kosten sogar auf 17,75 Cent/kWh und ist somit über 15 Prozent günstiger. Bei weiter sinkenden Preisen für Solarzellen von jährlich 8 Prozent und steigenden Kosten für Haushaltsstrom von 5 Prozent klafft diese Lücke weiter auf, wodurch der Solarmarkt sehr viel schneller als bisher erwartet wachsen könnte. Um in Italien einen 19-prozentigen Solarstromanteil zu erreichen, müssten 34 000 MWp Leistung installiert werden, die 0,09 Prozent der Landesfläche beanspruchen würden. 9 Prozent der Fläche Siziliens könnten 25 Prozent des Strombedarfs der gesamten EU (ca. 2100 TWh/Jahr) decken.

Aktuelle Situation der Preisentwicklung

Die reinen Herstellungskosten der Module sind in den letzten Jahren stark gesunken.[28] Das EEG hat somit wie geplant bewirkt, dass dank Massenproduktion, Produktivitätssteigerungen und technischem Fortschritt die Kosten gesenkt werden konnten. Die insbesondere durch den deutschen Markt ausgelöste weltweit andauernd hohe Nachfrage nach Solarmodulen und die begrenzten Produktionskapazitäten verhindern allerdings, dass der Gleichgewichtspreis für Solarmodule deutlich absinken kann, da die Nachfrage sofort anziehen würde. Denn in Deutschland wird – anders als in allen anderen Ländern – die Einspeisung von Solarstrom unbegrenzt gefördert. Solch eine unbegrenzte „Subventionierung“ von Solarstrom hat zur Folge, dass es bislang kein Überangebot an Solarmodulen gegeben hat. Sobald das Angebot gestiegen ist, wurden neue Solarkraftwerke in Deutschland gebaut, denn durch die hohe Einspeisevergütung fanden sich immer Investoren, welche die Module gekauft und die Einspeisevergütung in Anspruch genommen haben. Die Preise für Solarmodule sind in den Jahren 2004 und 2005 um durchschnittlich rund zehn Prozent gestiegen, seit Anfang 2006 stagnieren sie, seit Anfang 2007 sinken sie. Die Preise für Solarmodule lagen Anfang 2006 höher als 1999, dem Jahr vor der Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes.[29] Der Solarverband DGS kritisierte Mitte 2007 die Solarindustrie, dass sie ihre der Politik gegebenen Versprechungen zur Preissenkung von Solaranlagen nicht eingehalten hat.[30]

Mittlerweile (August 2006) gibt es weltweit 35 Länder (u.a. Deutschland, Österreich, Japan, Frankreich, Spanien, Belgien, Kalifornien(USA), Südkorea, Italien, Griechenland und China) mit Einspeisevergütungen. Allerdings unterscheiden sich viele davon in einem wesentlichen Detail deutlich von den deutschen Regelungen. So wird in nahezu allen für die Solarbranche wichtigen Absatzländern der maximal geförderte Zubau von Solarstromanlagen durch bürokratische Hemmnisse bzw. gesetzliche Regelungen begrenzt. In Deutschland hingegen gibt es keine Höchstgrenze für den geförderten Zubau, wodurch im Jahr 2006 rund 830 MWp zugebaut wurden. Wegen der unbegrenzten Förderung sind nach Angaben der europäischen Solarindustrieverbandes EPIA auch im Jahr 2007 rund die Hälfte der weltweit hergestellten Solarmodule nach Deutschland verkauft worden. Dies entsprach laut EPIA einem Zubau von 1.150 MW in Deutschland. In einer vorläufigen – und daher noch mit deutlichen Unsicherheiten behafteten - Erhebung kommt das Solarstrommagazin Photon für 2007 sogar auf einen etwas höheren Zubau für Deutschland von rund 1.350 MW. Verlässliche Zubauzahlen für 2007 werden für Ende 2008 erwartet. Zu diesem Zeitpunkt dürften die Daten aller rund 900 Netzbetreiber vorliegen und sich somit die Gesamtsumme ergeben. In ganz China wurden gemäß Angaben des Bankhauses Sarasin im Jahr 2007 hingegen nur 26 MW zugebaut. Ursache ist auch hier, dass die weltweiten Hersteller ihre Waren lieber zu hohen Preisen nach Deutschland verkaufen, statt in Länder, in denen es wie in China nahezu keine Förderung gibt.

Anders als in Deutschland ist Solarstrom in Spanien (1800 kWh/m²/a, 14,33 ct/kWh ohne Installationskosten) mittlerweile gegenüber Gaskraftwerken zur Deckung der Spitzenlast wirtschaftlich geworden. Bremsender Faktor sind nach wie vor fehlende Investitionen in Solarsilizium produzierende Anlagen. Die Siliziumpreise am Spotmarkt stiegen von ursprünglich 15 $/kg (Chipsilizium mit 1000x höherer Reinheit) auf teils deutlich über 100 $/kg. Für die Produktion von 1 kWp sind ca. 7 bis 10 kg Silizium notwendig. Die Solarindustrie tritt diesen aus der eigenen Branche vorgenommenen Preissteigerungen unter anderem durch Langfristverträge gegenüber. Somit verschieben sich durch die hohen Siliziumpreise die Gewinnmargen innerhalb der Solarbranche. Die Siliziumindustrie ist Teil der Solarindustrie.[31] Der Bundesverband der Verbraucherzentralen schrieb in einer Stellungnahme zur im Mai beschlossenen EEG-Novelle: „Denn auch beim Silizium gibt es kein Problem von zu hohen Herstellungskosten, sondern dass die Hersteller den Engpass ausnutzen und mit Gewinnmargen von bis zu 50 Prozent ihre Ware massiv überteuert verkaufen.“ Solarunternehmen, welche sich ihre Siliziummengen durch langfristige Verträge sichern, zahlen geringere Preise als am Spotmarkt. Durch große technische Fortschritte konnte die Solarindustrie ebenso die Menge des pro Modul benötigten Siliziums deutlich reduzieren. Eine im März 2006 vom Solarstrom-Magazin PHOTON veröffentlichte Berechnung zeigt, dass die gestiegenen Siliziumpreise kein belastbares Argument für die überhöhten Modulpreise sind.

Weltweit werden 2006 erst 0,06 Prozent des Strombedarfs bzw. 0,01 Prozent des Primärenergiebedarfs mit Photovoltaik gedeckt. Somit errechnet sich bei einer jährlichen Wachstumsrate von 20 Prozent ein Solarstromanteil von 0,77 Prozent beim elektrischen Strom bzw. 0,13 Prozent bei der Primärenergie im Jahre 2020.

Da die Herstellungskosten um 20 Prozent pro Verdopplung der produzierten Menge sinken (Massenproduktionsgesetz) errechnet sich bei einer 1%igen Versorgung, einem 25%igen jährlichen Wachstum der Branche und einer Sonneneinstrahlung von 1300 kWh/(m² · a) (weltweiter Durchschnitt 1500 kWh/(m² · a)) ein an den Herstellungskosten gemessener Preis von 2,0 Cent/kWh (660 €/kWp im Jahre 2018) am Strombedarf bzw. 1,1 Cent/kWh (370 €/kWp im Jahre 2026) am Primärenergiebedarf. Dabei ist allerdings noch nicht berücksichtigt, dass der weltweite Bedarf steigt und sich bis 2050 der Primärenergiebedarf und Strombedarf verdreifachen könnte. Auch sei hier betont: Wenn die Herstellungskosten sinken, sinken nicht gleichzeitig die Preise der Anlagen. In den vergangenen Jahren war es vielmehr oft der Fall, dass die Hersteller ihre Kosten gesenkt haben, ihre Preise aber gleichzeitig erhöhten. Ursache dafür waren die hohen Einspeisevergütungen und die unbegrenzte Förderung für Solarstrom in Deutschland. Wegen diesen hatte die Solarindustrie keine Notwendigkeit, die gefallenen Herstellungskosten an die Verbraucher weiterzugeben.

Jede Solarstromanlage sollte als Unternehmen betrieben werden. Das ist unkompliziert und bietet unter anderem die Möglichkeit, sich die Mehrwertsteuer vom Finanzamt erstatten zu lassen.[32]

Förderprogramme

Neben der Einspeisevergütung, die in Deutschland durch das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) geregelt ist, gibt es zwölf weitere Programme, die die Anschaffung einer Photovoltaikanlage fördern sollen.

Auf Bundesebene kann die sogenannte Investitionszulage für Photovoltaikanlagen im produzierenden Gewerbe und im Bereich der produktionsnahen Dienstleistungen in Form von Steuergutschriften genehmigt werden.


Daneben stellt die KfW-Förderbank folgende Programme zur Verfügung:

  • KfW - Erneuerbare Energien - Standard
  • KfW – Kommunalkredit
  • BMU – Demonstrationsprogramm
  • KfW – Kommunal investieren

Die Fördergelder der KfW-Förderbank werden im Gegensatz zur Investitionszulage ausschließlich als Darlehen genehmigt und über die jeweilige Hausbank zur Verfügung gestellt.


Des Weiteren haben folgende Bundesländer eigene Solarfördergesetze erlassen:

  • Bayern – Rationelle Energiegewinnung und -verwendung im Gewerbe – (Zuschuss)
  • Niedersachsen – Innovationsförderprogramm (Gewerbe) – (Darlehen / in Ausnahmen Zuschuss)
  • Nordrhein-Westfalen – progres.nrw „Rationelle Energieverwendung, Regenerative Energien und Energiesparen“ – (Zuschuss)
  • Rheinland-Pfalz – energieeffiziente Neubauten – (Zuschuss)
  • Saarland – Zukunftsenergieprogramm Technik (ZEP-Tech) 2007 (Demonstrations-/Pilotvorhaben) – (Zuschuss)[33]

Einspeisevergütung

Die Vergütung des Solarstroms in Deutschland ist im EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) geregelt und wird auf alle Stromverbraucher umgelegt. Sie ist abhängig von:

  • Jahr des Betriebsbeginns (je früher, desto höher)
  • Anlagengröße (je kleiner, desto höher)
  • Art der Aufstellung: An bestehenden Bauwerken wird stärker gefördert als bei freistehenden Anlagen.

So wird eine 20-kWp-Anlage im Dach, die 2004 erstmals Energie lieferte, mit 57,4 ct/kWh vergütet, eine Freiflächenanlage von 2008 mit 35,49 ct/kWh.

Siehe Hauptartikel: Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) bzw. Solarstrom

Kosten der Solarförderung für den Endverbraucher in Deutschland

Das Rheinisch-Westfälische Institut für Wirtschaftsforschung (RWI) hatte im April 2007 berechnet, dass die Förderung von Solarstrom durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz für die bis Anfang 2007 auf Dächern installierten Anlagen sich auf insgesamt 14,3 Mrd. Euro summiert. Dieser Betrag ist von den Stromverbrauchern als Aufschlag auf ihre Stromrechnung zu zahlen. Wenn die derzeitigen Förderbedingungen für Solarstrom bis 2020 fortgesetzt werden, müssen die Stromverbraucher laut RWI-Studie insgesamt 63 Mrd. Euro zusätzlich bezahlen. Das Solarstrom-Magazin Photon prognostizierte auf Grund des aktuellen Marktwachstums Kosten von rund 150 Milliarden Euro. Diese Zahl bezog sich dabei auf alle Solarstromanlagen, welche bis zum Jahr 2010 in Deutschland installiert werden. Zieht man hiervon den Wert des Solarstroms ab und zinst den Betrag ab, ergeben sich reine reale Mehrkosten in Höhe von rund 77 Milliarden Euro. Für alle nach 2010 installierten Solarstromanlagen ergeben sich weitere Mehrkosten, welche die Gesamtsumme der Einspeisevergütung für alle bis zum Jahr 2020 installierten Solarstromanlagen auf knapp 600 Milliarden Euro ansteigen lassen könnten. Auf heutigen Geldwert abgezinst und vermindert um den Wert des Solarstroms ergeben sich reale vom Stromverbraucher zu zahlende Mehrkosten in Höhe von rund 260 Milliarden Euro.[34]

Installationen, Exportraten und weltweit führende Hersteller

2006 wurden in Deutschland gemäß Angaben des Bundesumweltministeriums Solaranlagen mit einer Gesamtnennleistung von 950 MW installiert. Damit wurden – bedingt durch die Förderung über die Einspeisevergütung (siehe oben) – nirgends in der Welt so viele Solarstromanlagen ans Netz genommen wie in Deutschland. Auch die nach Angaben der Projektentwickler mit vierzig Megawatt derzeit größte Photovoltaik-Anlage der Welt wird in Deutschland errichtet.[35][36] Erhebungen der Zeitschrift Photon zufolge wurden knapp die Hälfte aller weltweit produzierten Solarzellen im vergangenen Jahr auf deutschen Dächern und Freiflächen installiert. Das mit 1 GW derzeit größte angekündigte Photovoltaik-Kraftwerk soll allerdings in China errichtet werden und eine in Kalifornien geplante 500-Megawatt-Anlage noch übertreffen.[37]

Während in Deutschland im Jahr 2006 die größte Zahl von Solarstromanlagen installiert wurde, haben die chinesischen Hersteller von Solarzellen 2007 erstmals die weltweite Führungsposition bei der Produktion errungen. Wie aus einer internationalen Markterhebung der Zeitschrift Photon International[38] hervorgeht, wurden im vergangenen Jahr 28 Prozent aller Solarzellen von chinesischen Unternehmen produziert, 22 Prozent von japanischen und 21 Prozent von deutschen. Insgesamt wurden im Jahr 2007 weltweit Solarzellen mit einer Nennleistung von 4.279 Megawatt (MW) hergestellt. Im Jahr 2008 waren es schon ungefähr 7.900 MW.[39]

Zwar war die größte Herstellernation für Solarzellen im Jahr 2007 China, doch der weltgrößte Hersteller von Solarzellen war mit 389 MW die Q-Cells AG aus Deutschland – knapp gefolgt von Sharp (Japan 363 MW) und Suntech (China 336 MW). Q-Cells konnte seine Produktion gegenüber 2006 (253 Megawatt, damals Platz zwei hinter Sharp) um rund 53 Prozent steigern. Suntech gelang gegenüber den 160 Megawatt des Vorjahres (Platz vier) mit einer Steigerung von 110 Prozent eine noch weitaus schnellere Expansion. Beide Unternehmen verdanken ihre Spitzenplätze indes auch der Tatsache, dass Sharp im Vergleich zu den 435 Megawatt des Jahres 2006 um 16 Prozent nachließ – ein krasser Misserfolg, der vermutlich vor allem auf Fehler bei der Versorgung mit Rohsilizium zurückzuführen war.

Schreibweise

Der Begriff der Photovoltaik geht auf den griechischen Begriff phōtos (φωτός, Licht) zurück und wird üblicherweise mit PV abgekürzt. Unter der deutschen Rechtschreibereform (Stand 2006) ist die Schreibweise Fotovoltaik neu die Hauptform, Photovoltaik jedoch eine weiterhin zulässige Nebenform. Die Hauptform Fotovoltaik ist jedoch im Deutschen Sprachraum[40] und auch unter Fachleuten die weitaus ungebräuchlichere Variante als Photovoltaik. Die Abkürzung FV ist noch ungebräuchlicher als PV. International sind Schreibweisen sowohl mit Ph- (englisch photovoltaics) als auch mit F- (spanisch fotovoltaica) anzutreffen. Auch im Spanischen ist PV eine verbreitete gebräuchliche Abkürzung für Photovoltaik.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ Bekanntmachung des BMBF zur Förderinitiative Organische Photovoltaik
  2. ↑ Meldung auf Heise Online zur Förderinitiative Organische Photovoltaik des BMBF
  3. ↑ a b Photovoltaic energy barometer 2008 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 184, S. 49-65, 4/2008
  4. ↑ Photovoltaic energy barometer 2007 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 178, S. 49-70, 4/2007
  5. ↑ http://www.test.de/themen/bauen-finanzieren/meldung/-Solarstrom/1386918/1386918/1391398/
  6. ↑ [1] BMWi Energiestatistiken, S. 20
  7. ↑ BMU (2008): Erneuerbare Energien in Zahlen, online (PDF)
  8. ↑ PV potential estimation utility
  9. ↑ sciencedaily.com: University Of Delaware-led Team Sets Solar Cell Record
  10. ↑ heise.de: Die effizienteste Solarzelle der Welt
  11. ↑ Mehr als 2300 Quadratkilometer Gebäudefläch nutzbar Pressemitteilung der Ecofys Germany GmbH
  12. ↑ http://www.tvt.rwth-aachen.de/akzente/akzente06/frame6_1_7.htm
  13. ↑ Nano auf 3sat vom 14.02.2008, Bericht über das Sun-Area-Forschungsprojekt von Prof. Dr. Martina Klärle (Fachhochschule Osnabrück)
  14. ↑ Fachhochschule Osnabrück, Fakultät Agrarwissenschaften & Landschaftsarchitektur, Website zum Projekt Sun-Area unter http://www.al.fh-osnabrueck.de/sun-area.html
  15. ↑ Leistungsstarke Allrad-Sportlimousine mit Elektroantrieb Pressemitteilung der MITSUBISHI MOTORS Deutschland GmbH
  16. ↑ HGU (Hydrogen gas generating unit) GS Yuasa Power Supply Ltd. Industry Business Unit
  17. ↑ Nadine May: Ökobilanz eines Solarstromtransfers von Nordafrika nach Europa. (PDF, 6,0 MB) Diplomarbeit an der TU Braunschweig, 2005.
  18. ↑ Nano auf 3sat vom 14.02.2008, Bericht über das Sun-Area Forschungsprojekt von Prof. Dr. Martina Klärle (Fachhochschule Osnabrück)
  19. ↑ Heise: Photovoltaik-Boom sorgt für mehr CO2-Emissionen, 29.03.2007
  20. ↑ Europäischer Druckwasserreaktor: Aktuelle Investitionskosten des neuen Kernkraftwerkes Olkiluoto 3
  21. ↑ Preisentwicklung Windkraft pro kWp
  22. ↑ [2] BMWi Energiestatistiken, S. 20
  23. ↑ [3] Bericht Bremer Energie Institut 2007
  24. ↑ Externe Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Vergleich zur Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern
  25. ↑ a b Atlas „Geografie der erneuerbaren Energien“
  26. ↑ Solarmodule in Japan teils nur halb so teuer wie in Deutschland
  27. ↑ KfW-Förderbank Konditionenübersicht „Solarstrom erzeugen“
  28. ↑ Fehlender Parameter "zugriff", oder "zugriff-jahr" (Hilfe) Entwicklung der reinen Herstellungskosten für Solarstrom.
  29. ↑ Photon 3/2006, S. 52
  30. ↑ Meldung der DGS
  31. ↑ http://www.welt.de/welt_print/article1802270/Schattenspiele_der_Solarwirtschaft.html
  32. ↑ Photon 4/2006, S. 121
  33. ↑ Übersicht der Fördermöglichkeiten für Photovoltaikanlagen in Deutschland
  34. ↑ Photon 5/2007, S. 16ff
  35. ↑ Kurzinfo über Energiepark Waldpolenz (bei Leipzig).
  36. ↑ Solarenergieprojekte von juwi
  37. ↑ Chinesen planen größtes Solarkraftwerk der Welt, Der Spiegel, 03. Januar 2009
  38. ↑ http://www.photon.de/presse/mitteilungen/herstellungsort_solarzellen_2007_grafik3.pdf
  39. ↑ Photon (2009): Verhaltenes Lächeln auf langen Gesichtern, Ausgabe 4/09
  40. ↑ Google-Suche im Deutschen Sprachraum (Top-Level-Domains .de, .at, .ch) ergibt 1,230,000 Treffer für Photovoltaik und 157,000 Treffer für Fotovoltaik. Stand Januar 2009]

Literatur

Weblinks


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