Platz da für Photovoltaik ? Platz da für Photovoltaik !

Damit die Energiewende gelingt, also der Umstieg von fossilen auf regenerative Energiequellen und Energieerzeugungstechnologien, brauchen wir unter anderem Installationsflächen. Dieser Beitrag widmet sich dem Flächenbedarf der Photovoltaik. Für die angepeilten 100 Prozent Erneuerbare Energien (EE) und Klimaneutralität bis 2045 bräuchte Deutschland statt der bisher installierten Anlagenleistung von 54 GigawattPeak (GWP) das Sechs- bis Achtfache dessen: 300 bis 450 GWP. Laut einer aktuellen Studie des Fraunhofer ISE seien die dafür nötigen Flächen zur Genüge vorhanden.

Photovoltaik in Deutschland: Das IST

Zum Ende des Jahres 2020 seien in Deutschland laut dem BSW Solar, dem Bundesverband der Solarwirtschaft Deutschlands, zwei Millionen Photovoltaik-Anlagen in Betrieb gewesen. Zusammen kämen sie demnach auf eine Nennleistung von 54 GWP.

Übers ganze Jahr 2020 hätten die Photovoltaik-Anlagen laut Aussage des Umweltbundesamtes 50,6 Terrawattstunden (TWh) umweltfreundlichen Solarstroms erzeugt. Das entspräche einem prozentualen Anteil von 9,2 Prozent (%) des deutschen Brutto-Stromverbrauchs. Bezogen auf den Anteil aller Erneuerbaren Energien (Photovoltaik, Wind, Biomasse und Wasserkraft) von 45 % am Brutto-Stromverbrauch – der Rest aus fossilen und nuklearen Kraftwerken gekommen – lieferte die Photovoltaik demnach gut ein Fünftel. Der Brutto-Stromverbrauch schließe laut dem Fraunhofer ISE

  • Netzverluste,
  • Speicherverluste
  • und Eigenverbrauchsverluste ein.

An sonnigen Tagen decke Solarstrom zeitweise mehr als zwei Drittel des momentanen Stromverbrauchs in Deutschland.

Photovoltaik in Deutschland: Das SOLL

Um die deutschen Klimaziele zu erreichen, 100 Prozent EE und Klimaneutralität spätestens bis zum Jahr 2045, brauche Deutschland einen deutlichen Ausbau der Erneuerbaren Energie. Den Zubau an Photovoltaik-Anlagen beziffert das Fraunhofer ISE in seiner aktuellen Studie „Solaroffensive für Deutschland. Wie wir mit Sonnenenergie einen Wirtschaftsboom entfesseln und das Klima schützen“, die im Auftrag der Umweltschutzorganisation Greenpeace durchgeführt wurde, auf das Sechs- bis Achtfache: Statt der bislang 54 GWP Anlagenleistung seien 303 bis 446 GWP nötig.

„Um 100 Prozent unseres, bis dahin nochmal stark gestiegenen, Strombedarfs mit Erneuerbaren zu decken, müssen wir im Vergleich zu heute das 6 bis 8-fache an Photovoltaik-Leistung installieren“, sagt Christoph Kost, Leiter der Gruppe Energiesysteme und Energiewirtschaft am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in der zugehörigen Pressemeldung.

Photovoltaik – sechs- bis achtfacher Zubau bis spätestens 2045

Das gesetzlich festgelegte Ziel für den jährlichen Photovoltaik-Zubau von 2,5 GW sei dem Fraunhofer ISE zufolge im Jahr 2020 übertroffen worden – gleichwohl die Ziele der Energiewende in weiter Ferne blieben.

Nähme sich Deutschland für den Ausbau der Photovoltaik mit der genannten Zielgröße 300 bis 450 GWP Zeit bis zum Jahr 2040, so müssten im Jahresschnitt Photovoltaik-Anlagen mit einer Nennleistung von 12 bis 20 GWP neu errichtet werden.

Wichtig: Ersatz von Altanlagen

Das Fraunhofer ISE weist darauf hin, dass zunehmend auch Altanlagen ersetzt werden müssten. Noch fiele der Ersatz von Altanlagen demnach weniger ins Gewicht, sein Anteil werde sich jedoch im voll ausgebauten Zustand und bei einer angenommenen Nutzungsdauer der Anlagen von gut 30 Jahren auf etwa 10 bis 15 GWP pro Jahr belaufen.

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Mehr Photovoltaik-Anlagen – mehr Installationsflächen

Das Potential aller verfügbaren Flächen für Photovoltaik in Deutschland sei immens: Die Forscher des Fraunhofer ISE beziffern die Nennleistung der Anlagen, die sich ergäbe, wenn alle verfügbaren Flächen mit Modulen bestückt würden, auf satte 3.000 GWP. Das wäre mehr das Sechsfache des für 2045 angepeilten Photovoltaik-Ausbauzieles der Bundesrepublik Deutschland!

Einordnung des Flächenbedarfs für Photovoltaik

Der Flächenbedarf für Erneuerbare Energien im Allgemeinen und der für Photovoltaik im Speziellen wird immer wieder als Gegenargument gegen die Erneuerbaren angeführt. Deshalb lohnt es sich, den Flächenbedarf mal ins Verhältnis zu anderen „Flächenbesetzern“ zu setzen. Hier ist eine Beispielrechnung von Thomas Rinneberg, der mit einer Photovoltaik-Gesamtnennleistung von 415 GWP rechnete:

Laut dem Fraunhofer ISE könne man davon ausgehen, dass etwa ein Drittel der Solarmodule zur Solarstromerzeugung auf Freiflächen und der Rest auf Gebäudedächern installiert würde. Bei üblichen Leistungen pro Hektar (ha) von Photovoltaik-Anlagen, die mit Werten zwischen 0,5 und 1 MegawattPeak (MWP) je nach Anlagenform- und Bauart zudem stark variierten, käme man laut Rinneberg auf einen Gesamtflächenbedarf von 4.150 bis 8.392 Quadratkilometern (km²), das seien 2,35 Prozent der Fläche Deutschlands. Diesem Flächenbedarf für Photovoltaik stellt Rinneberg die Gesamtsiedlungsfläche in Deutschland (also die bebaute Fläche) gegenüber: 33.362 km².

Demnach müsse man knapp 17 Prozent der deutschen Dächer mit Solarmodulen bestücken, um auf die vorgenannte Gesamtnennleistung der Photovoltaik von 415 GWP zu kommen. Hinzu kämen dann noch knapp 2.800 km2 an Freiflächenanlagen, das entspreche etwa 17 Prozent der Verkehrsfläche Deutschlands, erklärt Rinneberg weiter.

Noch 3 Pros für Solarstromanlagen

Pro Solarstromanlage spreche demnach auch die CO2-Menge, die erneuerbar erzeugter Solarstrom einspare. Laut dem Umweltbundesamt spare eine Solarstromanlage pro Jahr und KilowattPeak (kWP) installierter Leistung 0,627 Tonnen (t) CO2. Die bereits genannten 415 GWP Photovoltaik würden 260.205.000 t CO2 einsparen.

Derzeit baue Deutschland auf 18.000 km² reine Energiepflanzen an, um diese zu Biodiesel, Biogas und Bioethanol zu verarbeiten. Der Anbau sei, so erklärt Rinneberg, jedoch häufig ineffizient. Ein Teil dieser Flächen ließe sich daher mit Photovoltaik-Freiflächenanlagen ersetzen, was zugleich die Biodiversität vor Ort steigern würde.

Und auch diese Zahl wirft Rinneberg in die Waagschale pro Photovoltaik: Achtzig ausgewachsene Buchen würden ihm zufolge jährlich etwa eine t CO2 binden, eine Buche alleine also 0,01250 t. Eine halbe Million Buchen würde eine Fläche von etwa 4.641 ha besetzen, also 0,00928 ha pro Buche. Um die oben berechneten 260.205.000 t CO2 zu binden, seien demnach 20.816.400.000 Buchen nötig. Das entspreche einer Fläche von 1.932.178 km², was das 5,4-fache der Fläche Deutschlands sei.

Deutschland hat ausreichend Platz für Photovoltaik und andere Erneuerbare

Es steht außer Frage, dass das Mehr an Photovoltaik-Anlagen landauf landab entsprechend mehr Fläche zu deren Installation benötigt. Wer hierbei nur

  • an Dächer von Gebäuden
  • oder Freiflächen rechts und links von Autobahnen und Schienenwegen

denkt, der denkt zu kurz. Photovoltaik-Module lassen sich auch auf anderen Flächentypen betreiben, zum Beispiel

  • auf landwirtschaftlichen Flächen (Stichwort: Agri-Photovoltaik)
  • auf der Oberfläche gefluteter Tagebauseen,
  • an den Fassaden von Gebäuden und Balkonbrüstungen,
  • an Zäunen und Lärmschutzwänden,
  • als befahrbarer Gehweg-, Radweg- oder Straßenbelag
  • oder als Überdachung von Wegen und Straßen sowie Parkplätzen.

Selbst mobile Photovoltaik-Flächen sind im Gespräch, zum Beispiel ließen sich diverse

  • Fahrzeuge, die zu Wasser, Luft oder Land unterwegs seien, damit aufrüsten.

Photovoltaik verbinde sich mit der Landwirtschaft, schwimme auf gefluteten Tagebauen, passe in Gebäude- und Fahrzeugaufbauten, folge Verkehrswegen oder bedecke bereits versiegelte Flächen wie Parkplätze. Die Integration von Photovoltaik-Anlagen in solche bereits genutzten Flächen erschließe ein riesiges Potenzial zur Stromerzeugung – und schaffe eine Fülle weiterer Synergien. Das sagt Dr. Harry Wirth, der das Forschungsfeld „Integrierte Photovoltaik“ beim Fraunhofer ISE betreut und das Fraunhofer-ISE-Positionspapier „Integrierte Photovoltaik – Flächen für die Energiewende“ verfasste.

Integrierte Photovoltaik (Definition)

Was ist integrierte Photovoltaik? Das Fraunhofer ISE beschreibt integrierte Photovoltaik als die Photovoltaik-Anlagen, die sich in die Hülle von Gebäuden, Verkehrswegen und Fahrzeugen einbauen (integrieren) ließen – oft mit dem Ergebnis, dass die Solarzellen beziehungsweise Solarmodule von außen gar nicht mehr als solche auszumachen seien. Integrierte Photovoltaik teile sich aber nicht nur Flächen mit Gebäuden, Verkehrswegen und Fahrzeugen, sondern auch mit der Landwirtschaft. Sie besetze Wasseroberflächen in gefluteten Tagebauen.

Neue Photovoltaik-Technologien und -Technik in entsprechend neuen Design eröffne dazu auch Möglichkeiten, Formate und Farben für integrierte Solarmodule, deren Schaltkreis und Zellarchitektur bei Bedarf vollständig verdeckt werden könnten, frei zu wählen. Spezielle Ansprüche von Seiten der Anwendung, wie ein reduziertes Flächengewicht oder eine extreme mechanische Beständigkeit, ließen sich mit der der Auswahl geeigneter Materialien erfüllen.

Chancen für integrierte Photovoltaik

In seinem Positionspapier „Integrierte Photovoltaik – Flächen für die Energiewende“ nennt Dr. Harry Wirth vom Fraunhofer ISE die Chancen von integrierten Solarmodulen innerhalb der einzelnen Anwendungsfelder:

  • Bauwerkintegrierte PV (BIPV)
  • Agri-Photovoltaik (Agri-PV oder APV),
  • Fahrzeugintegrierte PV (auf Englisch „Vehicle Integrated PV“, kurz: VIPV),
  • Photovoltaik in Verkehrswegen (auf Englisch „Road Integrated PV“, kurz: RIPV),
  • Schwimmende PV (auf Englisch „Floating PV, kurz: FPV),
  • Urbane PV (UPV, Nutzung von Flächen im urbanen Raum)

Die erste Chance der integrierten Photovoltaik sei demnach, dass sie dazu beitrüge, Flächennutzungskonflikte zu mindern beziehungsweise ganz zu meiden. Denn mit dem Integrieren von Solaranlagen in die bestehende bebaute Umgebung und Hüllen, mit der Doppelnutzung von Agrarflächen und mit dem Besetzen gefluteter Tagebauseen beanspruche die Photovoltaik-Technik keine zusätzlichen, wertvollen Flächen. Damit entfielen laut Dr. Wirth auch Kosten fürs Bereitstellen von Flächen Großteils oder gar komplett.

Die zweite Chance der integrierten Photovoltaik stelle die lokale Produktion dar. Dazu müsse man wissen, dass integrierte Photovoltaik ein hohes Maß an individuellen Lösungen erfordere. Module von der Stange in Einheitsgröße und Standarddesign ließen sich vielen Fällen nicht einsetzen. Damit böten sich Chancen für eine lokale Photovoltaik-Anlagen-Produktion mit nachhaltiger Wertschöpfung deutscher und europäischer Unternehmen.

Chance Nummer 3 sei die Reduktion des Materialverbrauchs. Die resultiere aus dem Umstand, dass beim Integrieren von Photovoltaik-Anlagen in Hüllen (Bauwerkintegrierten PV oder der Fahrzeugintegrierten PV) die Module auf eine bereits bestehende Unterkonstruktion montiert würden. Anders als beim Aufständern der Module auf einer Freifläche benötige man beim Integrieren kaum weiteres Material für die Modulmontage.

Zudem diene die frontseitige Abdeckung der Module, in der Regel eine Glasscheibe, gleichzeitig als Schutzhülle für das Gebäude oder Fahrzeug. Oder es übernähme die Aufgabe einer Lärmbarriere (Schallschutzfunktion).

Solche Synergieeffekte würden

  • den Materialverbrauch insgesamt senken,
  • die Klimabilanz der Photovoltaik verbessern
  • und Kostenvorteile erzeugen,

die bei drastisch gesunkenen Preisen für Solarzellen immer stärker ins Gewicht fielen, bewertet Dr. Harry Wirth.

Die vierte Chance seien die ortsnahe Stromversorgung und der Reichweitengewinn für elektrische Mobile (E-Mobile): Bauwerkintegrierte PV und Fahrzeugintegrierte PV würden demnach Solarstrom nahe am Verbraucher beziehungsweise direkt an Bord von Fahrzeugen erzeugen. Das Stromnetz würde so weniger belastet und die Reichweite von E-Fahrzeugen würde sich erhöhen. Fassadenintegrierte Solarmodule abseits der Südorientierung würden ihren Solarstrom verstärkt in den Morgen- beziehungsweise Nachmittagsstunden erzeugen und böten damit vorteilhafte Erzeugungsprofile.

Herausforderungen für integrierte Photovoltaik

Den beschriebenen Chancen stellt das Fraunhofer ISE die folgenden Herausforderungen gegenüber. Sie ergäben sich insbesondere aus der Tatsache, dass der Anteil integrierter Photovoltaik an der installierten Photovoltaik-Leistung weltweit noch vergleichsweise klein sei, insbesondere aber in Deutschland. Um die Integration dennoch anzuschieben, müsse man hierzulande noch eine Reihe technischer und regulatorischer Herausforderungen lösen:

Die erste Herausforderung sei demnach die Regulierung und das Schaffen gesetzlicher Rahmenbedingungen. Denn die Einspeisevergütung nach EEG orientiere sich bislang an der preiswertesten Photovoltaik-Technik – nämlich an den quasi-standardisierte Modulen, die häufig aus chinesischer Massenproduktion stammten, und an einfachen Montagegestellen für Freiland oder Dach. Eine gezielte Förderung für flächenneutrale Anlagen wie die Agri-Photovoltaik (APV), Bauwerkintegrierte PV, PV in Verkehrswegen oder Schwimmende PV mit ihren tendenziell höheren Stromgestehungskosten sei (noch) nicht vorgesehen. Zudem erschwere der regulatorische Rahmen in den jeweiligen Anwendungen die Integration von Photovoltaik.

Herausforderung Nummer 2 sei der erhöhte Aufwand für das Planen und Installieren der integrierten Photovoltaik-Anlagen. Da sich für Bauwerkintegrierte und andere integrierte Photovoltaik-Anwendungen noch kein Massenmarkt etabliert habe, seien die

  • Planungsprozesse,
  • Produktionsprozesse
  • und Installationsprozesse dem Fraunhofer ISE zufolge oft nicht an die Verwendung solar-aktiver Komponenten angepasst.

Aber: Mit der zunehmenden Digitalisierung solcher Prozesse ließen sich der Informationsfluss erleichtern und der Mehraufwand für integrierte Lösungen deutlich reduzieren.

Die dritte Herausforderung seien die Stromgestehungskosten: Die Stromgestehungskosten für Integrierte Photovoltaik lägen in vielen Anwendungen etwas höher als für große Solarparks. Dank der Entwicklung kostengünstiger Produktionsverfahren, Modul- und Systemdesigns und dank des Einsatzes preiswerterer Materialien könne dieser Kostenunterschied jedoch gesenkt werden. Wobei das Fraunhofer ISE auch fordert, dass Forschung und Entwicklung (FuE) sowie Demonstrationsprojekte initiiert werden müssten.

Integration von Photovoltaik braucht politisches Handeln

Und wo wir schon bei Forderungen sind – das sind einige der politischen Handlungsfelder, die das Fraunhofer ISE für die Integration von Photovoltaik benennt:

Flankierende Anpassung gesetzlicher Rahmenbedingungen

für Agri-Photovoltaik

  • vereinfachte Genehmigungsverfahren
  • Flächenstatus als landwirtschaftliche Nutzfläche erhalten, um Agrarsubventionen der Europäischen Union für Agri-PV-Anlagen zu ermöglichen

Für Bauwerkintegrierte Photovoltaik

  • Gebäudeteile mit integrierter Photovoltaik-Funktion steuerlich abschreiben innerhalb von 20 Jahren, statt der bei Gebäuden üblichen 50 Jahre, um den Eigenverbrauch von Solarstrom nicht zu benachteiligen
  • Vorgaben für Nullenergiegebäude (nearly net zero energy buildings) so formulieren, dass Anreize für eine lokale bauwerkintegrierte Stromproduktion gesetzt werden
  • Erhöhung der im Energierecht verankerten Schwellenwerte für Anlagengrößen bei vertikal ausgerichteten Anlagen, angepasst an das Potenzial für die jeweilige Fassadenorientierung

Für Schwimmende Photovoltaik

  • Wasserflächen als „Konversionsfläche“ oder als „sonstige bauliche Anlage“ gemäß § 37 Absatz 1 Nr. 2 EEG 2017 einstufen

Für Photovoltaik in Verkehrswegen

  • gesetzliche Verpflichtung zur energetischen Nutzung geeigneter Schallschutzwände bei Neubau und Sanierung

Für Fahrzeugintegrierte PV

  • zusätzliche CO2-Emissionsgutschrift für Flottenemission bei Integration von Photovoltaik für Elektro- und konventionelle Fahrzeuge
  • Steuervergünstigungen für LKWs, LKW-Anhänger und Kühl-LKW mit integrierter Photovoltaik

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