So bleiben Solarmodule in der Wüste staubfrei

Jede Menge Sonne und mehr als genug ungenutzter Platz: Wüstenregionen bieten beste Bedingungen für großflächige Solarparks. Nicht ohne Grund stehen viele der größten Solaranlagen inzwischen in Trockengebieten, zum Beispiel in China, Indien oder Nordafrika. Und weitere Großprojekte sollen dazukommen. Doch in diesen Gegenden lagert sich schnell Sand und Staub auf den Modulen ab. Dazu kommt, dass es kaum regnet, wodurch sich dicke Schmutzschichten bilden können. Das Problem nennt sich „Soiling“. Die Folge: Der Ertrag sinkt.

Bisher bekämpfen Betreiber den Staub meist mit Wasser. Bei einigen Anlagen spülen mittlerweile Druckstrahlsysteme regelmäßig störende Partikel von den Paneelen. Oft werden Module aber auch noch von Hand gereinigt – gerade in großen Parks ist das ein erheblicher Aufwand. Entsprechend kann die Reinigung die Betriebskosten für die Anlage schnell in die Höhe treiben. Experten vom Massachussets Institute of Technology (MIT) gehen von einem Anteil von bis zu zehn Prozent aus. Dazu kommt, dass Wasser in der Wüste eine knappe Ressource ist. Der Transport in abgelegene Areale ist nicht immer einfach. Deswegen suchen Forscher auf der ganzen Welt nach innovativen Alternativen.

Roboter reinigen Solarmodule zuverlässig

Viele Projekte haben ihren Fokus auf der Automatisierung der Reinigung durch Roboter. Das Unternehmen Solavio Labs aus Indien (Link in Englisch) hat beispielsweise einen autonom arbeitenden Reinigungs-Roboter entwickelt. Er ist mit weichen Bürsten ausgestattet und kann sich dank Sensoren selbstständig an den Modulen entlangbewegen. Er ist so leicht, dass er sie dabei nicht beschädigt. Auch die jordanische Firma Darbco hat einen ähnlichen Roboter gebaut. Er benetzt die Paneele jedoch erst mit Wasser, bevor er sie bürstet und abtrocknet. Dadurch wird der Wasserverbrauch laut Hersteller um 80 Prozent gegenüber der manuellen Reinigung reduziert.

Das Problem dieser Methode: Die meisten Roboter können zwar selbstständig an den Paneelen entlangfahren, aber nicht zwischen ihnen wechseln. Aktuell sind die Kosten aber noch so hoch, dass es sich in vielen Fällen nicht lohnt, ein Gerät pro Modul einzusetzen, wie Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA argumentieren. Damit Reinigungsroboter überall wirtschaftlich zum Einsatz kommen könnten, müsse zunächst eine Technologie erfunden werden, die ein einfaches Übersetzen zur nächsten Modulreihe ermöglicht.

Drohnen bewegen sich autark durch ganze Solarparks

Eine Lösung dafür könnten die futuristisch wirkenden Reinigungsdrohnen der israelischen Anbieter Solar Drone und Airobotics (Link in Englisch) sein. Die Quadrokopter fliegen von einer Aufladestation aus zu verschmutzten Solarzellen. Dort angekommen richten sie sich per Lidar („light detection and ranging“) – einer Methode zur Umgebungserkennung per Laserscan – aus und versprühen eine Reinigungsflüssigkeit. Anschließend kehren sie zur Basis zurück, wo automatisch Flüssigkeit und Akku aufgetankt werden. Die Kostenersparnis gegenüber anderen Reinigungsmethoden geben die Firmen mit bis zu 25 Prozent an.

Das niederländische Unternehmen Kipp & Zonen (Link in Englisch) setzt sogar noch einen Schritt davor an. Es hat einen sogenannten Soiling-Detektor namens „DustIQ“ konstruiert. Über einen optischen Sensor kann das Gerät unabhängig von der Sonneneinstrahlung messen, wie stark eine Solaranlage verschmutzt ist, und die daraus resultierenden Effizienzgewinne ermitteln. Betreiber können auf Grundlage der Daten festlegen, wann sie die Module am besten reinigen sollten.

Innovative Technologien für schmutzabweisende Solarzellen

Der innovative Lösungsansatz, an dem Kripa Varanasi, Professor für Maschinenbau am MIT, arbeitet (Link in Englisch), funktioniert ganz ohne Roboter und Wasser. Die Idee: Elektrische Ladung soll dazu führen, dass Staubpartikel von der Oberfläche der Solarmodule abgestoßen werden. Um das zu erreichen, wird eine Elektrode über der Moduloberfläche angebracht, die den kleinen Sand- und Staubteilchen elektrische Ladung verleiht. Wird dann das Modul ebenfalls unter Spannung gesetzt, springen die Partikel regelrecht davon ab.

Das Reinigungssystem soll lediglich aus einem Elektromotor und Führungsschienen bestehen und automatisch betrieben werden können. Erste Labortests waren Varanasi zufolge vielversprechend. Bei einer Luftfeuchtigkeit ab 30 Prozent funktioniert die Abstoßung demnach gut. Solche Werte werden in der Wüste in den frühen Morgenstunden erreicht, sodass eine Anwendung denkbar ist. Vorher muss allerdings noch eine Reihe weiterer Tests durchgeführt werden.

Einen anderen Ansatz verfolgt ein Team des Fraunhofer-Centers für Silizium-Photovoltaik CSP. Statt eines Reinigungssystems wollen die Forscher selbstreinigende Module entwickeln. Im Forschungsprojekt „PV-Foil“ erforschen sie dazu neuartige Anti-Schmutz-Oberflächen. Diese sollen so aufgebaut sein, dass Staub und Schmutz nicht daran haften bleiben und natürliche Reinigungsmechanismen wie Wind besser wirken können.

Mensch und Maschine im Vergleich

Wie effizient die unterschiedlichen Ansätze sind, hängt stark von der Anlage und dem Standort ab. Verschiedene Untersuchungen haben aber bereits gezeigt, dass Roboter Solar-Module genauso gut säubern können wie Menschen: So hat etwa das Unternehmen OTT Hydromet die Reinigungsroboter der saudi-arabischen Firma NOMADD in einem Feldtest in einem Solarpark in der Wüste getestet. Das Ergebnis: Schon nach kurzer Zeit büßten Module ohne Reinigung sechs Prozent ihrer Leistung ein. Wurden sie per Hand oder Roboter von Staub und Sand befreit, gab es hingegen kaum Effizienzeinbußen.