Fotovoltaik

Forschungsagenda liefert eine Vision für die Fotovoltaik in Europa

27.03.2008 | Autor / Redakteur: Rolf Hug mit Material der SRA und EPIA* / Andreas Mühlbauer

Bild: Schott
Bild: Schott

Die Europäische Fotovoltaik-Technologieplattform hat im Juni 2007 eine strategische Forschungsagenda veröffentlicht. Das Dokument hat das Ziel, Europas Führungsrolle in der Fotovoltaik zu festigen und setzt kurz-, mittel- und langfristige Forschungsprioritäten. Die Botschaft der „Strategic Research Agenda“ (SRA) ist eindeutig: Solarstrom kann in Südeuropa bis 2015 wettbewerbsfähig mit konventioneller Stromerzeugung werden – und bis 2020 in fast ganz Europa.

Die Wettbewerbsfähigkeit (Grid Parity) ist laut Technologieplattform durch eine starke Marktentwicklung zu erreichen - wenn die nötigen Markteinführungsinstrumente in so vielen europäischen Ländern wie möglich eingeführt sind, wie beispielsweise das deutsche Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

In diesem Fall erwartet die European Photovoltaic Technology Platform (EU PVTP) in den Jahren bis 2010 jeweils ein Marktwachstum von durchschnittlich 80%. Um Solarstrom konkurrenzfähig zu machen, seien zudem öffentliche Forschungsprogramme erforderlich, kombiniert mit einer Verdoppelung der Mittel für Forschung und Entwicklung. Nur so könnten die ehrgeizigen SRA-Ziele erreicht werden, betont EU PVTP.

Solarstrom wird langfristig die wichtigste Primärenergiequelle im weltweiten Energiemix sein, so die Prognose des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU). Im Jahr 2050 wird nach dieser Prognose Solarstrom bereits 24 Prozent, bis zum Jahr 2100 63 Prozent zur weltweiten Energieerzeugung beitragen. Die konventionellen Energieträger verlieren dagegen stark an Bedeutung.
Solarstrom wird langfristig die wichtigste Primärenergiequelle im weltweiten Energiemix sein, so die Prognose des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU). Im Jahr 2050 wird nach dieser Prognose Solarstrom bereits 24 Prozent, bis zum Jahr 2100 63 Prozent zur weltweiten Energieerzeugung beitragen. Die konventionellen Energieträger verlieren dagegen stark an Bedeutung.

Der Solar-Report 11/2007 fasst die wichtigsten Aspekte der SRA zusammen, mit denen die schnelle Entwicklung einer wettbewerbsfähigen Fotovoltaik-Technologie von Weltrang unterstützt werden soll. Außerdem werden einige Forschungsansätze beleuchtet, sowohl mit Blick auf die herkömmliche PV-Technologie als auch die Fotovoltaik der Zukunft.

Weiterentwicklung von Solaranlagen und Kostensenkung im Mittelpunkt

Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom ist ein äußerst elegantes Verfahren, um umweltfreundlich erneuerbare Energie zu gewinnen. Fotovoltaikanlagen sind modular aufgebaut und arbeiten leise. Obwohl verlässliche, technisch ausgereifte PV-Systeme längst auf dem Markt sind, ist die Weiterentwicklung der Solarstromtechnik von wesentlicher Bedeutung, wenn die Fotovoltaik eine der tragenden Säulen der Energieversorgung werden soll.

Die gegenwärtigen Preise netzgekoppelter Solarstromanlagen sind laut EU PVTP bereits niedrig genug, um mit dem Strompreis zu Spitzenlastzeiten zu konkurrieren; auch autarke Solarstromanlagen können zum Beispiel mit dem Preis von Strom aus Dieselgeneratoren mithalten. Doch noch immer ist Solarstrom nicht so günstig wie der Endkunden- oder Großhandelspreis.

Die Systemkosten für Solarstromanlagen sind in Deutschland niedriger als im Ausland. Dies belegen aktuelle Zahlen der Internationalen Energie Agentur (IEA). Grund: Das Erneuerbare-Energien-Gesetz EEG. Durch die jährlich sinkenden Einspeisevergütungen und neue Hightechfabriken konnten die Preise gesenkt werden.
Die Systemkosten für Solarstromanlagen sind in Deutschland niedriger als im Ausland. Dies belegen aktuelle Zahlen der Internationalen Energie Agentur (IEA). Grund: Das Erneuerbare-Energien-Gesetz EEG. Durch die jährlich sinkenden Einspeisevergütungen und neue Hightechfabriken konnten die Preise gesenkt werden.

Deshalb müssen die Kosten schlüsselfertiger Fotovoltaikanlagen weiter gesenkt werden, was glücklicherweise möglich sei, betont die Technologieplattform. Die Weiterentwicklung ist für die europäische PV-Industrie wichtig, um ihre Position auf dem Weltmarkt zu stärken, auf dem ein starker Wettbewerb herrscht und der durch eine hohe Innovationsdynamik gekennzeichnet ist.

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Systempreis im Jahr 2015 zwischen zwei und vier Euro/Wp

Gegenwärtig liegen die Preise schlüsselfertiger PV-Anlagen zwischen 4 und 8 € pro Watt Spitzenleistung (Wp), abhängig vom Typ, von der Größe, vom Standort und weiteren Faktoren. 5 € pro Watt peak sind laut EU-PVTP aktuell durchaus repräsentativ, die Preise vergleichbarer Systeme im Jahr 2015 könnten sich zwischen 2 und 4 €/Wp einpendeln.

Um statt des Systempreises die Stromproduktionskosten als Grundlage für Vergleiche zu ermitteln, geht die EU PVTP von einer durchschnittlichen „Performance Ratio“ von 75% aus (Verhältnis von Nutzertrag und Sollertrag einer Anlage), das heißt konkret einem Ertrag von 750 kWh pro installiertem Kilowatt Leistung und Jahr bei einer jährlichen Sonneneinstrahlung von 1000 kWh/m2. In Südeuropa mit einer durchschnittlichen Sonneneinstrahlung von 1700 kWh/m2 und Jahr entspricht diese Performance Ratio 1275 kWh pro installiertem Kilowatt Leistung und Jahr.

Vor diesem Hintergrund ist das vorrangige und allgemeine Ziel die Wettbewerbsfähigkeit von Solarstrom mit dem Strompreis von Endkunden bis zum Jahr 2015. Weitere Preissenkungen in den folgenden Jahren lassen erwarten, dass die Grid Parity bis 2020 in ganz Europa erreicht wird. Große PV-Kraftwerke, speziell Solarparks, werden Solarstrom generell billiger produzieren müssen, damit von einer Wettbewerbsfähigkeit gesprochen werden kann.

Unterschiedliche Technologien mit großem Potenzial

Mit Blick auf Solarzellen und Module unterscheidet die EU PVTP herkömmliche Technik (Siliziumwafer-basiert, Silizium-Dünnschicht, CIGSS und CdTe) sowie neue Technologien wie beispielsweise die Organische Fotovoltaik oder Konzentratorsysteme.

Gegenwärtig zeigen laut EU PVTP die Investitionen in Produktionsanlagen, die weltweit getätigt werden, dass vielen unterschiedlichen Technologien ein großes Potenzial zugesprochen wird. Der Weiterentwicklung der Fotovoltaik sei dementsprechend am besten damit gedient, wenn darauf geachtet wird, in welchem Umfang ein qualifiziertes Forschungsvorhaben zu den Gesamtzielen beitragen kann und wie stark es unterstützt wird.

Forschung und Entwicklung der nächsten Jahrzehnte

Die wichtigsten Ziele der „Strategic Research Agenda“ (SRA)
Die wichtigsten Ziele der „Strategic Research Agenda“ (SRA)

Die SRA schildert die zentralen Forschungsaufgaben der kommenden Jahre, die im Folgenden schlaglichtartig beleuchtet werden. Die Forschung und Entwicklung konzentriert sich grundsätzlich auf den Wirkungsgrad, den Energieertrag, die Stabilität und die Haltbarkeit von Fotovoltaikanlagen. Dabei geht es vor allem darum, die Kombinationen dieser Parameter zu optimieren.

Weil die Forschung jedoch in erster Linie auf eine Kostensenkung abhebt, ist es entscheidend, nicht nur auf die Investitionskosten der installierten Leistung zu achten (€/Wp), sondern auch auf die während des kompletten Betriebs möglichen Erträge (kWh/Wp). Eine hochproduktive Fertigung einschließlich laufender Überwachung des Prozesses, des Durchsatzes und der Produktionsleistung sind wichtige Parameter einer kostengünstigen Herstellung und wesentlich zur Erreichung der Kostenziele.

Um die Montagekosten weiter zu senken, ist die Angleichung und die Standardisierung der physikalischen und elektrischen Charakteristika von Solarmodulen wichtig. Die einfache Installation sowie die ästhetischen Qualitäten der Module und Systeme sind von herausragender Bedeutung, wenn diese im großen Maßstab in der vom Menschen geprägten Umwelt eingesetzt werden sollen.

Siliziumwafer-basierte Fotovoltaik herrscht vor

Die Produktion von Solarzellen in deutschen Fabriken ist seit 1999 von manufakturähnlichen Verhältnissen zu großindustriellen Ausmaßen angewachsen.
Die Produktion von Solarzellen in deutschen Fabriken ist seit 1999 von manufakturähnlichen Verhältnissen zu großindustriellen Ausmaßen angewachsen.

Vorrangige Forschungsziele der Fotovoltaik auf der Grundlage von kristallinem Silizium sind die Reduzierung des Bedarfs an Solar-Silizium und der Materialien für das Modul. Deshalb werden alternative Technologien und Rohmaterialien für die Waferproduktion entwickelt oder herkömmliche Verfahren verbessert. Auch am Ersatz der herkömmlichen Wafer wird gearbeitet. Dabei gilt es, sowohl die Kosten als auch die Qualität im Auge zu behalten.

Seit Beginn der breiten Nutzung der Fotovoltaik dominieren Silizium-Solarzellen. Sie sind verfügbar, verlässlich und ihre physikalischen Eigenschaften sind weitgehend erforscht. Die Lernkurve für siliziumbasierte Fotovoltaik erstreckt sich über drei Jahrzehnte und zeigt, dass die Kosten mit jeder Verdoppelung der installierten Leistung um 20% gesunken sind.

Zwei Treiber bewirken dies: die Größe der Märkte und technischer Fortschritt. Diese Erfolge sind kein Zufall, sondern Ergebnis der zeitgleichen Kombination von Marktanreizprogrammen, Forschung und Entwicklung sowie Demonstrationsprojekten mit öffentlicher und privater Unterstützung.

Wafer werden immer dünner und größer

Der Silizium-Wafer ist die Grundlage der Si-Solarzellen Bild: Schott
Der Silizium-Wafer ist die Grundlage der Si-Solarzellen Bild: Schott

Die kristallinen Wafer wurden immer dünner: Statt 400 µm im Jahr 1990 waren ihre Nachfolger 2006 nur noch 200 µm stark, und gleichzeitig konnte die Fläche von 100 auf 240 cm2 mehr als verdoppelt werden. Der Wirkungsgrad stieg von 10% im Jahr 1990 auf gegenwärtig durchschnittlich 13%, wobei die besten Ergebnisse sogar 17% übertrafen. Die Hersteller steigerten ihre durchschnittliche Produktion von jährlich 1 bis 5 MWp im Jahr 1990 auf hunderte MWp – und Pläne für Gigawatt-Fabriken wurden bereits angekündigt.

In der industriellen Fertigung soll der Solarsilizium-Vebrauch in der Zeit von 2008 bis 2012 auf 5 g/Wp sinken, die Wafer-Stärke soll weniger als 150 µm betragen. Ab 2020 sollen weniger als 2 g/Wp möglich und die Wafer dünner als 100 µm sein.

Modulwirkungsgrad von 25 Prozent als Ziel

Auch bei kristallinen Solarmodulen können ein hoher Produktionsdurchsatz, hohe Produktionsraten und integrierte industrielle Fertigung Kosten sparen. Langfristig stehen auch neue Konzepte für Solarmodule und -zellen auf der Tagesordnung. Laut SRA kann eine Steigerung des Wirkungsgrades um 1% die Kosten um 5 bis 7% senken. Kleine Solarzellen, die in teuren Reinraumfabriken mit Vakuum-Technologie zur Aufbringung der Metallkontakte produziert wurden, haben bereits Wirkungsgrade von bis zu 24,7% erreicht. Kurzfristig soll der Modulwirkungsgrad 17% übertreffen, von 2013 bis 2020 höher als 20% sein, und bis 2030 werden mehr als 25% angestrebt.

Den vollständigen Artikel mit vielen weiteren Informationen – unter anderem über die Perspektiven der Dünnschicht-Solarzellen, Fotovoltaik-Technologien der Zukunft sowie die weltweite Marktentwicklung der Fotovoltaik – können Sie auf Solarserver.de unter unten angegebenem Link lesen.

*Rolf Hug ist Geschäftsführer und Chefredakteur des Online-Portals Solarserver.de der Heindl Server GmbH

 

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz

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