Photovoltaik in der Praxis - Jahresbilanz 2018

Eine PV-Anlage in Linz, deren Daten mir regelmäßig zur Verfügung stehen, war schon mehrmals Thema auf diesem Blog (hier und hier). Die Anlage hat eine Maximalkapazität von 2,4 kWp.

Inzwischen liegen alle Produktionswerte für 2018 vor, und wir werden einen kurzen Blick darauf werfen.

Fig. 1 Stromproduktion eine PV-Anlage in Linz

Gerade in der zweiten Jahreshälfte waren die Erträge überdurchschnittlich. Kein Wunder angesichts eines überaus sonnenreichen Sommers. Dagegen fiel das erste Halbjahr etwas schwächer aus.

Die Gesamtproduktion betrug im letzten Jahr 1894,0 kWh. Das wiederum entspricht einem Kapazitätsfaktor von 8,9%, d.h. die Anlage lieferte 8,9% der Strommenge, zu der sie theoretisch in der Lage ist.

Insgesamt ergibt sich für das Jahr 2018 ein Autarkiegrad von 21%, was den Stromverbrauch betrifft. Mit anderen Worten: 21% des gesamten Stromverbrauchs im Haushalt wurden von der PV-Anlage abgedeckt.

Hätte das Haus auch eine Batterie mit einer Kapazität von 2,5 kWh, so könnte die Autarkie auf 36% gesteigert werden.

Regenerative versus fossile Stromquellen

Es geht - wieder einmal - um Deutschland. Regenerative Energiequellen zur Stromerzeugung haben hier in den letzten knapp 20 Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen. Gleichzeitig wurde dadurch Stromproduktion mit fossilen Energieträgern, also im wesentlichen Steinkohle, Braunkohle und Erdgas, zurückgedrängt.

Mit anderen Worten: Immer wenn die Sonne scheint und der Wind kräftig bläst, haben die Brennöfen der kalorischen Kraftwerke Pause. Allerdings sind sie in diesen Phasen nicht komplett vom Netz abgekoppelt, sondern werden im Standby-Modus betrieben. D.h. sie laufen auf sehr kleiner Flamme, während sie bei flauem Wind und wolkigem Himmel schnell hochgeregelt werden müssen, um Blackouts zu vermeiden. Schlielich lässt sich ein Kraftwerk nicht wie eine Herdplatte innerhalb von Sekunden von Null auf hundert drehen.

Sehen wir uns anhand einiger Bilder die Entwicklung seit dem Jahr 2000 an. Alle Rohdaten für die folgenden Graphiken stammen im Übrigen von Eurostat.

Da ist zunächst die Entwicklung der Photovoltaik bis zum Jahr 2016.

Fig. 1 Stromproduktion über Photovoltaik in Deutschland

Sodann sehen wir uns das gleiche für die Windenergie an.

Fig. 2 Stromproduktion aus Windkraftanlagen in Deutschland

Zusammen erhalten wir für diese beiden Energieformen im gleichen Zeitraum folgenden Verlauf:

Fig. 3 Stromproduktion mittels PV und Wind in Deutschland

Eine Detailanalyse des Wind- und Sonnenstroms findet man beispielsweise hier und hier.

Nun im Vergleich dazu die Stromerzeugung aus fossilen Quellen, also hauptsächlich Kohle und Gas.

Fig. 4 Stromproduktion aus fossilen Quellen in Deutschland

Die Botschaft dieses Bildes ist klar: Mit zunehmender Produktion aus Wind und Sonne wird die fossile Stromerzeugung weniger relevant.

Die abnehmende Relevanz von Kohle und Gas kommt auch in folgendem Bild zum Ausdruck:

Fig. 5 Kapazitätsfaktor kalorischer Kraftwerke in DE und UK

Mit anderen Worten: der zunehmende Einsatz der Fossilen als Lückenbüßer für Wind und Sonne hat eine eindeutige Konsequenz. Während bis um das Jahr 2000 sowohl in Deutschland als auch im Vereinigten Königreich der Kapazitätsfaktor fossiler (nicht-nuklearer) Kraftwerke zunimmt, ist er seit diesem Jahr in einem deutlichen Abstieg begriffen.

Was bedeutet der Kapazitätsfaktor? Diese Größe misst die Vollzeitauslastung von Kraftwerken in Prozent. Mit anderen Worten: Je höher der Kapazitätsfaktor, desto effizienter wird die Anlage betrieben. Ein Faktor von 50% bedeutet, dass das Kraftwerk 50% der Zeit voll ausgelastet ist und die anderen 50% untätig herumsteht. Ebenso könnte man natürlich sagen, die Anlage sei das ganze Jahr über mit halber Auslastung unterwegs gewesen. Inzwischen sind die Werte von über 50% auf unter 40% zurückgegangen. Tendenz fallend.

Wenn Sie in den Mainstreammedien (selten genug) lesen, dass fossile Kraftwerke nicht mehr kostendeckend zu betreiben sind, hier ist die Antwort.

Die Entwicklung ist keineswegs auf Deutschland beschränkt. Im Vereinigten Königreich zeigt sich ein analoger Trend, wie in Fig. 5 ersichtlich.

Kann man vom Energieversorger unabhängig werden?

In zwei Blogposts befasst sich Roger Andrews mit den Möglichkeiten, gleichsam energieautark zu werden, zumindest was die Versorgung mit Elektrizität betrifft. Er analysiert dabei ein zufällig gewähltes Haus in Shrewsbury (Vereinigtes Königreich), das mit einer Photovoltaikanlage ausgestattet ist. 2016 produzierte diese Anlage 3809 kWh (bei einer Kapazität von 4 kWp).

Wenig überraschend stellt der Autor fest, dass hiermit eine völlig autarke Energieversorgung nicht möglich ist. Der Grund ist die über das Jahr schwankende Stromproduktion, die im Winter (wenn man also mehr Energie braucht) zuwenig und im Sommer (wenn man nicht soviel braucht) zuviel liefert. Auch der Einsatz einer Tesla Powerwall schafft keine endgültige Abhilfe. Um sich wirklich völlig von seinem Energieversorger zu trennen, braucht man letztlich immer einen Dieselgenerator.
Mehr dazu hier und hier.

Aus persönlicher Sicht möchte ich hierzu folgendes anmerken: Seit 2013 verfolge ich monatlich die Produktionsdaten einer PV-Anlage im sonnigen Linz. Ein Vergleich dieser Werte mit jenen aus dem angeblich verregneten Vereinigten Königreich ergibt, dass beide Anlagen durchaus vergleichbare Kapazitätsfaktoren (capacity factor) von etwas über 10% haben. 2016 schnitt die Photovoltaik auf der Insel sogar etwas besser ab.

Stromerzeugung im Vergleich

Elektrifizierung ist der Trend unserer Tage. Alles soll wenn möglich elektrisch betrieben werden. Selbst das Automobil, bislang der Inbegriff der Fortbewegung mit fossilen Brennstoffen, soll in Zukunft nur noch mit Elektromotor und Batterie das Auslangen finden.

Welche Konsequenzen das für den Verkehrssektor hat, wurde in meinem letzten Post angedeutet. Die Stromproduktion müsste im Wesentlichen soweit ausgebaut werden, dass der Energiebedarf des Straßenverkehrs ausreichend abgedeckt werden kann.

Wenn heutzutage von (elektrischer) Energieerzeugung die Rede ist, fallen im Allgemeinen die folgenden Begriffe:

• Windenergie
• Photovoltaik
• Wasserkraft
• Kohle- bzw. Gaskraftwerke, selten auch Dieselgeneratoren
• Kernkraft 

Elektrische Anlagen werden üblicher Weise durch ihre Leistung charakterisiert. Ein Motor mit 1000 Watt (1 kW) Leistung verbraucht pro Stunde eine Energie von einer Kilowattstunde (1 kWh). Ein Generator ist letztlich nichts anderes als ein quasi umgekehrt laufender Motor, wobei die technischen Charakteristika dieselben bleiben. Somit erzeugt ein Generator von 1 kW Nennleistung pro Stunde eine Energie von 1 kWh. Pro Tag sind das dann 24 kWh und pro Jahr entsprechend 8760 kWh. Das gilt natürlich nur, wenn der Generator das ganze Jahr über mit voller Leistung im Einsatz war. Ist er hingegen nur mit halber Leistung (50%) bei der Arbeit, dann produziert er eben auch nur 4380 kWh.

Dieses Verhältnis von tatsächlich produzierter Energie zu theoretisch möglicher Energieerzeugung nennt man Nutzungsgrad (capacity factor). Der Idealwert ist 100 % und wird in der Realität so gut wie nie erreicht. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Doch darüber ein andermal mehr.

Sehen wir uns die Situation in Deutschland an. Die untenstehende Abbildung zeigt die Nutzungsgrade verschiedener Stromerzeugungsquellen. Die Rohdaten für diese Darstellung kommen übrigens von der europäischen Statistikbehörde Eurostat und gelten für das Jahr 2015.

Man sieht sofort, dass der nukleare Sektor gut 90% von dem liefert, was theoretisch möglich ist. Im Bereich der Winderzeugung liegt man bei knapp 20%.

Vergleichen wir das nun mit der Situation in Österreich, so fällt auf, dass es keinen derart dominanten Teil gibt wie in Deutschland. Wasserkraft ist hier an erster Stelle zu nennen mit etwas über 30% Nutzungsgrad. Die Ausbeute der Windräder ist im Alpenland etwas größer als in Deutschland. Das dürfte sich aber spätestens dann zugunsten der nördlichen Nachbarn ändern, wenn mehr und mehr offshore Windkraftanlangen in Dienst gehen. Bemerkenswert ist der niedrige Nutzungsgrad der Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen (etwa 15%). Das deutet meiner Ansicht nach darauf hin, dass diese Kraftwerke einen sehr unwirtschaftlichen Betrieb fahren.

Sehen wir uns schließlich noch die Lage in Großbritannien (UK) an. Auch dort werden regenerative Energien sehr stark gefördert.

Wie schon in Deutschland liegt auch hier die Stromerzeugung aus Kernkraft weit vor allen anderen Quellen mit deutlich über 70%. Solar schneidet mit weniger als 10% noch schlechter ab als in Deutschland und Österreich. Es gibt eben etwas weniger Sonne auf der Insel. Bei der Winderzeugung hat UK allerdings die Nase vor den beiden anderen, was wohl auch mit dem großen offshore Anteil zu tun hat. Auch die fossilen Kraftwerke weisen auf der Insel mit annähernd 40% einen deutlich besseren Nutzungsgrad auf.

Als Fazit halten wir fest, dass die regenerativen Energien längst nicht an die Nutzungsgrade nuklearer Stromerzeugung herankommen. Windenergie kann günstigstenfalls auf etwas über 30% kommen, besitzt aber den Nachteil, dass sie sehr unstetig und damit kaum grundlastfähig ist. Mit der Unstetigkeit des Windstroms werde ich mich in einem anderen Posting beschäftigen. Photovoltaik kommt in unseren Breiten kaum über 10% hinaus und ist ebenfalls unstetig. Abgesehen von ihrer schwachen Ausbeute leiden die regenerativen Energien (außer Geothermie und Biomasse, die auch höhere Nutzungsgrade aufweisen, aber im gesamten Strommix nur eine kleine Rolle spielen) darunter, dass sie starken Schwankungen unterworfen sind. Daran können auch die besten Vorhersagemodelle, die alle Windänderungen bereits im Voraus erfassen sollen, nichts ändern. Denn selbst wenn man genau weiß, dass der Wind in einer halben Stunde stark abflauen wird und man deshalb ein Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen hochfahren muss, so ändert das nichts daran, dass letzteres immer in Bereitschaft gehalten werden muss für den Fall der Fälle. Dieser Bereitschaftsmodus ist mit einem sehr schlechten Wirkunsgrad verbunden, was einem ökonomischen Betrieb durchaus abträglich ist.