Online-Serie erneuerbare Energien 2019, Teil 5 23.10.2020, 12:00 Uhr

Vielseitig nutzbar: Solarenergie

Ob Strom oder Wärme – die Sonne kann auf vielfältige Weise zur Deckung des Energiebedarfs genutzt werden.

Sonnenkollektoren auf Sardinien. Bild: PantherMedia/compuinfoto

Sonnenkollektoren auf Sardinien. Bild: PantherMedia/compuinfoto

5 Solarenergie

Solarenergie kann klein- und großtechnisch zur Wärme- und/oder Strombereitstellung genutzt werden. Die entsprechenden Optionen werden nachfolgend diskutiert.

5.1 Wärmeerzeugung

Welt. Die weltweit installierte thermische Leistung solarthermischer Systeme zur Warmwasser- und Raumwärmebereitstellung lag Ende 2019 bei insgesamt 480 GW (knapp 1 GW weniger als Ende 2018) [1; 16]. Nach wie vor dominiert China den weltweiten Bestand mit rund 69 % der global installierten Kapazitäten [17]. Der potenzielle solare Nutzenergieertrag dieser weltweit installierten solarthermischen Anlagen beträgt etwa 1 426 PJ / 396,1 TWh (2019) (Bild 7).

Bild 7 Solarthermische Anlagen zur Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung weltweit und in der EU (eigene Darstellung basierend auf [1; 17]).

Im Jahr 2019 wurden global 31,3 GW an Kapazitäten in solarthermischen Anlagen neu installiert; dies gilt primär für China (22,8 GW), die Türkei (1,3 GW), Indien (1,3 GW), Brasilien (0,9 GW) und die USA (0,6 GW) [17]. Der weltweite Zubau ist aber – wie auch in den letzten Jahren – im Vergleich zum Vorjahr um 2 GW gesunken; dabei deckt sich dies mit der chinesischen Reduktion im Zubau solarthermischer Kapazitäten von ebenfalls 2 GW. Dennoch wird in China weiterhin die mit Abstand größte Zubaurate realisiert; jedoch ist hier der Ausbau solarthermischer Anlagen seit Jahren rückläufig. Global betrachtet (exklusive China), gleichen sich die Rückgänge der Zubauraten in Ländern wie Australien, Österreich und Deutschland mit den gestiegenen Zubauraten in Ländern wie Brasilien, Zypern, Dänemark und Griechenland näherungsweise aus, wenn auch 2019 tendenziell ein Rückgang der weltweit insgesamt installierten Anlagen zu verzeichnen war (das heißt der Zubau konnte 2019 den altersbedingten Anlagenrückbau nicht mehr ausgleichen) [17].

Der weltweite Anlagenbestand wird nach wie vor dominiert von kleinen, dezentralen Anlagen zur Bereitstellung von Brauchwarmwasser primär für den Einsatz auf Wohngebäuden. Unverglaste Anlagen, welche zur Schwimmbadwassererwärmung eingesetzt werden, stellen einen Marktanteil von nur etwa 5 % [17]. Auch gewinnen solare Nahwärmesysteme auf einem (sehr) niedrigen Niveau etwas an Bedeutung; dies gilt besonders für den europäischen Markt, der durch die Installation großer solarer Nahwärmesysteme in Dänemark und Deutschland gekennzeichnet war. Weltweit wurden in der Vergangenheit primär Flachkollektoren (Ausnahme: China) verbaut, während neue Anlagen unter anderem in China und Indien heute überwiegend als Vakuumröhrenkollektoren realisiert werden.

Während das technisch nutzbare Strahlungspotenzial für einen weiteren Ausbau von solarthermischen Anlagen insbesondere in Ländern mit hohen Solarstrahlungsintensitäten nahezu un­begrenzt vorhanden ist, sorgt die Flächenkonkurrenz mit der Photovoltaik (PV) für ein stark reduziertes Marktpotenzial. Ein Zubau von photovoltaisch-thermischen (PVT)-Systemen (2019: etwa 600 MW) stellt einen möglichen Ansatz dar, durch den die Flächenkonkurrenz mit der Photovoltaik zukünftig durch eine Kombination der beiden Technologien entschärft werden kann [16; 17].

Mit einem weiterhin rückläufigen jährlichen Zubau könnten weltweit bis 2025 zwischen 480 GW und 520 GW installiert sein; dies würde einer potenziellen Nutzenergiebereitstellung zwischen 1 400 und 1 500 PJ (2025) (389 bis 417 TWh) entsprechen; dabei wird diese Entwicklung erstmals verstärkt von der Entwicklung des weltweiten Marktes exklusive Chinas bestimmt. Bis 2030 könnte sich dieses Wachstum auf 480 bis 540 GW global installierte Leistung belaufen; die bereitstellbare Nutzenergie läge dann zwischen 1 400 und 1 570 PJ (2030) (389 bis 436 TWh).

EU. Ende 2019 waren in der EU etwa 39,9 GW an solarthermischer Leistung installiert (das heißt 3,2 % mehr als 2018), die potenziell eine Nutzenergie von rund 117 PJ (2019) (32,5 TWh) bereitstellten [17]. Damit wurden in der EU nur etwa 1,3 GW an solarthermischer Leistung oder knapp unter 2 Mio. m2 an Kollektorfläche neu installiert. Verglichen mit dem Rekordjahr 2008 (Zubau von mehr als 4 Mio. m2) verdeutlicht dies den langfristigen Rückgang im Zubau solarthermischer Anlagen in der EU. Die höchsten Neuinstallationen wurden aus Deutschland (358 MW), Griechenland (253 MW) und Polen (184 MW) gemeldet [17].

Wesentlich für den seit über einem Jahrzehnt anhaltenden Rückgang bei den Neuinstallationen sind neben den systemischen Nachteilen (ein Backup-System wird zwingend benötigt, da solarthermische Systeme im Winter die Warmwassernachfrage nicht decken können), eine unzureichende beziehungsweise unsichere staatliche Förderung sowie die bereits genannte Konkurrenz durch andere Energiesysteme auf Basis erneuerbarer Energien (speziell der Photovoltaik und der Wärmepumpen unter anderem durch gesunkene und weiterhin sinkende Investitionskosten [18]).

Wird aufgrund dieses schrumpfenden EU-Marktes zukünftig nur ein halbiertes Wachstum im Vergleich zum Durchschnitt der letzten fünf Jahre unterstellt (1,9 %/a), ergibt sich für Ende 2025 eine in der EU insgesamt installierte solarthermische Leistung von 43 bis 47 GW und eine potenzielle Wärmebereitstellung von rund 125 bis 136 PJ beziehungsweise 34,7 bis 37,8 TWh (2025). Bis 2030 könnten dann etwa 45 bis 53 GW installiert sein, mit denen 131 bis 154 PJ beziehungsweise 36,4 bis 42,8 TWh (2030) an Wärme bereitstellt werden könnten.

5.2 Stromerzeugung

Strom aus Sonnenenergie kann mit solarthermischen Kraft­werken und mit PV-Anlagen bereitgestellt werden.

5.2.1 Solarthermische Stromerzeugung

Welt. Ende 2019 waren insgesamt knapp 6,3 GW an elektrischer Leistung in solarthermischen Kraftwerken installiert; kommerziell eingesetzt werden hierfür bisher primär Parabolrinnen- und – eingeschränkter – Solarturmkraftwerke. Aufgrund des im letzten Jahr leicht gestiegenen Zubaus von 0,6 GW wuchs der weltweite Anlagenpark um etwas mehr als 10 % verglichen mit 2018 (5,7 GW). Mit angenommenen 2 000 bis 2 500 h/a (Volllast) (das heißt ein Wärmespeicher zur Stromerzeugung in den Abendstunden wird unterstellt) errechnet sich daraus eine potenzielle Stromerzeugung zwischen 12,6 und 15,8 TWh (2019) [7].

Unverändert sind in Spanien mit 2,3 GW die weltweit größten Kapazitäten zur solarthermischen Stromerzeugung am Netz; aufgrund der aktuellen politischen Rahmensetzung ist hier jedoch kein weiterer Zubau zu erwarten. Dieselbe Situation herrscht auch in den USA, die mit rund 1,8 GW den zweitgrößten solarthermischen Kraftwerkspark aufweisen; hier wurden aufgrund der 2014/2015 ausgelaufenen Subventionen für den solaren Kraftwerksbau seither keine neuen Anlagen in Betrieb genommen. Gemeinsam kommen diese beiden etablierten Märkte weiterhin auf einen Anteil von etwa 65 % der weltweit installierten Solarkraftwerksleistung, obwohl es in beiden Ländern seit 2015 keinen weiteren Zubau gegeben hat. Die solarthermischen elektrischen Neuinstallationen fokussieren sich daher auf neue Märkte. 2019 wurden in Israel 242 MW, in China 200 MW, in Südafrika 100 MW und in Kuwait 50 MW in Betrieb genommen [7]. Weiterhin verfügt Marokko mit dem Ende 2018 fertiggestellten Noor-Kraftwerk, bestehend aus zwei Parabolrinnen- und einem Solarturmkraftwerk, mit einer Nennleistung von 510 MW über den weltweit größten solarthermischen Kraftwerkskomplex [19].

Nach wie vor dominieren Parabolrinnenkraftwerke mit einem Anteil von 90 % den globalen Markt. Jedoch weisen Solarturmkraftwerke in den vergangenen Jahren durch eine überproportionale Kostensenkung eine steigende Marktbedeutung auf. Diese Entwicklung könnte auch in den kommenden Jahren weitergehen.

Primär infolge des Preisverfalls bei der Photovoltaik ist das ökonomische Umfeld für derartige Kraftwerke zwiespältig. Aus heutiger Sicht ist nicht zu erwarten, dass die Solarthermie das Kostenniveau der Photovoltaik in überschaubaren Zeiträumen erreichen kann – obwohl die durchschnittlichen Stromgestehungskosten seit 2010 um 47 % gefallenen sind [18]. Jedoch tritt die relativ einfache Wärme- und damit letztlich Stromspeichermöglichkeit derartiger Stromerzeugungsanlagen immer mehr in den Vordergrund, da diese zukünftig – mit steigenden Anteilen einer Stromerzeugung aus fluktuierenden regenerativen Ressourcen im jeweiligen Stromversorgungssystem – aus Systemsicht an Bedeutung gewinnen dürfte. Hinzu kommen die merklichen Kostenreduktionen, durch die die jüngsten Ausschreibungen gekennzeichnet waren. Damit scheint die solarthermische Stromerzeugung – trotz der Kostendisparität zur PV-Stromerzeugung – langsam durch ihre potenziell systemdienlichen Eigenschaften an energiewirtschaftlicher Bedeutung zu gewinnen.

Aufgrund dieser sehr unsicheren Ausgangslage ist die potenzielle weitere Entwicklung der solarthermischen Stromerzeugung bis Ende 2025 nur bedingt abschätzbar. Geht man konservativ von den Ausbauraten der letzten Jahre mit etwa 500 MW jährlich neu installierter Leistung aus, könnten bis Ende 2025 insgesamt etwa 9,3 GW am Netz sein. Werden demgegenüber die zum Teil sehr weitgehenden politischen Ausbauziele einiger Golfstaaten sowie Chinas umgesetzt, könnte sich die bis 2025 potenziell installierte Leistung auch auf rund 15 GW vergrößern. Damit wäre – je nach Ausbauvolumen – und mit unterstellen 2 000 bis 2 500 h/a (Volllast) eine potenzielle Stromerzeugung von 19 bis 38 TWh (2025) möglich.

Schätzungen für 2030 gehen von einem stärkeren Anstieg in der zweiten Hälfte der 2020-er Jahre aus – getrieben durch zukünftige Kostenreduktionen und eine höhere Marktdurchdringung an PV-Strom (und einem damit erhöhten Speicherbedarf). Wird von einem Ausbau auf 25 bis 30 GW an installierter Leistung ausgegangen, wäre 2030 eine potenzielle Stromerzeugung von 50 bis 75 TWh (2030) denkbar.

EU. Der zukünftige Ausbau solarthermischer Kraftwerke hat in der EU nur eine sehr begrenzte Bedeutung. Nach den Boom­jahren für den solaren Kraftwerksbau in Spanien Ende der 2000er-, Anfang der 2010er-Jahre erfolgten nach dem Regierungswechsel 2013 massive Einschnitte unter anderem bei den Einspeisetarifen. Seither stagniert die installierte Leistung in Spanien bei 2,3 GW. Zusätzlich werden in Frankreich (9 MW), Italien (6 MW) und Deutschland (2 MW) kleinere F&E-Anlagen betrieben [1; 7]. Damit liegt die in der EU installierte Gesamtleistung Ende 2019 weiterhin bei knapp über 2,3 GW mit einer potenziellen Stromerzeugung zwischen 4,6 und 5,8 TWh (2019).

Infolge der reduzierten beziehungsweise teils inexistenten Förderung und des starken Preisverfalls bei der Photovoltaik ist nicht zu erwarten, dass die solarthermische Stromerzeugung mittelfristig in der EU merklich ausgebaut werden wird. Damit dürften bis 2025 zwischen 3 und maximal 4 GW an solarthermischer Leistung installiert sein, mit denen rund 6 bis 10 TWh (2025) an Strom erzeugt werden könnten. Die längerfristigen EU-Ausbauziele werden stark von einer möglichen weiteren Kostendegression, dem zukünftigen Speicherbedarf für elektrische Energie im Stromversorgungssystem, der Ernsthaftigkeit der Klimaschutz­bemühungen und der Entwicklung des Strompreisniveaus beeinflusst. Daraus leitet sich eine große Schwankungsbreite der bis 2030 potenziell installierten solarthermischen Erzeugungskapazitäten zwischen 4,9 und 9,4 GW ab, mit denen zwischen 9,8 und 23,5 TWh (2030) an potenzieller Stromerzeugung realisiert werden könnten.

5.2.2 Photovoltaische Stromerzeugung

Welt. Beim weltweiten Ausbau der regenerativen Energien zur Stromerzeugung bildet die Photovoltaik – gemeinsam mit der Windenergie – eine der zentralen Säulen und ist in ihrer Bedeutung seit Mitte der 2000er Jahre und insbesondere in den 2010er Jahren kontinuierlich und nahezu exponentiell gestiegen. Ende 2019 waren weltweit mehr als 580 GW an elektrischer Leistung in Photovoltaikanlagen installiert; das sind 100 GW mehr im Vergleich zu 2018 (das heißt Zunahme der weltweit installierten Kapazität um rund 20 %) [7]. Somit ist die Photovoltaik weiterhin (seit 2015) die weltweit am schnellsten wachsende Technologie zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Mit durchschnittlich 1 100 bis 1 600 h/a (Volllast) errechnet sich daraus eine potenzielle Stromerzeugung zwischen 638 TWh und 928 TWh (2019) (Bild 8).

Bild 8 Installierte Photovoltaik-Leistung für ausgewählte Länder / Regionen sowie kumulierte Leistung in der EU und weltweit (eigene Darstellung basierend auf [7]).

Wie bereits in den vergangenen fünf Jahren war China auch 2019 der größte Einzelmarkt für PV-Systeme. Allerdings hat sich der Zubau im Vergleich zu 2018 um rund 32 % verringert, dies entspricht dennoch der absolut höchsten PV-Neuinstallationsquote von insgesamt etwa 30 GW [7]. China baute damit auch 2019 seine Spitzenposition unter den Ländern mit den höchsten vorhandenen PV-Kapazitäten mit 205 GW weiter aus und liegt deutlich vor den anderen großen Märkten wie Japan, den USA und Deutschland. In diesen Ländern wurden verglichen damit deutlich weniger Neuanlagen installiert; in Japan wurden 6,3 GW (insgesamt 61,8 GW) und in den USA 9,1 GW (insgesamt 60,5 GW) 2019 neu errichtet. Deutschland hat dagegen nur einen Ausbau von 3,8 GW (insgesamt 49,0 GW) vorzuweisen [7]. Zusätzlich realisierte Indien 2019 einen PV-Ausbau von 7,7 GW auf insgesamt knapp 35 GW (die politischen Ziele sehen einen Ausbau auf 100 GW bis Ende 2022 vor) [7].

Die regionale Verteilung zeigt, dass besonders in Asien durch den starken Ausbau der Neuinstallationen (in China, Japan und Indien) mittlerweile über 330 GW (dies entspricht einer Vervierfachung in den letzten vier Jahren) installiert sind. Europa folgt mit etwa 22 % der global installierten PV-Leistung. Weiterhin sind sowohl die Neuinstallationen als auch die bereits vorhandenen Kapazitäten in Regionen wie Australien, dem Mittleren Osten und Afrika deutlich unterrepräsentiert – und das trotz potenziell hoher Solarausbeuten. Jedoch wird hier in den kommenden Jahren ein verstärkter Zuwachs erwartet, primär bedingt durch die weiterhin fallenden spezifischen Investitionen bei der Photovoltaik [18].

Global werden hauptsächlich netzgekoppelte Anlagen in Modulbauweise auf Siliziumbasis installiert. Dabei werden sowohl Kleinanlagen im unteren kW-Bereich unter anderem auf Dächern als auch große Freiflächen-PV-Kraftwerke im Multi-GW-Bereich errichtet; Tabelle 1 zeigt eine Auswahl der weltweit größten Anlagen.

Die durchschnittliche Leistung der fünf größten PV-Kraftwerke stieg innerhalb eines Jahres um 19 % von 1 560 MW (2018) auf 1 850 MW (2019). Stand-alone-Systeme haben weiterhin verglichen mit den netzgekoppelten Anlagen nur eine sehr untergeordnete Bedeutung; 2019 wurden – bei einem Zubau von knapp 100 MW Leistung im letzten Jahr – nur 3,4 GW an Off-Grid-Systemen betrieben [7].

Durch technische Weiterentwicklungen wurde im vergangenen Jahrzehnt die Effizienz der PV-Module stark verbessert und der Eigenstromverbrauch reduziert. Parallel dazu fielen die Preise immer weiter; zwischen 2010 und 2019 sind die photovoltaischen Stromgestehungskosten um rund 79 % gesunken [18].

Auch in den kommenden Jahren sind weitere Kostensenkungen zu erwarten mit der unmittelbaren Konsequenz, dass die PV-Stromerzeugung global weiter massiv ausgebaut werden dürfte [21]. Schreibt man ausgehend davon die bisher erkennbaren Entwicklungen fort, ist bis Ende 2025 mit einer global installierten Leistung von 1 400 bis 1 600 GW zu rechnen. Mit 1 100 bis 1 600 h/a (Volllast) entspricht dies einer potenziellen Stromerzeugung zwischen 1 540 und 2 560 TWh (2025) (Bild 8). Bei einem weiteren globalen Ausbau könnten bis 2030 ca. 2 800 GW bis 3 200 GW an PV-Leistung installiert sein; dies würde einer potenziellen Stromerzeugung von 3 080 bis 5 120 TWh (2030) entsprechen.

EU. In der EU wurden 2019 etwa 14,8 GW an PV-Leistung neu installiert (2018: 8,0 GW); die insgesamt vorhandene photovoltaische Leistung summierte sich damit Ende 2019 auf etwa 129,9 GW. Die damit bereitstellbare elektrische Energie lag zwischen 143 und 208 TWh (2019). In Deutschland waren Ende 2019 weiterhin die mit Abstand höchsten PV-Kapazitäten (49,0 GW) am Netz; die Länder mit den nächsthöchsten photovoltaischen Leistungen in Europa sind Italien mit 20,9 GW und UK mit 13,4 GW. Spanien verdoppelte 2019 nahezu die installierte Leistung durch einen Zubau von 4 auf nun 8,7 GW [7].

Die Photovoltaik wird in den kommenden Jahren in der EU weiter ausgebaut werden. Zusätzlich wird durch den klaren Kostenvorteil der dezentralen PV-Stromerzeugung im Vergleich zu den jeweiligen Haushaltsstromtarifen ein verstärkter Zubau an Kleinanlagen (wie zum Teil in Deutschland bereits laufend) in vielen europäischen Ländern erwartet. Ausgehend davon dürfte bis Ende 2025 mit einer installierten Leistung von rund 240 bis 260 GW und einer entsprechenden Stromerzeugung zwischen 275 und 400 TWh (2025) zu rechnen sein. Bis 2030 könnten dann Kapazitäten von etwa 380 bis 420 GW am Netz sein; die potenzielle Stromerzeugung würde dann 440 bis 640 TWh (2030) betragen.

M. Sc. Jerrit Hilgedieck, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) der Technischen Universität Hamburg (TUHH)

M. Sc. Daniel Christ, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) der Technischen Universität Hamburg (TUHH)

Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) der Technischen Universität Hamburg (TUHH)

Dr.-Ing. Annika Magdowski, Stromnetz Hamburg GmbH

M. Sc. Niels Kirstein, Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig

Gabriel Costa de Paiva, Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig

M. Sc. Christopher Schmid, Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig

Dr.-Ing. Volker Lenz, Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig

Literaturnachweise

Bisher erschienen:

Aktueller Ausbaustand der erneuerbaren Energien weltweit

Wasserkraft als Stromquelle und -speicher

Energie aus Gezeiten und Wellen

Windenergie: Offshore gewinnt an Bedeutung

Das Online-Special wird mit den folgenden Beiträgen fortgesetzt:

Geothermie

Biomasse

Zusammenfassung und Einordnung Energiesystem

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