Photovoltatronik – wenn smarte Solarzelle miteinander sprechen

Photovoltaikanlagen sollen schon bald nicht mehr nur sauberen Grünstrom erzeugen, vielmehr sollen winzige Solarzellen in Zukunft tatsächlich in der Lage sein, untereinander und mit anderen Geräten zu kommunizieren. So soll sichergestellt werden, dass die erzeugte Energie genau dort ankommt, wo sie auch benötigt wird.
Photovoltatronik

Wie könnte ein Spaziergang durch eine viel belebte Stadt im Jahr 2030 aussehen? Wolkenkratzer, die in den Himmel ragen. Smarte Straßenlaternen, die für genügend Licht und gleichzeitig auch Grünstrom sorgen. Elektrotaxis, die Menschen mit sauberem Treibstoff von A nach B bringen. Und unzählige Solaranlagen, die jede Menge Sonnenstrom produzieren. Und genau diese werden in Zukunft nicht nur Energie-, sondern auch Informationsträger sein. Zumindest, wenn es nach einer Forschungsgruppe der Technischen Universität Delft in den Niederlanden geht.

Mit dem von besagter Gruppe neu etablierten Forschungsfeld „Photovoltatronik“ skizziert diese eine durchaus spannende Zukunftsvision: Durch die Integration spezieller Elektronik und Software sollen smarte Solarmodule entstehen, die untereinander und mit anderen Geräten kommunizieren können. Die Idee ist, „Solarzellen so zu gestalten, dass man ein neues Bauteil hat, das nicht nur Strom erzeugt, sondern auch Informationen verarbeitet“, erklärt TU Delft-Professor Miro Zeman. Grünstromerzeuger sollen demnach in der Lage sein, die von ihnen produzierte Energie völlig selbstständig dorthin zu leiten, wo sie gerade am dringendsten benötigt wird. Darüber hinaus ergeben sich aus diesem Forschungsansatz noch viele weitere zukunftsweisende Anwendungsmöglichkeiten in der Photovoltaik. Mehr dazu aber später.

Smarte Solarrevolution

Wir wissen: Solarzellen fangen Licht ein und erzeugen Elektrizität. „Ein Lichtpartikel wird Photon und ein elektrisch aufgeladenes Teilchen Elektron genannt. Beide sind Energieträger“, führt Zeman fort. So weit, so gut. Doch wie sollen Grünstromerzeuger nun miteinander sprechen? „Unsere Idee ist es, einen intelligenten Weg zu finden, diese beiden Eigenschaften zu kombinieren und die Funktionalität von Energie- und Informationsträgern in einem Gerät zu vereinen.“

Die Zauberworte der smarten Solarrevolution – so wird die Entwicklung übrigens von den Wissenschafter*innen selbst genannt – heißen: intelligente Energieagenten auf PV-Basis, sogenannte PV-IEAs. Genauer gesagt werden solch „neuartige PV-IEAs entwickelt, die PV-Technologie mit Photonik, Mikro- und Leistungselektronik, Sensortechnik, Energiespeicherung, drahtloser Kommunikation und Informatik kombinieren“, so die Forschungsgruppe.

Jeder dieser kleinen Energieagenten stützt sich dabei auf drei Hauptelemente: Sensoren zur Messung der Umgebungsbedingungen und des internen Zustands, Steuerungsalgorithmen (quasi ein Gehirn, das für Ausführung verantwortlich ist) und, nicht zu vergessen, Aktoren, die die vom „Gehirn“ getroffenen Entscheidungen schlussendlich ausführen und bedienen.  „Gegenwärtig erfüllen PV-Generatoren nur eine Funktion, nämlich die Stromerzeugung, und verfügen daher in der Regel nur über elektrische Aktoren wie Leistungsoptimierer“, so die Forscher*innen. „PV-IEAs hingegen können multifunktional sein, also auch nicht-elektrische Aktoren enthalten.“

Forscher*innen der TU Delft skizzieren die urbane Solarzukunft.

Neue Forschungsbereiche

Die niederländischen Wissenschafter*innen identifizierten dazu fünf Forschungsbereiche für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Photovoltatronik. Und zwar: die Modellierung für die optimale Energiegewinnung aus Umgebungsenergiequellen, den Aufbau echter intelligenter Energieagenten auf PV-Basis, die Stabilisierung der Energieabgabe durch Integration von Speichern in ein PV-Modul, die drahtlose Übertragung von Elektrizität durch neuartige Elektrodengestaltung von PV-Paneelen und die Integration und Steuerung von lichterzeugenden Elementen für die Lichtkommunikation.

Doch kann ein Zusammenspiel dieser fünf Bereiche tatsächlich die Stadt von morgen smart gestalten? Die Wissenschafter*innen geben in ihrem veröffentlichten Paper jedenfalls spannende Ausblicke in die Welt der Photovoltatronik: So sollen etwa farbige Solarzellen mit einem selektiven optischen Filter für passive Kühlung sorgen, ein mit PV-Modulen ausgestatteter Kamin in eine natürlich belüftete Fassade zur Wärmeübertragung integriert und Fassaden zukünftig mit Solarmodulen und bereits integrierten Speichertechnologien ausgestattet werden. Es ist auch die Rede von smarten Modulen, die, mit Sensorelektronik ausgestattet, für die städtische Überwachung sorgen, oder von solarbetriebenen Fahrzeugen, die via eingebetteten PV-IEA miteinander kommunizieren.

Wann kommt die smarte Photovoltaik?

Im Moment ist der tatsächliche Einsatz derartiger Technologien zwar noch reine Zukunftsvision, aber: „Wir gehen davon aus, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft im nächsten Jahrzehnt das Wachstum der Photovoltatronik als Forschungsgebiet erleben wird“, so die niederländischen Wissenschaftler*innen zuversichtlich. „Um die photovoltatronischen Geräte in realen Anwendungen einsetzen zu können, müssen gleichzeitig die rechtlichen Fragen und Verpflichtungen, die mit ihrer Nutzung verbunden sind, bewertet werden.“ Und dann steht der echt smarten und sauberen Stadt von morgen tatsächlich nichts mehr im Weg.

✅ TEXT: SANDRA RAINER
✅ FOTOS: UNSPLASH/Flash Dantztudelft.nl
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