Eine sonnige Zukunft – Wie sieht die Zukunft der Solarenergie aus?

Die Sonne ist eine der bekanntesten Quellen für erneuerbare Energie. Trotzdem werden gerade einmal 3 Prozent der weltweiten Elektrizität aus Solarenergie gewonnen. Wie kann sie sich weiter entwickeln?

Autor Mark Newton:

Übersetzung Sarah-Indra Jungblut, 20.06.22

Seit jeher spielt die Sonne für die Menschheit eine zentrale Rolle, sei es in der Landwirtschaft, in der religiösen Verehrung oder einfach als Wärmespender. In den letzten Jahrzehnten ist sie jedoch auch zu einer der wichtigsten Quellen für erneuerbare Energie geworden. Doch tatsächlich machen wir uns die Kraft der Sonne schon viel länger zunutze. Bereits im 7. Jahrhundert v. Chr. nutzten die Menschen wahrscheinlich die Sonne, um Feuer zu entfachen, und im 3. Jahrhundert v. Chr. gab es in einigen griechischen Tempeln spezielle Spiegel, die Fackeln entzündeten.

Ende des 19. Jahrhunderts wurde die Sonne dann als potenzielle Quelle der neu entdeckten Elektrizität anerkannt. In den 1870er Jahren erkannte man, dass Selen – ein Nebenprodukt des Bergbaus – photovoltaische (PV) Eigenschaften aufweist und zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Aber erst in den 1950er Jahren entstand die Solarenergie, wie wir sie heute kennen: 1953 stellten die Bell Labs die ersten PV-Paneele auf Siliziumbasis her, die mit einem Wirkungsgrad von etwa vier Prozent Strom erzeugen konnten.

Das späte 20. Jahrhundert war jedoch noch das Zeitalter der fossilen Brennstoffe, und die Solarenergie wurde nur in Situationen genutzt, in denen diese unpraktisch waren – wie im Weltraum. In den späten 50er und 60er Jahren wurden PV-Paneele zu einem vertrauten Anblick auf Satelliten und Raumfahrzeugen wie Vanguard 2, Explorer 3 und Sputnik-3.

In den 1970er und 80er Jahren folgten weitere Experimente mit Solarzellen, u. a. mit dem ersten solarbetriebenen Flugzeug, der Steigerung der Effizienz und der Installation auf dem Weißen Haus. Die Paneele wurden später von Reagan entfernt, um dann unter Obama wieder installiert zu werden.

Wo steht die Solarenergie heute?

Heute ist die Solarenergie nach der Wasserkraft und der Windenergie die drittgrößte erneuerbare Energiequelle. Insgesamt deckt sie etwa 3,1 Prozent des weltweiten Strombedarfs. Sie ist jedoch auch eine der Energiequellen mit dem weltweit stärksten Wachstum.

2010 wurden weltweit 32,2 Terawattstunden durch Solarmodule erzeugt. Allein im Jahr 2020 wuchs die Solarstromerzeugung um 156 TWh, ein rekordverdächtiger Anstieg um 23 Prozent. Dieser Boom ist vor allem dem anhaltenden Rückgang der Kosten für Solarstrom und den enormen Investitionen in China, den USA und Vietnam zu verdanken. China allein war für 75 Prozent des neuen Solarstroms in den Jahren 2019-2020 verantwortlich, ebenso wie für die starke Zunahme der Windenergie. In den USA stieg die Solarenergie im Jahr 2020 um 45 Prozent.

Um das Netto-Null-Ziel der Internationalen Energieagentur bis 2050 zu erreichen, müsste die Solarenergie bis 2030 rund 8000 TWh erzeugen. Dies würde eine jährliche Steigerung von 24 Prozent im nächsten Jahrzehnt erfordern. Doch auch wenn die jüngsten Statistiken den Eindruck erwecken, dass wir uns auf dem Weg zu diesem Ziel befinden, ist die Realität etwas komplexer.

Ähnlich wie der Aufschwung bei der Windenergie könnte auch der jüngste Boom bei der Solarenergie von kurzer Dauer sein. Die beeindruckenden Statistiken sind größtenteils darauf zurückzuführen, dass die chinesischen Einspeisetarife, mit denen Anreize für die Entwicklung erneuerbarer Energien geschaffen werden sollten, bis 2020 ausgelaufen sind und viele Projekte unter Hochdruck bis Zeitpunkt umgesetzt wurden. Auch in den USA laufen 2022 ähnliche Programme aus. Zum Teil ist das starke Wachstum aber auch auf den niedrigen Startpunkt der Solarenergie zurückzuführen. Mit zunehmender Expansion des Sektors wird es wahrscheinlich schwieriger werden, diesen Schwung beizubehalten.

Dennoch geht die IEA davon aus, dass die Solarenergie auch in Zukunft weiter expandieren und zu einer der führenden Technologien in einer Zukunft der erneuerbaren Energien werden wird, insbesondere angesichts der steigenden Kosten anderer Energiequellen: „In unserer Hauptprognose für den Zeitraum 2021 bis 2026 erwarten wir, dass der durchschnittliche jährliche Zubau an erneuerbaren Kapazitäten 305 GW erreichen wird, was 58 Prozent über dem Wert der letzten fünf Jahre liegt. Trotz der steigenden Rohstoffpreise, die sich zunehmend auf die Investitionskosten der Photovoltaik auswirken, erwarten wir ein jährliches Marktwachstum von 17 Prozent auf fast 160 GW im Jahr 2021 und einen Zubau von fast 200 GW im Jahr 2026. In der überwiegenden Mehrheit der Länder weltweit bietet die Solar-PV die niedrigsten Kosten für den Ausbau neuer Stromkapazitäten, insbesondere vor dem Hintergrund steigender Erdgaspreise.“

Die Herausforderungen der Solarenergie

Obwohl die Kosten für die Solartechnologie erheblich gesunken sind – um etwa 80 Prozent seit 2010-, gibt es andere, lang anhaltende Herausforderungen für den Solarsektor. Die Überwindung einiger dieser Herausforderungen wird entscheidend sein, um die Solarenergie in den nächsten Jahrzehnten voranzubringen.

Eines der wichtigsten Probleme ist der Wirkungsgrad von Solarmodulen. Obwohl sich ihr Wirkungsgrad in den letzten Jahrzehnten stark verbessert hat, ist er immer noch weit vom Optimum entfernt. Moderne Solarmodule für Endverbraucher*innen arbeiten nur mit einem Wirkungsgrad von etwa 17 bis 19 Prozent, was bedeutet, dass ein großer Teil der Sonnenenergie, die auf die Paneele einstrahlt, verloren geht. Obwohl dieser Wirkungsgrad immer noch hoch genug ist, um die Solarenergie als brauchbare Energiequelle zu nutzen, sind dem Sektor in Bezug auf Kosten, Platzbedarf und Investitionsrentabilität damit Grenzen gesetzt.

Die Solarenergie müsste ihren Wirkungsgrad mehr als verdoppeln, bevor sie mit ihren Konkurrenten, sowohl den erneuerbaren als auch den fossilen Energien, mithalten kann. Windturbinen arbeiten mit einem Wirkungsgrad von etwa 20 bis 40 Prozent, Kohlekraftwerke können sogar einen Wirkungsgrad von 59 Prozent erreichen. Die Kernenergie liegt mit rund 91 Prozent weit vorne. Vor allem für Energieunternehmen, die Gewinne erzielen wollen, sind diese Zahlen von Bedeutung.

Und dann ist da natürlich noch das Problem, das viele Formen der erneuerbaren Energien plagt: ihre unstete Natur. Wenn die Sonne nicht scheint oder Wolken den Himmel bedecken, wird die Solarenergie erheblich behindert. Das bedeutet, dass nur bestimmte Gebiete der Welt für groß angelegte Solarprojekte geeignet sind. Dies schränkt die Verbreitung der Solarenergie stark ein, vor allem auf der Ebene der privaten Haushalte. Und selbst unter optimalen Bedingungen können Solarmodule nur etwa 12 Stunden am Tag Strom erzeugen, was bedeutet, dass sie als alleinige Energiequelle für die Versorgung großer Gemeinden unzuverlässig sind. Die Schwierigkeit, erneuerbare Energie zu speichern, bedeutet, dass der Strom oft sofort ins Netz eingespeist wird, was dazu führt, dass Solarenergie zu verschiedenen Jahres- und sogar Tageszeiten zu wenig oder zu viel Strom liefert.

Angesichts des geringen Wirkungsgrads und der schwankenden Ausbeute der Solarenergie ist der Bau von Solarparks in großem Maßstab oft die Lösung. Viele der größten Solarparks der Welt, wie zum Beispiel die Bhadla-Solaranlage in Indien, erstrecken sich über Tausende von Hektar. Die Suche nach geeigneten Flächen, insbesondere für kleinere Länder, ist daher ein ständiges Problem. In jüngster Zeit hat sich die Agrovoltaik – die Kombination von Landwirtschaft und Solarstromerzeugung – zu einer potenziellen Lösung entwickelt, doch Studien haben gezeigt, dass sie noch lange nicht perfekt ist. Agrovoltaik-Farmen produzieren aktuell (noch) sowohl Nahrungsmittel als auch Elektrizität in einem reduzierten und ineffizienten Tempo zu einem hohen Preis.

Diese Probleme bringen auch ökologische Bedenken mit sich. Großflächige Solarparks sind ein Eingriff in die Natur, der abgewogen werden muss. Zudem werden bei der Herstellung einiger PV-Anlagen auch gefährliche Stoffe wie Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Fluorwasserstoff und Galliumarsenid verwendet. Diese Chemikalien können bei Beschädigung oder Entsorgung aus den Paneelen freigesetzt werden, so dass entsprechende Vorsicht und Vorschriften eingehalten werden sollten. In entsprechender Rahmen existiert jedoch nicht überall.

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Im Vergleich zu anderen Energiequellen hat die Solarenergie jedoch einige große Vorteile. Obwohl ihr Wirkungsgrad niedrig sein mag, sind Solarmodule relativ zuverlässig, was Wartung und Instandhaltung angeht. Im Vergleich zu Windturbinen können Solarmodule rauen Wetterbedingungen standhalten, und wenn ein Modul beschädigt wird, ist nur ein Teil der Gesamterzeugung betroffen, nicht die gesamte Anlage. Das bedeutet, dass Solarenergie sogar im Vergleich zu fossilen Brennstoffen erstaunlich robust ist. Solarenergie hat außerdem einen geringen Wasserbedarf, was sie ideal für Wüsten- und Dürregebiete macht. Darüber hinaus benötigen Solarparks, obwohl sie viel Platz beanspruchen, nur wenig zusätzliches Land in Bezug auf Infrastruktur, Bergbau oder Logistik.

Eine neue Ära der Solarenergie?

Natürlich werden rund um den Globus Versuche unternommen, diese Herausforderungen zu überwinden. Was die Effizienz betrifft, so gibt es zwar effizientere Solarmodule, doch sind diese meist noch sehr teuer. Eine Senkung der Kosten für diese teureren Paneele oder die Nachahmung ihrer Eigenschaften auf andere Weise könnte dazu beitragen, die Gesamteffizienz von PV-Anlagen für Verbraucher*innen zu erhöhen. Wie Professor Andreas Bett, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, gegenüber The Smarter Europe erklärte, liegt die Antwort in weiterer Forschung und Entwicklung: „In der Branche haben wir in den letzten zehn Jahren eine durchschnittliche jährliche Effizienzsteigerung von 0,5 – 0,6 Prozent auf Zellebene erreicht. Das ist mehr als beeindruckend. Um die Jahrtausendwende waren Solarzellen mit Aluminium-Rückseitenfeld der Industriestandard. Der Wirkungsgrad erreichte schließlich einen Spitzenwert von 20 Prozent, bevor die Industrie an strukturelle Grenzen stieß. Es gab einfach keine Möglichkeit, den Wirkungsgrad mit dieser Zellarchitektur weiter zu verbessern, so dass eine neue Technologie die einzige Lösung war.“

Darüber hinaus stößt der traditionelle Ansatz der Solarzellen aus einem einzigen Material an sein theoretisches Wirkungsgradmaximum, das so genannte Shockley-Queisser-Limit. Infolgedessen werden andere Materialien und Methoden erforscht. Eines davon sind Perowskite – extrem dünne Filme mit kristallähnlichen Strukturen, die bei schwachem Licht und bewölktem Himmel effizienter sind als Silizium-PVs. Ein großer zusätzlicher Vorteil von Perowskiten ist, dass sie günstig herzustellen sind, in großem Maßstab gedruckt werden können und flexibel genug sind, um eine Reihe von Objekten zu beschichten – von Gebäuden über Autos bis hin zu Kleidung. „Perowskit-Kristalle wurden in den letzten fünf oder sechs Jahren als effektives Material für Solarzellen identifiziert. Und die rasante Forschung, die dahinter steckt, hat zu erheblichen Effizienzsteigerungen geführt. Werden Perowskit-Kristalle oder -Schichten eingesetzt – auch ohne Silizium-Basisschicht – kann bereits ein Wirkungsgrad von 25 Prozent erreicht werden,“ so Professor Bett.

Perowskite können auch zu herkömmlichen Siliziumpaneelen als zusätzliche Stromerzeugungsschicht hinzugefügt werden. Werden die Materialien kombiniert, kann ein Hybrid-Solarmodul die Shockley-Queisser-Grenze durchbrechen.

Andere Methoden bestehen darin, die Kraft der Sonne auf kleinere Bereiche zu konzentrieren, um ihre Intensität und die erzeugte Energie zu erhöhen. Solche Methoden wurden bisher im Weltraum eingesetzt, wo Gewicht und Wartung weniger ein Problem darstellen, aber jetzt sind sie auch auf der Erde angekommen. Das schweizer Startup Insolight hat zum Beispiel ein Panel entwickelt, das speziell geformte Glaskugeln in einer Wabenstruktur enthält. Diese bündeln die Sonnenenergie bis zu 200-fach, was den Wirkungsgrad auf 29 Prozent erhöht.

Eine andere Methode ist von der Natur inspiriert. SunBOT ist ein Projekt der UCLA, bei dem kleine Solarpaneele entwickelt wurden, die sich auf einem Nanopolymerstamm bewegen können, der sich im Laufe des Tages ausdehnt und zusammenzieht. Ähnlich wie bei photosynthetischen Prozessen in Pflanzen können die kleinen Solarmodule der Sonne nachgeführt werden. Während herkömmliche Paneele nur etwa 24 Prozent der Sonnenstrahlen aufnehmen, kann der SunBOT diesen Anteil auf 90 Prozent erhöhen.

Die Technologie ist jedoch nicht auf Fortschritte bei der Effizienz beschränkt. Andere aktuelle Projekte erforschen neue Wege und Orte, um Solarenergie zu erzeugen. Village Data Analytics beispielsweise nutzt Satelliten und maschinelles Lernens, um netzferne Gemeinden und in Afrika zu identifizieren und Solarentwickler*innen in die Gebiete zu lenken, die am meisten von der Solarenergie profitieren. Andernorts werden Satelliten und künstliche Intelligenz auch eingesetzt, um die Anzahl der aktuellen Solarpaneele auf der ganzen Welt genau zu zählen und den künftigen Ausbau zu planen.

Da der Platz immer knapper wird, wird mit Solarenergie auch Neuland erkundet. So bieten beispielsweise unsere Meere, Seen und Ozeane potenzielle Möglichkeiten für schwimmende Solarenergie in großem Maßstab. Eine Studie hat ergeben, dass nur 10 Prozent der Wasserreservoirs der Welt mit schwimmenden Solarpanelen bedeckt sein müssten, um rund 4.000 GW an Solarkapazität zu installieren. Das entspricht der Stromerzeugungskapazität aller weltweit in Betrieb befindlichen Kraftwerke für fossile Brennstoffe. Andere Ansätze sehen vor, die Solarkapazität über Perowskit-Schichten, solarbetriebene Fahrzeuge und Straßen oder Solarpaneel-Ziegel in der gesamten Stadt zu installieren. Damit könnte nicht nur jede Straße in einen Solarpark verwandelt, sondern auch die künftige Entwicklung einer intelligenten Stadtinfrastruktur vorangetrieben werden.

Andere Entwicklungen zielen darauf ab, die Bedingungen zu erweitern, unter denen Solarenergie funktionieren kann. Experimentelle Paneele sollen zum Beispiel aus der Reibung von fallendem Regen oder sogar bei vollständiger Schneedecke Strom erzeugen können. Entwicklungen wie diese könnten die Regionen, in denen die Solarenergie genutzt werden kann, erheblich erweitern, denn tatsächlich funktionieren Solarzellen am besten unter kälteren und feuchten Bedingungen. In diesem Zusammenhang wurden auch Agro-Photovoltaik als mögliche Lösung für den Bau von Solarfarmen erforscht, da Bauernhöfe oft feucht und nass sind, womit sie ein kühlendes Mikroklima schaffen, von dem Solarmodule profitieren.

Aber natürlich kann ein mit PV-Paneelen bedecktes Feld zwar Strom erzeugen, aber nur wenig anderes. Projekte wie Tubesolar haben röhrenförmige Solarpaneele entwickelt, die in Gittern über bestehenden Pflanzen angebracht werden können. Sie lassen Luft, Wasser und Sonnenlicht zu den darunter liegenden Pflanzen gelangen und schützen sie gleichzeitig vor extremen Wetterbedingungen. Das TubeSolar-Team gibt an, dass seine Paneele genauso viel Strom erzeugen wie herkömmliche Paneele und sogar die Ernteerträge steigern können.

Darüber hinaus wurden selbstreparierende Solarzellen erforscht, um die Unterhaltskosten zu senken und das Auslaufen gefährlicher Chemikalien zu verhindern.

Die vielleicht ehrgeizigsten zukünftigen Solarmodule sollen die Sonnenenergie zu ihren Wurzeln zurückbringen: in den Weltraum. In Experimenten, die derzeit noch weitgehend theoretisch sind, wird untersucht, wie die Sonnenenergie im Weltraum eingefangen und zur Nutzung auf der Erde zurückgebracht werden kann. Derzeit scheinen viele der Konzepte allerdings eher in Science-Fiction-Romanen zu Hause zu sein als in Wissenschaftszeitschriften. Die „Dyson-Sphäre“ beispielsweise stellt sich vor, Sterne in eine Megastruktur aus umlaufenden Sonnenkollektoren einzuschließen, um die Sonnenenergie näher an der Quelle zu gewinnen. Viel wahrscheinlicher ist es jedoch, Solarparks in der Erdumlaufbahn zu errichten – wo die Sonneneinstrahlung viel stärker ist – und die Energie irgendwie auf die Erdoberfläche zurückzubeamen.

Sowohl die USA als auch China suchen nach Möglichkeiten, genau dies zu tun. Derzeit werden die Einzelheiten beider Projekte noch unter Verschluss gehalten, aber wahrscheinlich handelt es sich um eine Kombination aus Spiegeln, schwärmenden Satelliten, Strahlungsschüsseln und riesigen Empfangsnetzen auf der Erdoberfläche – vielleicht in Wüsten und auf Ozeanen. Die Solarfarmen in der Erdumlaufbahn sollen bis zu 2000 Gigawatt Strom erzeugen können – der Weg dahin ist allerdings noch weit. Expert*innen gehen davon aus, dass die Technologie noch mindestens 30 Jahre entfernt ist und ihre Herstellung viele Milliarden Dollar kosten könnte – die vielleicht auch andernorts sinnvoller eingesetzt werden könnten.

Die effektivsten Lösungen für eine zügige Energiewende sehen wahrscheinlich anders aus. Auf lokaler Ebene kann die Entwicklung von Mini-Netzen auf Gemeindeebene, die oft durch zivilgesellschaftliche Technologien und digitale Werkzeuge unterstützt werden, dazu beitragen, dass die Solarenergie für Normalverbraucher*innen wesentlich rentabler wird. Durch die Bündelung von Ressourcen und die gemeinsame Übernahme von Verantwortung können Hausbesitzer*innen und Nachbar*innen die Dinge selbst in die Hand nehmen und sich gegenseitig bei der Schaffung der nächsten Generation von sauberer Solarenergie unterstützen.

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Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

Mehr Informationen hier.

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