Die Möglichkeiten der Stromerzeugung mit Solarenergie werden immer vielfältiger. Das geht inzwischen deutlich über die bekannten Aufdachanlagen und Solarparks hinaus. Durch technische Innovationen und damit einhergehende Reduzierung der Kosten sind völlig neue Einsatzvarianten und Geschäftsmodelle mit Photovoltaik möglich. Mit diesem Beitrag wollen wir zeigen welche innovativen Themen der Photovoltaik-Branche in 2020 Trend liegen.

  1. Die All-in-One Solarblume
  2. Blockchain im Handel mit Solarstrom
  3. Höhere Wirkungsgrade durch Mehrfachsolarzellen
  4. Moderne Kunst mit Solarmodulen
  5. Organische Photovoltaikzellen auf flexiblen Folie
  6. StudentInnen-Wettbewerb Solar Decathlon für solares Bauen
  7. Schwimmende Photovoltaik-Kraftwerke
  8. PPA statt Förderung für große Photovoltaik-Kraftwerke
  9. Photovoltaik und landwirtschaftliche Nutzung auf gleicher Fläche möglich
  10. Solarmodule für den Balkon
  11. Entwicklung geht weiter und solarer Mieterstrom bleibt im Trend

 

 

 

Die All-in-One Solarblume

Sonnenblumen und ihre Strategie zur optimalen Umwandlung von Sonnenstrahlen in Energie, dienten als Inspiration, eine mechanische Blume mit photovoltaikbesetzten Blättern zu entwickeln.

Smart Flower vor der FH Kufstein Die Smartflower™ vor der FH Kufstein, Quelle: SmartFlower Solar GmbH

Wie eine natürliche Blume entfaltet sie sich am Morgen bei Sonnenaufgang und richtet ihre 18 m² große Solarfläche im 90° Winkel nach der Sonne aus. Zwei Achsen ermöglichen der Solarblume ihre Fächer dem täglichen Verlauf der Sonne zu folgen und somit länger als fest installierte PV-Anlagen Strom zu produzieren. Laut Hersteller ist sie dadurch bis zu 40 Prozent effizienter als herkömmliche PV-Anlagen. Außerdem reinigt sie sich bei jedem Öffnen und Schließen durch angebrachte Bürsten selbst und reduziert dadurch den Aufwand ihrer Instandhaltung. Bald werden auch Versionen mit integriertem Speicher und Lademöglichkeit für E-Autos erhältlich sein.

Die für ihren Betrieb benötigte Energie wird von der Solarblume durch ihre, im Vergleich mit herkömmlichen PV-Anlagen deutlich höhere Leistung, mehr als kompensiert. Jedoch birgt komplexere Technik immer auch mehr Risiken für Störungen. Außerdem benötigt die Solarblume eine unverschattete Freifläche von 25m2, und ist somit keine Lösung, um auch dicht besiedelte Gebiete mit Solarstrom zu versorgen.

Dennoch sind ihre Ästhetik und Effizienz Argumente für die Solarblume. Sie ist schön anzusehen und erregt mit ihrer Präsenz Aufmerksamkeit. So können Solarblumen-BesitzerInnen ein sichtbares Statement für den Klimaschutz setzen und begeistern gleichzeitig für die Nutzung von Photovoltaik.

 

Blockchain im Handel mit Solarstrom

Blockchain ist ein dezentrales System, das Möglichkeiten eröffnet, zu relativ geringen Kosten Transaktionen fälschungssicher zu verifizieren und finanziell abzuwickeln. Vereinfacht handelt es sich um eine Datenbank mit einer beliebigen Anzahl von Datensätzen (“blocks”), die miteinander verschlüsselt-verkettet (“chain”) sind. So lohnt es sich auch kleine Mengen zu handeln, was für den sich im Laufe der Energiewende weiter dezentralisierenden Markt nötig ist.

Kritiker bemängeln jedoch die geringe Effizienz der langen Datenketten, obgleich eine Energie-Blockchain privat ist und somit nur eine geringe Anzahl von Rechnern beteiligt ist.

Des Weiteren ist die Versorgungssicherheit ein offenes Problem: Wenn eine Transaktion nicht sofort in einen Block aufgenommen und verifiziert wird, sind Versorgungsprobleme zu befürchten. Ebenso ist das Volumen der verifizierbaren Transaktionen begrenzt: Würde man alle Zählpunkte mit der Blockchain verbinden, würden so viele Transaktionen anfallen, dass man die Vorteile der Blockchain in Bezug auf Schnelligkeit nicht ausschöpfen könnte.

Ein Beispiel der erfolgreichen Anwendung von Blockchain ist das Schweizer Projekt Quartierstrom. In diesem Testprojekt haben sich 37 Haushalte mit Photovoltaikanlagen zusammengeschlossen, um ihren selbst produzierten Solarstrom untereinander zu handeln, und so optimal zu nutzen. Jeder Haushalt erhielt hierfür ein erweitertes Smart Meter, welches Stromverbrauch und -produktion misst und als Schnittstelle zur Blockchain agiert. Per App schließen die Nutzer Smart Contracts ab, in welchen sie den minimalen Verkaufspreis ihres Solarstroms und den maximalen Einkaufspreis für Solarstrom des Nachbarns, selbst festlegen können. Ultimativ konnte durch Blockchain 27 Prozent mehr Solarstrom lokal genutzt werden. Der Stromverbrauch der Rechner für die Blockchain lag bei 4 Prozent des gesamten lokal gehandelten Stroms. Ein Nachfolgeprojekt läuft bereits, insbesondere um ein wettbewerbsfähiges Geschäftsmodell für lokale Strommärkte zu entwickeln.

Blockchain hat das Potenzial, unser Energiesystem durch eine dezentralere und kleinteiligere Versorgung zu revolutionieren. Es bleiben jedoch offene Fragen, insbesondere zur Skalierbarkeit von Pilotprojekten.

Höhere Wirkungsgrade durch Mehrfachsolarzellen

Bisher ist es üblich Solarmodule einzusetzen, die aus einer einzelnen Schicht von Solarzellen bestehen. Ihr Wirkungsgrad ist jedoch physikalisch begrenzt. Durch die Nutzung mehrerer übereinander liegenden Schichten können künftig höhere Wirkungsgrade erzielt werden. Denn in der Forschung sind Mehrfachsolarzellen schon seit längerer Zeit ein großes Thema. Die Mehrfachsolarzellen bestehen aus übereinander angeordneten Lagen von Solarzellen, bei zwei Lagen spricht man von Tandemsolarzellen.

Die obere Solarzelle absorbiert auftreffendes Licht mit einer kurzen Wellenlänge und lässt Licht mit einer größeren Wellenlänge durch. Auf der unteren Solarzelle wird dann das langwellige Licht absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt. Verwendet man drei oder vier Schichten übereinander, sind Wirkungsgrade von weit über 30 Prozent möglich. Im Labor konnten ForscherInnen des Fraunhofer ISE für monolithische Mehrfachsolarzellen einen Wirkungsgrad von 34,1 Prozent erzielen. ForscherInnen des US-Energieministeriums konnten mit einer sechsfachen Solarzelle einen Wirkungsgrad von 39,2 Prozent erreichen, unter konzentrierter Bestrahlung sogar 47,1 Prozent.

dreifachsolarzelle-iii-v-siliciumDreifachsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silicium haben das Potenzial,
die Photovoltaik auf ein neues Effizienzniveau zu heben. Foto: Fraunhofer ISE

 

Für einen großflächigen Einsatz dieser Technologie auf Dachflächen sind die Kosten derzeit noch zu hoch. Die ForscherInnen arbeiten momentan an Prozessen für eine kostengünstigere Herstellung. Denkbar ist aber auch eine Verwendung der effizienten Technologie in anderen Gebieten, wie z.B. für die Integration im Dach von Elektrofahrzeugen.

Moderne Kunst mit Solarmodulen

Solarenergie ist mehr als nur die analytische Betrachtung von technischen Leistungsdaten. Schließlich sollen die Module künftig überall verbaut werden und damit an allen Orten sichtbar sein. Damit entstehen auch neue Wege zur Nutzung der Module, um z.B. die Akzeptanz zu steigern.

Eine Möglichkeit hat das Schweizer Forschungsinstitut CSEM entwickelt. Sie bedrucken Solarmodule mit hochauflösenden Fotos und können damit stromerzeugende Kunstwerke herstellen. Diese haben sie erstmals für eine Ausstellung der Banque Cantonale Neuchâteloise produziert. Mit der Technologie entstehen neue Möglichkeiten zur Integration von Solarmodulen in die Architektur, bei denen die Gestaltung im Vordergrund steht.

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Druck eines Fotos auf einer dünnen Folie zur Integration in das Solarmodul, Quelle: CSEM

 

Einen anderen Weg Solarmodule und moderne Kunst zu verbinden geht die “Solar Panel Art Series”. Seit 2016 gestalten KünstlerInnen ausgediente Solarmodule für Ausstellungen weltweit. Die einzelnen Werke werden in Auktionen versteigert und der erzielte Erlös kommt der Little Sun Foundation zugute. Diese kümmert sich um Bildungsprojekte im globalen Süden und in Krisenregionen, indem sie mit Solarenergie erzeugtes Licht zu den Menschen bringt, die es am meisten brauchen. Damit schafft es die “Solar Panel Art Series” eine Brücke zu bauen zwischen Technologie, Kunst und sozialem Bewusstsein.

 

 

Organische Photovoltaikzellen auf flexiblen Folien

Eine völlig andere Technik als die klassischen Solarzellen, die auf Silizium basieren, sind die organische Photovoltaikzellen. Das Funktionsprinzip dieser Technologie ist ähnlich wie bei kristallinen Zellen, das Material und die Herstellung sind jedoch völlig unterschiedlich. Bei der organischen Photovoltaik kommen organische Moleküle, also Kohlenwasserstoff-Verbindungen zum Einsatz. Diese sind so dünn, dass sie auf flexible Folien aufgedruckt werden können, wodurch nur noch ein sehr geringer Materialeinsatz notwendig ist. In Verbindung mit einfacheren Produktionsprozessen ist eine Herstellung mit geringeren Kosten möglich.  Allerdings ist der Wirkungsgrad in der organischen Photovoltaik mit ca. 10 Prozent noch deutlich geringer als bei klassischen Solarmodulen, die einen Wirkungsgrad von rund 20 Prozent haben. Auch die Lebensdauer von organischen Solarmodule ist geringer als von kristallinen Modulen.

Für die flexiblen organischen Solarzellen erschließen sich allerdings völlig neue Anwendungsmöglichkeiten, wie der Einsatz an Fassaden, Bauteilen oder in Textilien. Die Folien können auf verschiedene Materialien geklebt werden, wie auf ein Autodach oder eine Jacke, um z.B. unterwegs Strom gewinnen zu können. 

Eine weitere Anwendung der organischen Photovoltaik ist die Stromversorgung für Sensoren im Internet der Dinge (IoT). Die Sensoren benötigen nur wenig Strom, der sich auch in Innenräumen mit Solarzellen der organischen Photovoltaik erzeugen lässt. Für die Solarzellen reicht bereits eine geringe Beleuchtungsstärke aus. Damit arbeiten diese Sensoren autark und benötigen keine Batterien mit umweltschädlichen Materialien, die regelmäßig gewechselt werden müssen.

 

StudentInnen-Wettbewerb Solar Decathlon für solares Bauen

Bereits seit 2002 gibt es den Wettbewerb Solar Decathlon, bei dem interdisziplinäre  studentische Teams energieautarke Gebäude entwerfen und bauen. Ihre Ideen konkurrieren in zehn Disziplinen in einem solaren Zehnkampf (Decathlon) miteinander. Die Idee des Wettbewerbs hat ihren Ursprung in den USA, mit einer Auslobung durch das US-Energieministerium und findet seit 2005 alle zwei Jahre statt. Es geht darum die Verantwortung für Energieeffizienz, die Schonung der natürlichen Ressourcen und die Verbreitung von Wissen und Kompetenz im Bereich nachhaltiger Architektur zu fördern. 

In 2007 und 2009 gewann jeweils ein Team der TU Darmstadt den Wettbewerb. Die Jury war 2007 insbesondere begeistert von der Integration der Photovoltaik-Anlage und der Energiebilanz des Gebäudes. 2009 konnten sie mit einem Plusenergie-Haus mit Solarmodulen auf allen Oberflächen der Fassade überzeugen.

Teilnehmer und Häuser des Solar Decathlon Europe 2014Teilnehmer und Häuser des Solar Decathlon Europe 2014, Foto: Solar Decathlon Europe

Seit 2010 gibt es auch einen Solar Decathlon Wettbewerb in Europa, der in europäischen Orten ausgetragen wird. Wie in den USA planen die Studierenden die Gebäude und bauen sie am Wettbewerbsort vollständig auf. Eine international besetzte Jury bewertet die Gebäude und überprüft durch Messungen ihre Leistungsfähigkeit. Bei der dritten Austragung 2014 in Paris erreichte ein Team der TU Berlin mit ihrem Projekt “Rooftop” den vierten Platz. Dieser Entwurf einer Aufdachwohnung lässt sich auf Dachflächen bestehender Gebäude realisieren, versorgt sich selbst mit Energie und erzeugt so viel Strom, dass ein Teil des Energiebedarfs der darunter liegenden Wohnungen gedeckt werden kann.

2021 findet die fünfte Ausgabe des Solar Decathlon Europa in Wuppertal mit 18 Teams aus elf Ländern statt. Die besondere Herausforderung wird für die Teams sein, Lösungen für Energiewende und Klimaschutz in städtischen Quartieren zu finden.

 

Schwimmende Photovoltaik-Kraftwerke

Nachdem zu Beginn des Jahres 2019 die ersten schwimmenden Photovoltaik-Anlagen aus China zu sehen waren, wurden anschließend die ersten Anlagen in Deutschland gebaut. Ihr großer Vorteil ist die geringe Verschattung und die gleichzeitige Kühlung durch das Wasser. Durch die schwimmende Unterkonstruktion stehen den höheren Erträgen allerdings auch höhere Kosten gegenüber. Mögliche Standorte für die Floating-PV sind insbesondere stillgelegte Baggerseen und Tagebauflächen. Damit erhalten diese Flächen eine neue sinnvolle Nutzung für die klimafreundliche Energieerzeugung. 

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE schätzt das wirtschaftlich nutzbare Potenzial für PV-Anlagen auf Braunkohle-Tagebauseen in Deutschland auf 2,74 GWp - das technische Potential wird auf 56 GWp geschätzt. Ein weiterer Vorteil dieser Anlagen liegt darin, dass die notwendige Infrastruktur, wie Stromleitungen, Zähler und Verteiler, bereits vorhanden ist. Hinzu kommt, dass diese Flächen nicht anderweitig genutzt werden können, wie bei Baggerseen.

 

PPA statt Förderung für große Photovoltaik-Kraftwerke

Für PV-Aufdachanlagen spielt die Förderung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz noch eine bedeutende Rolle. Bei großen Freiflächenanlagen sind die Preise jedoch mittlerweile so weit gesunken, dass es in Deutschland bereits erste Solarkraftwerke ohne Förderung gibt. Bei diesen Kraftwerken schließen Projektentwicklung bzw. InvestorInnen mit großen Stromabnehmern Lieferverträge über einen langen Zeitraum ab; sogenannte Power-Purchase-Agreements (PPA).

Für die ProjektentwicklerInnen sind diese Stromlieferverträge ein neuer Weg der Stromvermarktung außerhalb des gesetzlichen Förderrahmens. Auf der anderen Seite haben die AbnehmerInnen des Stroms einen sicheren Strompreis für einen langen Zeitraum und schützen sich damit vor einem Anstieg der Strompreise. Zudem haben sie einen sicheren Herkunftsnachweis für den Strom, im Gegensatz zum EEG geförderten Strom, der über die Strombörse verkauft wird.

 

Photovoltaik und landwirtschaftliche Nutzung auf gleicher Fläche möglich

Photovoltaik-Freiflächenanlagen wird häufig vorgeworfen in Konkurrenz zur landwirtschaftlichen Nutzung zu stehen. Seit einiger Zeit lassen sich Landwirtschaft und Stromerzeugung auf derselben Fläche aber auch kombinieren. In einem Forschungsprojekt des Fraunhofer-Institutes für Solare Energiesysteme zur Agrophotovoltaik wurden z.B. die PV-Module so angebracht, dass die Fläche darunter weiter nutzbar und von landwirtschaftlichen Maschinen befahrbar ist.

Flächennutzung der Agrophotovoltaik, Grafik: Fraunhofer ISE

Grafik: Landnutzungseffizienz der Agrophotovoltaik, Quelle: Fraunhofer ISE

 

Die Landnutzung konnte um ganze 60 Prozent gesteigert werden, wobei der landwirtschaftliche Ertrag marginal geringer ausgefallen ist. Der Abstand der Modulreihen war größer als üblich damit die Nutzpflanzen genügend Sonnenstrahlen erhalten. Durch die Nutzung von sogenannten bifazialen Solarmodulen konnte der solare Ertrag im Vergleich zu anderen Modultypen erhöht werden. Bei diesen Modulen sind die Solarzellen auf der Vorder- und Rückseite angebracht, so können sie zusätzlich die reflektierte Strahlung nutzen.

Ein anderes Konzept der Agrophotovoltaik arbeitet ebenfalls mit bifazialen Solarmodulen. Diese werden jedoch senkrecht in Ost-West-Richtung angeordnet. Durch die senkrechte Montage erzeugen diese Module überwiegend am Morgen und Abend Strom, im Gegensatz zur Süd-Ausrichtung mit einer Mittagsspitze. Zwischen den Modulreihen ist für unterschiedliche Arten der landwirtschaftlichen Nutzung ausreichend Platz vorhanden.

 

Solarmodule für den Balkon

Viele Menschen wollen ihren Strom selbst mit Solarenergie erzeugen und unabhängiger von Energieversorgern werden. Für MieterInnen in Wohngebäuden ohne Mieterstrom-Angebot gibt es beispielsweise die Möglichkeit einzelne Solarmodule am Balkongeländer anzubringen.

Für diesen Zweck sind spezielle Solarmodule mit integriertem Wechselrichter und Stecker erhältlich. Dieser Stecker wird in die Steckdose gesetzt, wie bei anderen elektrischen Geräten. Der erzeugte Strom darf nur für den Eigenbedarf genutzt werden, nicht aber für die Einspeisung ins Stromnetz. Konkret heißt das: der Strom fließt vom Solarmodul über den Wechselrichter in die Steckdose am Balkon und von dort zu den Verbrauchsgeräten im Haus, wie Kühlschrank und Waschmaschine.

Hilfreiche Informationen gibt es bei der Verbraucherzentrale NRW und beim DGS-Portal für steckbare Solartechnik.

 

Entwicklung geht weiter und solarer Mieterstrom bleibt im Trend

Diese Beispiele zeigen, dass die Entwicklung der Photovoltaik weiter geht. Fortschritte in Technologie und Wirtschaftlichkeit ermöglichen zahlreiche neue Einsatzgebiete für die solare Stromerzeugung. So lässt sich die Liste der Trend-Themen in der Photovoltaik mit weiteren Beispielen lange fortsetzen. Dabei bleibt solarer Mieterstrom weiterhin im Trend, als sinnvolle Möglichkeit die Energiewende in Städte und Kommunen zu bringen, sowie um MieterInnen von hohen Stromkosten zu entlasten.

 


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Andreas Kühl

Andreas Kühl

Erfahrener Energieblogger mit hohem Interesse die Energiewende mit innovativen Technologien und Geschäftsmodellen voranzubringen. Experte für Gebäudeenergie bei SOLARIMO mit dem Hintergrund als Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik.

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