Geschichte der Photovoltaik
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1839 entdeckte der französische Wissenschaftler Alexandre Edmond Becquerel bei elektrochemischen Experimenten den photoelektrischen Effekt. Er steckte zwei beschichtete Platinelektroden in einen Behälter mit einem Elektrolyten und bestimmte den zwischen den Elektroden fließenden Strom. Becquerel stellte fest, dass sich die Stromstärke bei Bestrahlung des Behälters mit Licht veränderte. In diesem Fall handelte es sich um den äußeren Photoeffekt, bei dem Elektronen unter Lichteinfall aus einem Festkörper austreten.
1873 entdeckten der britische Ingenieur Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May, dass der Halbleiter Selen seinen Widerstand ändert, wenn er mit Licht bestrahlt wird. Sie beobachteten damit zum ersten Mal den für die Photovoltaik relevanten inneren Photoeffekt, bei dem Elektronen im Halbleiter durch Licht aus ihren Bindungen gerissen werden und damit als freie Ladungsträger im Festkörper zur Verfügung stehen.
1876 fanden die Engländer William Adams und Richard Day heraus, dass ein mit Platinelektroden versehener Selenstab elektrische Energie produzieren kann, wenn man ihn dem Licht aussetzt.
⇒ Damit wurde zum ersten Mal der Beweis erbracht, dass ein Festkörper Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandeln kann.
1883 baute der New Yorker Erfinder Charles Fritts ein kleines „Modul" aus Selenzellen mit einer Fläche von ca. 30 cm2, das immerhin einen Wirkungsgrad von knapp 1% aufwies. Hierzu beschichtete er die Seelenzellen mit einer hauchdünnen Elektrode aus Gold. Damit wurde ,,zum ersten Mal die direkte Wandlung von Licht in elektrische Energie gezeigt".
1916 erfand der polnische Chemiker Jan Mit das nach ihm benannte Kristallziehverfahren. Damit wurde es möglich, Halbleiterkristalle als Einkristalle von hoher Qualität herzustellen.
1950 präsentierte der amerikanische Nobelpreisträger William B. Shockley (1910-1989) eine Erklärung für die Funktionsweise des pn-Übergangs und legte damit die theoretische Grundlage für die heute eingesetzten Solarzellen.
⇒ Auf dieser Basis entwickelten Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson die erste Silizium-Solarzelle mit einer Fläche von 2 cm2 und einem Wirkungsgrad von bis zu 6% und präsentierten sie am 25. April 1954 der Öffentlichkeit.
⇒ Die New York Times brachte das Ereignis am nächsten Tag auf der Titelseite und versprach den Lesern ,,die Erfüllung eines der größten Wünsche der Menschheit - der Nutzung der fast unbegrenzten Energie der Sonne.
In den Folgejahren konnte der Wirkungsgrad bis auf 10% gesteigert werden. Aufgrund des hohen Preises der Solarmodule (der Preis pro Watt lag bei etwa dem 1000-Fachen des heutigen Preises) kamen zunächst nur Sonderanwendungen in Frage.
1958 startete erstmals ein Satellit mit Solarzellen an Bord: Der amerikanische Satellit Vanguard I. Der Sender bezog seine Energie aus sechs auf der Außenhaut des Satelliten angebrachten Solarzellen und arbeitete bis 1964. Der Erfolg dieses Projektes führte dazu, dass sich die Photovoltaik als Energiequelle für Satelliten durchsetzen konnte.
⇒ Die Entwicklungen in den 1960er Jahren wurden daher von der Raumfahrt vorangetrieben.
1973 setzte mit der Ölkrise im Jahr 1973 ein Umdenken ein. Plötzlich standen alternative Energiequellen im Mittelpunkt des Interesses.
1977 wurde an den Sandia Laboratories in New Mexico ein Solarmodul mit dem Ziel entwickelt, ein Standardprodukt zur kostengünstigen Massenproduktion zu fertigen.
1979 verstärkten der Störfall im Atomkraftwerk Harrisburg und insbesondere die Reaktorkatastrophe in Tschernobyl (1986) schließlich den Druck auf die Regierungen, neue Lösungen in der Energieversorgung anzustreben.
1980 investierten insbesondere die USA, Japan und Deutschland ihre Anstrengungen im Bereich der Photovoltaik-Forschungsförderung. Außerdem wurden Förderprogramme aufgelegt, die den Bau von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen auf Einfamilienhäusern anregen sollten.
1990 wird in Deutschland wurde das 1000 Dächer-Programm eingeführt, das wertvolle Erkenntnisse zur Zuverlässigkeit von Modulen und Wechselrichtern sowie zu Fragen der Netzeinspeisung lieferte.
1991 wird das Stromeinspeisegesetz eingeführt. Es verpflichtete die Energieversorger, Strom aus kleinen erneuerbaren Kraftwerken (Wind, Photovoltaik etc.) aufzunehmen.
1995 erreichte der Solarenergie-Förderverein Aachen eV, dass in Aachen die kostendeckende Vergütung in Höhe von 2 DM pro kWh für Strom aus Photovoltaikanlagen eingeführt wurde, welche bundesweit unter der Bezeichnung Aachener Modell bekannt wurde.
2000 wird auf der Basis des Aachener Modells das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) eingeführt. Dieses Nachfolgegesetz des Stromeinspeisegesetzes legte für die verschiedenen erneuerbaren Energiequellen kostendeckende Vergütungssätze fest und führte für die Photovoltaik zu einem ungeahnten Boom.
Der Anstieg des weltweiten Wachstums
So stieg die in Deutschland kumulierte installierte Photovoltaikleistung von gut 100 MWp im Jahr 2000 auf ca. 38 GWp im Jahr 2014. Dies entspricht einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von rund 50%. Zum Ende des Jahres 2022 verfügt die Photovoltaik in Deutschland über eine Nettonennleistung von 63 Gigawatt.
Nachdem lange Jahre Deutschland der treibende Faktor war, holen jetzt andere Länder mehr und mehr auf. Das stärkste Wachstum verzeichnet China mit jährlichen Installationen von teilweise über 10 GWp.
Japan hat nach der Reaktorkatastrophe von Fukushima stark auf Photovoltaik gesetzt, was sich in deutlichen Zubauten und einer kumulierten installierten Leistung von 13 GWp zeigt.
Anschließend folgten die Boomjahre in Italien und Spanien. Die USA erwachen allmählich aus ihrem Photovoltaikschlaf mit 6 GWp Zubau im Jahr 2014.
Unabhängig von der Betrachtung der einzelnen Länder steigt das weltweite Wachstum der Photovoltaik in den letzten Jahren rasant an. Die kumulierten installierten PV-Leistungen haben sich von 700 MWp im Jahr 2000 auf knapp 177 GWp im Jahr 2014 (dem 250-fachen des Anfangswerts) erhöht.
In den vergangenen Jahre wurde europaweit mehr Energie durch erneuerbare Energien erzeugt als aus Kohle. Insgesamt wird in Europa bereits über 30 Prozent der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien erzeugt. Den größten Beitrag dafür leisteten finanzstarke Länder wie Deutschland, Großbritannien und Dänemark. In Dänemark werden über 70% des dort erzeugten Stromes aus erneuerbaren Energien gefördert. Dazu zählt u.a. Wind, Biomasse und Photovoltaik. Die Möglichkeit, in Photovoltaik investieren zu können, erweckt in vielen Anlegern das Interesse an umweltfreundlichen Investments – privat als auch kommerziell.
Effiziente Förderinstrumente
Deutschland hat bereits eine Reihe von Erfahrungen mit Förderprogrammen für die Photovoltaik. In den 1990er Jahre wurde das 1000 Dächer Programm unter Federführung des Bundesforschungsministeriums gestartet. Dieses sah eine Förderung für Photovoltaik Investment für den Bau von Anlagen in Höhe von 70% der Investitionssumme vor. Erklärtes Ziel war die "Bewertung des bereits erreichten Stands der Technik"; außerdem sollte der "noch erforderliche Entwicklungsbedarf" ermittelt werden.
⇒ Zwischen 1991 bis 1995 wurden knapp 2000 PV-Anlagen im Rahmen des Programms installiert.
Durch ein paralleles Mess- und Auswerteprogramm konnten tatsächlich wertvolle Betriebserfahrungen gesammelt werden. Nachdem der Fördertopf ausgeschöpft war, brach der kurzzeitig entstandene Markt wieder zusammen.
⇒ Die Bereitstellung der hohen Investitionsförderung von 70% wies Problematiken auf. Anlagenbetreiber haben kaum auf die Höhe der Installationskosten geachtet, die Anlagenpreise lagen meist nah an der vorgegebenen Obergrenze von 28.000 DM/kWp.
⇒ Die Auswertung des Programms zeigte außerdem, dass Anlagen die Deffekte vorwiesen, nicht repariert wurden, da man für die Reparatur keine finanzielle Unterstützung erhielt.
In den Folgejahren gab es in einigen Bundesländern weitere Förderprogramme auf der Basis von Investitionszuschüssen. Da diese aber je nach Kassenlage schnell überzeichnet waren, konnte sich kein stetiger Markt ausbilden.
⇒ Erst die Einführung der kostendeckenden Vergütung durch verschiedene Stadtwerke (Aachener Modell) und schließlich der Start des EEG im Jahr 2000 änderte die Situation.
Das EEG war von vornherein als Markteinführungsprogramm konzipiert und sollte durch Massenproduktion von PV-Anlagen zu einer Preisreduktion führen.
Was sind die wesentlichen Vorteile dieses Modells im Vergleich zur Förderung über Investitionszuschüsse?
- Da das Geld für die Einspeisevergütung über die EEG-Umlage von den Stromkunden aufgebracht wird, gibt es keine zyklisch leeren Fördertöpfe, wie sie für öffentliche Investitionsprogramme typisch sind. Damit wird der Markt verstetigt und die Investitionsbereitschaft der Hersteller steigt.
- Der Anlagenbetreiber erhält nur dann eine Rendite auf sein eingesetztes Kapital, wenn er wirtschaftlich arbeitet. Damit ist er selbst in der Pflicht, technisch ausgereifte und gleichzeitig kostengünstige Technik einzukaufen. Außerdem wird er die Anlage in eigenem Interesse bei einem Defekt reparieren und möglichst lange betreiben.
- Über die Festlegung einer Absenkung der Einspeisevergütung je nach Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Anlage, kann der Preis und auch der Marktumfang in gewissen Grenzen gesteuert werden.
Aktuell wird die Einspeisevergütung quartalsweise neu festgelegt, jeweils abhängig vom Anlagenzubau der letzten Monate. Als Zielkorridor wurde von der Bundesregierung ein Zubau von 2,4 bis 2,6 GWp pro Jahr vorgegeben. Bei Freiflächenanlagen werden die Vergütungssätze über ein Ausschreibungssystem ermittelt. Das im EEG festgelegte Prinzip der kostendeckenden Vergütung von in das Netz eingespeistem Solarstrom ist inzwischen von einer Reihe von Ländern übernommen worden.
⇒ Durch das EEG wurde eine Massenproduktion von Solarmodulen angeregt. Diese führte wie geplant zu einer eindrucksvollen Kostensenkung.
Preis- und Vergütungsentwicklung
Preisentwicklung von Solarmodulen
⇒ Die Preise haben sich seit 1990 von 28 Euro teilweise auf Centbeträge reduziert. Es könnte in Zukunft jedoch wieder zu einer Verteuerung kommen.
Der PV-Weltmarkt ist seit dem Jahr 2000 um jährlich über 50% gewachsen. Nehmen wir dieses Wachstum weiterhin an, so wird sich bis zum Jahr 2025 eine installierte PV-Kapazität von etwa 11.500 GWp ergeben. Als Preis ist dann weiterhin ein Wert von gut 20 Cent zu erwarten. Sollte das Wachstum nur 25% betragen, so landen wir im Jahr 2025 eventuell sogar darüber.
Entwicklung der Einspeisevergütung
Die Kostensenkung der Solarmodule ging einher mit einer ähnlich starken Reduzierung der Vergütung. Entsprechend wurde die des EEG abgesenkt. Ausgehend von 58 Cent/kwh ging die Vergütung für kleine Dachanlagen innerhalb von 11 Jahren auf 12 Cent/kWh zurück, einer Reduzierung auf weniger als ein Viertel des ursprünglichen Wertes.
Dachanlagen erhalten dadurch noch noch wenige Cent pro Kilowattstunde. Damit liegt die Photovoltaik unter den Kosten von Biomasse und Windkraft offshore.
Freiflächenanlagen liegen etwa auf dem Niveau von Windkraft im Binnenland (non shore)!
⇒ Etwa im Jahr 2012 wurde die Grid Parity (Netzparität) erreicht.
Damit bezeichnet man den Zeitpunkt, ab dem der Strom aus PV-Anlagen billiger ist als der Strompreis für die normalen Tarifkunden.
Gelegentlich wird die Meinung geäußert, dass ab diesem Zeitpunkt keine Einspeisevergütung mehr notwendig sei. Jedoch würde das vor allem größere Photovoltaik Investitionen die gewisse Sicherheit nehmen, da die Erträge so weniger planbar sind. Daher wird es eine gewisse Art von Einspeisevergütung auch weiterhin geben müssen. Nur so wird ein stabiler Markt erreicht, der für weitere Kostenreduzierungen und die Erreichung der Ausbauziele der erneuerbaren Energien notwendig ist.
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