Der phänomenale Rückgang der Kosten für Solarmodule, der seit den 1970er Jahren unglaubliche 99 Prozent überschritten hat, ermöglichte die massenhafte Akzeptanz von Photovoltaikanlagen weltweit. Diese Systeme, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln, sind zu einer entscheidenden Säule der globalen Energiewende geworden. Doch hinter dieser beeindruckenden Preissenkung steckt nicht nur eine einzige revolutionäre Innovation, sondern ein komplexes Netzwerk technischer Fortschritte, die aus vielfältigen Forschungsanstrengungen und Industriesektoren hervorgegangen sind, wie eine neue Studie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) aufdeckt.

Diese detaillierte Studie, die sich eingehend mit den spezifischen Innovationen befasst, die eine so drastische Kostensenkung ermöglicht haben, liefert wertvolle Einblicke. Ihre Schlussfolgerungen können Unternehmen im Sektor der erneuerbaren Energien helfen, effektivere Entscheidungen über Investitionen in Forschung und Entwicklung zu treffen, während sie politischen Entscheidungsträgern als Leitlinien dienen können, um Bereiche zu identifizieren, die vorrangig gefördert werden müssen, um das Wachstum der Produktion und Implementierung von Solartechnologien zu beschleunigen.

Ein komplexes Netzwerk aus Wissen und Innovation

Die von den Forschern durchgeführte Modellierung zeigt deutlich, dass entscheidende Innovationen oft von außerhalb des Solarsektors selbst stammten. Dazu gehören Fortschritte in der Halbleiterherstellung, der Metallurgie, der Glasproduktion, den Bohrprozessen für Öl und Gas, den Baumethoden und sogar in den rechtlichen Rahmenbedingungen. Professorin Jessika Trancik vom MIT-Institut für Daten, Systeme und Gesellschaft, die Hauptautorin der Studie, betont die Komplexität des Kostenverbesserungsprozesses. Ihren Worten zufolge liegen wissenschaftliche und technische Fortschritte, oft auf einer sehr grundlegenden Ebene, im Herzen dieser Kostensenkungen. Eine große Menge an Wissen wurde aus verschiedenen Bereichen und Branchen geschöpft, und genau dieses Wissensnetzwerk hat die Verbesserung dieser Technologien ermöglicht.

An der Arbeit, die in der Zeitschrift PLOS ONE veröffentlicht wurde, beteiligten sich neben Trancik die Koautoren Goksin Kavlak, eine ehemalige Doktorandin und Postdoktorandin am IDSS, jetzt Senior Associate für Energie bei der Brattle Group; Magdalena Klemun, ebenfalls eine ehemalige Doktorandin und Postdoktorandin am IDSS, jetzt Assistenzprofessorin an der Johns Hopkins University; der ehemalige MIT-Postdoktorand Ajinkya Kamat; sowie Brittany Smith und Robert Margolis vom National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Identifizierung von Schlüssel-Innovationen

Diese Forschung baut auf mathematischen Modellen auf, die die Forscher zuvor entwickelt hatten und die es ermöglichten, die Auswirkungen von Ingenieurtechnologien auf die Kosten von Photovoltaik-(PV)-Modulen und -Systemen zu trennen. Das Ziel dieser Studie war es, noch tiefer in die wissenschaftlichen Fortschritte einzudringen, die zu den Kostensenkungen geführt haben. Sie kombinierten ihr quantitatives Kostenmodell mit einer detaillierten, qualitativen Analyse der Innovationen, die die Kosten für Materialien von PV-Systemen, Herstellungsschritte und Implementierungsprozesse beeinflusst haben.

Goksin Kavlak erklärt, dass ihr quantitatives Kostenmodell die qualitative Analyse lenkte und es ihnen ermöglichte, Innovationen in Bereichen genau zu untersuchen, die aufgrund fehlender quantitativer Daten schwer zu messen sind. Aufbauend auf früheren Arbeiten, die die wichtigsten Kostentreiber identifizierten – wie die Anzahl der Solarzellen pro Modul, die Effizienz der Verkabelung und die Fläche der Siliziumwafer – führten die Forscher eine strukturierte Literatursuche nach Innovationen durch, die diese Treiber beeinflussen könnten. Anschließend gruppierten sie diese Innovationen, um Muster zu erkennen, und deckten Cluster auf, die die Kosten durch die Verbesserung von Materialien oder die Vorfertigung von Komponenten zur Vereinfachung von Herstellung und Installation senkten. Schließlich verfolgte das Team den industriellen Ursprung und den Zeitpunkt jeder Innovation und konsultierte Fachexperten, um sich auf die bedeutendsten Innovationen zu konzentrieren.

Insgesamt identifizierten sie 81 einzigartige Innovationen, die seit 1970 die Kosten von PV-Systemen beeinflusst haben, von Verbesserungen bei Antireflexglas bis zur Implementierung vollständig onlinebasierter Schnittstellen für die Genehmigungserteilung. Trancik merkt an, dass man bei Innovationen immer tiefer gehen kann, bis hin zu den Techniken der Rohstoffverarbeitung, daher war es eine Herausforderung zu wissen, wann man aufhören sollte. Das quantitative Modell half ihnen sehr, die qualitative Analyse zu fundieren.

Module und „weiche“ Kosten: Zwei Seiten von Solaranlagen

Die Forscher beschlossen, die Kosten von PV-Modulen von den sogenannten „Balance-of-System“-(BOS)-Kosten zu trennen, die Dinge wie Montagesysteme, Wechselrichter und Verkabelung abdecken. PV-Module, die zu Solarpaneelen zusammengeschaltet werden, werden in Massenproduktion hergestellt und können exportiert werden, während viele BOS-Komponenten lokal entworfen, gebaut und verkauft werden. Kavlak erklärt, dass sie durch die Untersuchung von Innovationen auf BOS-Ebene und innerhalb der Module unterschiedliche Arten von Innovationen identifiziert haben, die in diesen beiden Teilen der PV-Technologie aufgetreten sind.

BOS-Kosten hängen stärker von „weichen Technologien“ ab – nicht-physischen Elementen wie Genehmigungsverfahren, die bisher im Vergleich zu Hardware-Innovationen deutlich weniger zur Kostenverbesserung von PV beigetragen haben. Trancik betont, dass es oft um Verzögerungen geht. Zeit ist Geld, und Verzögerungen auf Baustellen und unvorhersehbare Prozesse beeinflussen diese Systembilanzkosten. Innovationen wie automatisierte Genehmigungssoftware, die vorschriftskonforme Systeme für eine beschleunigte Genehmigung kennzeichnet, zeigen vielversprechende Ansätze. Obwohl in dieser Studie noch nicht quantifiziert, könnte der Rahmen des Teams zukünftige Analysen ihrer wirtschaftlichen Auswirkungen und ähnlicher Innovationen unterstützen, die Implementierungsprozesse vereinfachen.

Beispielsweise war in Kroatien und anderen Ländern der Europäischen Union der Prozess zur Erlangung von Genehmigungen für Solarkraftwerke oft langwierig und bürokratisch. Die Einführung digitaler Plattformen zur Antragstellung, die Standardisierung der Dokumentation und die Beschleunigung der Verwaltungsverfahren sind entscheidend für die Senkung dieser „weichen“ Kosten. Solche Änderungen reduzieren nicht nur die finanziellen Ausgaben, sondern verkürzen auch die für die Realisierung von Projekten erforderliche Zeit, was für Investoren und Endverbraucher äußerst wichtig ist.

Miteinander verbundene Industrien und Wissenstransfer

Die Forscher fanden heraus, dass Innovationen aus der Halbleiter-, Elektronik-, Metallurgie- und Ölindustrie eine große Rolle bei der Senkung der PV- und BOS-Kosten spielten. Die BOS-Kosten wurden jedoch auch von Innovationen im Software-Engineering und in der Elektrotechnik beeinflusst. Nicht-innovationsbedingte Faktoren, wie Effizienzgewinne durch Großeinkäufe und die Anhäufung von Wissen in der Solarenergiebranche, reduzierten ebenfalls einige Kostenvariablen.

Darüber hinaus stammten die meisten Innovationen bei PV-Modulen von Forschungsorganisationen oder der Industrie, während viele BOS-Innovationen von Stadtverwaltungen, US-Bundesstaaten oder Berufsverbänden entwickelt wurden. Trancik zeigte sich überrascht von der Vielfalt all dieser Bereiche und ihrer engen Verknüpfung sowie der Tatsache, dass dieses Netzwerk durch diese Analyse deutlich sichtbar wird. Klemun fügt hinzu, dass PV sehr gut positioniert war, um Innovationen aus anderen Branchen aufzunehmen – dank des richtigen Timings, der physischen Kompatibilität und unterstützender politischer Maßnahmen zur Anpassung von Innovationen für PV-Anwendungen.

Dieser Wissenstransfer, bekannt als „Knowledge Spillovers“, ist entscheidend für einen schnellen Fortschritt. Zum Beispiel wurden Techniken der Präzisionsbearbeitung und Automatisierung, die für die Herstellung von Mikrochips in der Halbleiterindustrie entwickelt wurden, direkt auf die Produktion von Siliziumwafern für Solarzellen angewendet, was dünnere, effizientere und billigere Zellen ermöglichte. Ähnlich führten Fortschritte in der Metallurgie zur Entwicklung neuer Legierungen für die Rahmen und Halterungen von Solarmodulen, die leichter, langlebiger und korrosionsbeständiger sind, was die Transport- und Installationskosten senkt. Innovationen in der Glasherstellung, wie die Entwicklung von eisenarmem Glas und Antireflexbeschichtungen, haben die Lichtdurchlässigkeit erheblich verbessert und Verluste reduziert, wodurch die Gesamteffizienz der Module gesteigert wurde.

Die digitale Revolution und die Zukunft der Solartechnologien

Die Analyse zeigt auch die Rolle, die eine größere Rechenleistung bei der Senkung der BOS-Kosten durch Fortschritte wie automatisierte Systeme für die technische Prüfung und Software für die Fernbewertung von Standorten spielen kann. Klemun betont, dass das, was wir bisher im PV-Bereich an Wissenstransfer gesehen haben, möglicherweise nur der Anfang ist, und weist auf die wachsende Rolle von Robotik und KI-gesteuerten digitalen Werkzeugen hin, um zukünftige Kostensenkungen und Qualitätsverbesserungen voranzutreiben.

Künstliche Intelligenz (KI) transformiert bereits die Solarindustrie. KI-Algorithmen können das Design von Solarparks optimieren, die Energieerzeugung auf der Grundlage von Wetterbedingungen und historischen Daten vorhersagen und die Energieverteilung im Netz steuern. Roboter werden zunehmend für die automatisierte Montage von Modulen, die Installation vor Ort und sogar für die Reinigung und Wartung von Solarmodulen eingesetzt, was den Bedarf an menschlicher Arbeit reduziert und die Sicherheit erhöht. Digitale Zwillinge – virtuelle Nachbildungen physischer Solarkraftwerke – ermöglichen die Überwachung der Leistung in Echtzeit, die Vorhersage von Ausfällen und die Optimierung des Betriebs, was die Betriebskosten weiter senkt.

Zusätzlich zur qualitativen Analyse zeigten die Forscher, wie diese Methodik verwendet werden kann, um die quantitative Auswirkung einer bestimmten Innovation zu bewerten, wenn numerische Daten zur Verfügung stehen, die in die Kostengleichung eingesetzt werden können. Zum Beispiel schätzen sie unter Verwendung von Informationen über Materialpreise und Herstellungsverfahren, dass das Drahtsägen, eine in den 1980er Jahren eingeführte Technik, zu einer Gesamtkostensenkung von PV-Systemen um 5 US-Dollar pro Watt führte, indem Siliziumverluste reduziert und der Durchsatz während der Produktion erhöht wurden. Diese Technik ermöglichte das Schneiden von Siliziumingots in viel dünnere Wafer mit weniger Abfall, was sich direkt auf die Kostensenkung pro Watt auswirkte.

Lehren für die Zukunft und breitere Anwendung

Trancik betont, dass man durch diese retrospektive Analyse etwas Wertvolles für die zukünftige Strategie lernt, da man sehen kann, was funktioniert hat und was nicht, und die Modelle auch prospektiv angewendet werden können. Es ist auch nützlich zu wissen, welche benachbarten Sektoren helfen können, die Verbesserung einer bestimmten Technologie zu unterstützen. Zukünftig planen die Forscher, diese Methodik auf eine breite Palette von Technologien anzuwenden, einschließlich anderer erneuerbarer Energiesysteme wie Windkraftanlagen, geothermischer Systeme und Energiespeichersysteme. Sie möchten auch „weiche Technologien“ weiter untersuchen, um Innovationen oder Prozesse zu identifizieren, die die Kostensenkung beschleunigen könnten.

Obwohl der Prozess der technologischen Innovation wie eine „Black Box“ erscheinen mag, haben die Forscher gezeigt, dass er wie jedes andere Phänomen untersucht werden kann. Das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Branchen, wissenschaftlichen Disziplinen und regulatorischen Rahmenbedingungen ist entscheidend für den weiteren Fortschritt bei der Entwicklung und Implementierung sauberer Energietechnologien. Diese Studie des MIT bietet einen starken Rahmen für die Analyse vergangener Erfolge und die Ausrichtung zukünftiger Anstrengungen, um sicherzustellen, dass der Weg zu einer nachhaltigen Energiezukunft so effizient und kostengünstig wie möglich ist.