Synergien bei Innovationen der Solarenergie: von Wassersparen bis hin zur CO2-Reduktion

Blogpost, 29.07.2022

Die zunehmenden Herausforderungen bei der Energieversorgung mit Gas regen dazu an, nochmals intensiver über die Prinzipien der Energieversorgung und insbesondere auch der Einbindung von erneuerbaren Energien nachzudenken. Dabei zeichnet sich bereits ein Trend der Aufrüstung von Privathaushalten mit Solarmodulen beispielsweise auf dem Hausdach oder auch dem Balkon ab, um so den benötigten Zufluss von externer Energie zumindest etwas zu drosseln.

Bei der Energieerzeugung mit Sonnenlicht haben zuletzt eine Vielzahl an Innovationen stattgefunden, die sowohl die Effektivität als auch die Anwendungsbereiche nochmals erweitern.

Erst Ende Mai hat das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme die Solarzellen mit dem bisher höchsten Wirkungsgrad (effektiv erzeugter Strom) vorgestellt. Eine weitere Entwicklung des Fraunhofer Instituts sind Solarzellen mit einem laserbasierten Verschaltungskonzept, die durch die Kombination vieler kleiner Zellen nicht nur besonders effektiv, sondern durch Materialeinsparungen im Vergleich zur bisher üblichen Verbindung der einzelnen Zellen auch noch kosteneffizienter sind.  

Doppelnutzung statt Flächenkonflikte 

Neben der grundlegenden Technologie gibt es auch Weiterentwicklungen bei den Einsatzorten von Solarpanelen. Typischerweise werden Photovoltaik-Anlagen auf bereits versiegelten Flächen wie Dächern angebracht. In Kalifornien wird hingegen aktuell ein Konzept zur Überdachung von Kanälen getestet. Hierbei ergeben sich gleich mehrere Vorteile: es wird mehr Fläche für die Energiegewinnung genutzt, die Wasserqualität steigt, da weniger Algen gebildet werden und schließlich verdunstet durch den Schatten auch weniger Wasser. Da der Klimawandel durch die steigenden Temperaturen zunehmend mehr Regionen vor Herausforderungen bei der Wasserversorgung der Industrie und Gesellschaft stellt, stellt insbesondere die Reduktion von Verdunstungen eine nicht zu vernachlässigende Synergie dieses Ansatzes dar. Auch Gewässer selbst, insbesondere Seen, können zukünftig dank schwimmender Photovoltaik-Anlagen zur Energieerzeugung beitragen.

Ein weiteres Beispiel ist die Doppelnutzung von Agrarflächen, die nicht nur Nutzungskonflikte um Fläche reduzieren, sondern auch zu einer Kombination bzw. Maximierung von Effekten beitragen kann. Das Ziel ist es hierbei, die Fläche gleichzeitig für landwirtschaftlichen Anbau und Stromerzeugung zu nutzen, ohne den Ertrag der Nutzpflanzen im Vergleich zu Arealen ohne Solaranlagen drastisch zu beeinträchtigen (Ziel ist es, mind. 66% der Ertragsleistung auszuschöpfen). Aufgrund der parallelen Bewirtschaftung des Grunds werden besondere Anforderungen an solche Agri-Photovoltaikanalgen gestellt. Beispielsweise müssen sie möglichst freistehend sein, um die Felder dennoch möglichst großflächig maschinell bearbeiten zu können. Neben dachartigen Konstruktionen haben sich daher auch flexibel steuerbare Module, die möglich senkrecht gestellt werden können, verbreitet. Ein besonders vielversprechender Ansatz, der zudem die Problematik der übermäßigen Verschattung adressiert, stammt von Tubesolar. Anders als bei klassischen durchgängigen Flächenkollektoren sind die Solarzellen hier in einzelne Röhren integriert, die mit leichtem Anstand zueinander angebracht sind. Die Gesamtmodule sind hierdurch genauso leistungsfähig, aber dennoch licht- und wasserdurchlässig, was sich positiv auf die Anbaumöglichkeiten auswirkt. Die Teilverschattung der Fläche bringt jedoch auch aktive Vorteile mit sich, beispielweise reduziert sie den Bewässerungsbedarf und die Lufttemperatur im Sommer. Bei angepasster Bepflanzung der schattigen Streifen, z.B. mit Kräutern oder Beeren, kann zudem der Ertrag der Gesamtfläche sogar nochmals gesteigert werden.

Effektivität bei Tag und Nacht

Apropos Schatten: Typischerweise erzeugen Solarzellen nur tagsüber Energie, nachts muss diese dann über Batteriesysteme gespeichert werden. Auch dieses Manko könnte bald der Vergangenheit angehören. Die Universität Stanford hat klassische Solarmodule mit thermoelektrischen Generatoren kombiniert, um auch nachts aktiv Strom zu erzeugen. Durch die Sonneneinstrahlung heizen sich die Solarpanele tagsüber stark auf. Nachts wird diese Wärmer als Infrarotstrahlung wieder abgestrahlt – ein Effekt, den man auch im Alltag beispielsweise aus den im Sommer auch noch abends warmen Betonflächen kennt. Insbesondere bei wolkenlosem Nachthimmel kühlen die Solarpanele dabei etwas stärker als die Umgebungsluft ab. Das dadurch entstehende Temperaturgefälle zwischen Luft und Panel erzeugen dabei eine Spannung, die schließlich in Strom umgewandelt werden kann. Die Nachrüstung mit einem solchen Generator ist dabei nicht teuer. Wenngleich das Ausmaß der Stromerzeugung nachts noch verhältnismäßig gering ist, wird auch hier der Nutzen von Solaranlagen nochmals erweitert. 

Wenn man einen Blick in die noch weitere Zukunft wagt, könnte es zudem möglich werden, dass Energie- und Lichterzeugung miteinander verschmelzen. Basis dafür ist insbesondere die Forschung um Prof. Karl Leo an der Technischen Universität Dresden. Durch modifizierte Halbleiter können spezifische organische Solarzellen auch als – mit der Lichtquelle LED verwandte - OLEDs funktionieren. Das Ergebnis wären transparente, flexible, großflächige „Solarfolien“, die tagsüber Energie erzeugen und abends als OLEDs Licht abgeben – gespeist durch die selbstproduzierte Solarenergie. An Häuserfassen angebracht, könnten diese damit beispielsweise nachts leuchten, anstatt bestrahlt zu werden. 

Solarenergie trifft CO2-Reduktion

Die Stromerzeugung durch Sonnenlicht ist mittlerweile aber nicht mehr nur auf die klassischen Photovoltaik-Anlagen begrenz. Zuletzt sind Algen bei der Energieerzeugung vermehr in den Fokus gerückt. Das Start-up Greenfluidics aus Mexiko hat beispielsweise Algenpanele entwickelt, die ähnlich wie reguläre Solarmodule auf Dächern, aber auch an Fassaden angebracht werden können. Dem Wasser in diesen flachen Becken sind Nanoflüssigkeiten zugesetzt, sodass die Wärmeleitfähigkeit erhöht wird. Ähnlich wie bei der Stromerzeugung in der Nacht wird auch hier mit einem thermoelektrischen Generator gearbeitet, der die bei Sonneneinstrahlung entstehende Wärme in Strom umwandelt. Die Besonderheit ist, dass hier zusätzlich zur Erzeugung von Energie und Biomasse auch noch CO2 absorbiert wird. Algen benötigen das Kohlenstoffdioxid, um im Rahmen der Fotosynthese Glucose (ihre Energiequelle) zu erzeugen, wobei sie dieses nochmals effektiver binden können als reguläre Pflanzen.

Energie-Recycling durch Solarzellen

Mittlerweile ist die Energieerzeugung durch Licht nicht einmal mehr auf das Sonnenlicht begrenzt. Sogenannte Indoor-Photovoltaik (IPV)  ermöglicht es, Licht aus künstlichen Quellen, von der Glüh- bis zur LED-Lampe, in Energie umzuwandeln. Insbesondere die weiterentwickelten Solarzellen der dritten Generation, wie z.B. die organischen Solarzellen, weisen hierbei bereits Effizienzraten (Verhältnis von Eingangsenergie zu Ausgangsleistung) von 20% auf. Das ist natürlich weitaus geringer als beim klassischen Einsatz unter freiem Himmel (über 45%), relevanter ist hierbei jedoch der Kreislaufaspekt der Energie: einmal zur Beleuchtung verbrauchter Strom erhält durch die Solarzellen in Innenräume ein zweites Leben. Als Anwendungszweck werden aktuell insbesondere Gebäude, die 24 Stunden beleuchtet werden, wie etwa Krankenhäuser oder Polizeistationen gesehen, da hier die Energieerzeugung maximiert werden kann. Dort könnten insbesondere die zahlreichen Sensoren z.B. in CO2- oder Bewegungsmeldern, die üblicherweise durch Einwegbatterien betrieben werden, mit der eigenen Indoor-Energie versorgt werden. Die erzeugte Leistung entspricht damit mindestens der einer AA-Batterie. Hochrechnungen, welche Einsparungen der Einsatz von Photovoltaik indoor im Alltag tatsächlich ermöglicht, sind aktuell jedoch aufgrund der variierenden Lichtbedingungen und der kontinuierlichen Weiterentwicklung erfolgsversprechender Solarzellen noch nicht möglich.   

Bei Innovationen zur umweltfreundlichen Energieversorgung werden also zunehmend die Kombinationen von Effekten bedacht. Vielleicht kann dies schließlich auch dazu überzeugen, noch mehr auf erneuerbare Energie zu setzen.

Fotos:  Vivint Solar on Unsplash, Fraunhofer Institut ISE, SolarTube AG, Manny on Pexels, Greenfluidics