Die strahlende Zukunft der Solarenergie
Sonnenstrahlen sind die Quelle der gesamten erneuerbaren Energie der Erde. Dieses Manna vom Himmel liefert das Äquivalent von einem Barrel (159 Liter) Öl pro Quadratmeter und Jahr – zumindest in sonnenreichen Regionen wie dem Wallis – zum Nulltarif.
Und die Fähigkeit, Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln, nimmt zu. Das liegt zum einen daran, dass Ingenieurfachleute ständig Verbesserungen vornehmen, um die Erträge der Photovoltaik (PV)-Zellen zu steigern, und zum anderen (oder sogar hauptsächlich) daran, dass sowohl das Angebot als auch die Nachfrage nach diesen Anlagen boomt. Im Jahr 2023 wurden weltweit fast 375 GW an Solarmodulkapazität installiert. Das ist viermal mehr als 2019 und 20-mal mehr als 2010. Das ist viel, aber immer noch nicht genug.
Christophe Ballif, Leiter des Labors für Photovoltaik und Dünnschichtelektronik (PV Lab) der EPFL in Neuchâtel, relativiert diese Zahlen: «Bis 2050 müssen wir 80 % der fossilen Brennstoffe, die wir heute nutzen, durch saubere Energie ersetzen. Das ist eine riesige Herausforderung. Wenn wir so weitermachen wie im Jahr 2023, als 375 GW an Solarkapazität und 110 GW an Windkapazität installiert wurden, wird es etwa 120 Jahre dauern, bis wir dieses Ziel erreichen. Unser Ziel ist es jedoch, die Energiewende in 30 Jahren zu schaffen – angesichts der Klimakrise ein vernünftiger Zeitrahmen. Das bedeutet, dass wir die jährlich installierte Solarkapazität um fast das Vierfache auf 1.500 GW steigern müssen.» Doch er hält dies für möglich: «China hat in den letzten drei Jahren zwischen 60 und 80 Milliarden Dollar in neue Produktionskapazitäten für alles vom Polysilizium bis zu kompletten Solaranlagen investiert. Spätestens im nächsten Jahr sollte das Land über die erforderliche Produktionskapazität verfügen. Doch diese herkulische Anstrengung auf der Angebotsseite kommt eigentlich ein wenig zu früh. Wir befinden uns eindeutig in einer Situation der Überkapazität.
Eine Kombination aus Sonne und Wind
Der Anteil der Solarenergie am weltweiten Energiemix wird stark zunehmen – das ist eine gute Nachricht. In der Schweiz hat die Regierung Ziele für die Umstellung auf Solarenergie und andere Arten erneuerbarer Energien bis 2050 festgelegt. Ziel ist es, dass die erneuerbaren Energien 45 TWh oder mehr als die Hälfte des gesamten Strombedarfs des Landes auf der Grundlage des heutigen Stands liefern. Fachleute sind sich einig, dass dieses Ziel am effektivsten erreicht werden kann, wenn die Solarenergie mit anderen Formen sauberer Energie kombiniert wird: natürlich mit Wasserkraft, aber idealerweise auch mit einem beträchtlichen Anteil an Windenergie.
Um in Stromnetzen eingesetzt werden zu können, müssen sowohl Solar- als auch Windenergie mit einem oder mehreren Speichersystemen wie Batterien, Staudämmen und Synthesegas gekoppelt werden. Vor allem bei Batterien (einschliesslich EV-Batterien) ist China einmal mehr das weltweit führende Herstellerland. Auch hier hat das Land massiv in neue Anlagen investiert: «China überschwemmt den Markt und produziert so viel, dass die Preise sowohl für Batterien als auch für Solaranlagen zusammenbrechen», sagt Ballif, «das ist gut für die Verbraucher und die Energiewende im Allgemeinen, aber es schafft eine Form der Abhängigkeit, die wir nicht wollen. Die Regierungen in anderen Regionen, auch in Europa, müssen ihre Produktionskapazitäten auf- und ausbauen, um den Markt widerstandsfähiger zu machen.»
Illustration Éric Buche
Neuchâtel: Eine Drehscheibe für ertragssteigernde Technologien
Allerdings ist es nicht einfach, in Kapazitäten zu investieren, wenn man es mit dieser Art von Wettbewerb zu tun hat. Aber es ist möglich, Wege zu finden, Dinge besser oder anders zu machen. Ingenieurfachleute in Ballifs Labor und am Centre Suisse d'Électronique et de Microtechnique (CSEM) in Neuchâtel, wo Ballif auch eine Forschungsgruppe leitet, haben Methoden entwickelt, um die Erträge von PV-Zellen erheblich zu steigern. Einige ihrer Technologien werden in den neuen chinesischen Fabriken eingesetzt. So haben die Ingenieurinnen und Ingenieure beispielsweise «Tandem»-Zellen entwickelt, die aus einer Perowskit-Schicht bestehen, die auf eine Siliziumzelle aufgebracht wird. Diese Geräte stellten einen neuen Weltrekord für den Wirkungsgrad der Stromumwandlung auf und durchbrachen die symbolische 30 %-Grenze für den Ertrag.
In und um Neuchâtel haben sich auf der Grundlage der Forschungsarbeiten der dortigen Forschenden zahlreiche Start-ups im Bereich der Solarenergie gegründet. Einige dieser Unternehmen entwickeln Systeme für die Integration von PV-Zellen in die Architektur von Gebäuden in Form von Paneelen und Kacheln mit anpassbaren Farben (z.B. Freesuns, Solaxess und SwissINSO), während andere Systeme speziell für landwirtschaftliche Anwendungen entwickeln (Insolight und Voltiris). «Es stimmt, dass diese Start-ups in Nischenmärkten tätig sind», sagt Ballif, «aber für die Schweiz können ihre Technologien einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der staatlichen Ziele leisten». Sie sind auch ein Beweis dafür, dass die Schweizer Unternehmen nicht das Handtuch werfen wollen. Man denke nur an das Thuner Unternehmen 3S, das vor kurzem eine neue Produktionslinie für gebäudeintegrierte Solarpaneele mit einer Leistung von 200 MW/Jahr gebaut hat, oder an Meyer Burger, die heute über eine Produktionskapazität von insgesamt 1 GW/Jahr an Standorten in Europa verfügt. Beide Unternehmen nutzen die in Zusammenarbeit mit dem CSEM und der EPFL entwickelte Technologie.
Prognosen des Bundesamts für Energie zeigen, dass die Solarenergie im Jahr 2050 ein wichtiger Bestandteil des Schweizer Energiemixes sein wird: «Das Potenzial der Solarenergie ist definitiv vorhanden», erklärt Ballif. «PV-Zellen können in die Architektur von Gebäuden integriert, auf Supermärkten und deren Parkplätzen angebracht und auf Bergen installiert werden, wo Modelle mit bifazialen Paneelen – die auch das vom Schnee reflektierte Sonnenlicht einfangen können – im Winter besonders effektiv sind. Im Jahr 2023 beträgt die installierte Gesamtkapazität in der Schweiz 1,5 GW, mit der 1,5 TWh Solarstrom pro Jahr erzeugt werden können. Diese erneuerbare Energie dürfte 2024 einen Anteil von 10 % an unserem Energiemix erreichen. Sie ist also auf dem besten Weg, einen wichtigen Beitrag zum Ziel der Regierung zu leisten, 45 TWh Strom aus erneuerbaren Energien zu erzeugen.»
Geopolitik neu gestalten
Im Grossen und Ganzen könnte der Druck, den chinesische Hersteller auf die Preise für PV- und Windkomponenten, Batterien und Elektrolyseure ausüben, das geopolitische Spielfeld erheblich verändern: «Bei diesen Preisen könnten die Betreiber Anlagen in den Wüsten Afrikas bauen und Strom für weniger als 1,3 Cent pro kWh erzeugen. Das ist fünf- bis zehnmal billiger als die Kosten für neu gebaute Kernkraftwerke. Damit wäre die Herstellung von sauberem Wasserstoff durch Wasserelektrolyse wirtschaftlicher als die Herstellung von grauem Wasserstoff aus Erdgas», sagt Ballif, «eine andere Möglichkeit wäre die Umwandlung des Wasserstoffs in Ammoniak, zunächst zur Verwendung als Pflanzendünger und später für den Energietransport nach Europa.»
Wenn erneuerbare Energien so billig werden, könnten viele Regierungen und Unternehmen versucht sein, ihre Unterstützung für die Energiewende zu verstärken, einfach weil es finanziell sinnvoll ist. Das wäre ein Schlag für erdölexportierende Länder wie Russland und Saudiarabien: «China rettet vielleicht den Planeten – aber das wird andere Herausforderungen mit sich bringen», sagt Ballif.
