Photovoltaische Solarenergie: Krise der Gegenwart und Technologie der Zukunft

Ist Solarenergie die Zukunft? Die Photovoltaik-Branche steckt zwar derzeit in der Krise. Die Technologie entwickelt sich aber stetig weiter, Solarzellen der neuesten Generation kommen auf den Markt und auch China möchte ab sofort in diesem Bereich mitmischen: All das könnte der Branche neues Leben einhauchen.

Beziehen wir in Zukunft alle unseren Strom aus Solaranlagen? Erdgas erfreut sich derzeit großer Beliebtheit und die Photovoltaik-Branche steckt seit 2011 in einer Krise. Es kommen aber Solarzellen der neuesten Generation auf den Markt und auch China könnte als neuer Akteur eine entscheidende Rolle spielen. Die Photovoltaik-Branche wird von zahlreichen wirtschaftlichen und technologischen Faktoren beeinflusst. Ein Überblick...

Die neuesten Technologien

ParisTech Review: Heute wird die meiste Solarenergie mit Silicium-Solarzellen der ersten Generation produziert. Aber es werden auch immer wieder Zellen der neueren Generation entwickelt. Können Sie uns einen kurzen Überblick darüber verschaffen, welche Technologien derzeit auf dem Markt erhältlich sind und was die Vor- und Nachteile sind?

Didier Roux: Silicium-Zellen haben sich bewährt und sind heute noch gebräuchlich. Sie gehören auch noch lange nicht der Vergangenheit an. Kurz zur Funktionsweise: Das Prinzip hinter Solarzellen ist simpel und seit dem 19. Jahrhundert bekannt, auch wenn wir erst seit Einstein die Physik des Lichts wirklich verstehen.

Licht besteht aus Photonen. Das sind kleine Elementarteilchen, die keine Masse besitzen. Im Kontakt mit Materie überträgt das Photon eine Energie und einen Impuls, etwa in der Form von Wärme. Diese Energie kann bei Elementhalbleitern wie dem Silicium der Masse Elektronen entreißen. Das nennt sich der photoelektrische Effekt, mit welchem Licht- in elektrische Energie umgewandelt wird. Solarzellen der ersten Generation kanalisieren diese Elektronen und wandeln sie in Gleichstrom um.

Aber warum Silicium? Einfach weil es in seiner elementaren Form einfach zu gewinnen ist (dank der Elektronikindustrie) und alle notwendigen Eigenschaften mitbringt. Es gibt verschiedene Konstellationen: Monokristalline Solarmodule sind teurer, bieten aber einen höheren Wirkungsgrad/m². Polykristalline Solarmodule sind weniger leistungsfähig aber auch kostengünstiger. Außerdem gibt es noch Solarmodule aus amorphem Silicium, die keine kristalline Struktur aufweisen. Der Wirkungsgrad dieser Solarmodule ist geringer. Solarzellen aus amorphem Silicium zählen zu den Solarzellen der zweiten Generation, auch Dünnschichtsolarzellen genannt.

Heute sind die Dünnschichtsolarzellen in aller Munde. Worum handelt es sich hierbei?

Sie haben recht, die Dünnschichtsolarzellen sind heute sehr beliebt. Einige Konzerne, etwa das US-Unternehmen First Solar oder das französische Unternehmen Saint-Gobain haben viel in diese Technologie investiert, weil sie viele Vorteile mit sich bringt.

Worum geht es dabei? Grundsätzlich geht es darum, sehr dünne Schichten im Bereich von wenigen Mikrometern auf ein Substrat (Glas, Metall, Kunststoff) aufzubringen. Für Industriezellen werden heute hauptsächlich zwei Arten von Materialien verwendet: Cadmiumtellurid (CdTe) oder Schichten aus vier Komponenten (Kupfer, Indium, Gallium und Selen).

Sie haben die Vorteile erwähnt: Wir wissen zum Beispiel, dass man mit diesem Verfahren Solarmodule mit einer viel größeren Oberfläche herstellen und vor allem leicht schneiden kann.

Der Hauptvorteil liegt darin, dass aufgrund der Menge des verwendeten Materials und der Depositionsverfahren diese Technologien in der industriellen Phase kostengünstiger sind. Sie sind nicht vollständig industriell ausgereift, aber angesichts der derzeitigen Anlagen sind die Fortschritte schnell. Die CdTe-Technologie ist bereits heute günstiger als die polykristalline Siliziumtechnologie.

Bevor wir uns mit der Marktlage und den Bedingungen für die Entwicklung dieser zweiten Generation befassen, können Sie uns etwas über die dritte und vierte Generation erzählen, die sich noch im F&E-Stadium befinden?

Sie haben Recht, wenn Sie darauf hinweisen: Wir sprechen von Technologien, die sich noch im Entwicklungsstadium befinden und nur im Labor existieren. Unter diesem gemeinsamen Begriff der "dritten Generation" werden ganz unterschiedliche Technologien zusammengefasst. In einigen Fällen verwenden sie organische Moleküle und/oder mineralische Nanopartikel. Diese Systeme sind in der Lage, Licht zu absorbieren und Elektronen zu transportieren. Dies sind komplexe Systeme, die eine gewisse intrinsische Empfindlichkeit gegenüber Strahlung aufweisen. Diese Technologien sind interessant, weil sie das Potenzial haben, sehr preiswert zu sein und Erträge von etwa 10% liefern können (z.B. bei Graetzelzellen). Aber sie stellen immer noch eine unbequeme, im Moment ungeklärte Situation dar, nämlich die Degradation des organischen Teils der Systeme. Dies führt zu einer sehr signifikant kürzeren Lebensdauer als die 20 bis 30 Jahre herkömmlicher Zellen.

Multi-Junction-Konzentrationszellen sind das, was ich die vierte Generation nenne: Sie bestehen aus einem Stapel von Schichten, die Energie aus den verschiedenen Teilen des Sonnenlichtspektrums gewinnen. Ihr größter Nachteil ist heute der sehr hohe Preis. Es gibt jedoch kein großes Hindernis, dass diese vierte Generation eines Tages profitabel sein wird. Es geht einfach darum, die Kosten auf allen Gliedern der Kette zu verbessern.

Aber noch eins: Diese Technologie wird weniger im Wettbewerb mit den bereits erwähnten Technologien stehen als mit der thermischen Solarenergie, manchmal mit einer Konzentration von CSP, für konzentrierte Solarenergie.

Warum?

Weil diese Technologien viel Sonnenlicht und Nachführsysteme erfordern, die es den Modulen ermöglichen, die Sonne zu verfolgen. Wir sind in einer ganz anderen Konfiguration mit dünnen Schichten, die für indirekte oder diffuse Strahlung effizient bleiben. Mehrfachanschlusszellen sind wie die konzentrierte Sonnenenergie nur bei sehr intensiver Strahlung wirklich effektiv. Sie sind gut an Wüstenregionen angepasst. Die beiden Technologien werden daher im Wettbewerb stehen.

Vor einigen Jahren waren große konzentrierte Solarprojekte in Mode. Heute scheint diese Technologie etwas veraltet.

Das stimmt, und es ist nicht sehr schwer zu verstehen: Wenn der CSP heute nicht steigt, ist die konventionelle Photovoltaik einfach profitabler geworden. So hat sich Siemens aus dem Desertec-Projekt zurückgezogen. Aber ich würde nicht über Verlassenheit sprechen. Wie der Solarofen Font-Romeu sind dies Pilotanlagen, bei denen noch viel zu tun bleibt. Obwohl die Solarenergie seit mehreren Jahrzehnten bekannt ist, hat sie technologisch gesehen nicht den industriellen Reifegrad der Photovoltaik. In der Weltproduktion sollte sie knapp 1% der installierten Photovoltaikkapazitäten ausmachen: Es gibt noch Verbesserungspotenzial.

Wir hören manchmal, dass die Einführung dieser Systeme in Wüstengebieten, weit weg von den Verbrauchsorten, eine erhebliche Investition in die Verteilung und damit zusätzliche Kosten mit sich bringt?

Es stimmt, die Idee, in Wüstengebieten zu produzieren und dann die westlichen Länder zu beliefern, hat den Nachteil, dass zusätzliche Transportverluste entstehen. Allerdings benötigen die Länder in der Nähe dieser verlassenen Gebiete zunehmend Strom und ihre Bevölkerung wächst rasant. Solarenergiekonzentrate, oder morgen Mehrfachanschlusszellen, können eine relevante Lösung für deren Versorgung darstellen. Die Forscher sind dran: Es gibt derzeit noch Probleme beim Transport aber viele arbeiten daran und haben auch schon passende Lösungen gefunden.

Mögliche Entwicklungen in der Solarenergie

Die intermittierende Natur der Produktion wird oft als eines der größten Hindernisse für die Entwicklung der Photovoltaik dargestellt.

Das ist richtig. Ein Wachstum der Solarstromerzeugung erfordert den Ausbau der Stromspeicherkapazitäten, dies ist eine der größten Herausforderungen für die Energieversorgung im Allgemeinen. Es gibt einige Lösungen: chemische Speicherung, z.B. über Wasserstoff, mechanische Speicherung... Aber im Moment sind diese Lösungen noch nicht industriell und ausgereift. Bei diesem Thema geht es auch nicht um mangelnden Ideenreichstum oder fehlende Kreativität. Es geht vielmehr darum, den profitablen Prozess auf dem Markt zu finden. Dieses Problem muss angegangen werden, und es besteht kein Zweifel daran, dass sich industrielle Lösungen entwickeln werden.

Es gibt auch das Problem der Verteilung, mit den berühmten Smart Grids?

Die beiden sind miteinander verbunden. Intelligente Netze, d.h. anspruchsvolle und Pilotnetze, sind notwendig, um Technologien zu akzeptieren, die immer weniger flexibel und im Netz verstreut sind. Es ist ein Element des Fortschritts. Aber es stellen sich auch Fragen: Müssen wir wirklich überall große Netzwerke aufbauen? Wäre es nicht sinnvoller, unabhängigere Systeme und Speicher zu entwickeln? In einem indischen Dorf ohne Strom, wenn Sie eine effiziente Speichermethode haben, können Sie sich vernünftigerweise die Frage stellen: Habe ich ein Interesse daran, an das Netz anzuschließen oder meinen Strom zu produzieren, ihn zu speichern und autonom zu sein? Es ist das gleiche Problem wie die drahtgebundene Telefonanlage im Vergleich zum Mobiltelefon. Es gibt Länder, die das Festnetz übersehen. Morgen werden wir vielleicht Länder sehen, die noch nicht in große Netze investiert haben, die es vorziehen, kleine autonome Netze anstelle großer Verbundnetze zu entwickeln. Vielleicht ist es das, was Smart Grids für sie bedeuten. Wenn wir heute wüssten, wie man zu vernünftigen Kosten lagert, gibt es viele Orte auf der Welt, an denen wir nicht an einer Vernetzung interessiert wären.

Die Gegner der Solarenergie weisen darauf hin, dass sie nach wie vor sehr teuer ist. Wann wird es ohne Subventionen rentabel sein?

Ich möchte zunächst dem Gerücht wiedersprechen, dass ein Photovoltaikmodul mehr Energie verbraucht, als es während seiner Existenz (etwa zehn Jahre) produziert. Das war in den 1960er Jahren der Fall, aber heute beträgt der so genannte "Energieertrag" je nach Region und Technologie ein bis drei Jahre.

Betrachten wir nun die Wettbewerbsfähigkeit der Solarenergie im Vergleich zu anderen Formen der Stromerzeugung. Es ist wichtig zu wissen, dass wir, wenn wir über Strom sprechen, nicht so denken sollten, ob es sich um ein Kollektorfeld handelt, das von einem Industrieunternehmen gebaut und betrieben wird, oder um das Dach einer Privatperson. Für ein Industrieunternehmen zählen die Kosten der Stromerzeugung im Vergleich zu einer anderen Technologie. Andererseits kommt für einen Privatmann der Preis ins Spiel, zu dem er seinen Strom kauft.

Beginnen wir mit Privatpersonen. Wir sprechen von Netzwerkparität, wenn die Produktionskosten gleich dem Marktpreis sind. Das bedeutet, dass die Relevanz der Solarenergie in den verschiedenen Ländern nicht gleich ist. In Frankreich zum Beispiel ermöglicht die Dominanz der Kernenergie es Privatpersonen nun, von einem eher billigen Strom zu profitieren. Aber der jüngste Rückgang der Photovoltaikkosten, auf den wir später zurückkommen werden, hat dazu beigetragen, die Situation zu ändern. Die Produktionskosten für eine Privatperson betragen durch die Glättung der Investitionen über 20 Jahre etwa 0,2 Euro pro kWh, während der Strompreis in Frankreich 0,1 Euro pro kWh beträgt. Also sind wir noch nicht auf der Netzwerkparität. Dies ist dagegen in Italien der Fall, sowohl weil der Strom teurer ist als auch weil es mehr Sonnenschein gibt. Auch Deutsche, die rund 0,3 Euro pro kWh bezahlen, sind am Netz, wie einige amerikanische Regionen, in Kalifornien oder Utah, aber noch nicht an der Ostküste.

Der spektakuläre Rückgang der Kosten für Module hat dazu beigetragen, die Wettbewerbsfähigkeit der Solarenergie zu erhöhen, aber die Auswirkungen dieses Rückgangs sollten nicht überschätzt werden. In Frankreich macht der Preis des Panels nur 20% der Investitionen für ein Dach und 50% für eine Produktionsstätte aus. Gerade bei den anderen werden daher Einsparungen erwartet: die Installation, die dazugehörige Ausrüstung. Die Installation von Photovoltaikmodulen auf einem Dach in Deutschland kostet etwa die Hälfte dessen, was sie in Frankreich kostet.

Betrachten wir nun das Thema aus der Sicht der Stromerzeuger. Dabei vergleichen wir grundsätzlich die Produktionskosten, auch wenn Umweltaspekte oder die Energieunabhängigkeit berücksichtigt werden können. Und da es sich um eine Investitionsfrage handelt, scheint es genauer zu sein, Solarstrom mit dem von zukünftigen Kernkraftwerken zu vergleichen, und nicht mit denen, die derzeit in Betrieb sind und vor vierzig Jahren gestartet wurden. Nehmen wir Frankreich noch einmal: Für ein Solarkraftwerk im Süden des Landes liegen die Produktionskosten bei 0,1 Euro pro KWh, verglichen mit 0,08 Euro, die von Kernkraftwerken der dritten Generation vom Typ EPR erwartet werden. Der Unterschied ist nach wie vor vorhanden, aber er ist nicht mehr so signifikant wie vor drei Jahren, als er zwischen 1 und 4 lag.

Die derzeitige Marktdynamik

Wie Sie bereits sagten, ist ein Teil dieser Kostensenkung auf den Verfall der Panelpreise zurückzuführen. Die Jahre 2011-2012 waren für die Photovoltaikindustrie sehr schwierig, da viele Modulhersteller in Europa und den USA pleite gingen. Wo ist der Sektor heute?

Wir befinden uns in einer paradoxen Situation. Das ist die Krise für Modulhersteller: Alle verlieren Geld, auch die chinesischen Produzenten. Aber die Stromerzeuger hingegen kaufen sehr billige Module. In Kalifornien oder Italien, in Gebieten mit viel Sonnenlicht, werden heute viele Photovoltaik-Feldprojekte gestartet, weil sie profitabel sind.

Heute macht Asien etwa 70% der weltweiten Plattenproduktion aus. Und die chinesischen Fabriken arbeiten mit weniger als 50% ihrer Kapazität, weil es nicht genügend Käufer gibt. Es gibt eindeutig ein Problem der Überkapazitäten auf globaler Ebene.

In einer Situation wie dieser, wenn man die Wahrheit über die Preise spielt, sollten einige dieser Unternehmen bankrott gehen. Aber die chinesischen Behörden, die sich dessen bewusst sind, tun zwei Dinge. Erstens fordern sie nicht die Rückzahlung von Investitionen. Es ist eine Form der Subventionierung. Andererseits haben sie einen großen Photovoltaik-Ausrüstungsplan aufgelegt, der es langfristig ermöglichen wird, einen Teil der Überkapazitäten zu absorbieren.

CWie würden Sie die Strategie Chinas beschreiben: Ist es ein Handelskrieg, der den Wettbewerb ruinieren soll?

Ich glaube nicht. Ich denke, sie lassen sich in ihre Investitionen hineinziehen, ohne das Risiko von Überkapazitäten zu antizipieren. Aber es ist die Reaktion der Behörden, die mir interessant erscheint: Wenn die Chinesen beschließen, keine Fabriken zu schließen, werden wir daher weiterhin viele Solarmodule in China produzieren, und das wird wahrscheinlich zum Tod aller anderen Produzenten führen, mit Ausnahme einiger weniger Akteure, die überleben werden, weil sie eine hohe Qualität wie Sonnenstrom produzieren. Es ist wahrscheinlich, dass chinesische Hersteller bis 2020 fast allein auf dem Markt sein werden. Und so, wenn die Nachfrage das Angebot einholt, sollte die Plattenproduktion wieder in die Gewinnzone zurückkehren. Wenn es dagegen zu einer Konsolidierung der Akteure und massiven Kapazitätsschließungen in China kommt, werden die Modulpreise steigen und internationale Player wieder profitabel werden.

Einige Unternehmen können auf ihr Überleben hoffen, weil sie sich bereit erklärt haben, ihr Geschäftsmodell vollständig zu ändern. Dies ist der Fall bei dem amerikanischen Unternehmen First Solar, das sich auf die Dünnschicht-Cadmium-Tellurid-Technologie spezialisiert hat. Es wurden die billigsten Module hergestellt, aber mit dem Preisverfall wurde es geschwächt. Die Führungskräfte haben sich daher für einen strategischen Wandel entschieden: Das Unternehmen hat mit der Stromerzeugung begonnen. Sie produziert und installiert ihre Module (auch in China!), sie produziert und verkauft Strom.

Aber First Solar ist ein Einzelfall, und der rasante Preisverfall der ersten Generation hat einem noch nicht technologisch ausgereiften Sektor großen Schaden zugefügt. Die Innovationskapazitäten wurden zerstört, und das industrielle Lernen hatte noch keine Zeit für die Durchführung. Bis auf wenige Ausnahmen ist es derzeit zu spät, um den niedrigen Verkaufspreis der chinesischen Hersteller von industriellen Siliziummodulen durch niedrigere Kosten zu erreichen.

Potenziell verfügt die Dünnschichttechnologie über die entsprechenden Mittel. Aber es sei denn, Sie ändern Geschäftsmodelle, um durch die Krise zu kommen, müssen Sie akzeptieren, Geld zu verlieren, ein paar Jahre bevor Sie profitabel sein können. Das ist die zu lösende Gleichung. Dies kann nur mit Unterstützung von Investoren, einschließlich Staaten, geschehen. Wir sprechen hier nicht von einer Forschungsanstrengung, sondern von einer industriellen Anstrengung. Die Herausforderung besteht darin, immer größere und größere Fabriken zu bauen, die immer mehr kosten, um Objekte herzustellen, die Sie für einen bestimmten Zeitraum mit Verlust verkaufen. Es ist nicht einfach zu akzeptieren. Aber einige Investoren gehen das Risiko ein, und nicht zuletzt: Warren Buffet hat gerade in Photovoltaik-Kraftwerke von SunPower in Kalifornien investiert.

Sind chinesische Plattenhersteller auch an der zweiten Generation interessiert?

Das wird kommen. Alle chinesischen Hersteller sind heute auf Silizium, aber sie haben verstanden, dass die zukünftige Generation dünne Schichten sind. First Solar hat in diesem Jahr ein 30-MW-Projekt mit einem chinesischen Partner gestartet. China investiert. Die Hersteller werden lernen, und sie werden die Technologien der leidenden Wettbewerber zurückkaufen.

Was bedeutet das unter dem Strich für die europäische Industrie?

Ich glaube nicht, dass französische oder deutsche Plattenhersteller überleben können, wenn nichts passiert. Aber wir sprechen hier von einem komplexen Spiel, bei dem die Gewinner nicht unbedingt offensichtlich sind. Chinesische Hersteller verlieren jetzt Geld. Die Menschen, die die Module bei ihnen kaufen, sind europäische und amerikanische Einzelpersonen und Industrielle. Das bedeutet, dass der chinesische Staat die Stromerzeugung in Europa und den USA subventioniert.

Es wurden Zweifel an der Strategie der Förderung von Einspeisevergütungen in Europa geäußert. Wir können über die Vorzüge staatlicher Subventionen diskutieren, um das Entstehen eines Industriesektors in Europa zu fördern, und man muss sagen, dass es ein Risiko für den deutschen Sektor gibt (der einzige, der tatsächlich eingerichtet wurde). Aber das ist nur ein Teil der Geschichte. Weil deutsche Industrielle eine Werkzeugmaschinenindustrie entwickelt haben, die zur Herstellung der Platten verwendet wird, und ihre Hauptkunden sind die Chinesen. Einer der Hauptgründe, warum die Deutschen nicht viel auf Barrieren am Eingang chinesischer Photovoltaikmodule bestanden, ist, dass sie selbst Plattenherstellungsmaschinen an die Chinesen verkaufen. Insgesamt haben öffentliche Zuschüsse zur Entwicklung und Stärkung eines strategischen Industriesektors beigetragen.

Quelle: paristechreview.com