In den letzten Jahren hat die Solarenergie ein schnelles Wachstum sowie vielversprechende Verbesserungen in Technologie und Preis verzeichnet. Bisher stammen etwa 3% des weltweiten Stroms aus Solarenergie; und es ist eine riesige, internationale Industrie mit 141 Milliarden US-Dollar, die 2019 investiert wurden. Aber das ist weit weniger als die geschätzten 794 Milliarden US-Dollar (27 Billionen US-Dollar bis 2050), die laut der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien jährlich für erneuerbare Energien benötigt werden, um die Ziele des Klimaabkommens zu erreichen und eine globale Kernschmelze zu vermeiden.
Um ein solches Ziel zu erreichen, sagen Experten, müssen wir eine lange Liste von Problemen lösen. Zum Beispiel sind bestehende Panels begrenzt, wie viel Sonnenlicht sie in Strom umwandeln können. Die Effizienz hat in den letzten 40 Jahren zugenommen, jedoch nur um etwa 10%. Und obwohl Befürworter die Installation von Wohndächern als eine gute Möglichkeit für Menschen betrachten würden, sich an sauberer Energie zu beteiligen, würde eine echte Solarrevolution wahrscheinlich großflächige Installationen erfordern.
Hier ist eine Liste von vier Dingen, die laut Forschern dazu beitragen würden, die Solarenergie voranzutreiben – wenn wir eine Lösung finden können.
Problem 1: Finden Sie ein besseres Material für die Paneele
Die Nachteile herkömmlicher Siliziumpaneele sind hohe Kosten und geringere Effizienz. Mit Hilfe von Perowskiten, einem Mineral aus Kalzium, Titan und Sauerstoff, soll sich der Solarwirkungsgrad jedoch deutlich verbessern: Perowskitplatten können als sehr dünne Schichten hergestellt werden, benötigen weniger Material und werden aus einem weniger energieintensiven Prozess hergestellt.
Nach einem Jahrzehnt der Forschung und Entwicklung stiegen die Wirkungsgrade von Perowskitplatten von 2% auf 25%; das schlägt die besten verfügbaren Silizium-Platten. Aber Perowskite haben ihre eigenen Probleme.
“ Die Kommerzialisierung ist immer noch sehr begrenzt“, sagt Ufuk Alparslan, Analyst für Strom- und Klimadaten bei EMBER, einem unabhängigen Think Tank für Klima und Energie mit Sitz in Großbritannien. Laut Alparslan, Haltbarkeit und Kosten sind zwei konkurrierende Nachteile von Perowskiten, Das erstere Problem hängt mit einer Lebensdauer zusammen, die „viel kürzer ist als bei normalen Sonnenkollektoren.“
Bei OxfordPV, einem Ableger der Universität Oxford, versuchen Forscher, Perowskite voranzutreiben, indem sie sie auf Siliziumplatten, auch Tandemzellen genannt, platzieren. Henry Snaith, der wissenschaftliche Leiter bei OxfordPV und Professor für Physik, sagt, dass sie in der Lage waren, das Spektrum des Sonnenlichts abzustimmen, das Perowskite mit Tandemzellen absorbieren können.
„Wir extrahieren viel mehr Energie aus dem sichtbaren Spektrum“, sagt Snaith und fügt hinzu, dass Perowskite, wenn sie auf Silizium beschichtet sind, „das Infrarot sehr gut absorbieren“, wodurch sie effizienter werden. Snaith hofft, dass Tandemzellen der nächste Schritt sein werden-Verbesserung für Mainstream-Solar. In den nächsten 10 bis 20 Jahren „soll die Effizienz der heutigen Module ungefähr verdoppelt werden.“
Problem 2: Verbesserung der Speicherung und Übertragung
Weitere technische Herausforderungen für Solar umfassen die Erhöhung der Speicherkapazität. In den USA sind Verbesserungen zum Ausbau der Solarstromübertragung über große Entfernungen, wie von Südkalifornien, wo es sonnig ist, bis zum bewölkten Nordosten, ebenfalls von größter Bedeutung.
„Wenn Sie eine höhere Durchdringung erreichen“, sagt David Feldman, Senior Financial Analyst am National Renewable Energy Laboratory, „wird die Flexibilität durch die Speicherung wirklich unterstützt, insbesondere je nachdem, wie das Netz die Energie anregt oder bezahlt. Lagerung wird zu einem sehr großen Teil vieler Märkte. Wenn wir zu den Ebenen der Bereitstellung gelangen wollen, über die wir gesprochen haben, denke ich, dass der Speicher ein wichtiger Teil davon sein wird.“
Darüber hinaus glauben Experten, dass es wahrscheinlich ist, dass andere Formen sauberer Energie dazu beitragen werden, die schwächeren Bereiche der Solarenergie zu verdrängen.
„Während sehr kalter Winterperioden in bestimmten Teilen des Landes ist es ziemlich schwierig, sich allein auf Sonne und Wind zu verlassen“, so Uday Varadarajan vom Rocky Mountain Institute in einem virtuellen Forum des Environmental and Energy Study Institute. „Effizienz sowie andere Technologien wie Wasserstoff- und Kohlenstoffsequestrierung und -speicherung sowie Kernenergie können wirklich dazu beitragen, diese Schwierigkeiten anzugehen.“
Aufgabe 3: Helping solar stay flott, buchstäblich
Eine Methode zur Erweiterung der Solaranlage, die noch nicht weit verbreitet ist, ist das Schweben der Paneele auf Seen und Ozeanen.
Diese Paneele funktionieren auf die gleiche Weise wie normale Landeinheiten, haben jedoch verschiedene Vorteile: Das Wasser hält die Paneele kühler und erhöht die Leistung um 5 bis 10%. Durch die Installation dieser Paneele auf dem Wasser wird das Problem des Erwerbs von Land für Großprojekte umgangen. Und Floating Solar kann auch Wasserkraft nutzen und Teil des Energienetzes werden.
Floating Solar hat jedoch seine eigenen einzigartigen Puzzleteile. „Hier ist zu beachten, dass die Wasseroberfläche nicht so stark bedeckt ist, dass sie das Wasserleben beeinflusst“, sagt Alparslan. „Aber selbst eine Abdeckung von 10% der Wasserkraftreservoirs bedeutet Tausende von Terawatt Solarstrompotenzial in der Welt.“
Aber das Festmachen und Verankern der Paneele kann sich als kompliziert und kostspieliger erweisen als normales, geerdetes Solar.
Aufgabe 4: Die richtigen Gesetze und Investitionen bekommen
Verbesserungen in der Fertigung haben Solar in den letzten 20 Jahren verfügbarer gemacht. Laut EMBER stieg die Solarenergie in der EU im Juni und Juli 2021 auf ein Rekordhoch und machte 10% des gesamten Stroms aus (weit über dem globalen Durchschnitt.), aber das ist nicht genug – und das Ausmaß der Scale-Up-Herausforderung ist entmutigend. Die möglichen Lösungen laufen eher auf Geld und Politik als auf Technologie allein hinaus.
Zum Beispiel schlug die Europäische Kommission im Juli 2021 im Rahmen ihres European Green Deal ein Gesetzespaket vor, um die Ziele für erneuerbare Energien bis 2030 auf 40% anzuheben. Es umfasst Maßnahmen, die die Installation großer Solarprojekte erleichtern, Dachanlagen von Baugenehmigungen ausnehmen, in das Stromnetz investieren und in bestimmten Gebäuden ein Mindestmaß an erneuerbarer Energie vorschreiben.
In den USA stellte die Energy Information Administration fest, dass die Lieferungen von Sonnenkollektoren im Jahr 2019 einen Rekordanstieg von 33% erreichten. Das Energieministerium veröffentlichte einen Bericht, in dem dargelegt wird, wie Solar bis 2050 fast die Hälfte des Stroms des Landes liefern könnte. Durch hohe Ausgaben würde Solar von 3% der Elektrizität des Landes im Jahr 2020 auf 40% bis 2035 ansteigen. Der von Präsident Joe Biden vorgeschlagene und heftig diskutierte Budgetplan für 3,5 Billionen US–Dollar, falls er verabschiedet wird – ein großer Schritt im Moment -, initiiert Solarprojekte, die auf aktuellen oder ehemaligen Bergbaustandorten gebaut werden sollen.
Aber ein großes Problem ist einfach, es den Menschen leichter zu machen, Sonnenkollektoren in die Hände zu bekommen – in ihren eigenen vier Wänden oder in der Industrie. Daniel Gregory, Forscher für aufstrebende Energietechnologien bei Accenture Labs, sagt: „Die Technologie für genügend Menschen verfügbar zu machen, ist mehr das Problem als die Technologie selbst. Für jemanden, der ein Haus oder eine Wohnung mietet, ist es nicht offensichtlich, wie er sich daran beteiligen und Solar für gemietete Häuser nutzen würde.“
Trotz der verbleibenden Herausforderungen glauben viele Forscher, dass Solar dazu bestimmt ist, seine Dynamik aufrechtzuerhalten und auf der ganzen Welt zu expandieren. „Ich denke, wir haben den Wendepunkt erreicht, an dem Solar ein großes Geschäft ist“, sagt Feldman. „Ich denke definitiv, wenn man sich all die Verpflichtungen anschaut, scheint es unvermeidlich, dass wir uns in Richtung Sonne und Wind bewegen.“