Formel für maßgeschneiderte Solaranlagen

„Wir möchten versuchen, in jedem Bereich stets die größtmögliche Menge an Strom zu produzieren, weil das für die Zukunft wichtig sein wird. Was die Solarenergie betrifft, so erhalten wir im Sommer durchschnittlich 1000 Watt pro Quadratmeter. Diesen von der Natur vorgegebenen/natürlichen Input können wir nicht beeinflussen. Was wir ändern können, ist der Output“, erklärt der Wissenschaftler. Zusammen mit einem Team der Ontario Tech University hat er in mehreren Projekten nach technischen Möglichkeiten gesucht, den Output zu vergrößern. Dabei standen vor allem zwei Technologien im Vordergrund: Bifaziale Solarmodule, also Module mit Solarzellen auf der Vorder- und Rückseite, und schwimmende Photovoltaik-Anlagen. In computergestützten Simulationen haben die Forscher unter anderem die Effizienzgewinne berechnet, die eine Kombination der beiden mit sich bringen könnte.

Vielversprechende Technologien vereint

Bifaziale Solarmodule kommen heute bereits in Anlagen an Land zum Einsatz, ein Anwendungsbeispiel haben wir in der zweiten Folge dieser Serie genauer beleuchtet. Je nachdem, in welchem Winkel die Module aufgestellt werden, ergeben sich verschiedene Nutzungen: Sie können entweder auf beiden Seiten direkt einfallendes Sonnenlicht in Strom umwandeln oder mit der Oberseite direkte und mit der Unterseite indirekte, vom Boden reflektierte Sonnenstrahlen einfangen. Das steigert den Ertrag im Vergleich zu monofazialen Modulen.

Und auch Solaranlagen auf Seen gibt es bereits seit einigen Jahren. Die Module sind dabei auf Schwimmkörpern oder Bojen befestigt, die auf der Wasseroberfläche treiben. Sie sind nicht nur angesichts der zunehmenden Flächenknappheit in vielen Regionen der Welt eine gute Alternative zu Solarparks an Land. Weil das Wasser als natürliches Kühl- und Heizsystem fungiert, sind zudem die Erträge höher.

Ein Aspekt, den auch Ahmed Hasan untersucht hat. Er hat sich dabei vor allem auf die Vorteile von Anlagen auf dem offenen Meer konzentriert – eine Technologie, die zurzeit noch in den Kinderschuhen steckt: „Offshore bietet eine Menge Ressourcen, die viele übersehen.“ Während die Lufttemperatur je nach Region und Jahreszeit stark schwanken kann, bleibt die Wasseroberflächentemperatur in der Regel konstanter als die Umgebungstemperatur mit Höchstwerten von 20 bis 25 und Tiefstwerten von 4 Grad Celsius. Deshalb könnte laut Hasan die nominale Betriebszelltemperatur einer PV-Zelle gesenkt werden, wenn einfache aktive Kühlsysteme mit Oberflächenwasser als Wärmesenke eingesetzt werden. „Man kann viel Effizienz gewinnen, wenn man Oberflächenwasser als Kühlmittel einsetzt“, erklärt der Forscher. Das betrifft vor allem Länder mit extrem hohen oder niedrigen Temperaturen, in denen sich PV-Anlagen ohne Kühl- oder Heizsystem bisher kaum lohnen.

Simulation berücksichtigt zahlreiche Faktoren

Doch die kanadischen Forscher beschränkten sich nicht nur auf die thermischen Vorteile von Offshore-Solarparks. „Wir möchten außerdem die Reflexion der Wasseroberfläche nutzen, indem wir bifaziale Module verwenden“, sagt Ahmed Hasan. Damit diese möglichst viel Strom produzieren können, gilt es, viele verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Deshalb haben die Wissenschaftler ein numerisches Simulationsprotokoll entwickelt, mit dem sie genau berechnen können, wann und wo Sonnenstrahlen auf die PV-Zellen fallen. „In unserem Strahlengangmodell haben wir den Sonnenstand und die Position des Solarmoduls berücksichtigt. Wir konnten die Reflexions- und Brechungsindizes zusammen mit der Position der Sonne und der Bestrahlungsstärke in unsere Simulation einbeziehen. Und dann verfolgte die Software, wo jeder Strahl landen wird. Wir haben das mit bis zu 10.000 Strahlen gemacht und kartiert, wo sie auf dem Modul auftreffen würden“, erklärt der Wissenschaftler.

Das Modell kann so für jeden Standort ermitteln, wie PV-Module aufgestellt werden müssen, um den größtmöglichen Ertrag zu erzielen. Vor der Küste von Ontario könnte die Einstrahlung auf ein bifaziales Modul zum Beispiel 55 Prozent höher sein als auf ein monofaziales. Laut der Software müsste dazu die Oberseite des Moduls nach Norden und die Unterseite nach Süden ausgerichtet werden. Bei Wellengang sinkt der Wert auf 49 Prozent.

Den Berechnungen zufolge können bifaziale PV-Module auf dem Wasser rund 24 Prozent mehr Strom produzieren als monofaziale. Ein starkes Argument, in Zukunft verstärkt auf diese Technologie zu setzen. In der Praxis gilt es allerdings noch einige Hürden zu überwinden. „Ich denke, die größte Herausforderung sind im Moment die Kosten. Die Steigerung der Stromproduktion rechtfertigt sie nicht“, sagt Ahmed Hasan. Und die Technik ist noch nicht seetauglich: „Das Material muss verbessert werden, denn bei Wellengang wird es Spritzer geben und das Salz trocknet auf der Oberfläche der Module. Solche Rückstände mindern den Wirkungsgrad. Auch die Bojen und Schwimmer müssen wir weiter optimieren.“ Außerdem müssten Betreiber die Infrastruktur dafür schaffen, den Strom vom Meer an Land zu transportieren.

Das Forscherteam aus Ontario glaubt trotzdem an das Potenzial von Offshore-Solaranlagen. Im nächsten Schritt wollen sie das Strahlengangmodell mit weiteren kombinieren und beispielsweise simulieren, wie genau sich die thermischen Vorteile von Wasser auf die Stromproduktion auswirken. Auf Basis von solchen detaillierten Berechnungen könnten Betreiber in Zukunft deutlich effizientere Solaranlagen bauen. „Die Produktion von Strom aus Erneuerbaren Energien ist eine maßgeschneiderte Lösung, es gibt keine Einheitsgröße für alle. Es ist eine Frage der Optimierung, man muss wirklich analysieren, wo man sie einsetzt“, sagt Ahmed Hasan. „Das haben wir mit dem Strahlengangmodell gemacht. Damit haben wir die Daten, um ein bifaziales Modul für jeden Standort maßzuschneidern.“