Wieviel Solarzellen und Speicher braucht die Welt?

Solarenergie für Deutschland Europa und die Welt

Es gibt in der Solar-Szene ein Bild (Bild 1), dass vermutlich fast jeder kennt, es zeigt, wie groß der Flächenbedarf ist, wenn die Welt auf Solarenergie umgestellt wird. Es wurde, soweit mir bekannt, von Frau Nadine May erstmals in ihrer Diplomarbeit bei der DLR veröffentlicht [1]:

Bild 1: Flächenbedarf für Solarkraftwerke, nach Nadine May [1]

Dieses Bild ist weitverbreitet und soll auf seine Richtigkeit überprüft werden. Zunächst ist zu bemerken, dass Algerien das Land, das die Quadrate für die Welt und Europa enthält und Libyen, das Land, das möglicherweise die Deutschen Solarkraftwerke bekommt, keine Kolonien mehr sind.

Die Quadrate haben eine Kantenlänge von: Welt 254 km,  Europa 110 km und Deutschland nur 45 km.

Wie groß ist der Energiebedarf der Welt?

Der Energieverbrauch der Welt wächst ständig (Siehe Bild 2), daher kann man schlecht den Energiebedarf nur mit einem Bezugsjahr angeben. Aktuell liegt der Bedarf bei über 30.000 TWh (30.000.000.000.000 kWh) wenn man die Angaben der Internationalen Energieagentur auswertet. Ich habe dabei Umwandlungsfaktoren für bestimmte Energieformen zu Strom berücksichtigt.

Bild 2: Weltweiter Energiebedarf für Strom, Transport und alle anderen Formen

Diese Energie soll nun mit Solarzellen aufgefangen werden und in Strom umgewandelt werden. Dabei gibt es mehrere Faktoren zu berücksichtigen, den Wirkungsgrad, die Einstrahlung im Lauf eines Jahres und die notwendige Speicherung der Energie für die Nacht.

Solarzellen aus Silizium erreichen einen Wirkungsgrad von rund 20% und sind aktuell die günstigste Methode in großem Umfang Strom aus Solarenergie zu erzeugen.

Die Einstrahlung ist in verschiedenen Regionen der Erde sehr verschieden, insbesondere muss man immer zwischen direkter und globaler Einstrahlung unterscheiden. Für die Photovoltaik (PV) spielt nur die globale Einstrahlung eine Rolle. Daher wird nur diese Betrachtet.

Bild 3: Globalstrahlung senkrecht zum Boden (Quelle: WEC [2])

Auf der Karte sieht man, dass viele Gebiete eine jährliche Einstrahlungsleistung von 2000 kWh pro Jahr haben, insbesondere die Sahara, aber auch auf anderen Kontinenten (Ausnahme: Europa!), derartig gute Standorte zu finden sind.

Notwendige Flächen

Die notwendigen Flächen der Solarzellen kann man jetzt einfach berechnen. Für die Welt benötigen wir 30.000.000.000.000 kWh im Jahr, da ein Quadratmeter eine Einstrahlung von 2000 kWh hat wären das theoretisch 15.000.000.000 m² oder 15.000 km². 

Jetzt kommt der Wirkungsgrad ins Spiel, da nur 20% in Strom umgewandelt werden, benötigen wir die fünffache Fläche, das sind 75.000 km². Allerdings muss man die Zellen aufbauen können und benötigt Wege und weitere Flächen für Wechselrichter und Speicher, das dürfte den Flächenbedarf verdoppeln. Damit liegt man bei 150.000 km².

Der Transport und die Speicherung von Energie, die zwingend nötig ist, da nachts die Sonne nicht scheint, wird etwa weitere 25% der Energie auffressen, damit wären wir bei 200.000km².

Dies entspricht einem Quadrat von 448 km Kantenlänge, ganz grob gesagt doppelt so groß wie in der Zeichnung.

Faire Welt

Aktuell verbrauchen nur wenige Menschen viel Energie und viel Menschen wenig Energie. Ich bin überzeugt, dass Langfristig alle Menschen mindestens den Lebensstandard wie in Deutschland erreichen wollen. Dafür dürfte pro Person eine Energiemenge von 15.000 kWh/a notwendig werden. Es gibt einige Länder, die bereits heute einen deutlich höheren Energiebedarf haben, aber wir wollen hoffen, dass Energieeffizienz auch eine gewisse Einsparung bewirkt. 

Bei einer Weltbevölkerung von 8 Mrd. Menschen wird das einen jährlichen Energiebedarf von 120.000 TWh oder 120.000.000.000.000 kWh, also das Vierfache des bisherigen Bedarfs, ergeben. Damit würde sich die Fläche mit Solarzellen immerhin auf ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 1000 km vergrößern (Bild 4).

Bild 4: Die Welt vollständig mit Solarenergie in Zukunft versorgen

Weiterhin ist die Fläche von einer Million Quadratkilometer immer noch klein im Vergleich zur Sahara, aber ein ernsthafter Teil der festen Erdoberfläche. Die Welt hat etwa 15 Millionen Quadratkilometer sonnige Wüsten, das bedeutet, etwa 1/15 dieser Fläche muss in Zukunft mit Solarzellen für die Energieversorgung verwendet werden. 

Speicherbedarf

Geht man davon aus, dass die Energie mindestens für einen Tag gespeichert werden können muss, so erfordert das eine Speicherkapazität von 330 TWh (330.000 GWh), 

zum Vergleich: Deutschland hat Pumpspeicher mit einer Kapazität von 0,04 TWh. 

Sollten große Lageenergiespeicher mit 80 GWh Kapazität (500 m Durchmesser) das Problem lösen, müssten davon beachtliche 4000 Stück gebaut werden.

Will Elon Musk das mit Batterien aus der Gigafactory lösen, so muss die Gigafactory bei einer geplanten Kapazität von 50 GWh pro Jahr, über 6000 Jahre Produzieren oder 400 Gigafactories 15 Jahre lang produzieren, um erstmals die Kapazität zur Verfügung zu stellen und immer weiter Produzieren, da Batterien nach 15 Jahre ersetzt werden müssen.

Gigantische Umstellung

Soll die weltweite Umstellung auf Solarenergie gelingen, werden gewaltige Bauten in Form gigantischer Solarfelder nötig. Sicherlich reichen dafür nie die Dachflächen. Weiterhin geht es um Investitionen, die in der Größenordnung des globalen Bruttosozialprodukts von einem Jahr liegen (80.000 Mrd. $). Das klingt viel, ist aber von der Menschheit zu schaffen, insbesondere wenn man bedenkt, dass danach Energie sauber, ohne CO2 und zu geringen Kosten produziert wird.

Ich glaube, wir schaffen das!

Zum Thema: warum Solarstrom und Speicher billiger werden, die Lernkurve.

Quellen:

[1] Eco-balance of a Solar ElectricityTransmission from North Africa to Europe, Diploma Thesis of Nadine May, Braunschweig Mai 2005

[2] World Energy Resources Solar 2016, World Energy Council 2017

A 186 page paper going into details is from Jakobson et.al., 100% Clean and Renewable Wind, Water, and Sunlight (WWS) AllSector Energy Roadmaps for 139 Countries of the World