Erderwärmung mindert PV-Leistung

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Klimawandel verringert Effizienz von Solarerzeugung

Während die installierte Photovoltaikleistung auf Terawattmaßstab wächst, machen sich die Auswirkungen der Erderwärmung bemerkbar – etwa mit der Frage, wie sich steigende Temperaturen auf die Leistung von PV-Anlagen auswirken. Die MIT-Forscher Ian Marius Peters und Tonio Buonassisi haben die Verringerung des Energieertrags für Silizium-PV-Anlagen aufgrund der globalen Erwärmung im Jahr 2100 eingeschätzt. Unter Verwendung von IPCC-Szenarien und veröffentlichten Temperaturkoeffizienten für die heutigen Silizium-PV-Module prognostizieren sie durchschnittliche Reduzierungen der jährlichen Energieproduktion um 15 kWh pro kWP, mit Steigerungen bis zu 50 kWh pro kWP in einigen Bereichen. Auch das Fraunhofer ISE in Freiburg ist bereits zu ähnlichen Werten gekommen, so das pv magazine.

PV auf Bonner Hotel-Dach – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Sonnenenergie ist zwar eine grüne, erneuerbare Energiequelle und ein wichtiger Weg, um die Abhängigkeit des Planeten von fossilen Brennstoffen zu verringern. Die große Hoffnung ist, dass diese und andere erneuerbare Quellen dazu beitragen können, die klimabedrohende Erwärmung umzukehren. Aber es gibt ein Problem: PV-Zellen sind bekanntermaßen temperaturempfindlich. Der Klimawandel dürfte erhebliche Auswirkungen auf die Solarstromerzeugung haben, nicht zuletzt aufgrund von Veränderungen in der Menge des einfallenden Sonnenlichts in verschiedenen Teilen der Welt. Einige Bereiche werden mehr Sonnenlicht empfangen, andere weniger, weil sich etwa die Wolkendecke, der atmosphärische Wassergehalt oder die Aerosole verändern. So würden die meisten Orte größere Schwankungen aufweisen. Die genauen Veränderungen an bestimmten Stellen sind schwer zu berechnen. Deshalb haben Wissenschaftler, Politiker, Energieversorger und andere Schwierigkeiten, vorherzusagen, wie ihre Gebiete betroffen sein werden.

Nun zeigten Ian Peters und Tonio Buonassisi vom Massachusetts Institute of Technology, warum ein weiterer Faktor berücksichtigt werden muss: die Temperatur. Die Leistung von PV-Zellen sinkt, wenn sie heißer werden. Aber wie sich das bei Erwärmung des Planeten entwickeln wird, ist kaum bekannt. PV-Zellen erzeugen Strom, wenn Sonnenlicht Energie auf Elektronen im Material überträgt. Dieser Prozess erzeugt auch positiv geladene „Löcher“ in der Struktur, die in entgegengesetzter Richtung zu Elektronen fließen. Ein wichtiger Faktor für den Wirkungsgrad von PV-Zellen ist die Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen mit den Löchern rekombinieren, ein Prozess, der sie aus dem Leitungsband herausholt und so die Leistung reduziert. Diese Rate ist sehr temperaturempfindlich: Je heißer sie ist, desto höher ist die Rekombinationsrate.

Das wird wahrscheinlich eine wichtige Rolle spielen, wenn sich der Planet erwärmt, sagen Peters und Buonassisi. Sie berechnen, dass die photovoltaische Leistungsabgabe im Durchschnitt um 0,45 % pro Grad Temperaturerhöhung sinkt. Sie untersuchen dann die Auswirkungen dieser Veränderung anhand der vom IPCC vorhergesagten Temperaturänderung. Das IPCC hat mehrere Vorhersagen getroffen, die auf unterschiedlichen Schätzungen der zukünftigen Treibhausgasemissionen basieren. Peters und Buonassisi nutzen das so genannte Representative Concentration Pathway 4.5 Szenario, bei dem die Emissionen 2040 ihren Höhepunkt erreichen und die globale Durchschnittstemperatur um 1,8 Grad Kelvin bis 2100 erhöhen.

„Da die Temperaturen auf der Landmasse unseres Planeten fast überall steigen, wird die Energieproduktion überall reduziert“, sagen sie. Aber einige Bereiche werden schlechter dran sein als andere. „Besonders betroffen sind die südlichen Vereinigten Staaten, das südliche Afrika und Zentralasien.“ Sie erstellten anschließend eine globale Karte, die das Ausmaß der Leistungsänderung in jedem Bereich zeigt.

Natürlich weisen die Forscher auf eine Reihe von Unwägbarkeiten hin. Denn auch andere Faktoren beeinflussen die Leistung von PV-Zellen. Vor allem hängt die Menge des einfallenden Sonnenlichts von der Wolkendecke und dem atmosphärischen Wassergehalt (d.h. der Luftfeuchtigkeit) ab. Und sie weisen darauf hin, dass die Größe (0,45 % pro Grad), mit der sie den Leistungsabfall berechnen, nur eine repräsentative Zahl ist. Durchbrüche in der Materialwissenschaft könnten sie in Zukunft deutlich verändern. So weisen beispielsweise Materialien mit einer höheren Bandlücke, wie Cadmiumtellurid, einen deutlich geringeren Wirkungsgradverlust auf.

Dennoch ist die Botschaft klar. Die globale Erwärmung wird die Menge an Strom, die PV-Zellen produzieren können, an einigen Stellen deutlich reduzieren. Und das muss bei der zukünftigen Energieplanung berücksichtigt werden.

Fraunhofer ISE kommt zu ähnlichen Ergebnissen

Bruno Burger von Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hatte in einem pv magazine-Interview kürzlich auf ähnliche Ergebnisse der Freiburger Wissenschaftler verwiesen, wonach hocheffizientere kristalline Solarmodule weniger temperaturanfällig seien. Die Leistungsmessung für die Solarmodule erfolgt dabei bei 25 Grad Celsius. „Bei monokristallinen Solarmodulen sehen wir eine Abnahme der Leistung um 0,4 Prozent pro Kelvin beziehungsweise Grad Celsius, also bei zehn Grad mehr erzeugen die Photovoltaik-Anlagen rund vier Prozent weniger. Bei hocheffizienten Modulen liegen die Auswirkungen bei zehn Grad mehr eher bei drei Prozent und bei älteren polykristallinen Modulen mit knapp fünf Prozent etwas höher“, erklärte Burger.

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