Solar-to-X: Wenn die Sonne zur Hauptenergiequelle wird

Wie steht es eigentlich um unser Klima? Ist die Energiewende noch schaffbar? Die Antwort: Ja. Das zeigt jedenfalls der jüngste Bericht des Weltklimarats IPCC. Eine „Klima-Apokalypse“ sei demnach noch vermeidbar. Zwar steuert der Planet aktuell auf rund drei Grad Erwärmung zu, dennoch sind wir noch in der Lage, den Kurs zu ändern und die fatalen Folgen des Klimawandels zu minimieren. „Wir können noch eine lebenswerte und nachhaltige Zukunft für alle sicherstellen“, sagt dazu Hoesung Lee, der Vorsitzende des Weltklimarates.

Was aber muss passieren, um die Klimakrise zu stoppen? Geht es nach Energieexpert:innen rund um den Globus, so gelingt das vor allem durch die unvermeidliche Reduktion der Treibhausgas-Emissionen. Zur Info: Österreichs Treibhausgase stammen zum größten Teil aus der Verbrennung von Erdöl, Erdgas und Kohle. Demnach braucht es eben eine radikale Trendwende in der Gewinnung von Energie. Um das Ziel der Klimaneutralität Europas möglichst bald zu erreichen, muss in Europa dabei primär auf die Gewinnung von Sonnenenergie gesetzt werden – auch in den Bereichen Wärme und Mobilität. Das zeigen neue Forschungsergebnisse der Lappeenranta University of Technology (LUT) in Finnland.

Was ist eine „Solar-to-X-Wirtschaft“?

Die Forschenden der Universität untersuchten in ihrer Arbeit, unter welchen Umständen ein Null-Emissionsziel schon relativ zeitnah erreicht werden kann. Sie fanden dabei heraus, dass hier die Photovoltaik das gesamte Energiesystem des Kontinents in eine sogenannte „Solar-to-X-Wirtschaft“ verwandeln könnte. Sprich: Ein komplett solares System soll in Zukunft eine klimaneutrale Energieversorgung ermöglichen. Christian Breyer, Professor für Solarwirtschaft an der LUT, erklärt gegenüber dem pv magazine: „Energetische Souveränität ist für Europa möglich und endlich eine gesellschaftliche Entscheidung.“ Die Ergebnisse des finnischen Teams betonen dabei auch, dass die Photovoltaik eine tragende Säule eines Energiesystems werden sollte, in dem der produzierte Grünstrom vor allem in den Wärme- und Mobilitätssektor fließt.

Für eine optimal funktionierende Solar-to-X-Wirtschaft, muss ein perfektes Zusammenspiel von Sonne, Wind, Batteriespeichern, Elektrolyseuren und Wärmepumpen gegeben sein.

Null-Emission-Szenario schon bald Realität?

Ziel der Erhebung war also die Definition der Rolle der Solarenergie für die europäische Energiewende in einem internationalen Zusammenhang. Als Grundlage diente dabei das sogenannte „LUT Energy System Transition Model“. Dieses berücksichtigt den Wärme- und Energiebedarf von Haushalten, Gewerbe und Industrie sowie den des Verkehrssektors. Darüber hinaus flossen in die Berechnungen auch die energiebedingten CO₂-Emissionen, also jene, die bei der Energiegewinnung entstehen, ein.

Eine vollständige Versorgung Europas mit erneuerbaren Energiequellen sei laut den Forschenden bereits bis 2040 möglich. Solarstrom wäre 2050 jedenfalls mit einem Anteil von bis zu 56 Prozent am gesamten Primärenergiebedarf und bis zu 63 Prozent der gesamten Stromerzeugung die größte Energiequelle in Europa. Geht es um die Kosten für den erforderlichen Umbau der Energiewirtschaft, so seien diese allerdings um 8,5 Prozent höher als bei der Erreichung des Null-Emissionsziels im Jahr 2050.

Ein perfektes Zusammenspiel

Eine erfolgreiche Umwandlung zur grünen Energielandschaft hängt aber laut den aktuellen Ergebnissen nicht nur vom alleinigen Umstieg auf Sonnenergie ab, sondern vom optimalen Zusammenspiel von Sonne, Wind, Batteriespeichern, Elektrolyseuren und Wärmepumpen.

Ob Europa bereits bis 2040 vollständig grün sein wird, steht bis dato noch in den Sternen geschrieben. Es ist bei einer tatsächlichen Umgestaltung des Energiesystems allerdings möglich. Bis es soweit ist, müssen wir uns aber ohnehin noch ein wenig gedulden …

✅ TEXT: SANDRA RAINER
✅ FOTOS: UNSPLASH I Federico Respini; UNSPLASH I Karsten Würth

Kann einer der lebensfeindlichsten Orte der Welt zum solaren Energie-Hotspot werden? Ein Ort ohne Regen, Flüsse oder Seen? Geht es nach Cosmotaics, den Gewinnern des Social Impact Award (SIA) Österreich 2022, lautet die Antwort definitiv: ja. Die Studierenden aus Wien präsentieren einen ganzheitlichen Ansatz, um die Wüsten zu begrünen und Solarparks groß zu machen.

Ein spezielles Vorhaben

Mit ihrem Lösungsansatz denken die Studierenden Photovoltaikanlagen für Trockengebiete radikal neu. Sie verwandeln Solarfarmen in Wüsten zu echten Wasserfarmen. Das Potenzial ist jedenfalls riesig: Über ein Drittel der Erdoberfläche sind Trockengebiete, wobei der jährliche Niederschlag geringer als die potenzielle Verdunstung ist. Genau diese Regionen hat das Team von Cosmotaics im Blick. Die entworfenen Anlagen entziehen der Umgebungsluft Feuchtigkeit, die an den speziell geformten und beschichteten Bauelementen kondensiert. Je größer die Oberfläche der Anlage, desto mehr Wasser kann gesammelt werden.

Das gewonnene Wasser soll in Trockengebieten weitergehend in die Böden sickern, sodass die Wurzeln der Pflanzen mit Flüssigkeit versorgt werden. Das Beste: Den Studierenden zufolge können in der Wüste wachsende Pflanzen jedenfalls 150 Megatonnen CO₂ binden. Mithilfe innovativer Grünstromerzeuger soll Wasser natürlich auch für landwirtschaftliche Aktivitäten und die Bewohner:innen der Gegend bereitgestellt werden. Ein optimaler Nebeneffekt: Die Solarmodule bleiben dank der Kondensation stets frei von Wüstenstaub. Das wiederum wirkt sich positiv auf die Leistung der gesamten Anlage aus.

Die Luft einfangen

Inspiriert wurde das Forschungsteam bei der Entwicklung des Projekts von sogenannten „Nebelnetzen“ an Bergkämmen, die Wasser aus der vorbeiziehenden Luft sammeln. In Peru etwa sorgt ein solches Pilotprojekt für Aufsehen. Hier drückt Wind feuchte Luft durch die Netze der installierten Kollektoren. Der Nebel kondensiert und kleine Wassertropfen fließen aus den Netzen in Sammelkanäle, die direkt mit dem Wasserversorgungssystem verbunden sind. Der kondensierte Nebel hat Trinkwasserqualität. Für groß skalierte Anlagen in ebenen Wüstengebieten ist die Idee neu.

Inspiriert wurde das Forschungsteam von Cosmotaics bei der Entwicklung des Projekts von sogenannten „Nebelnetzen“ an Bergkämmen, die Wasser aus der vorbeiziehenden Luft sammeln.

Ein Update für Wüsten-Solaranlagen

Ganz unbekannt ist die Idee mit dem Wüstenstrom jedenfalls nicht. In den vergangenen Jahren haben zahlreiche Forschungsteams mögliche zukünftige Wüstensolaranlagen genau unter die Lupe genommen und Ideen auch in ernsthafte Pläne umgesetzt. Doch steht den endlosen Weiten der Wüstenlandschaft tatsächlich ein unfassbares Upgrade zum Energielieferanten bevor? Es liegt auf alle Fälle auf der Hand, denn nirgends auf der Welt scheint die Sonne so stark und verlässlich wie etwa in der Sahara. Der perfekte Ort also, um Solaranlagen im großen Stil anzudenken. Gut zu wissen: Mit einer gut strukturierten Solartechnologie könnte die Sahara das gut 7000-fache des Energiebedarfs in Europa decken. Und das auch noch fast ohne CO₂-Emissionen. Eine ganz schön heiße Sache also!

Was bereits geschah

Eine heiße Sache, die sich vor allem die 2009 gegründete Desertec Industrie-Initiative – kurz Dii – genau angesehen hat und weitergehend auch vielversprechende Lösungen präsentierte. Sie arbeitete mehrere Jahre an der tatsächlichen Umsetzung eines Solarprojekts. Das Ziel: Wüstenstrom zu erzeugen und diesen mittels Leitungen nach Europa zu transportieren. Politische, kommerzielle und soziale Probleme verhinderten allerdings die tatsächliche Umsetzung des Projekts. Also: Aus der Traum von einem echt grünen Wüstentraum? Nicht ganz. Die Wiener Studierenden machen jedenfalls Hoffnung, dass dieser vielleicht doch noch in Erfüllung geht.

✅ TEXT: SANDRA RAINER
✅ FOTOS: UNSPLASH I JOHN FOWLER; Peter Trautwein

Zu groß. Zu aufwendig. Reine Bodenversiegelung. Für die einen sind Solaranlagen viel zu teuer, für die anderen bloß Platzverschwendung. Tatsächlich ist die solare Stromerzeugung aber heute bereits die günstigste Möglichkeit, Strom zu erzeugen. Eine Gruppe akademischer Einrichtungen unter der Leitung der Universität Aarhus in Dänemark behauptet nun, dass auch die Verfügbarkeit von Land kein wirkliches Hindernis für ein globales solares Energiesystem darstelle. Sprich: Es gibt also genug Platz für ein solares Energiesystem. Die Forschenden bezogen in ihren Prognosen nicht nur Großkraftwerke, sondern auch vertikale Anlagen, Agri-Photovoltaik und schwimmende Solarkraftwerke als Energiequelle ein. Die Kernaussage der Forschungsarbeit: Mit Solarenergie könnte theoretisch der weltweite Strombedarf auf nur 0,3 Prozent der Landfläche gedeckt werden.

Vorherrschaft in der globalen Energielandschaft

Basierend auf einer durchschnittlichen jährlichen Stromerzeugung von 1.370 Kilowattstunden pro installiertem Kilowatt Photovoltaik würden genauer gesagt 38 Millionen Hektar benötigt werden. Zur Info: Die Welt weist eine Gesamtfläche von 13.003 Millionen Hektar auf. „Daher könnte unser derzeitiger Stromverbrauch durch Photovoltaikanlagen gedeckt werden, die 0,3 Prozent der verfügbaren Fläche belegen“, so die Forscherin Marta Victoria gegenüber dem pv magazine. Die Wissenschafter:innen geben zudem an, dass ältere Studien sich offenbar nur mit Großkraftwerken befasst haben. Das Potenzial innovativer Energiequellen, wie es etwa vertikale Solaranlagen, schwimmenden Kraftwerke oder Agri-Photovoltaik bieten, wurde in der Vergangenheit demnach nicht berücksichtigt.

In Zukunft noch mehr Leistung

Das Forschungsteam geht auch davon aus, dass sich der Wirkungsgrad von Solarzellen in Zukunft deutlich verbessern wird. Das wiederum wird dazu führen, dass nicht-sonnenreiche Standorte die solare Stromproduktion ebenfalls besser für sich nutzen können. Ein mögliches Problem sehen die Wissenschafter:innen allerdings in der Verfügbarkeit von Rohstoffen. Das beziehe sich jedoch nur auf Dünnschichttechnologien, nicht aber auf kristalline Siliziumzellen, welche auch in Zukunft problemlos hergestellt werden können.

„Dank der Steigerung des Wirkungsgrads und der Verwendung dünnerer Kontakte hat sich der Einsatz von Silber pro Watt in den letzten Jahren deutlich verringert, und Kupfer oder Aluminium könnten bei Bedarf als Ersatz verwendet werden“, so die Forschungsgruppe weiter zum Thema Rohstoffe.

Weniger Kosten

Weiterer Aspekt der Forschungsarbeit: Die Lernrate der Solartechnik seit 1976. Hier kam das Team auf einen Wert von 23 Prozent. Das bedeutet, dass die Kosten der Photovoltaik-Technologie bei jeder Verdoppelung der Kapazität um 23 Prozent sinken. „Da die Lernrate auf den Modulpreisen basiert, beinhaltet sie auch den Wegfall großer Teile der Margen in der Photovoltaik-Herstellung aufgrund des starken Wettbewerbs zwischen den Anbietern“, so die Wissenschaftler.

Für die Zukunft der Energiebranche bedeutet das jedenfalls, dass Solaranlagen immer günstiger werden, da der Wettbewerb zwischen verschiedenen Anbietern zunehmen wird. Als Hauptfaktoren für die Kostensenkung sehen die Wissenschafter:innen Effizienzsteigerungen, Skaleneffekte und wissenschaftliche Arbeit an Siliziummaterialien.

✅ TEXT: Sandra Rainer
✅ FOTOS: Enery; Unsplash | The New York Public Library

Die Zeit, in der Photovoltaikanlagen ausschließlich auf dem Dach saubere Energie produzierten, ist längst vorbei. Heute werden innovative Grünstromerzeuger auf Wiesen, über Straßen oder auf Fassaden gepflanzt. Außer Acht gelassen darf dabei aber keinesfalls, dass sich die Anlagen stets so gut wie möglich in die Umgebung einbetten lassen. Das dürfte wohl bei den von einem britischen Designer geplanten Anlagen namens Ecacia kein Problem darstellen. Schließlich sehen diese aus wie hochgewachsene Bäume. Genauer gesagt erinnert die Konstruktion an eine Akazienart, einen Großstrauch, der mehrere Meter hoch werden kann. Diese wächst vor allem in den Savannen des östlichen und südlichen Afrikas und zeichnet sich durch ihr großes Schirmdach aus, das es ihr ermöglicht, viel Sonnenlicht einzufangen. Perfekte Voraussetzung für eine Solaranlage, also.

Erste Prototypen von Ecacia wurden bereits kürzlich in Zusammenarbeit mit dem US-amerikanischen Start-up Solar Forma fertiggestellt. Dabei handelt es sich um einen Hersteller, der sich auf Solarprodukte für öffentliche städtische Räume spezialisiert hat. Diese Produkte sollen nicht nur Platz für die Stromerzeugung beanspruchen, sondern auch weitere Vorteile aufweisen.

Gut fürs Klima, gut für die Menschen

Fest steht: Bäume sind gut fürs Klima. Das gilt auch für ihre künstlichen Verwandten. Schließlich sind Solarbäume ästhetisch ansprechende Designobjekte und bieten gleichzeitig eine Möglichkeit, grünen Strom zu erzeugen. Das von der Umwelt inspirierte Design von Wilkinson beherbergt jedenfalls 708 monokristalline Solarpanels. Diese werden quasi auf der „Baumkrone“ platziert.

Der „Baumstamm“ wird dabei aus einem Stahlrahmen mit Aluminiumverkleidung gefertigt. Je nach Ausführung erreicht der Solarbaum Ecacia eine Höhe von 5,2 oder 6,7 Metern. Die Installation der Anlage dauert laut Projektbeschreibung nur einen einzigen Tag und hält Windgeschwindigkeiten von bis zu 160 Stundenkilometern stand.

Vielseitige Nutzung

Die von den Solarbäumen erzeugte Energie kann privat oder im öffentlichen Raum verwendet werden, um etwa Elektrofahrzeuge und Fahrräder aufzuladen oder auch nahegelegene öffentliche Einrichtungen mit Grünstrom zu versorgen. Mithilfe des bereits existierenden Prototyps kann der gewonnene Strom zudem ins öffentliche Netz eingespeist werden.

Einen weiteren Vorteil bietet vor allem das große Schirmdach der Konstruktion. Mit einer Breite von sieben Metern verfügt das mit Holz verkleidete Dach über einen großen Bereich, der den Menschen an warmen Sommertagen Schatten spenden soll. Die „Zweige“ der Konstruktion sind zudem mit vier programmierbaren LED-Lampen ausgestattet, die nach oben in das Holzdach leuchten. So können Ecacia-Bäume in Zukunft auch nachts die Umgebung mit sanftem Licht beleuchten. Solar Forma beabsichtigt zudem, die Solarbäume so zu entwickeln, dass sie ein nebelaktives Kühlsystem enthalten, um zusätzlichen Schutz vor extremer Hitze zu bieten.

Ein wenig Geduld

Derzeit werden die innovativen Solarbäume nur als Prototypen getestet. Sie befinden sich noch im Entwicklungsstadium. Aber wer weiß, vielleicht pflanzen wir in den Städten schon bald Solarbäume.

✅ TEXT: Sandra Rainer
✅ FOTOS: Samuel Wilkinson Studio; Unsplash | Craig Manners

Noch immer kämpfen viele erneuerbare Energieprojekte damit, dass die Akzeptanz seitens der Bevölkerung fehlt. Oft wird etwa über die angebliche Zerstörung des Landschaftsbildes geklagt. Um die Energiewende allerdings umzusetzen und von fossilen Energieträgern wegzukommen, muss der Erneuerbaren-Boost so schnell wie möglich gezündet werden. Die Akzeptanz bei der Bevölkerung ist jedenfalls ein Schlüsselfaktor für den Erfolg erneuerbarer Projekte.

Seit 2015 wird die österreichische Bevölkerung im Rahmen der Studienreihe „Erneuerbare Energien in Österreich“ jährlich um ihre Meinung rund um das Thema erneuerbare Energien und damit zusammenhängende Themen gebeten. Auch dieses Jahr wurden erneut rund 1.000 Personen im Alter von 18 bis 70 Jahren befragt. Das vielversprechende Ergebnis: Die Zustimmung zu erneuerbaren Energiequellen erreicht Höchstwerte. Vor allem die Photovoltaik konnte an Beliebtheit zulegen.

Die Klimakrise bekämpfen

Der Klimawandel findet statt. Auch in Österreich sind dessen Folgen bereits deutlich spürbar. Steigende Temperaturen, Dürreperioden oder auch Starkregenereignisse mit Überflutungen wirken sich auf unsere Umwelt und auch Gesellschaft aus. Den menschengemachten Klimawandel sehen auch die Befragten der Deloitte-Befragung als größtes Problem der nächsten zwei Jahrzehnte.

Angesichts der Energiekrise legen demnach Erneuerbare, allen voran die Photovoltaik, an Beliebtheit zu: Fast neun von zehn Befragten befürworten den PV-Ausbau in der eigenen Gemeinde. Fast zwei Drittel wünschen sich einen Vollausbau von Photovoltaikanlagen auf Dachflächen oder Fassaden. Und auch der rasche Ausbau von Anlagen auf Freiflächen findet große Zustimmung. „Ebenso ist die Bereitschaft zur Installation einer privaten Anlage gestiegen: Ein Drittel der PV-Planer will dieses Projekt bereits innerhalb der nächsten zwölf Monate umsetzen“, heißt es in der Befragung.

Persönlicher Beitrag wächst

Auch interessant: Der Klimawandel lässt die Menschen aktiv werden. Die Mehrheit der Bevölkerung setzt also bewusst individuelle Maßnahmen zum Energiesparen, und die Bereitschaft, selbst aktiv zu werden, steigt. Genauer gesagt akzeptieren mehr als zwei Drittel persönliche Einschränkungen, um einen Beitrag zu leisten. Derzeit reduzieren 52 Prozent den eigenen Stromverbrauch, 45 Prozent senken die Raumtemperatur.

Gleichzeitig aber kommt bei der Befragung hervor, dass ein Informationsdefizit herrscht. Mehr als ein Viertel der Befragten weiß gar nicht oder nicht genau, wie hoch der eigene Energieverbrauch ist. „Wer sich mit dem eigenen Energieverbrauch beschäftigt, kann bewusst sparen und nützt so der Geldbörse sowie der Umwelt“, so Michael Strebl, Vorsitzender der Geschäftsführung der Wien Energie. Und weiter: „Die Energiewende werden wir nicht nur durch den Ausbau der erneuerbaren Energien schaffen – Energieeffizienz ist ebenso ein wesentlicher Hebel.“

Was ist mit der E-Mobilität?

Nicht ganz so gut sieht die Bilanz nachhaltiger Lösungen für den Individualverkehr aus. „Bei der Elektromobilität bewegt sich aktuell zu wenig, es gibt noch zu viele Hemmnisse Der Ausbau der landesweiten Ladeinfrastruktur läuft zu zögerlich, und das führt dazu, dass die Imagewerte der E-Mobilität sinken“, erklärt Gerhard Marterbauer, Partner bei Deloitte Österreich.

Das Interesse am Kauf eines Elektroautos stagniert dementsprechend seit Jahren. Obwohl laut Befragung rund 43 Prozent der Österreicher:innen am Kauf eines E-Autos interessiert sind, schlägt sich dieses Interesse kaum in den Zulassungszahlen nieder. Für dem Umstieg auf nachhaltiges Fahren spricht die voranschreitende Energiekrise. Dagegen sprechen hohe Anschaffungskosten und geringe Reichweiten.

Fazit: Für die österreichische Bevölkerung ist die voranschreitende Klimakrise das wichtigste Zukunftsthema. Der weitere Ausbau erneuerbarer Energieträger wird dementsprechend gefordert. Gut so.

✅ TEXT: Sandra Rainer
✅ FOTOS: Unsplash | Nik; Enery

Die Photovoltaik beschreibt das direkte Umwandeln von Sonnenstrahlung in Strom. Für die Umwandlung ist der kleinste, aber wohl wichtigste Bauteil einer jeder Solaranlage verantwortlich – die Solarzelle. Sie bestimmt maßgeblich, wie viel Strom erzeugt werden kann und gleichzeitig auch, wie hoch überhaupt die Anschaffungskosten der Photovoltaikanlage ausfallen.

Aufbau und Funktion der Solarzelle sind im elementarphysikalischen Bereich begründet. Aber keinen Grund zur Sorge: Sie müssen natürlich kein*e Physiker*in sein, um das Wirkprinzip der winzigen Zelle zu verstehen. Wir schauen uns die kleinen Stromerzeuger einmal im Detail an, verraten, welche verschiedenen Arten es gibt und was sich in diesen abspielt.

Kleine Auffrischung: Wer hat die Solarzelle erfunden?

Der französische Wissenschafter Alexandre Edmond Becquerel war erst 19 Jahre alt, als er den photoelektrischen Effekt oder kurz Photoeffekt eher zufällig entdeckte. Er erkannte, dass Batterien langlebiger sind und mehr Leistung produzieren, wenn er sie mit Licht bestrahlte. Im Jahr 1893 wurde auf Basis seiner Forschungen die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elektrizität gebaut.

Solarzellen werden mit sogenannten Halbleitermaterialien ausgestattet, welche bei Zufuhr von Energie über eine verbesserte Leitfähigkeit verfügen. Also: Bei Lichteinfall erhöht sich die Leitfähigkeit der Zelle, Elektronen bewegen sich und es entsteht Strom. Freilich sind sie unter den Modulhüllen gegen äußere Einwirkungen, wie Wind und Wetter, gesichert. Module einer Anlage bestehen jedenfalls aus mehreren Solarzellen, die entweder in Serie oder auch parallel geschaltet werden können.

Solarzellen auf Siliziumbasis

Zur Info: Solarzellen auf Siliziumbasis sind am weitesten verbreitet und machen etwa 95 Prozent des kommerziellen Photovoltaikmarktes aus. Diese Zelltypen werden, wie der Name bereits verrät, aus kristallinem, aus Sand gewonnenem Silizium hergestellt. Für die Produktion benötigen sie aber auch einige andere Elemente wie etwa Silber. Siliziumsolarzellen sind starr, sodass sie normalerweise in Paneelen angeordnet werden, die auf Dächern oder auch in Freiflächenanlagen aufgestellt werden. Monokristalline Solarzelle und polykristalline Solarzellen werden etwa beide aus Silizium hergestellt. Darüber hinaus gibt es aber Zelltypen, die sogar ohne Silizium auskommen. Doch wie unterscheidet man nun unterschiedliche Zellarten?

1.) Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einkristallinem Silizium. Dadurch, dass bei der Produktion ein einziger Kristall entsteht und das Material homogen ist, ist dieser Zelltyp mit einem Wirkungsgrad von rund 20 Prozent die effektivste Solarzelle bei direkter Sonneneinstrahlung. Gleichzeitig aber ist der Herstellungsprozess aufwendiger und teurer als bei den anderen Verfahren. Zu erkennen sind monokristalline Solarzellen vor allem an ihrer einheitlichen dunkelblauen bis schwarzen Färbung.

2.) Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen werden aus quadratischen Siliziumblöcken hergestellt, wobei das Silizium bei diesem Typ nicht so rein ausfällt. Aufgrund der einfacheren Herstellung sind diese Zellen preiswerter als monokristalline, weisen gleichzeitig aber einen geringeren Wirkungsgrad von rund 15 Prozent auf. Auf polykristallinen Solarmodulen ist im Gegensatz zu den monokristallinen Zellen eine Oberflächenstruktur vorhanden. Teilweise sind sogar einzelne Kristallgrenzen erkennbar.

3.) Dünnschichtzellen

Dünnschichtzellen sind hauchdünne PV-Module und gehören zu den sogenannten amorphen Solarzellen. Sie werden ebenfalls aus Silizium hergestellt, das mit anderen Materialien vermischt und in einer sehr dünnen Schicht auf ein Trägermaterial, wie zum Beispiel Glas, aufgedampft wird. Der Wirkungsgrad beläuft sich auf nur fünf bis sieben Prozent, weshalb er durch eine größere Modulfläche kompensiert werden muss. Dünnschichtzellen sind, in Abhängigkeit vom Trägermaterial, sehr flexibel und lassen sich rollen und falten. Der Produktionsprozess verläuft unkompliziert, sodass dieser Zelltyp günstiger als kristalline Zellen, auch Dickschichtzellen genannt, sind. Übrigens: Es gibt Dünnschicht-Technologien, die ganz ohne Silizium auskommen: Sie verwenden andere Halbleiter.

✅ TEXT: Sandra Rainer
✅ FOTOS: Enery; Unsplash | Ricardo Gomez Angel

Mit dem Zug einmal quer durch ganz Europa düsen? Heutzutage absolut kein Problem mehr – schließlich schlängeln sich rund 5.600 Kilometer Bahngleise allein durch Österreich. Wer sich für eine Zugfahrt entscheidet, nutzt jedenfalls das umweltfreundlichste motorisierte Verkehrsmittel und tut dem Klima etwas Gutes. Schließlich sind die ÖBB seit 2018 mit 100 Prozent grünem Bahnstrom unterwegs. In Zukunft aber könnten die Gleise der Bahn sogar selbst zum Klimaschutz beitragen. Schon länger existiert die Idee, Solarmodule in oder auf Bahntrassen zu integrieren, um Grünstrom zu erzeugen. Wie groß ist das Potenzial wirklich?

Der Solarexpress

Die Idee, das Schienennetz zur Stromerzeugung zu nutzen, ist also nicht neu. Vieles spricht dabei für die Installation von Solarmodulen im Gleisbereich. Es werden keine Extraflächen benötigt, und bereits versiegelte Flächen könnten sinnvoll genutzt werden. Außerdem sind Schienen standardisiert, sodass sich die einzigartigen Paneele leicht planen ließen. Der erzeugte Sonnenstrom könnte zudem direkt in die Oberleitungen oder ins lokale Verteilernetz fließen und Haushalte mit erneuerbarer Energie versorgen.

Das, was das Schweizer Cleantech-Start-up Sunways nun aber vor hat, könnte noch bahnbrechender sein: Im Rahmen eines Pilotprojekts will das Unternehmen im Kanton Neuenburg im Mai 2023 einen Gleisabschnitt mit Solarmodulen ausstatten. Um den Prozess zu vereinfachen, hat Sunways dafür eine eigene Methode entwickelt. Solarmodule werden dabei mit einem Spezialzug wie ein Teppich zwischen Bahngleisen ausgerollt. Im ersten Schritt sollen 50 Solarmodule auf einer Strecke von 100 Metern eingehakt werden. Bis 2024 sollen es zehn Kilometer werden.

Wichtige Vorarbeiten

Vor der Montage am Gleis werden die innovativen Solarzellen in einer Fabrik vormontiert und auf einen Spezialzug geladen, den das Schweizer Gleisbauunternehmen Scheuchzer bereitstellt. Dieser Zug fährt die Strecke entlang und rollt dabei die Module wie einen Teppich zwischen den Schienen aus. Liegen die Solarzellen an der richtigen Stelle, wird vom Zug ein Mechanismus ausgelöst, durch den die Module zwischen den Schienen eingeklemmt und befestigt werden. Fachkräfte schließen die Paneele anschließend manuell ans Netz an.

Das Besondere: Für Wartungsvorgänge, wie etwa das Schleifen der Schienen, kann der Solarteppich mühelos entfernt werden. Genau darin sieht der Unternehmer und Mitgründer Baptiste Danichert einen der Vorteile seines Konzepts gegenüber anderen Lösungen.

Bremsen Herausforderungen das Vorhaben?

Das Schweizer Unternehmen sieht großes Potenzial in den integrierten Solarzellen und schätzt, dass in der Schweiz eine Fläche von rund sieben Quadratkilometern für Solarstrom auf Bahnschwellen verfügbar ist. Nicht miteinberechnet werden Streckenabschnitte, die unter Tunneln verlaufen oder täglich im Schatten liegen. Sunways geht aber davon aus, dass rund 350.000 Haushalte mit der verfügbaren Schwellenfläche mit Strom versorgt werden könnten.

Ganz einfach wird die Umsetzung der Solargleise aber freilich nicht. Denn was passiert etwa, wenn Züge mit hohen Geschwindigkeiten über die Solarzellen hinwegdonnern? Und ist die Installation von Modulen nicht mit mehr Aufwand verbunden? Schließlich müssen diese bei Verschmutzung zusätzlich gereinigt werden. Die erfreulichen Antworten: Die genutzten Module können mit der Belastung im Gleisbett technisch gut umgehen. Gereinigt werden die Paneele laut Sunways zudem mit an Zügen befestigten zylindrischen Bürsten, die Bremsstaub oder andere Verschmutzungen während der Fahrt mühelos entfernen. Für Gebiete mit starkem Schneefall plant Sunways ein zusätzliches System, das Schnee und Eis zum Schmelzen bringt. Spezielle Solarzellen mit Blendschutzfilter sollen zudem verhindern, dass Zugführer:innen von den Solarzellen geblendet werden.

In den nächsten Jahren will das Start-up expandieren – nach Deutschland, Italien und Österreich, in die USA und nach Asien. Und dafür sorgen, dass diese Innovation nicht auf dem Abstellgleis landet.

✅ TEXT: Sandra Rainer
✅ FOTOS: Unsplash | Andrew Karn

Die Energieerzeugung befindet sich derzeit im Wandel. So etwa spielten Photovoltaik- und Windkraftanlagen vor vielen Jahren im Strommix noch eine ebenso geringe Rolle wie Wasserkraftwerke Biomasseanlagen. Rund 90 Prozent der Stromerzeugung wurden früher weltweit durch fossile Energieträger gestemmt. Die Vorteile dieser Energiequellen lagen auf der Hand: Sie wiesen eine hohe Energiedichte auf, konnten gut transportiert und gelagert und somit standortunabhängig genutzt werden.

Heute sieht die weltweite Energieversorgung natürlich anders aus. Energie aus erneuerbaren Quellen erlebt dabei einen gewaltigen Boom. Schließlich haben die Energiekrise und der voranschreitende Klimawandel den Wunsch nach einer schnelleren Energiewende befeuert. So etwa rechnet die Internationale Energieagentur (IEA), dass sich die Gesamtkapazität Erneuerbarer in den nächsten fünf Jahren weltweit fast verdoppeln und dabei Kohle als größte Stromerzeugungsquelle ablösen wird. Damit bleibe das Ziel, die Erderwärmung auf 1,5 Grad zu begrenzen, noch erreichbar. Das erwartete Wachstum erneuerbarer Energien sei jedenfalls um 30 Prozent höher als noch vor einem Jahr prognostiziert.

Erneuerbare auf dem Siegeszug

Diese Zahlen verdeutlichen den Erneuerbaren-Boom: Die IEA erwartet 2022 bis 2027 einen Anstieg der weltweiten Stromerzeugungskapazität aus erneuerbaren Energien um 2.400 Gigawatt (GW). Das entspreche der gesamten Stromerzeugungskapazität Chinas. Besonders viel Grünstrom werden dabei Solar- und Windkraftanlagen erzeugen. Zusammen soll laut IEA Solar- und Windenergie demnach über 90 Prozent der in den nächsten fünf Jahren zugebauten Kapazität an erneuerbarer Energie ausmachen. „Die Welt wird in den nächsten fünf Jahren so viel erneuerbare Energien ausbauen wie in den 20 Jahren zuvor“, sagt IEA-Direktor Fatih Birol. Solaranlagen und Onshore-Windparks seien laut Expert:innen in den meisten Ländern einfach die günstigsten Optionen für die Stromerzeugung.

Die Zukunft der Energieversorgung sieht ziemlich grün aus: Die IEA erwartet 2022 bis 2027 einen Anstieg der weltweiten Stromerzeugungskapazität aus erneuerbaren Energien um 2.400 Gigawatt (GW).

Erste Erfolge bereits verzeichnet

Erneuerbare Energien haben bereits im ersten Halbjahr 2020 erstmals fossile Brennstoffe bei der europäischen Stromerzeugung überholt und führten dabei zu einem deutlichen Rückgang der CO₂-Emissionen. Demnach hatten Solarenergie, Windkraft und Biomasse mit stolzen 40 Prozent deutlich mehr Beteiligung am europäischen Strom-Mix als ihre fossilen Konkurrenten – deren Beitrag lag damals bei nur noch bei 34 Prozent.

„Erneuerbare Energien sind bereits die zweitgrößte Stromquelle der Welt, aber ihr Einsatz muss noch beschleunigt werden, wenn wir die langfristigen Klima-, Luftqualitäts- und Energiezugangsziele erreichen wollen“, sagte Dr. Fatih Birol, Exekutivdirektor der IEA, bereits im Jahr 2019.

Im Zentrum: Sonnenenergie

Im Zentrum der zukünftigen Stromerzeugung steht jedenfalls die Solarkraft – auch in Österreich. Prognosen gehen etwa davon aus, dass im abgelaufenen Jahr neue Photovoltaikanlagen mit einer Spitzenleistung von 1.000 bis 1.400 Megawatt ans Netz gegangen sind. Diese Leistung entspricht laut Expert:innen ungefähr der Leistung der drei bis fünf größten Donaukraftwerke Österreichs. Natürlich ist der Solarboom auch auf die aktuelle Preissteigerung auf dem Energiemarkt zurückzuführen. Denn während Strom aus fossilen Energieträgern immer teurer wird, bleiben die Kosten für Erneuerbare konstant.

Noch schneller könnte die Energiewende jedenfalls erreicht werden, wenn in allen EU-Ländern der Erneuerbaren-Turbo gezündet wird. Sprich: Genehmigungsfristen müssen verkürzt werden, sodass der Ausbau regenerativer Energiequellen schneller voranschreiten kann. Und dann sieht die Zukunft der Energieversorgung tatsächlich grüner aus.

✅ TEXT: Sandra Rainer
✅ FOTOS: Unsplash | William DeHoogh; Unsplash | Anders J

Solaranlagen erzeugen Solarstrom. Dieser ist umweltfreundlich und gleichzeitig auch kostengünstig. So weit, so gut. Doch was hat es eigentlich mit der Verschattung, der Globalstrahlung oder dem Wirkungsgrad auf sich? Nur wenige verfügen tatsächlich über fundiertes Wissen zur Photovoltaik. Um in diesem Begriffswirrwarr den Überblick zu wahren, haben wir ein kleines, aber hochspannendes Stromlexikon mit den wichtigsten Begriffen zusammengestellt.

Globalstrahlung

Die sogenannte Globalstrahlung bildet eine wichtige Zahl für die Ertragsberechnung einer Photovoltaikanlage. Diese Strahlung bezeichnet die Summe aus direkter Solarstrahlung und Diffusstrahlung, welche horizontal auf der Erdoberfläche auftritt. Angegeben wird dieser Wert in Watt pro Quadratmeter (W/m²). Von einer direkten Sonneneinstrahlung spricht man, wenn die Sonne direkt und ohne jegliche Verschattung auf die Solaranlage auftrifft. Bei der indirekten Strahlung wird die Sonne von Wolken verdeckt oder ihr Licht reflektiert. Gut zu wissen: In Österreich liegt die Strahlungsintensität bei besten Lichtverhältnissen bei etwa 1000 W/m². Bei trübem Wetter kann dieser Wert auf bis zu 50 W/m² sinken.

Maximum Power Point

Beim Maximum Power Point, abgekürzt MPP, handelt es sich um den Punkt einer Solarzelle, an welchem diese die maximale Leistung erbringt. Der MPP ist dabei das Produkt der Stromstärke I und der Spannung U innerhalb des Solarmoduls. Angezeigt wird dieser Punkt demnach auch auf der Strom-Spannungs-Kennlinie der Solarzelle (I-U-Kennlinie). Verschiedene Einflussfaktoren, wie etwa die Strahlungsintensität oder Zelltemperatur, sorgen dafür, dass sich der MPP konstant verändert. Das MPP-Tracking sorgt allerdings dafür, dass Solarmodule möglichst konstant am maximalen Leistungspunkt arbeiten können. So funktioniert’s: Ein MPP-Tracker im Wechselrichter versucht, die entnommene Stromstärke so zu dosieren, dass immer das Leistungsmaximum und somit ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird.

Nennleistung

Die Nennleistung einer Anlage gibt an, welche maximale Leistung eine Solarzelle oder ein Solarmodul abgeben kann. Um Leistungsangaben unterschiedlicher Solarmodule weltweit miteinander vergleichen zu können, wird die Leistung dabei unter sogenannten Standardtestbedingungen (Standard Test Conditions, kurz STC) berechnet. Zur Erklärung: Darunter versteht man ein international festgelegtes Set von Bedingungen, unter denen die photovoltaische Leistung getestet wird. Natürlich kann es zu optimaleren Bedingungen als den STC kommen. In diesem Fall können Solarzellen und -module ihre Nennleistung natürlich übersteigen.

Photovoltaikertrag

Unter dem Photovoltaikertrag, auch Solarertrag genannt, einer PV-Anlage versteht man die durchschnittliche jährlich erzeugbare Solarstrommenge. Der finanzielle Ertrag hingegen besteht aus den Erlösen der Einspeisevergütung und der Stromkostenersparnis durch den Eigenverbrauch. Der Ertrag einer Solaranlage zeigt jedenfalls, wie viele Kilowattstunden (kWh) Strom pro Kilowatt (kW) installierter Leistung die Anlage produzieren kann. Diese Leistung wiederum wird für gewöhnlich in Kilowattpeak (kWp) angegeben. Wie viel Solarstrom schlussendlich tatsächlich erzeugt wird, ist von vielen Faktoren, wie etwa den gewählten Photovoltaikmodulen, dem Standort, der Ausrichtung der Anlage oder dem verwendeten Wechselrichter, abhängig.

Schwachlichtverhalten

Wie der Name bereits verrät, bezieht das Schwachlichtverhalten sich auf die Leistung eines Solarmoduls bei schwachen Lichtverhältnissen und geringeren Einstrahlungswerten. Denn Photovoltaikanlagen liefern natürlich nicht nur bei strahlendem Sonnenschein, sondern auch in den Randstunden des Tages und bei Wolken sauberen Strom. Genauer gesagt liegen 50 bis 60 Prozent der Sonneneinstrahlung hierzulande in solchen Zeiten mit diffusem oder gedämpftem Licht. Zu merken gilt hier: Module, die ein gutes Schwachlichtverhalten aufweisen, liefern dementsprechend auch bei ungünstigeren Lichtverhältnissen höhere Strommengen.

Sonnenscheindauer

Die Sonnenscheindauer ist die Dauer der Sonneneinstrahlung an einem bestimmten Ort innerhalb eines bestimmten Zeitraumes. Es wird also angegeben, wie lange die Sonne tatsächlich scheint. Bei den Sonnenstunden wird dabei zwischen der theoretischen astronomischen Sonnenscheindauer und der tatsächlichen Sonnenscheindauer unterschieden. Erstere ist eine theoretische Zeitdauer, für die die Atmosphäre als wolkenlos und ungetrübt klar angenommen wird. Die tatsächliche Dauer bezeichnet den Zeitraum zwischen Sonnenauf- und -untergang, abzüglich jener Zeit, in der die Sonne hinter den Wolken verborgen ist.

Verschattung

Von Verschattung ist die Rede, wenn es aufgrund von Schattenwurf nur zu einer verminderten Einstrahlung von Sonnenlicht auf Solaranlagen kommt. Werden die Module von Schatten bedeckt, kommt es dazu, dass mit der verminderten Einstrahlleistung auch Ertragseinbußen einhergehen. Inwiefern Anlagen von Schattenwurf betroffen sind, ist natürlich geländeabhängig. Verschattungen werden etwa von hohen Nachbargebäuden, Bäumen und hohen Büschen verursacht. Grundsätzlich gilt natürlich immer, so viel Sonnenstrahlen wie möglich ungehindert auf die Anlage einfallen zu lassen, sodass eine möglichst hohe Stromausbeute erwirtschaftet werden kann.

✅ TEXT: Sandra Rainer
✅ FOTOS: Unsplash |Derek Sutton

Abends Strom tanken, morgens umweltfreundlich zur Arbeit fahren. Genau das ist mit den immer beliebter werdenden Elektroautos möglich. Kein Wunder also, dass sich immer mehr Menschen hierzulande hinter das Steuer eines Stromers setzen. Und die Weichen für echt grünes Fahren sind bereits gestellt: Schließlich speisen immer mehr Solar- und Windkraftanlagen ihre erneuerbaren Energien ins Stromnetz ein und machen den Kraftstoff für E-Autos damit klimafreundlicher. Ein optimal ausgebautes Stromnetz ist dabei natürlich das Rückgrat für die Ladeinfrastruktur.

Doch genau dieses steht immer wieder vor Herausforderungen. Stichwort: Stromschwankungen. Solar- und Windkraftanlagen erzeugen zwar sauberen Strom, gelten allerdings als sogenannte fluktuierende oder volatile Energieträger. Sprich: Sie speisen nie gleichmäßig viel Energie ins Netz ein, weil sie abhängig von Witterung, Tages- oder Jahreszeit sind. Dass eine Gleichmäßigkeit für eine reibungslose Versorgungssicherheit aber sehr wichtig ist, liegt auf der Hand. Um Ungleichgewichte zu vermeiden, ist die Speicherung von erneuerbarem Strom unumgänglich. Erzeugen Solaranlagen und Co. zeitweise mehr Strom, als überhaupt verbraucht werden kann, könnte dieser Überschuss zwischengespeichert und in energieärmeren Zeiten abgerufen werden.

Doch was haben nun Elektrofahrzeuge mit unserem Stromnetz zu tun? Aufgrund der vielen Ladevorgänge der Autos könnte das Netz schließlich an die Grenzen der Belastbarkeit stoßen, oder? Die Lösung: E-Fahrzeuge als mobile Stromspeicher nutzen, sodass Stromnetzschwankungen und Energieengpässe langfristig überbrückt werden können.

Teil des Energiesystems von morgen

Eines vorweg: Damit Elektroautos das Stromnetz entlasten und als Energiespeicher funktionieren können, müssen sie bidirektionales Laden beherrschen. Zur Erklärung: Bei diesem System kann der Akku des Fahrzeugs Energie sowohl aufnehmen als auch abgeben. Bidirektional ladefähige Fahrzeuge können also nicht nur elektrische Energie aus dem Netz oder der eigenen PV-Anlage aufnehmen. Sie können auch in umgekehrter Richtung von der Auto-Batterie über Ladestationen Strom in das Netz oder das Haus einspeisen.

Sind diese Ladevoraussetzungen gegeben, können Stromer also tatsächlich das Strom entlasten. Bei der Speichertechnologie Vehicle-to-Grid (V2G) fließt der Strom im Gegensatz zu Vehicle-to-Home (V2H) Strom nicht in das eigene Energiesystem, sondern gegen Entgelt zurück in das Stromnetz des Stromanbieters. Überschüssig produzierter Strom kann also in Auto-Akkus gespeichert und bei Bedarf wieder ins Netz abgegeben werden. Speicher auf vier Rädern können so Lastspitzen perfekt abfangen und für eine gleichmäßige Stromproduktion sorgen.

Flexibles Laden als weitere Idee?

Viele Forschende sehen zudem bei der Anpassung der Ladevorgänge der Fahrzeuge großes Potenzial. Durch intelligentes flexibles Laden könnte der Ladevorgang dabei so gesteuert werden, dass Fahrzeuge nur in Zeiten günstiger Netz- oder Marktbedingungen geladen werden. Bei ungünstigen Bedingungen wird der Ladevorgang gestoppt. Clevere Steuerungs- und Kommunikationsprozesse, die selbstständig im Hintergrund laufen, wenn das Auto an der Ladestation hängt, sollen dieses flexible Laden koordinieren. Wichtig sei dabei, dass der Tank dann aufgeladen ist, wenn das E-Auto benötigt wird.

Ein Elektroauto vor der eigenen Haustür bedeutet also gleichzeitig, einen leistungsstarken Speicher zu besitzen. Zu klären gilt allerdings noch, wie Autobesitzer:innen vergütet werden, wenn sie tatsächlich einen Teil der Batteriekapazitäten als mobile Speicher für das netzdienliche Laden zur Verfügung stellen. Und dann wird sich der Tritt ins grüne Pedal doppelt lohnen!