So fangen wir die Sonne ein
Author: Joachim Geiger
Rund 40 Prozent der global installierten Photovoltaik gehen aufs Konto von Dachanlagen. Wenn das kein Grund zum Träumen ist! Warum beim Ausbau nicht einen Zahn zulegen, um Treibhausgasemissionen zu reduzieren und mit der Energiearmut Schluss zu machen? Eine internationale Studie rechnet jetzt vor, welches Potenzial Aufdachanlagen weltweit wirklich haben.
Wäre es denkbar, dass den Menschen auf der ganzen Welt genügend Energie zur Verfügung stünde, wenn es gelänge, alle Gebäude mit Photovoltaik-Aufdachanlagen zu bestücken? Wie groß wären überhaupt die weltweiten Dachflächen? Und wie viel Energie ließe sich auf diese Weise gewinnen? Zugegeben, diese Fragen klingen selbst in den Zeiten von Klimawandel und Energiekrise zunächst hypothetisch.
Andererseits hat der Zugang zu bezahlbarer, verlässlicher und nachhaltiger Energie längst Top-Priorität unter den 17 Zielen, die sich die Vereinten Nationen 2016 auf die globale Nachhaltigkeitsagenda geschrieben haben. Dazu kommt, dass Marktforscher den PV-Aufdachanlagen derzeit einen regelrechten Boom attestieren. Bereits heute gehen 40 Prozent der global installierten Photovoltaik aufs Konto der Aufdachanlagen. Es könnte sich also lohnen, den Fragen doch genauer nachzugehen. Ein internationales Forscherteam unter Federführung von Wissenschaftlern des University College Cork (UCC) in Irland und der Columbia University in den USA hat sich diese Aufgabe gestellt.
Ihre im Oktober 2021 veröffentlichte Analyse „Hochauflösende globale raumzeitliche Bewertung des Potenzials der Photovoltaik auf Dächern für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien“ kommt zu einer klaren Antwort: Bezogen auf das Referenzjahr 2018 könnten PV-Aufdachanlagen weltweit auf insgesamt 200.000 Quadratkilometer Dachfläche 27 Billionen Kilowattstunden Strom erzeugen. Das ist mehr als der weltweite Strombedarf in dem genannten Jahr; die Internationale Energieagentur (IEA) gibt dafür eine Größenordnung von 24,7 Billionen Kilowattstunden an.
Big Data und KI-Anwendungen
Diese wissenschaftliche Erkenntnis beruht definitiv auf einem hochkomplexen Ansatz. Wie aber könnte sie zur Lösung der Energieprobleme auf dem Globus beitragen? Tatsächlich plädieren die Studienautoren nicht dafür, auf jedem Dach der Welt eine Solaranlage zu installieren. Die Motivation ist eine andere. Erstens stehen PV-Aufdachanlagen für eine kohlenstoffarme, hoch verfügbare und preiswerte Technologie. Zweitens leben weltweit immer noch 800 Millionen Menschen ohne Strom.
Genau hier setzt die Studie an. Sie ist ein nützliches Tool für alle Regierungen, Organisationen und Unternehmen, die sich den Aufbau von PV-Infrastrukturen auf die Fahne schreiben. Im Prinzip geht es bei dieser Arbeit um nichts weniger, als 130 Millionen Quadratkilometer Festland, einschließlich aller bestehenden Gebäude, akkurat auf das mögliche Solarpotenzial hin abzuklopfen. Es liegt auf der Hand, dass ein solches Mammutprojekt eine hohe methodische Kreativität und handfeste Unterstützung durch KI-Anwendungen benötigt.
Auswertung der Satellitenbilder
Die Forscher werteten unter anderem Katasterdaten, Crowd-Source-Daten und satellitengestützte Daten aus, um Gebäudegrundrisse, Klimaverhältnisse, Sonneneinstrahlung und technologiespezifische Informationen in Sachen Photovoltaik zu ermitteln. Unterm Strich waren dabei Petabytes an Daten im Spiel, was die Studie klar in den Bereich der Big Data verweist.
Ein Knackpunkt für die Forscher war die Auswertung der Satellitenaufnahmen. Es gibt nämlich kein Programm, mit dem sich die Flächen von Dächern exakt von Grün- oder Brachflächen unterscheiden ließen. Der Schlüssel zur Lösung: Setzt man Daten zum Bestand der Bevölkerung in Beziehung zur Länge von Straßen und den Grenzen bebauter Gebiete, lässt sich daraus auf die vorhandenen Dachflächen schließen. Die Wissenschaftler haben dazu ein Machine-Learning-Modell entwickelt, das auf der Grundlage umfassender Trainingsdaten eigenständig unbekannte Daten beurteilen kann. Dazu unterteilten sie die gesamte globale Landmasse in zehn Quadratkilometer große Bewertungseinheiten. Exakt 3.521.120 Quadrate kamen so zusammen, die alle eine eindeutige Kennung besaßen und einem eindeutigen Land zugeordnet waren.
Das Lernprogramm selbst enthielt eine gigantische Menge von Stichproben, die rund 11,4 Millionen Quadratkilometern der Landfläche und 300 Millionen Einzelgebäuden entsprachen. Auf dieser Basis erfolgte die Berechnung der gesamten Bewertungseinheiten mit einem Datensatz der jeweiligen Gebäudefläche für jede einzelne Bewertungszelle. Damit war der Job indes noch nicht zu Ende, schließlich mussten erst noch die Dachflächen in das Solarpotenzial umgerechnet werden. Auch die Werte für Klima und Sonneneinstrahlung sowie die Technologiekosten waren in der Aufstellung zu berücksichtigen.
Potenzial für PV-Aufdachanlagen
Das spektakuläre Ergebnis der wissenschaftlichen Mühen ist eine vollständige geografische Kartierung des technischen Potenzials, der saisonalen Veränderungen der Sonneneinstrahlung und der Kosten der Aufdach-Photovoltaik.
Mit diesen Informationen lässt sich jetzt zum Beispiel bestimmen, in welcher Region und in welchen Ländern es die größten Ressourcen zur Gewinnung von Solarenergie gibt. Ganz oben auf der Liste stehen demnach Asien, Nordamerika und Europa. Hier könnten PV-Aufdachanlagen in Gebieten, die sich durch einen hohen Pro-Kopf-Stromverbrauch auszeichnen, zu einer Verminderung der fossilen Anteile im aktuellen Energiemix beitragen. Auch aufstrebenden Märkten wie Indien, Brasilien und Mexiko attestieren die Forscher gute Voraussetzungen für die Einführung von PV-Aufdachanlagen.
Allerdings sei dort aufgrund hoher Vorlaufkosten und mangelnder Kreditlinien zur Finanzierung die Akzeptanz dieser Technologie bislang eher gering. Dass der afrikanische Kontinent trotz guter klimatischer Bedingungen auf den hinteren Rängen der Potenzialanalyse landet, dürfte auf den ersten Blick überraschen. Bei genauerem Hinsehen zeigt sich jedoch, dass – abgesehen von den Regionen im Westen und Norden – der Gebäudebestand auf dem Kontinent insgesamt noch zu gering ausfällt, um darauf nennenswerte Ressourcen aufzubauen.
Globale Zusammenarbeit
Und wie steht es um die Nutzung der Sonnenkraft in den Megastädten und Ballungsräumen dieser Welt? Auch hier hält die Studie erstaunliche Einsichten bereit. Das mit rund 55 Prozent größte Potenzial findet sich nicht dort, wo die meisten Menschen leben, sondern in dünn besiedelten Gebieten, in denen es häufig keine oder nur eine eingeschränkte Netzintegration gibt.
Es liegt daher nahe, dass PV-Aufdachanlagen in ländlichen Energiesystemen eine große Zukunft haben. Logisch aber auch, dass die Studie in diesem Fall lokalen Regierungen genaue Hinweise geben könnte, wo im Land sich die besten Standorte für den Aufbau einer Infrastruktur mit PV-Aufdachanlagen befinden. Die eigentliche Feuerprobe stellt sich spätestens dann ein, wenn es an die praktische Umsetzung eines dezentralen solaren Energiesystems geht. Gerade Länder mit schwachem Bruttoinlandsprodukt (BIP) stehen dann vor einem Dilemma: Ihnen fehlt schlicht das Geld, um durch die nötigen Investitionen ihr spezifisches Sonnenkraftpotenzial zu erreichen.
Die Studienautoren sehen daher vor allem die entwickelten Volkswirtschaften in der Pflicht. Gefragt sind globale Zusammenarbeit und Technologietransfers, um den benachteiligten Ländern beim Aufbau einer sauberen Stromerzeugungsinfrastruktur unter die Arme zu greifen. Die bemerkenswerte Studie bietet dazu einen guten Ansatz.