Wenn man sich Landkarten der durchschnittlichen Sonneneinstrahlung anschaut, sieht alles noch äußerst rosig aus.

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(Karte aus der Wikipedia)

In Deutschland stehen etwa 1095kWh pro m² Bodenfläche als Sonnenenergie zur Verfügung. Das wären im Jahresschnitt genau 125W/m² oder 125MW/km². Aber sobald man sich reale Beispiele anschaut, wird die Sache viel schlechter. Nehmen wir uns den Solarpark Lieberose als Beispiel.

LieberoseSolarpark

Die beiden Flächen haben zusammen 1,6 km² und erzeugen in der Spitze 53MW Strom. Aber am Ende des Jahres bleiben nur noch 6MW im Durchschnitt übrig, auch wenn das Kraftwerk natürlich als 53MW Kraftwerk beworben wird.

Das Kraftwerk benutzt Dünnschichtsolarzellen mit einer Effizienz von 10% und man könnte nun annehmen, dass man damit aus 125MW/km² noch 12,5 MW/km² erzeugen könnte. Tatsächlich sind es aber nur 4MW/km². Warum das?

Ein Teil der Antwort liegt in der verbauten Gesamtfläche von 500.000 Quadratmeter Solarpanelen. Das Photo aus Luft wurde aus südlicher Richtung aufgenommen, so dass man die Lücken zwischen den Reihen der Panele nicht sieht. Hier ist ein Photo von der Einweihung, auf der man die Lücken deutlich sieht. Die braucht man auch, denn jede Reihe Solarzellen wirft natürlich einen Schatten und man möchte keine Fläche der Solarzellen verschwenden, indem man sie gegenseitig abschattet.

Weiter südlich in Europa kann man nicht nur die Solarzellen deutlich flacher aufbauen, weil die Sonne in einem steileren Winkel scheint. Man kann auch die Reihen näher aneinander bauen, ohne dass sich Solarpanele gegenseitig abschatten. Auf Detailphotos sieht man, dass nicht einmal die Hälfte der Fläche überhaupt von Solarpanelen überdeckt ist.

Das ist aber nicht alles. Die 10% Effizienz der Dünnschichtsolarzelle sind genau das, die Effizienz der Zelle, nicht des Panels. An der oberen Glasschicht allein gehen 4% des Lichts durch Reflexion verloren. Eine Vergütung kann das im Inneren deutlich verringern. Durch Ränder und Lücken zwischen den Panelen gehen etwa 10% der Fläche verloren. Die Zugangswege zwischen den Reihen installierter Zellen und die Wechselrichterhäuschen nehmen auch noch ein paar Prozent ein und im Laufe der Zeit wird auch eine gewisse Menge Staub, Pollen und ähnliches auf den Panelen Tribut fordern. Schon bleiben von den 10% Effizienz weniger als 8,5% übrig.

Zusammen genommen erklärt das dann auch die insgesamt niedrige Flächenleistung solcher Kraftwerke. Natürlich könnte man die Flächenleistung verbessern, indem man effizientere Solarzellen benutzt. Aber dem stehen höhere Kosten gegenüber, die man gerade auf großen Anlagen vermeiden möchte, zumal die EEG Umlage abhängig von der Gesamtleistung der Anlage ist. Auf absehbare Zeit wird sich am Flächenverbrauch der Großanlagen nicht viel ändern. Denn gerade neuere Entwicklungen wie Perskovite  geht eher dahin, eine geringere oder weiterhin niedrige Effizienz zu akzeptieren um niedrigere Herstellungskosten zu erreichen.

Wie groß müssen Sonnenkraftwerke sein?

Und das hat sehr große Auswirkungen auf die Nutzung von Solarkraftwerken. Ein Solarpark in der Größe des Saarlandes (ungefähr 2500km²) hätte eine Jahresdurchschnittsleistung von 10GW und würde nur etwa 14% des Stroms erzeugen, den Deutschland braucht. Die Spitzenleistung würde sich dabei 100GW annähnern, womit dann auch heute durchaus taugliche Übergangslösungen (über die ich schon schrieb) wie Prozesswärme aus überschüssigem Strom zu erzeugen ihren Grenzen nähert.

Darüber hinaus wäre die Speicherung in Form von Gas, vor allem für die äußerst sonnenlichtarme Herbst- und Wintersaison, wohl unausweichlich. Batterien, wie die neulich von Tesla angebotene, können allenfalls wenige Tage aber keinsfalls Monate Strom vorhalten. Die Strommenge aus einem solchen Gasspeicher entspricht aber nur noch etwa einem Drittel der Strommenge, die man für die Gaserzeugung ursprünglich benötigte. Die Leistung eines Solarparks, der seinen Strom so über das ganze Jahr verteilen muss, würde nur noch etwa die Hälfte des derzeitigen Wertes betragen.

Wenn im Lauf des Jahres nur 1/3 des Stroms aus dem Speicher entnommen und der Rest direkt genutzt wird, würden aus 5MW Durchschnittsleistung ohne Speicher nur noch 3MW mit Speicherung werden. Kann nur 1/3 des Stroms direkt genutzt werden, würde aus einer Jahresleistung von 5MW eine Leistung von 2MW werden. Langfristig würde ein Solarpark von Saarlandgröße also eher 4-6GW Strom erzeugen statt 10GW, wenn die Stromversorgung hauptsächlich aus Solar- und Windkraft gedeckt werden müsste.

Rauf auf die Dächer. Raus aus den Landschaften.

Eine Nutzung von Photovoltaik die über Dachflächen und ähnliches deutlich hinaus geht, ist kein wünschenswerter Ausblick für die Zukunft der Stromversorgung. Selbst wenn sich die Effizienz billiger Solarzellen noch verdoppelt oder verdreifacht, wäre der Flächenverbrauch äußerst groß.

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Kommentare (95)

  1. #1 Achim
    3. Juni 2015

    @ Peter #74:
    Die Wärme im Fermenter wird ja genutzt. Man braucht sogar noch mehr Wärme als bei der Methanisierung selbst entsteht und muss zusätzlich Wärme zuführen.
    Die Abwärme bei der Elektrolyse und der technischen Methanisierung allerdings wird i.d.R. nicht genutzt. Findet die Elektrolyse direkt in den Fermentern stand, wird diese Abwärme auch und zwar ohne weiteren Aufwand genutzt, reduziert eine zusätzliche Zuführung von Wärmeenergie und erhöht so die Effektivität.

  2. #2 Achim
    3. Juni 2015

    @ Peter:
    Bei der in situ biologischen Methanisierung wird nicht nur die Prozesswärme beider Prozesse genutzt, sondern die Ausbeute der Biogas-Produktion erhöht sich im optimalen Fall um 50%. Die Prozessdauer wird dabei nicht verlängert und die Qualität des Biogases erhöht sich zudem, so daß nachlaufende Berabeitung gar nicht oder viel geringer als bisher ausfallen können.
    Oder anders und vereinfacht gesagt: Die Elektrolyse hat einen Wirkunsgrad von 70% und erhöht den Wirkungsgrad der Biogasproduktion um 50%.

  3. #3 Peter
    3. Juni 2015

    Du schriebst doch in #58 ‘Außerdem wird bei der Methanisierung eine nicht unbeträchtliche Menge Energie frei, die in einem Fermenter direkt genutzt werden kann’

    Wenn man trotzdem noch zuheizen muss mag da ja einiges passieren, aber keine wirkungsgradsteigernde Energiemenge frei.
    Und mit wirkungsgradsteigernd meine ich das sich dadurch mehr als die 10/12, die sich aus der chemischen Energiemenge des reingesteckten Wasserstoffs und des produzierten Methans ergeben.

    Kasus knaxus sind die von dir postulierten 120% Wirkungsgrad , die sich nicht erreichen lassen. Man hat hinterher weniger chemische Energie als vorher, und muss auch noch zuheizen.

  4. #4 Achim
    3. Juni 2015

    Bis zu 50% mehr Energie und Einsparungen beim Betriebs- und Prozessstrom nennst du weniger Energie als vorher?

  5. #5 Peter
    3. Juni 2015

    Du schriebst doch von 120% Wirkungsgrad.
    12kwh in 10kwh umzuwandeln sind keine 120%.

    Oder soll ich jetzt glauben das du 2 Wirkungsgrade addierst?

    Ich habe im übrigen schon gesagt das ich das Verfahren für vielversprechend halte, aber der Wirkungsgrad ist nicht der den du angibst.
    Elektrolyse hat 90% Wirkungsgrad, 10/12 sind 83%, Rückverstromung hat 60%, macht einen Stromwirkungsgrad von 45%.
    Du schickst 1 kwh el in die Biogasanlage und bekommst dann 0,45kwh als Strom aus Methan wieder raus.
    Das sind schon optimale Werte.
    Und das sind auch keine schlechten Zahlen, da es die Biogasanlage schon gibt, da muss man nichts für bauen.

  6. #6 Achim
    3. Juni 2015

    Wieso rechnest du die Rückverstromung zur Biogasherstellung? Biogas wird nicht “rückverstromt”.

    Der Wirkungsgrad bei der Rückverstromung liegt übrigens zwischen 60 und 95%.

    • #7 wasgeht
      3. Juni 2015

      Das ist Unsinn. Sinn der Rückverstromung ist die Gewinnung von Strom und genau darauf bezieht sich die Effizienz. Wenn man Glück hat, kann man einen Teil der Abwärme manchmal halbwegs sinnvoll nutzen. Aber das hat nichts mit dem Strom zu tun.

      Der Wirkungsgrad bei der Stromgewinnung beträgt je nach eingesetzter Technik real etwa 30-50%, wo bei im allgemeinen gilt, dass der Wikungsgrad um so kleiner ist, um so kleiner der Generator ist.

  7. #8 Achim
    3. Juni 2015

    Klar ist das Unsinn. In einer Biogasanlage wird nichts rückverstromt. Warum sollte der Wirkungsgrad eines Gaskraftwerks Auswirkung auf die Effizienz einer Biogasablage haben?

    Seit über zwei Jahrzehnten werden nur noch GuD gebaut und die haben einen Wirkungsgrad von mindestens 60%: “Mit dieser kombinierten Fahrweise wird im thermodynamischen Kreisprozess ein höherer Wirkungsgrad erreicht als mit Gasturbinen im offenen Betrieb oder in konventionell befeuerten Dampfkraftwerken. Kombikraftwerke gehören mit elektrischen Wirkungsgraden von bis zu 60 % zu den effizientesten konventionellen Kraftwerken.

    Mit Kraft-Wärme-Kopplung erreichen diese Kraftwerke Wirkungsrade bis zu 95%.

    • #9 wasgeht
      3. Juni 2015

      Bitte lies die Kommentare auf die du antwortest. Durch Wiederholung wird das, was du schreibst nicht richtiger. Ich mag es nicht, wenn ich solche Kommentare am Ende moderieren muss.

      Was du hier machst erinnert mich ganz ernsthaft an klassische Public-Relations-Strategien, in der falsche Behauptungen ständig wiederholt werden in der Hoffnung, dass sich der Leser am Ende nur daran erinnert.

      Ich hoffe, dass das nicht der Fall ist.

  8. #10 Achim
    3. Juni 2015

    Ich antworte nur auf wiederholt falsche Behauptungen, mehr nicht.
    https://de.wikipedia.org/wiki/Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk
    Inwiefern sollten die Angaben von Wikipedia und den dort angegebenen Quellen falsch oder PR sein?

    Auf meine Frage, warum eine Rückverstromung die Effizienz von Biogasanlagen beeinträchtigt, habe ich keine ernsthafte Antwort bekommen.

    • #11 wasgeht
      3. Juni 2015

      Weil sich die Angabe nicht auf den Energiegehalt des Methans bezieht, sondern auf eine fiktionale Angabe, den “unteren Heizwert”. Der hat in einer Diskussion in der man das Methan selbst erzeugt hat nichts zu suchen, wenn man sich nicht selbst in die Tasche lügen will.

  9. #12 Achim
    3. Juni 2015

    Nein, gerade eben nicht. Wenn sich der Wirkungsgrad auf den unteren Heizwert beziehen würde, wäre der Wirkungsrad bei GuD sogar noch höher.
    Das ist dieselbe Geschichte, bei der Brennwertkessel auf den unteren Heizwert bezogen auf über 100% Effizienz kommen sollen.
    Der untere Heizwert ist die Wärmemenge ohne die Wärme, die im Wasserdampf enthalten ist. Bei einem GuD wird aber ein Teil der Kondesationsenergie des Wasserdampfs in der der Gasturbine nachgeschalteten Dampfturbine genutzt.
    Trotzdem stecken immer noch 40% der Wärmeenergie in den Abgasen. Diese Wärme kann man den Abgasen mit Wärmetauschern entziehen, es reicht aber nicht mehr für eine Nutzung in den Turbinen. Dafür ist das Temperaturgefälle zu niedrig. Damit kann man aber z.B. Fernheizungen betreiben oder als Prozesswärme nutzen.

    Was das mit der Effizienz von Biogasanlagen zu tun hat, erklärt sich dadurch aber immer noch nicht.

  10. #13 Peter
    4. Juni 2015

    @Achim
    Biogas wird verstromt, das zusätzlich durch P2G gewonnene Biogas wird ebenso verstromt. Das ganze Konzept P2G dient als langfristige Stromspeichertechnik für überschüssigen EE-Strom, wenn die Kurzfristspeicher voll sind.

    Der elektrische Wirkungsgrad der Verstromung ist wie schon geschrieben mit modernsten Turbinen 60%, inkl. dem Energieeinsatz zur Wasserstofferzeugung wie oben berechnet 45%.

    Wenn du eine kwh Strom in die Elektrolyseabteilung des Biogasreaktors steckst bekommst du 450Wh elektrische Energie wieder raus. Zeitlich versetzt, aber das ändert nichts daran das es nur 45% sind.
    Und wenn du mir nicht glaubst, frag Wiki: http://de.wikipedia.org/wiki/Power-to-Gas
    Erzeugung elektrischer Energie
    Die chemische Energie von EE-Gas kann bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt werden.[38] Es kann in unterschiedlichen Arten von Gaskraftwerken und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen rückverstromt werden. Wird EE-Gas als Stromspeicher eingesetzt, dann beträgt der Wirkungsgrad von Strom zu Strom zwischen 30 % und 44 %

  11. #14 Achim
    4. Juni 2015

    Biogas wird nicht unbedingt verstromt, sondern es wird auch jetzt schon in das Gasnetz eingespeist. Es wird vor allem dann eingespeist, wenn keine oder zu wenig KWK möglich ist. Und dies ist immer öfters der Fall. Die Nutzung der Abwärme bei der Verstromung von Biogas verbilligt Biogas erheblich und nur dann bekommt man entsprechend höhere Abnahmepreise durch das EEG.
    Würde Bio-Methan nicht eingespeist, wäre es ja auch keine Speicherung von Energie. Es ist ja auch erwünscht, dass das Gas nicht nur zur Verstromung genutzt wird, sondern auch zum Heizen oder zur Mobilität.

    Der Energieeinsatz bei der biologischen Methanisierung ist effektiver als bei der technischen Methanisierung. Von daher kommt man auf einen höheren Wirkungsgrad von Strom zu Strom als 43-54%.
    http://de.wikipedia.org/wiki/Power-to-Gas#Verwendung_von_EE-Gas

  12. #15 Peter
    4. Juni 2015

    Ja der Energieeinsatz bei der biologischen Methanisierung ist besser als bei der mechanischen.
    Was anderes habe ich nie geschrieben.
    Aber selbst in der Tabelle
    Strom → Gas → Strom & Wärme mit kwk steht das der Gesamtwirkungsgrad mit Wasserstoff höher ist als mit Methan.
    Und ich stoße an die Grenzen dessen was erklärbar ist.
    Beim Umwandeln von Wasserstoff in Methan geht nutzbare Energie verloren, aus 12 in H2 gebundenen kwh werden 10 kwh im Methan.

  13. #16 Achim
    4. Juni 2015

    Reiner Wasserstoff enthält pro Volumen mehr Energie als Methan. Wasserstoff ist allerdings viel schwieriger zu handhaben und erfordert aufwändigeren und zusätzlichen Einsatz von Technik. Und man kann “nur” etwa 5% Volumenanteile ins Gasnetz einspeisen, was die Einspeisung begrenzt.

  14. #17 Peter
    4. Juni 2015

    Wenn ich dir jetzt nicht widerspreche glaubst du auch noch das das stimmt, oder?

    • #18 wasgeht
      4. Juni 2015

      Ich ringe seit einiger Zeit mit mir, ob dieser ganze Threat hier überhaupt existieren sollte. :-(

  15. #19 Achim
    4. Juni 2015

    Was soll nicht stimmen?

  16. #20 Peter
    5. Juni 2015

    @ wasgeht: Willkommen in meiner Welt^^
    @ Achim 1m3 Methan hat 10kwh, 1m3 H2 hat 3kwh.
    Beide haben dasselbe Volumen.
    Und jetzt guck was du in #90 geschrieben hast.

    Ist ja nicht schlimm wenn man sich irrt, es weiß auch nicht jeder alles, aber du scheinst so überzeugt davon alles richtig zu wissen und machst dabei soviele Fehler das es keinen Spaß macht.
    Das fing an mit dem von die postulierten Wirkungsgrad von 120%, auf dessen Nachweis ich bis heute warte, setzte sich dann fort mit deiner Unkenntnis der allgemeinen Gasgesetze und jetzt mit deinem Post #90.
    Das schlimme ist, du bist Wasser auf die Mühlen der Leute die sagen die Leute die EE empfehlen haben keine Ahnung von Naturwissenschaft, bestenfalls können die ihren Namen tanzen.

  17. #21 BreitSide
    Beim Deich
    10. September 2015

    Ist Euch schon mal aufgefallen, dass die neueren Freiflächensolaranlagen nicht mehr nach Süden ausgerichtet sind, sondern nach Osten/Westen? Die Neigung ist wohl nur noch der Selbstreinigung durch Regen geschuldet.

    Offensichtlich sind die Panels inzwischen so günstig, dass die Verschattung keine Rolle mehr spielt und nur noch die Wartungswege frei gehalten werden müssen. Eine weitere Effizienzsteigerung von sicher 10%.

    Hier noch ein paar weitere effizienzsteigernde Maßnahmen und Tatsachen, die für Solarstrom sprechen:

    – eAutos, die ja wesentlich schneller zunehmen als Solarflächen, können die mittäglichen Stromspritzen sehr gut nutzen, da auch sie wie alle Autos 90% ihrer Zeit rumstehen.
    – Klimaanlagen brauchen immer genau dann Leistung, wenn Solaranlagen Leistung bringen.
    – Smart Grids haben ihre Möglichkeiten noch nicht annähernd genutzt.

    Da bleibt für Saisonspeicher nicht mehr allzu viel übrig.