Gebäudetechnik

Photovoltaikanlagen und ihre Energiepotentiale

Mit Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) wird in Solarzellen aus Sonnenenergie elektrischer Gleichstrom erzeugt, der entweder in dieser Form genutzt oder mit Wechselrichtern in Wechselstrom, der dominierenden Form des elektrischen Stroms für fast alle heutigen Stromanwendungen, umgewandelt wird.

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Der Begriff Photovoltaik mit der Kurzform PV wurde in den USA geprägt. Er ist weltweit in dieser Schreibweise verbreitet und die Kurzform PV-Anlage wird nicht nur von Insidern verwendet. Diese Schreibweise wird, obwohl sie nicht der neuen deutschen Rechtschreibung, die am Wortanfang ein F verlangt, entspricht, in Übereinstimmung mit fast der gesamten deutschen PV-Literatur in diesem Kapitel beibehalten.

PV-Anlagen sind bestens dafür geeignet, im Zusammenwirken mit den zur thermischen solaren Energiegewinnung verwendeten Solarkollektoren energiegenerierende Gebäude zu entwickeln, die selbst einen Teil oder ihre gesamte benötigte Energie produzieren und damit im Hinblick auf den CO2-Ausstoß zu Niedrig- oder Nullemissionsgebäuden werden.

Energiepotenziale

Könnte das gesamte mit der Solarkonstanten, einer physikalischen Konstanten mit dem Mittelwert 1.370 W/m², berechnete theoretische Solarenergiepotenzial Deutschlands in Höhe von E_th,So,D = 186.000 TWh/a photovoltaisch genutzt werden, käme das einem theoretischen solaren Stromerzeugungspotenzial von E_th,PV,D = 52.000 TWh/a gleich. Das theoretische Solarenergiepotenzial ist die maximale von der Sonne auf die Erde eingestrahlte Energie in einem Jahr. Bei der Umwandlung dieser eingestrahlten Solarenergie in elektrische Energie entsteht das theoretische solare Stromerzeugungspotenzial, wobei der theoretische maximale Umwandlungswirkungsgrad einer Solarzelle für die Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie zu berücksichtigen ist. Dem angegebenen Wert von E_th,PV,D = 52.000 TWh/a liegt eine Siliziumsolarzelle mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 28 % zugrunde. Von diesem theoretisch möglichen Umwandlungswirkungsgrad sind die momentan verfügbaren Solarzellen allerdings noch ziemlich weit entfernt. Das so berechnete theoretische solare Stromerzeugungspotenzial entspricht dem 100-Fachen des gegenwärtigen deutschen Stromverbrauchs (2005: E_V,Elt,D = 521 TWh/a), was sehr optimistisch stimmen kann.

Als technisch mögliches Energiepotenzial stehen in Deutschland zur Verfügung

die solartechnisch nutzbare Gebäudedachfläche von rund 800 Mio. Quadratmetern und
die für eine landwirtschaftliche Nahrungsmittelproduktion nicht mehr benötigte Ackerfläche (unter Beachtung technischer Restriktionen) von 3.500 Mio. Quadratmetern.

Mit den technischen Kenngrößen marktgängiger PV-Anlagen ergeben sich daraus die technisch installierbare Leistung und das technisch mögliche Stromerzeugungspotenzial in Deutschland entsprechend Tabelle 1.

Tab. 1: Technisch installierbare Leistung und technisch mögliches Stromerzeugungspotenzial mit PV-Anlagen in Deutschland

	Dächer	Freiflächen	Summe
technisch installierbare Leistung [GW]	49 ... 125	210 ... 518	259 ... 643
technisch mögliches Stromerzeugungspotenzial [TWh/a]	40 ... 120	179 ... 527	219 ... 647

Der maximale Wert des technisch möglichen Stromerzeugungspotenzials Deutschlands E_{techn,PV,max,D} = 647 TWh/a ist größer als die jährliche deutsche Bruttostromproduktion (2005: E_B,Elt,D = 618 TWh/a), in der auch die Verluste in den Kraftwerken und im Netz enthalten sind. Unter Berücksichtigung der Netz- und Speicherverluste könnte je nach Solarzellentechnologie maximal eine Endenergie zwischen 195 und 410 TWh/a ersetzt werden.

Beim Ermitteln des minimalen Werts wird Elektroenergiespeicherung nur in vorhandenen Pumpspeicherwerken unterstellt, und es werden gegenwärtig noch vorhandene Netzrestriktionen, die sich aus der Forderung nach Frequenz- und Spannungsstabilität ergeben, berücksichtigt. Dieser Wert beträgt 19TWh/a. Damit ergibt sich für das technisch mögliche PV-Energiepotenzial Deutschlands ein Bereich, der bei Zugrundelegen des Elektroenergieverbrauchs von 2005 eine Spannweite von 3,6-80,6 % hat, was viel Stoff für kontroverse Diskussionen bietet.

Die realen Kosten von mit PV-Anlagen erzeugter Elektroenergie sind gegenwärtig noch deutlich höher als handelsübliche Strompreise. Damit ist ein betriebswirtschaftliches solares Energiepotenzial, das entsteht, wenn die Kosten des photovoltaischen Stroms geringer als die konventioneller Konkurrenzprodukte (Strom aus Kohle- und Kernkraftwerken) sind, zunächst nicht vorhanden. Ein betriebswirtschaftliches solares Energiepotenzial entsteht allerdings durch die für PV-Strom günstigen Rahmenbedingungen entsprechend dem Erneuerbaren Energiegesetz - EEG. Dort wird eine über die Laufzeit des Gesetzes degressiv angelegte Einspeisevergütung vorgeschrieben, die zu einem betriebswirtschaftlich positiven Ergebnis führt.

Durch diese Rahmenbedingungen entspricht in Deutschland gegenwärtig das betriebwirtschaftliche dem technisch möglichen PV-Energiepotenzial.

Das tatsächlich genutzte PV-Energiepotenzial, das als realisiertes Energiepotenzial bezeichnet werden soll, ist wegen der günstigen Rahmenbedingungen stark im Steigen begriffen. Das zeigt die in Tabelle 2 dargestellte Entwicklung der PV-Elterzeugung in Deutschland. Die Stromerzeugung E_PV,D wurde dabei mit einer Volllaststundenzahl von b_V,PV = 800 h/a berechnet. Die Volllaststundenzahl in diesem Fall gibt an, wie lange eine PV-Anlage bei Nenn- oder Bemessungsleistung laufen müsste, um die gesamte PV-Jahresenergie zu produzieren. Dieser Wert ist bei PV-Anlagen wegen der relativ geringen jährlichen Sonnenstunden, verglichen mit 8.760 Jahresstunden, nicht sehr hoch.

Tab. 2: Entwicklung der PV-Elektroenergieerzeugung in Deutschland nach dem Bundesverband Solarwirtschaft (BSW)

Jahr	PPV,D [MW/a]	PPV,ges,D [MW/a]	EPV,D [GWh/a]	Anteil am Stromverbrauch [%]
1995	5	17,4	13,9	0,003
1996	10,5	28	22,4	0,005
1997	14	42	33,6	0,007
1998	12	54	43,2	0,009
1999	15	69	55,2	0,012
2000	44	113	90,4	0,018
2001	79	192	153,6	0,032
2002	83	275	220,0	0,045
2003	157	432	338,4	0,061
2004	500	932	745,6	0,143
2005	600	1532	1225,6	0,235

Deutschland steht mit diesen Potenzialen in der EU an der Spitze, wie aus Daten der EU abzulesen ist (Tab. 3).

Tab. 3: PV-Elektroenergieerzeugung 2004 [GWh] in der EU 25 (www.epp.eurostat.cec.eu.int/)

Belgien	1
Tschechische Republik	-
Zypern	-
Dänemark	-
Deutschland	557
Estland	-
Griechenland	1
Spanien	102
Frankreich	9
Irland	-
Italien	4
Lettland	-
Litauen	-
Luxemburg	9
Malta	-
Ungarn	-
Niederlande	33
Österreich	11
Polen	-
Portugal	3
Slowenien	-
Slowakei	-
Finnland	2
Schweden	0
Großbritannien	4

Der Wert für Deutschland ist in der Tabelle 3 der EU kleiner als der in Tabelle 2 berechnete Wert. Gründe sind, dass im berechneten Wert der gesamte in Deutschland erzeugte Strom, während im EU-Wert nur die ins Netz eingespeiste Energie erfasst ist und dass nicht jeder erzeugte Strom auch erfasst und gemeldet wird.