Solarenergie: Das Potenzial ist noch nicht ausgeschöpft

Solarenergie ist ein wichtiger Baustein zur Erreichung der Klimaziele. Der Fokus liegt auf Photovoltaikanlagen, sie wandeln die Sonnenenergie in Elektrizität um. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es für Eigentümer unter den heutigen Marktbedingungen am besten, den produzierten Strom möglichst selbst zu verbrauchen. Stationäre Batteriespeicher wären eine gute Möglichkeit, diese Eigenverbrauchsquote zu erhöhen. Allerdings rechnen sich solche Speicher noch in den wenigsten Fällen.

Von Vilson Radi und Samuel Stocker

Wärme- und Stromgewinnung als Nutzungsform

In Bezug auf Sonnenenergie gibt es zwei wichtige Begriffe, die es zu unterscheiden gilt: Photovoltaik (PV) und Solarthermie. Im Kern geht es bei beiden Begriffen um das Gleiche: die Kraft der Sonne zu nutzen. Die Energie der Sonnenstrahlen wird jedoch verschieden genutzt: Bei der Photovoltaik wird die Kraft der Sonne in Strom umgewandelt, bei der Solarthermie wird die Energie für Wärmeerzeugung genutzt. Dieser Unterschied ist in der Abbildung Nr. 2 – Darstellung der Nutzungsformen graphisch dargestellt (IWB, 2020).

Erklärung der zwei Nutzungsformen

Die beiden Nutzungsformen bringen unterschiedliche Vorteile mit sich. Zeichnet sich Photovoltaik durch die Vielseitigkeit aus – Strom kann im Haushalt für alles genutzt werden – punkten solarthermische Anlagen durch einen hohen Wirkungsgrad – es wird weniger Dachfläche benötigt (IWB, 2020).

Gemäss Abbildungen 3 und 4 haben sich in den letzten Jahren die beiden Nutzungsformen in unterschiedliche Richtungen entwickelt. Verzeichnete der Verkauf von Photovoltaik einen kontinuierlichen Anstieg, haben die thermische Kollektoren deutlich abgenommen. Der Grund für diesen Rückgang liegt insbesondere bei der vermehrten Installation von Wärmepumpen, welche im Jahr 2019 ein Wachstum von 9% verzeichneten. Die Kombination von Wärmepumpen mit Photovoltaikanlagen ist technisch einfacher und effizienter als mit Solarthermie (Bundesamt für Energie, 2020).

Verkaufte thermische Kollektoren

Verkaufte Photovoltaikmodule

Ausgereifte Technik, aber mit kostspieliger Speicherung

Bei der Solarthermie ist die Technik für Energiegewinnung und Speicherung bereits ausgereift und die Wärme wird in einem Speicher gespeichert. Bei der Photovoltaik stellt die Stromproduktion an sich auch kein Problem dar, allerdings lässt sich die gewonnene Elektrizität für den Eigenverbrauch noch nicht wirtschaftlich speichern da die Speicher zu teuer sind. Die Zurücklieferung an das Elektrizitätswerk ist aber keine attraktive Option, da die Tarife im Vergleich zum Bezugspreis zu tief sind. Daher ist es am besten, den produzierten Strom selbst zu verbrauchen. Um auch in der Nacht oder an bewölkten Tagen weniger Strom vom Netzbetreiber beziehen zu müssen, sollten Stromspeicher eingesetzt werden. Ausser bei Inselanlagen sind die Speicherkapazitäten momentan darauf ausgelegt, als Tagesspeicher zu dienen und den Strom nicht langfristig zu Speichern. Inselanlagen sind autarke Gebäude, welche ohne Anschluss an das öffentliche Stromnetz auskommen müssen, wie zum Beispiel alpine Berghütten. Heutige Stromspeicher werden meist mit Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet, eine günstigere Alternative wären Bleiakkus. Da die Lithium-Ionen-Akkus aber einen höheren Wirkungsrad sowie eine längere Lebensdauer haben, sind diese üblicherweise wirtschaftlicher als Bleiakkus (Bundesamt für Energie, 2018).

Subventionierte Startinvestition und geringe Betriebskosten

Dass immer mehr Eigentümer auf eine PV-Anlage setzen, hat nicht nur mit grösserem Umweltbewusstsein zu tun. In vielen Kantonen ist bei Neubauten ein gewisser Anteil an Photovoltaikfläche vorgeschrieben. Zudem wird die Anfangsinvestition mit Fördergeldern durch die sogenannte Einmalvergütung unterstützt (Swissolar (a), online). Dank dieser Vergütung und gesunkenen Anlagenpreisen sind die Investitionskosten von PV-Anlagen in den letzten Jahren stark gesunken. Kostete eine 25m² grosse Anlage nach Abzug der Einmalvergütung und der Steuerbegünstigung im Jahr 2015 noch rund CHF 13‘000 (Swissolar, 2015), waren die Kosten im Jahr 2020 bei einer 30m² Anlage noch bei zirka CHF 10‘000 (Swissolar, 2021).  Mit jedem zusätzlichen Quadratmeter sinkt der spezifische Preis pro Kilowattstunde. Eine 30m² Anlage liefert circa 5’000 kWh Strom pro Jahr, damit kann bei einem üblichen Einfamilienhaus in etwa 45% des Strombedarfs selbst produziert werden.

Da die PV-Anlage in den meisten Fällen darauf ausgelegt ist, den eigenen Verbrauch zu decken und weniger das Ziel hat, Strom dem Netz zuzuführen, ist es wichtig, die Anlage richtig zu dimensionieren. Solarthermische Anlagen werden von fast allen Kantonen mit Fördergeldern unterstützt. PV-Anlagen werden auf Bundesebene unterstützt (Swissolar (b), online). Die Vergütung setzt sich aus einem Grundbeitrag sowie einem Leistungsbetrag pro installiertem kW zusammen (EnFV, 2021). Auch Steuerabzüge sind für die Investition in Solarenergie möglich. So können die Investitionskosten in allen Kantonen ausser Luzern von den Steuern abgezogen werden. Bei gewerblichen Nutzern können die Anlagen linear abgeschrieben werden (Swissolar (b), online).

Bei der Frage, ob eine Investition in PV-Anlagen lohnend ist, müssen neben den Investitionskosten auch die Betriebskosten berücksichtigt werden. Welche Kosten anfallen, hängt von vielen Faktoren ab. Bei einem Schrägdach ist zum Beispiel eine Reinigung weniger oft notwendig. Begrünte Dächer mit PV-Anlagen benötigen mehr Pflege, womit sich die Betriebskosten erhöhen. Effizient betriebene und gut gebaute PV-Anlagen haben Betriebskosten im Bereich von 2 bis 6 Rp./kWh, wie in der Abbildung 6 ersichtlich ist. Bei der Lebensdauer der Module geht man von 30 Jahren aus (Bundesamt für Energie, 2017).

Zielwerte Betriebskosten

Solarmodule setzen sich hauptsächlich aus Glas, Kunststoffe, Aluminium und Halbleitermaterialien zusammen. Aufgrund dieser Zusammensetzung können rund 95% des Materials recycelt und somit ein Grossteil der Solarmodule wiederverwendet werden. Das Recycling bringt neben der umweltfreundlichen Entsorgung auch einen Vorteil bei den Herstellungskosten mit sich. Solarmodule aus recycelten Materialien benötigen 70% weniger Energie für die Herstellung. Das Recycling wird durch die vorgezogene Recyclinggebühr (VRG) finanziert, somit sind die Entsorgungsgebühren bereits mit der Investition bezahlt (solarmotion gmbh (a), online).

Selbstproduzierter Strom senkt die Nebenkosten und kann die Rendite steigern

Die Wirtschaftlichkeit von PV-Anlagen hängt von diversen Begebenheiten ab. Die Anlagen sind innert 9 – 15 Jahren amortisiert, bei einer Lebensdauer von 30 Jahren lässt sich so eine gute Rendite erwirtschaften (Helion, online). Als Renditeanlage kann der gewonnene Strom an die Mieter oder andere Bezüger zu Marktpreisen verkauft werden, was zu den üblichen Mieteinnahmen eine weitere Verdienstmöglichkeit ergibt. Allgemein geht man von einer Rendite von 3 – 5% aus, was angesichts des geringen Risikos als gut bezeichnet werden kann (Photovoltaik.org, online). Da heute bei allen Anlagen unter einer Leistung von 100kWp die Subventionierung über einen einmaligen Beitrag an den Investitionskosten erfolgt, lohnt sich die Einspeisung ins öffentliche Netz nur bedingt. Die wenigsten Anlagen kommen über diesen Wert. Bei Anlagen, welche noch von der Einspeisevergütung profitiert haben, wäre es lukrativer, den gesamten Strom einzuspeisen. Daher ist es für die meisten Objekte wie Einfamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser und Industrie das Hauptziel, den erzeugten Strom möglichst in der eigenen Verbrauchsgemeinschaft zu nutzen oder innerhalb der Gemeinschaft zu verkaufen. Aus diesem Grund wird grosser Wert daraufgelegt, den Eigenverbrauch zu optimieren und den Stromverbrauch möglichst auf die Leistungszeit der PV-Anlage zu fokussieren. Nebst dem Betrieb von üblichen Haushaltsgeräten und technischen Installationen kann so zum Beispiel auch das Elektroauto über die Solarenergie geladen werden. Falls man die Investition in eine PV-Anlage nicht selbst tätigen möchte, besteht auch die Möglichkeit, das Dach an einen externen Betreiber zu vermieten. Solche Investoren haben aber nur Interesse an Dachflächen über 2’000m2 bei Flachdächern und 750m2 bei Steildächern (solarmotion gmbh (b), online).

Batteriespeicherung bei Photovoltaik ist momentan noch nicht wirtschaftlich

In vielen Bauprojekten werden heute zwar Photovoltaikanlagen realisiert, allerdings ohne Batteriespeicher. Unter den heutigen Marktbedingungen sind nur wenige Speicher rentabel und dies auch nur mit guten Rahmenbedingungen. Man kann davon ausgehen, dass die Investitionskosten für Stromspeicher in Zukunft sinken werden. Zusammen mit Förderprogrammen und Steuervorteilen ist so künftig ein wirtschaftlicher Betrieb möglich. Die Amortisationsdauer einer Anlage ist nebst den Investitionskosten auch von den Strombezugs- und Einspeisetarifen abhängig. Da die Lebensdauer der Speicher begrenzt ist, müssen die Batterien meist schon ersetzt werden, bevor die Kosten amortisiert sind. In der Abbildung 6 sieht man die spezifischen Preise in CHF pro kWh. Daraus ist ersichtlich, dass die Kosten pro kWh sinken, je grösser die Kapazität der Batterie ist. Anhand der grün schraffierten Fläche ist aber auch ersichtlich, dass mit den heutigen Marktpreisen bei allen Speichergrössen kaum ein rentabler Betrieb möglich ist (Bundesamt für Energie, 2018).

Rentabilitätsgrenze von PV-Anlagen

Einfache Abrechnung dank innovativer Softwarelösungen und Messtechnik

Bei Photovoltaikanlagen, welche nur für einen Nutzer bestimmt sind, wie zum Beispiel Einfamilienhäuser, wird die Leistung in der Regel direkt von der Software des Systemlieferanten gemessen und bedarf keiner Aufteilung. Bei Anlagen, von welchen mehrere Verbraucher Strom beziehen oder verschiedene Anlageneigentümer vorhanden sind, benötigt es diverse Messpunkte und eine entsprechende Softwarelösung, welche die Daten auswertet. Schliessen sich mehrere Anlageneigentümer zusammen entsteht ein sogenannter «Zusammenschluss zum Eigenverbrauch», (ZEV). Gegenüber dem Elektrizitätsnetzbetreiber stellt der ZEV einen einzigen Endverbraucher dar. Alles, was innerhalb des ZEV passiert muss selbst organisiert werden. Also die Messung des individuellen Verbrauchs der jeweiligen ZEV Beteiligten, die Aufteilung der gesamten Stromkosten und deren Abrechnung. Zur Messung des Verbrauchs werden diverse Messpunkte installiert. Zum einen bei den jeweiligen Verbrauchern wie Wohnungseigentümern und für den allgemeinen Bereich sowie bei den PV-Anlagen selbst, um die Eigenproduktion zu Messen. Zum anderen beim Anschluss ins öffentliche Netz, um den Strom zu messen, welcher bezogen und abgegeben wird (Bundesamt für Energie, 2019).

So kann eine Software automatisiert aufteilen, wer wie viel Strom verbraucht hat und welcher Anteil davon aus Eigenproduktion stammt. Die Software erstellt dann auf Wunsch die Abrechnung für jeden einzelnen Nutzer und entlastet so die Verwaltung.

Ein Blick in die Zukunft

Die Solarenergie spielt in der Energiestrategie 2050 des Bundes eine grosse Rolle. Die benötigte Produktionsfläche für Solarwärme- und Photovoltaikanlagen ist grundsätzlich vorhanden. Bei der Speicherung der Energie gibt es dagegen noch einige Fragezeichen. Um das Potenzial der Solarenergie auszuwerten, wurde von den Bundesämtern für Landestopografie (Swisstopo), Metrologie und Klima (MeteoSchweiz) und Energie (BFE) ein Solarpotenzialkataster für die ganze Schweiz erstellt. Auf dem Kataster wird für jedes Gebäude die Dach- und Fassadenfläche berechnet sowie dessen Potenzial für Photovoltaik- und Solarwärme-Produktion aufgezeigt. Zusätzlich wurden grobe Potenziale für Strasse, Parkplätze und Freiflächen-Anlagen in den höheren Alpen berechnet. Gemäss diesem Kataster liegt das kurzfristig nutzbare Potenzial auf Gebäudedächern bei rund 23 TWh, was der Produktion der fünf Schweizer Atomkraftwerke entspricht und rund 40% des gesamten Stromverbrauchs der Schweiz. Mittelfristig soll das Potenzial rund doppelt so hoch sein (Albrecht, S., Remund, J., & Stickelberger, D., ohne Datum, S. 1).

Bei der Speicherung sollen in Zukunft mehr dezentrale Anlagen das Stromnetz entlasten. Die Investitionskosten für entsprechende Batteriespeicher dürften in den nächsten Jahren sinken und so die Anlagen auch aus wirtschaftlicher Sicht lukrativ machen. Batteriespeicher sind heute aber nicht dazu geeignet, Strom langfristig zu Speichern.  Um Energie langfristig zu Speichern, werden heute Pumpspeicheranlagen eingesetzt. Diese in Stauseen gespeicherte Energie benötigt viel Fläche und neue Anlagen dürften nur schwer realisierbar sein. Vergleichbare Speicherkapazitäten haben heute lediglich Power-to-Gas Anlagen, welche den Strom in Gas umwandeln und so im Gasnetz speicherbar machen (Bundesamt für Energie, 2013).

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