Geschichte & Potenzial der Photovoltaik
Entwicklung der Photovoltaik
Photovoltaik hat sich in den vergangenen fast zweihundert Jahren von einer teuren Raumfahrttechnologie zu einer zentralen Säule der globalen Energieversorgung entwickelt. Vom ersten Nachweis des photoelektrischen Effekts im 19. Jahrhundert bis zu den ersten Solarzellen in den 1950er-Jahren war es ein weiter Weg – lange blieb die Technologie auf Spezialanwendungen beschränkt. Erst durch technologische Fortschritte und sinkende Kosten wurde Photovoltaikstrom breit nutzbar. Heute zählt Photovoltaik weltweit zu den günstigsten Formen der Stromerzeugung und spielt eine Schlüsselrolle in der Energiewende.
Entdeckung und grundlegende Forschung
1839 stieß Alexandre Edmond Becquerel bei Experimenten auf den photoelektrischen Effekt. Bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen, bei denen er eine Platin-Anode und -Kathode verwendete, maß er den zwischen diesen Elektroden fließenden Strom. Dabei stellte er fest, dass der Strom bei Licht geringfügig größer war als im Dunkeln.
Zwischen 1839 und 1907 beobachteten mehrere Wissenschaftler den Photoeffekt bei verschiedenen Materialen und Experimenten. 1907 lieferte Albert Einstein eine theoretische Erklärung des lichtelektrischen Effekts.
Ein weiterer wichtiger Schritt für die Grundlagen der Halbleitertechnik und der Photovoltaik war das 1916 von Jan Czochralski entdeckte und nach ihm benannte Kristallziehverfahren. Es wurde erst in den 1940er Jahren weiterentwickelt und kam in den 1950er Jahren mit dem steigenden Bedarf nach Halbleiterbauteilen in größerem Maßstab zur praktischen Anwendung. Russel S. Ohl und Walter Schottky schufen währenddessen wichtige Voraussetzungen für die heutigen Solarzellen, in dem sie das p-n-Modell zum ersten Mal beschrieben und theoretische Modelle dazu entwickelten.
1953 wurden von Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson kristalline Silizium-Solarzellen, jeweils ca. 2 cm2 groß, mit Wirkungsgraden von über 4 Prozent produziert. Eine Zelle erreichte sogar 6 Prozent Wirkungsgrad – am 25. April 1954 wurden die Ergebnisse der Öffentlichkeit präsentiert. Die New York Times brachte das Ereignis am nächsten Tag auf der Titelseite. Die Solarzellen hatten einen definierten p-n-Übergang und gute Kontaktierungsmöglichkeiten, wodurch erstmals wichtige Voraussetzungen für die industrielle Produktion gegeben waren. 2002 wurde eine, von den Bell Laboratories 1955 hergestellte, eingekapselte und damals mit 6 Prozent Wirkungsgrad vermessene Zelle erneut vermessen und wies noch 5,1 Prozent Wirkungsgrad auf.
Entwicklung in Österreich
Ende der 1950er-Jahre wurde die Photovoltaik erstmals zur Stromversorgung technischer Systeme eingesetzt. Zunächst fand sie vor allem in der Raumfahrt Anwendung, da die damals noch wenig bekannten und vergleichsweise teuren Solarzellen eine ideale Energiequelle für Satelliten in der Erdumlaufbahn darstellten. In den 70er- und 80er-Jahren wurde Photovoltaik zunehmend auch auf der Erde genutzt und als wartungsarme Alternative zu beispielsweise Batterien geschätzt, was das Vertrauen in diese Technologie weiter stärkte.
Im deutschsprachigen Raum erhielt die Entwicklung in den 80er-Jahren durch den Schweizer Ingenieur Markus Real entscheidenden Schwung. Er konnte die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit der Photovoltaik überzeugend darlegen. Auch die Bundesrepublik Deutschland nahm mit dem sogenannten 1.000-Dächer-Programm eine Vorreiterrolle ein. Darauf folgten das Stromeinspeisungsgesetz von 1991, das Energieversorger zur Abnahme von Strom aus kleinen erneuerbaren Anlagen verpflichtete, sowie das 100.000-Dächer-Programm. Im Jahr 2000 trat schließlich das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) als regulatorischer Rahmen in Kraft.
Österreich galt im Vergleich zu anderen Industrienationen der EU lange als Nachzügler bei der Nutzung von Photovoltaik. Erst ab 2008 setzte ein deutlicher Ausbau ein, wobei sich der jährliche Zubau bis 2013 kontinuierlich verdoppelte. Im Jahr 2013 wurden Anlagen mit einer Leistung von 263 MWp installiert. In den darauffolgenden Jahren ging der jährliche Ausbau zunächst auf etwa die Hälfte zurück, bevor er ab 2019 wieder spürbar anzog. Bis Ende 2025 waren in Österreich Photovoltaikanlagen mit einer Gesamtleistung von 9.782 MW installiert. Die Entwicklung der letzten Jahre sowie weiterführende Grafiken finden sich hier.
Entwicklung der Anwendungen
Am 17. März 1958 wurde die Photovoltaik zum ersten Mal für die Stromversorgung eines Systems angewendet. Nachdem die USA bereits erfolgreich einen Satelliten in eine Erdumlaufbahn gebracht hatten, flog der zweite Satellit der USA namens Vanguard I mit einer chemischen Batterie und Photovoltaikzellen zum Betrieb eines Senders an Bord ins All. Er wog nur ca. 1,6 Kilogramm und hatte einen Durchmesser von weniger als 16 Zentimetern. Der Erfolg dieses kleinen Satelliten und die daran beteiligten Wissenschaftler legten den Grundstein für die erste erfolgsversprechende Verwendung der bis dahin noch nahezu unbekannten und vor allem sehr teuren Solarzellen. Für viele Jahre wurden in der Folge Solarzellen vorwiegend für Raumfahrtzwecke weiterentwickelt, da sie sich als ideale Stromversorgung für Satelliten in der Erdumlaufbahn bewiesen.
1976 entschied sich die australische Regierung, das gesamte Telekommunikationsnetz im Outback mit photovoltaisch gestützten Batteriestationen zu betreiben. Einrichtung und Betrieb waren erfolgreich und ließen das Vertrauen in die Photovoltaik deutlich ansteigen.
Etwa ab 1980 waren Photovoltaikmodule mit wiederaufladbaren Batterien eine Standardanwendung zum Betrieb von Signalanlagen auf kleinen unbemannten Ölbohrinseln im Golf von Mexiko. Sie ersetzten als kostengünstigere und wartungsärmere Variante die vorher verwendeten großen Batterien, die im Abstand weniger Monate personalaufwändig und kostenintensiv getauscht werden mussten.
Der Schweizer Ingenieur Markus Real war bereits in den 1980er Jahren der Überzeugung, dass es ökonomisch sinnvoller sei, jedes Haus mit einer eigenen PV-Anlage zu bestücken, also eine dezentrale Energiewandlung zu bevorzugen. Er trat mit 333 auf einzelnen Gebäuden installierten 3-kW-Dachanlagen in Zürich den Beweis an. Dies war der Anfang einer Bewegung, in Zuge derer auch das 1.000-Dächer-Programm der Bundesrepublik Deutschland aufgelegt wurde. Ab 1991 wurden mit dem Stromeinspeisungsgesetz die Energieversorger in Deutschland dazu verpflichtet, den Strom der kleinen regenerativen Kraftwerke abzunehmen. Dem 1.000-Dächer-Programm folgte das 100.000-Dächer-Programm und im Jahr 2000 auch der Nachfolger des Stromeinspeisungsgesetzes, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).
Österreich war im Vergleich zu den Industriestaaten der EU ein Spätzünder was die Photovoltaiknutzung betrifft. Erst seit dem Jahr 2008 kam es zu einem sichtbaren Zubau. Daraufhin wurde der jährliche Zubau bis 2013 jedoch jedes Jahr verdoppelt. Der PV-Ausbau im Jahr 2013 betrug 263 MWp. Mit 2014 ist die installierte jährliche Leistung in Österreich auf ca. 160 MW abgeflacht. In diesem Bereich blieb sie dann auch bis 2018.
Seit 2019 steigt die jährlich installierte PV-Leistung wieder merklich an. So waren Ende 2021 2.783 MW oder 2,78 GW an Photovoltaik-Leistung in Österreich installiert. Die Entwicklung der vergangenen Jahre sowie aktuelle Grafiken finden Sie hier.
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Potenziale der Photovoltaik
Jährlich erreicht die Erde etwa das 10.000-fache der Energiemenge in solarer Strahlungsenergie, die die Menschheit in einem Jahr benötigt (Primärenergiebedarf). Das Potenzial der Sonnenenergie ist daher enorm und ihre Einsatzmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt. Zur genaueren Einordnung werden verschiedene Potenziale unterschieden:
- Theoretisches PV-Potenzial: Dieses Potenzial beschreibt das gesamte physikalisch verfügbare Angebot an Sonnenenergie ohne Einschränkungen. Dabei wird lediglich der maximal erreichbare physikalische Wirkungsgrad von PV-Systemen berücksichtigt.
- Technisches PV-Potenzial: Hier werden Beschränkungen einbezogen, indem nicht nutzbare Flächen ausgeschlossen und tatsächliche Modulwirkungsgrade für die Berechnung verwendet werden. Dieses Potenzial kann sich somit durch gesetzliche Rahmenbedingungen, technologische Fortschritte oder die Erschließung neuer Flächen etc. verändern.
- Wirtschaftliches PV-Potenzial: Ausgehend vom technischen Potenzial werden jene Anteile abgezogen, die nicht wirtschaftlich rentabel sind. Dieses Potenzial hängt unter anderem von schwankenden Kosten für PV-Systeme, Preise konkurrierender Technologien sowie von neuen Anforderungen an die Technologie ab.
- Realisierbares PV-Potenzial: Dieses Potenzial analysiert das wirtschaftliche Potenzial auf dessen tatsächliche Umsetzbarkeit innerhalb eines bestimmten Zeitraums. Dabei spielen auch Faktoren wie gesellschaftliche Akzeptanz und Nachfrage eine entscheidende Rolle.
Die Studie „Photovoltaik-Potentiale im Gebäudesektor in Österreich bis 2040 und Abschätzung der Photovoltaik-Potentiale auf weiteren Infrastrukturen“ (2024) ermittelt folgende Photovoltaikpotenziale für Österreich, aufgegliedert in unterschiedliche zur Verfügung stehende Flächen:
Grundsätzlich hat jede Person mit Zugang zu einer geeigneten Fläche – sei es ein Grundstück, ein Dach oder ein Balkon – das Potenzial, selbst Strom mithilfe von Photovoltaik zu erzeugen.
Neben den inzwischen weit verbreiteten Anlagen auf Dächern oder Freiflächen existiert eine Vielzahl innovativer Ansätze zur Erzeugung von PV-Strom. Dazu zählen u. a. schwimmende PV-Anlagen, die Überbauung bereits versiegelter Flächen, kompakte Balkonmodule sowie bauwerks- oder geräteintegrierte Lösungen, etwa in Fahrzeugen oder tragbaren Geräten wie Powerbanks. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig und entwickeln sich stetig weiter.
Auch die Ausrichtung und Neigung der Module spielen eine wichtige Rolle bei der Bewertung des Potenzials. Weiterführende Informationen dazu finden Sie hier. Mit dem SonnenKLAR PV-Rechner können Sie zudem Ihr persönliches Photovoltaikpotenzial sowie eine passende Anlage berechnen.
Jede Person oder jedes Unternehmen, die ein Gebäude, ein Stück Land oder auch nur einen Balkon besitzt, hat das Potenzial, Strom aus Photovoltaik zu erzeugen.
Ein Quadratmeter PV am Dach kann etwa Strom im Ausmaß von 200 kWh im Jahr erzeugen. Mit dieser Herleitung kann jeder Dachbesitzer schnell das eigene Potenzial ermitteln. Aber Achtung: Nicht das gesamte Dach kann energetisch genutzt werden, da es Abstände zwischen den Modulen und Sicherheitsabstände zu Dachrändern und anderen herausragenden Dachbauteilen braucht.
Ein nach Süden ausgerichteter Quadratmeter PV in der Fassade erzeugt in etwa 140 kWh pro Jahr.
Ein Quadratmeter auf der ebenen Fläche (zum Beispiel einer Freifläche oder einem Flachdach) hat ein Potential von etwa 100-120 kWh Strom pro Quadratmeter und Jahr. Hier ist die Aufständerung und der Reihenabstand bereits miteingerechnet.
Neben der Erzeugung am Dach, in der Fassade oder auf der Freifläche gibt es eine Vielzahl von anderen, innovativen Ansätzen wie PV-Strom erzeugt werden kann. Von schwimmender PV oder Überbauungen von versiegelten Flächen über Balkonmodule bis hin zu bauwerksintegrierten oder geräteintegrierten Modulen, wie zum Beispiel bei Autos oder Powerbanks – die Möglichkeiten sind vielfältig. Mehr dazu finden Sie hier.
Quellenangaben:
- https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dawn_solar_panel.jpg
- https://www.energie-experten.ch/de/wissen/detail/die-geschichte-der-photovoltaik.html
Photovoltaik-Potentiale im Gebäudesektor in Österreich bis 2040 und Abschätzung der Photovoltaik-Potentiale auf weiteren Infrastrukturen, Fechner 2024
Photovoltaik-Potentiale im Gebäudesektor in Österreich bis 2040 und Abschätzung der Photovoltaik-Potentiale auf weiteren Infrastrukturen, Fechner 2024