Das Jahr 2022 war in Bezug auf das Wetter wieder ein Jahr der Extreme. Die letzten Zweifel, ob der Klimawandel jeden von uns trifft, sind damit wohl beseitigt. Es gab den wärmsten Sommer in Europa seit Beginn der Wetteraufzeichnungen, bereits der zweite Rekordsommer in Folge nach dem Jahr 2021. Dürre und Hitzeperioden stehen im Kontrast zu Stürmen und Überflutungen auf Rekordniveau. Und das nicht nur in Europa, sondern weltweit (1, 2).
Klar ist, dass wir weg müssen von fossilen Energien und hin zu erneuerbaren Energieträgern. Photovoltaik (PV) und Wind sind hierbei vor allem in Deutschland als Zukunft der Energiegewinnung zu sehen, doch diese werden vorrangig in flachen Landschaften oder im Meer errichtet. Länder wie Österreich und die Schweiz haben weniger offene Flächen zur Verfügung und müssen diese auch besser nutzen, da große Teile der Länder durch die Alpen geprägt sind und Platz Mangelware ist.
Windkraftanlagen stoßen in den Bergregionen auf starken Widerstand in der Bevölkerung und auch von Entscheidungsträgern werden diese nicht forciert. Somit stellt sich zwangsläufig die Frage, ob nicht auch dort, hoch oben auf den Almen, mit PV-Anlagen Strom erzeugen werden könnte.
Laut einer Berechnung der ETH Lausanne und dem WS Institut für Schnee- und Lawinenforschung wäre das eine profitable Sache. Allein in der Schweiz liegt demnach das Potenzial für alpine PV bei 10 TWh. Nicht nur eine erhöhte Effizienz spricht für solche Projekte, sondern auch die niedrigeren Landpreise spielen eine Rolle. Es gibt bereits einige geplante und auch schon abgeschlossene Projekte sowie auch wissenschaftliche Forschung hierzu (3). In diesem Leitartikel soll diese Thematik genauer beleuchtet, die Probleme aufgezeigt und ein paar Beispiele gegeben werden, wo PV im Gebirge bereits realisiert wurde und noch realisiert werden könnte.
Wissenschaftlicher Aspekt
Ein großer Problemfaktor für PV, nicht nur in den Alpen, sind Nebel und Wolken. Und oft kann beobachtet werden, dass im Tal oder Mittelland vor allem im Winter eine dichte Nebeldecke die Sonne verdeckt, während hoch oben in den Bergen die Sonne ungetrübt auf die Gipfel scheint.
Ein weiterer Punkt ist, dass durch die tiefen Temperaturen und die intensivere Strahlung die Module bis zu 40 % mehr Strom produzieren können, als vergleichbare Anlagen im Flachland. Bei Temperaturen über 25 °C sinkt die Spannung um ca. 0,5 % pro °C. In kälterer Umgebung arbeiten PV-Anlagen effizienter, da weniger Solarstrahlung in Wärme umgewandelt wird (4).
Eine Studie aus Österreich aus dem Jahr 1998 kam zu ähnlichen Ergebnissen. Dort wurde die potenzielle Energieleistung einer PV-Anlage zwischen der Stadt Leonding und dem 1250 m höher gelegenen Gipfel des Losers mithilfe eines Computermodells berechnet. Das Ergebnis zeigte auch hier, dass eine höher gelegene PV-Anlage produktiver ist als eine Anlage im Tal. Der Unterschied trat hier vor allem im Herbst und Winter klar auf, während der Ertrag in den Sommermonaten ähnlich hoch eingeschätzt wurde (6).
Eine Studie aus der Schweiz hat bereits im Jahr 1999 über fünf Jahre hinweg verschiedene für PV relevante Einstrahlungsparameter im Hochgebirge gemessen. Die Forscher kamen dabei zu dem Ergebnis, dass nachgeführte PV-Paneele bis zu 1,7-mal mehr Energie pro Quadratmeter erzeugen als fixe Anlagen. Auffallend waren die außergewöhnlich hohen Strahlungswerte in Südausrichtung, was auf den Reflexionseffekt des Schnees zurückgeführt wurde und daher im Vergleich zum Flachland, ein höherer Stromertrag im Winter gemessen wurde. Dieser Effekt führte in Spitzenzeiten zu Strahlungswerten von bis zu 2000 W/m², was den Wert der Solarkonstante von 1367 W/m² weit übertraf (5).
Eine weitere Studie aus Österreich an der Alpen-Adria-Universität Klagenfurt von 2018 hat den Einfluss der Temperatur auf den Ertrag von PV-Anlagen untersucht. Dazu wurden zwei Messungen durchgeführt, einmal auf 612 m und einmal auf 1764 m Seehöhe. Bei der Messung wurde „maximum power point tracking“ angewendet, um die höchste Energieproduktion der Paneele zu vergleichen. Die Forschungsgruppe kam dabei zum Ergebnis, dass die Effizienz der höher gelegenen Anlage um 42 % höher lag als bei jener im Tal (4).
Beispiele von PV-Anlagen in den Alpen
Es gibt einige Beispiele, in Europa vor allem in der Schweiz, wo solche hochalpinen PV-Anlagen bereits umgesetzt wurden. Im schweizerischen Davos auf der Totalp auf 2500 m Seehöhe gibt es eine Versuchsanlage bei der untersucht werden soll, wie man im Gebirge PV am effizientesten verwendet (Abb. 1).
Abbildung 1: PV-Versuchsanlage auf der Totalp in Davos (7)
Die Versuchsanlage besteht aus mehreren Modulen, deren Anstellwinkel individuell verstellt werden kann. Dabei werden neben monofazialen Standardmodulen, welche beispielsweise auch auf Häuserdächern eingesetzt werden, auch bifaziale Module verwendet, die sowohl bei Einstrahlung von vorne als auch von hinten Strom erzeugen.
Es konnte dabei eindeutig gezeigt werden, dass PV in den Alpen sehr effizient ist. So lieferte das bifaziale Modul mit 70 Grad Neigung mehr als doppelt so viel Energie wie die Vergleichsanlage im Schweizer Mittelland. Auch hier zeigte sich vor allem im Winter eindeutig der Vorteil von PV im Gebirge, da hier die Stromproduktion drei bis viermal höher ist als im Mittelland (Abb. 2). Dieser Effekt im Winter deckt sich sehr mit den wissenschaftlichen Erkenntnissen vorangegangener Studien.
Die Vorteile solcher hoch gelegenen Anlagen liegen laut Forschungsgruppe zum einen dabei, dass man im Winter weniger Strom importieren müsste und man auch halb so viel Fläche benötigen würde wie mit Dach-PV-Anlagen.
Unbestritten ist der Nachteil, dass große Teile der alpinen Landschaft verbaut werden müssen (7).
Abbildung 2: Jahreserträge im Winterhalbjahr (unterer, dunkler Bereich) und Sommerhalbjahr (oberer, heller Bereich). In grau die Vergleichsanlage im Mittelland (Dachanlage mit Südausrichtung) (7)
Ein weiteres Beispiel für PV-Anlagen im Gebirge findet sich, ebenfalls auf 2500 m Seehöhe, im Muttsee im Glarner Land (Schweiz). Hier wurde ein Solarkraftwerk errichtet, das im Jahr 2021 als größtes im hochalpinen Bereich der Alpen galt. Diese PV-Anlage unterscheidet sich aber grundlegend von anderen Anlagen: Sie wurde auf der Mauer des Stausees errichtet. Knapp 5000 PV-Module auf einer Fläche von 10.000 m² liefern seit Oktober 2021 circa 3,3 GWh klimafreundlichen Strom für die Schweiz (Abb. 3). Hier zeigte sich auch, welche Herausforderungen der Bau einer PV-Anlage in solchen Höhen im Vergleich zum Flachland mit sich bringt. Für das Gerüst allein mussten 170 t Stahl und 100 t Aluminium mit dem Helikopter zum Stausee hochgeflogen werden. Auch das oft unberechenbare Wetter stellte sich als Problemfaktor heraus und verzögerte den Bau um einige Wochen.
Die Errichtung der PV-Anlage wurde von einem Forschungsteam der EPFL Lausanne und des Schnee- und Lawinenforschungsinstituts begleitet, um Erkenntnisse für den Bau zukünftiger Anlagen zu gewinnen. Der Bauträger AXPO argumentiert auf seiner Homepage, dass der Standort im Hochgebirge sehr gut für Solarenergie geeignet ist. Die Staumauer ist nach Süden ausgerichtet und im Winter kann durch die Reflexion des Schnees und des wenigen Nebels besonders viel Energie produziert werden. Durch den optimalen Neigungswinkel der Paneele rutscht laut AXPO der Schnee von allein ab, was ansonsten im Winter in solchen Höhenlagen problematisch sein könnte (8, 9).
Abbildung 3: PV-Anlage an der Muttsee-Staumauer (Bild: Axpo)
PV-Anlagen können aber nicht nur an Staumauern im Gebirge montiert werden, sondern durchaus auch als Floating-PV-Anlage im Stausee. In der Schweiz am Lac des Toules im Kanton Wallis wurde 2019 von Romande Energie die erste Anlage dieser Art fertiggestellt (Abb. 4). Auch hier wurde der Vorteil der erhöhten Sonneneinstrahlung in dieser Höhenlage genutzt. Denn ein weiterer Faktor mit positiver Auswirkung ist neben der Reflexion des Schnees im Winter auch die Reflexion des Sonnenlichts des Sees, die durch die bifazialen Module optimal ausgenutzt werden kann. Ein weiterer Vorteil einer Anlage dieser Art in einem hochalpinen Stausee kann im Naturschutzbereich verortet werden. Da der See jährlich zur Gänze geleert wird, gibt es nur wenig Möglichkeit für die Entwicklung einer Fauna und Flora im Wasser, weshalb die Anlage auch keine negativen Umweltauswirkungen mit sich bringt. Dies wurde auch von Umweltverbänden bestätigt. Eine größere Anlage, die bis zu 6600 Haushalte mit Strom versorgen könnte, ist bereits geplant. Der Stausee kann durch die PV-Anlage doppelt zur Stromerzeugung genutzt werden und die benötigte Infrastruktur ist ebenfalls schon vorhanden, was die Kosten senkt. Durch die hohe Anzahl an Stauseen in den Alpen gäbe es in Zukunft ein großes Potenzial für solche Anlagen (10).
Abbildung 4: Floating-PV-Anlage am Lac des Toules in der Schweiz (10)
Beispiele von PV-Anlagen in den Anden
Nicht nur in Europa gibt es Potenzial für PV-Anlagen im Hochgebirge. Peru hat einen großen Anteil an den Anden, welche Höhenlagen bis zu über 6.000 m aufweisen. Nachdem auch dort eine Abkehr von fossilen Energieträgern hin zu Erneuerbaren Energien angestrebt wird, bietet sich für den zukünftigen Energiemix des Landes PV in großen Höhen sehr gut an. Das extreme Wetter mit starken Winden, Stürmen und stark fluktuierenden Temperaturen stellt solche Anlagen vor besondere Herausforderungen und könnte sie beschädigen. Um zu prüfen, wie gut PV-Anlagen mit diesen Rahmenbedingungen klarkommen, wurde 2021 das Projekt „SolarLab“ ins Leben gerufen und eine Testanlage in den peruanischen Anden in der Nähe der Stadt Junín errichtet. Dort werden vier verschiedene Anlagentypen (Dünnschichtzellen, mono- und polykristalline sowie bifaziale Zellen) über ein Jahr getestet, um die Auswirkungen der extremen Umwelteinflüsse zu studieren (Abb. 5). Ziel ist es, den optimalen Anlagentyp und die optimale Installationsart zu finden, um in Zukunft im großen Maßstab Solarstrom in den großen Höhen der Anden zu produzieren (11).
Abbildung 5: PV-Testanlage in den peruanischen Anden (11)
In Bolivien, auf 3.730 m Seehöhe in der Gemeinde Ancotanga gibt es bereits eine Anlage dieser Art mit einer Leistung von 100 MWp. Laut Betreiber und Behörden handelt es sich dabei um den höchstgelegenen PV-Park der Welt (Abb. 6). Die Vorteile der Höhe konnten auch dort genutzt werden, da das Gebiet eine der höchsten Solarstrahlungswerte weltweit aufweist und die meiste Zeit des Jahres von sehr niedrigen Temperaturen geprägt ist. Vor der Erweiterung im Jahr 2021 war die Anlage nur halb so groß, produzierte aber mit einer Leistung von 50 MWp bis zu 100 GWh pro Jahr, was den Vorteil der Lage im hochandinen Bereich unterstreicht. Es sind auch bereits Anlagen mit weiteren 300 MWp in diesem Gebiet in Planung. Experten warnen aber vor einer zu großen Konzentration von PV-Anlagen an diesem einen Standort, da eine Wolke, wenn auch nur kurzzeitig, einen starken Abfall der Stromproduktion bedeuten würde und dieser Verlust dann woanders, meist mit fossilen Energieträgern, kompensiert werden müsste. Es wird daher empfohlen, PV-Anlagen in den Anden über das ganze Land zu verteilen und auch Speichermöglichkeiten wie Pumpspeicher-Kraftwerke zu errichten, um die Stromproduktion auf sichere und nachhaltige Beine zu stellen (12).
Abbildung 6: PV-Anlage in den bolivianischen Anden bei Ancotanga (13)
Welche Problem zeigen PV-Anlagen in der Höhe auf?
Neben den vielen Vorteilen einer PV-Anlage in den Alpen gibt es aber einen entscheidenden Punkt, der nicht zu vernachlässigen ist: die Preisfrage. Schätzungen zufolge liegen die Kosten für eine Kilowattstunde Sonnenstrom aus den Alpen circa doppelt so hoch wie aus Anlagen aus dem Flach- und Mittelland (3).Dies hat unter anderem mit den hohen Baukosten zu tun, da der Transport der Einzelteile in solche Höhen meist mit dem Helikopter durchgeführt werden muss. Außerdem kann das raue und unberechenbare Wetter die Bauzeit verlängern und so zusätzliche Kosten verursachen (9). Ein weiteres Problem stellt der Stromanschluss dar, da es oft keine vorhandene Infrastruktur gibt. Sie müsste erst errichtet werden und stünde vor demselben Problem der erhöhten Baukosten auf solchem Terrain wie die Anlage selbst.Bei PV-Anlagen in Stauseen kann dieses Problem teilweise umgangen werden, da Teile der Infrastruktur gegebenenfalls schon vorhanden sind.
Aber nicht nur die Kostenfrage stellt PV-Anlagen im Hochgebirge vor Herausforderungen. Wenn nicht gerade in einem See gelegen, verbrauchen solche Anlagen große Flächen in den Gebirgen. Vor allem in den Alpen könnte das zu großen Widerständen in der Bevölkerung führen. Almen die mit PV-Paneelen bedeckt sind, ziehen nicht unbedingt naturbegeisterte Wanderer an. Es wäre also für den Tourismus in den Alpen ein problematischer Faktor, der ein nicht unwesentliches Problem darstellen könnte. Natürlich spielen auch der Naturschutz und der Erhalt der Landschaft eine große Rolle. Es wird argumentiert, dass es genug Potenzial auf bereits bebauten Flächen gäbe, beispielsweise in Skigebieten. In Anbetracht der Dringlichkeit des Ausbaus von Erneuerbaren Energien gibt es aber auch Stimmen, die sagen, dass unberührte Natur nicht automatisch unter Schutz steht und von vornhinein ausgeschlossen werden kann. Es müssen alle Möglichkeiten in Betracht gezogen werden, so schnell wie möglich den Anteil Erneuerbarer Energien auszubauen, auch wenn dafür die ein oder andere Landschaft verbaut werden muss (3).
Fazit
Es gibt nicht nur in Deutschland, sondern auch international große Bemühungen den Ausbau der PV voranzutreiben. Oft müssen aufgrund der Topografie jedoch alternative Lösungskonzepte gefunden werden, da viele Staaten nicht über so große Freiflächen verfügen wie Deutschland. Nimmt man nur mal Österreich oder die Schweiz als Beispiel, sind große Teile des Staatsgebiets aufgrund der Lage in den Alpen nicht nutz- bzw. bewohnbar, was die übrigen Freiflächen umso kostbarer und auch teurer macht. Der Bau von PV-Anlagen in Gebirgsregionen könnte neben dem Bau von Dach-PV-Anlagen also eine Möglichkeit sein, diesem Mangel an geeigneten Standorten entgegenzuwirken. Dazu kommt auch die höhere Effizienz der Anlagen in Höhenlagen aufgrund der erhöhten Sonneneinstrahlung und der niedrigeren Temperaturen, weshalb für dieselbe Menge an produzierter Energie weniger Flächen in Anspruch genommen werden müssten als im Tiefland.
Berücksichtigt werden müsste aber zum einen, dass in den Alpen viele Gebiete geschützt sind und daher solche Anlagen nicht überall errichtet werden können. Zum anderen ist auch die Unterstützung von Seiten der Bevölkerung noch ein großes Fragezeichen, da es erst wenige solcher Anlagen gibt. Es wäre reine Spekulation hier abzuschätzen, auf wieviel Akzeptanz Anlagen dieser Art stoßen würden, aber sie könnten wohl weniger Widerstand erfahren als Windkraftanlagen auf Bergrücken die weithin sichtbar sind.
Für andere Orte der Welt wie z. B. die Anrainerstaaten der Anden stellt letzteres weniger Probleme dar, da weite Teile unbewohnt sind. Hier kann die PV als immense Chance für diese Länder gesehen werden, sich von der Abhängigkeit fossiler Energieträger zu lösen. Da das Flächenangebot schier unerschöpflich ist und die Effizienz durch die Temperatur und die extreme Höhe größer ist als in den Alpen, gibt es großes Potenzial für PV. Dennoch, es ist in den Anden wie auch in Europa eine Kostenfrage, da solche Anlagen ungleich schwieriger zu errichten sind als vergleichbare Anlagen im Flachland. Allein der Transport der Bauteile per Helikopter verursacht immense Kosten, wie man in der Schweiz bereits erfahren hat. Auch der Netzanschluss ist ein problematisches Thema, vor allem in abgelegenen Gebieten und wenn nicht gerade ein Stausee mit Kraftwerk in der Nähe ist.
Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass in den nächsten Jahren die Alpen mit PV-Anlagen überzogen werden. Dennoch, es gibt viele Standorte, die für solche Anlagen prädestiniert sind, wie beispielsweise Staumauern oder Stauseen, aber auch Skigebiete und andere bereits vorhandene Infrastruktur, bei der die Errichtung einer PV-Anlage das Landschaftsbild nicht zu stark stören würde. Durch die hohe Effizienz könnte hochalpine Sonnenkraft einen essenziellen Beitrag zur Energiewende leisten, vor allem aber wohl auch in Länder der Anden, wo es weniger Alternativen gibt als hierzulande. Man darf gespannt sein, wie sich dieses Thema in Zukunft entwickeln wird. Das Potenzial ist auf jeden Fall groß.
Autor: Hannes Wirnsberger
QUELLEN:
(1) Climate Change Service Copernicus (2022). Climate Bulletin shows summer 2022 was Europe’s warmest on record. Verfügbar unter: https://climate.copernicus.eu/c3s-climate-bulletin-shows-summer-2022-was-europes-warmest-record (abgerufen am 28.09.2022)
(2) Süddeutsche Zeitung (2022). Wärmster Sommer in Europa seit Beginn der Aufzeichnungen. Verfügbar unter: https://www.sueddeutsche.de/wissen/klimawandel-rekordsommer-2022-europa-1.5653426 (abgerufen am 28.09.2022)
(3) SRF (2022). Solarstrom aus den Alpen – bestechend und doch heiß umstritten. Verfügbar unter: https://www.srf.ch/news/wirtschaft/fotovoltaik-aus-dem-gebirge-solarstrom-aus-den-alpen-bestechend-und-doch-heiss-umstritten (abgerufen am 28.09.2022)
(4) IEEE International Energy Conference (2018). Efficiency of Photovoltaic Systems in Mountainous Areas. Verfügbar unter: https://arxiv.org/pdf/1810.06692.pdf (abgerufen am 04.10.2022)
(5) Applied Energy (1999). Climatological investigations for solar-power stations in the Swiss Alps. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261999001130 (abgerufen am 04.10.2022)
(6) Solar Energy (1998). Estimation oft he energy output of a photovoltaic power plant in the austrian alps. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038092X98000164 (Abgerufen am 04.10.2022)
(7) Erneuerbare Energien (2021). Photovoltaik in den Alpen wird unumgänglich. Verfügbar unter: https://digitalcollection.zhaw.ch/bitstream/11475/22416/3/2021_Rohrer_Photovoltaik-in-den-Alpen.pdf (abgerufen am 04.10.2022)
(8) Neue Zürcher Zeitung (2021). Solaranlagen im Hochgebirge sollen die Stromlücke im Winter stopfen. Verfügbar unter: https://www.nzz.ch/schweiz/energie-alpine-solaranlagen-sollen-stromluecke-im-winter-stopfen-ld.1643509 (abgerufen am 04.10.2022)
(9) Axpo (2022). Die größte alpine Solaranlage der Schweiz. Verfügbar unter: https://www.axpo.com/ch/de/energiewissen/pionierprojekt-in-den-schweizer-alpen.html (abgerufen am 04.10.2022)
(10) ABB (2020). Solarstrom aus dem Stausee Lac des Toules. Verfügbar unter: https://new.abb.com/news/de/detail/61603/solarstrom-aus-dem-stausee-lac-des-toules (abgerufen am 04.10.2020)
(11) Statkraft (2021). Statkraft tests solar power potential at 4.000 metres above sea leven in Peru. Verfügbar unter: https://www.statkraft.com/newsroom/news-and-stories/archive/2021/statkraft-tests-solar-power-potential-at-4000-meters-above-sea-level-in-peru/ (abgerufen am 05.10.2022)
(12) dialogocchino (2022). Bolivia has high solar power potential, but faces challenges scaling up. Verfügbar unter: https://dialogochino.net/en/climate-energy/54166-bolivia-solar-power-challenges-high-potential/ (abgerufen am 05.10.2022)
(13) Forbes (2021). Bolivia inaugura la planta solar más alta del mundo. Verfügbar unter: https://forbes.co/2021/02/11/actualidad/bolivia-inaugura-la-planta-solar-mas-alta-del-mundo/ (abgerufen am 06.10.2022)
