Stetig im Trend und in der Fortentwicklung - Technologien & Innovationen rund um Photovoltaik
Zahlreiche Kostenvorteile, Autarkieaspekte und ressourcenschonende Merkmale unterstreichen immer wieder, dass Photovoltaikanlagen sichere Zukunftsinvestitionen sind und den Status einer klimaverträglichen Energieerwirtschaftungsform verdient haben. Aktuell befinden sich neue Technologien in der Entwicklung oder sogar schon auf dem Markt, die kennzeichnen, wie viel Forschungspotenzial noch im Bereich der Photovoltaik-Technik unnachgiebig ausgeschöpft wird, um die heimische und gewerbliche Energieerzeugung in naher Zukunft noch leistungsfähiger und umweltfreundlicher gestalten zu können. Daher berichten wir Ihnen an dieser Stelle von den spannensten und begeisterungsfähigsten PV-Innovationen, von denen auch Sie bald profitieren können. Zum Schluss klären wir Sie noch zum Unterschied zwischen Photovoltaik-Technik und Solarthermie auf.
Solardächer und Solarziegel: Photovoltaik im Dach integriert
Die konventionelle Form der Photovoltaikinstallation (Aufdach-Photovoltaik) im Privatsegment sieht vor, dass die energieerzeugenden Elemente, also die PV-Module, über Montagsysteme und Zubehörteile auf dem Dachbelag montiert werden. Mittlerweile existieren aber auch schon Solardächer, bei denen die Solarmodule bereits in die Ziegel oder die Dachhaut (Indach-Photovoltaik) eingebettet sind. Dadurch ist ihre Optik unauffälliger, als die von Aufdach-Photovoltaik-Anlagen. Beide Alternativen kommen im Gegensatz zu den meisten Aufdach-Photovoltaik-Anlagen auch für denkmalgeschützte Objekte in Frage.
Solarziegel
Solarziegel entsprechen in vielen Fällen der Optik normaler Ziegel, sodass Sie das Gesamterscheinungsbild des Hauses nicht beeinträchtigen. Allerdings ist die Technologie um Solarziegel noch nicht so ausgereift, dass wir Ihnen eine derartige Anschaffung empfehlen. Bei einer Durchschnittsgröße von 0,07 m² pro Ziegel benötigen Sie circa 714 Ziegel um eine Fläche von 50 m² einzudecken. Leistungsfähige Ziegel erreichen pro m² aktuell bis zu 130 Wp, was bei 50 m² Eindeckung circa 6.500 Wp ergeben.
Mit Stückkosten von 25 bis 30 € pro Ziegel zahlen Sie somit für Ihre gesamte Anlage zwischen 17.850 € und 21.420 € – und das ohne Wechselrichter, Stromspeicher und anderem Zusatzequipment. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie in Richtung Effizienzerhöhung könnten Solardachziegel in Zukunft mit der traditionellen Aufdach-Photovoltaik konkurrieren.
Solardächer (Indach-Photovoltaik)
Solardächer kombinieren im Prinzip die optischen und materialsparenden Vorzüge von Solarziegeln und Aufdach-Photovoltaik: Hierbei werden Photovoltaik-Module direkt in die Dachhaut eingelagert, sodass die Montage von Unterkonstruktionen entfällt. Das heißt, dass somit auch künstliche Neigungshilfen keine Anwendung finden, sodass die dafür in Frage kommenden Dächer eine natürliche Neigung von mindestens 12 Grad aufweisen müssen. Anderweitig kann es zu Problemen beim Abfluss von Regenwasser oder Verunreinigungen kommen.
Neben der modernen und unauffälligen Gesamterscheinung punkten Solardächer außerdem noch durch ihre geringe Windanfälligkeit. Die wegfallenden Kosten für die reguläre Dacheindeckung werden allerdings wieder durch die hohen Anschaffungskosten der Indach-Photovoltaik-Anlage relativiert und auch die eingeschränkte Belüftungsfähigkeit der Konstruktion kann zu Leistungseinbußen führen. Mit Kosten zwischen 15.000 und 30.000 € liegen Solardächer im Vergleich zu Aufdach-Photovoltaik-Anlagen im gehobenen Preissegment. Bei Bestandsgebäuden fallen zusätzliche Kosten aufgrund der Entnahme der bisherigen Dachhaut und des Dachbelags an. Auch im Hinblick auf Solardächer bleibt es spannend, die fortlaufende Entwicklung zu verfolgen, bis passende Lösungen für den Massenbedarf auf den Markt strömen.
Dreidimensionale PV-Module
Letztes Jahr (2023) sorgte der Hersteller Tipa mit einer PV-Neuheit für Furore, die Balkonkraftwerken und Solargeneratoren bald Konkurrenz machen sollen. Tipa’s dreidimensionale PV-Module sind zirkuszeltartige Gebilde, bei denen 6 Wände miteinander zu einem Sechseck (Hexagon) formiert werden. Die Innenflächen sind dabei mit Solarzellen ausgekleidet, während der Boden zur Leistungsmaximierung verspiegelt ist. Der prismenförmige Deckel der Konstruktion soll zusätzlich für eine optimalere Ausleuchtung im Inneren Sorge tragen.
Das bahnbrechende an dieser Konstruktion soll sein, dass die Erträge im Vergleich zu herkömmlichen PV-Modulen verdreifacht werden können. Wie auch Solargeneratoren verfügen die Module von Tipa über USB-Anschlüsse (mit jeweils 15 Watt) als Features für den auswärtigen Gebrauch. Ein Modul hat eine Leistung von 45 Wp, sodass man Einzelleistungen von handelsüblichen monofazialen Modulen oder einem Balkonkraftwerk erreicht, indem man circa 7 bis 15 Tipa-Modulen zusammenschließt. Der hervorragenden Portabilität steht aktuell aber noch der vergleichsweise hohe Anschaffungspreis von 56 € pro 45 Wp-Modul entgegen, der im Vergleich zu konventionellen PV-Modulen noch sehr hoch angesiedelt ist.
Attraktiv sind die kleinen PV-Kraftwerke, gemessen an Ihrer Grundkonzeption und Funktionsweise, aber für alle Nutzer, die Ihren eigenen PV-Strom gern überall mit hinnehmen möchten, zum Beispiel zu Ausflügen in die Natur und keine großen Bedarfe haben. Da die Module laut Herstellerangaben beliebig miteinander verbunden werden können, sollen Sie auch für Wohnwagen- und Wohnmobilbesitzer In Frage kommen. Um 1 kWp Gesamtleistung erzeugen zu können, müssen beispielsweise 23 Tipa-Module miteinander verbunden werden. Aktuell läuft noch bis Mai 2024 eine Kickstarter-Kampagne zur Finanzierung, die sich reger Beteiligung erfreut. Auch von der Regierung sind rund 560.000 Pfund beigesteuert worden. Inwieweit dann eine Serienproduktion angestoßen wird, ist noch unklar.
Hinblickend auf die Funktionsweise allgemein, die dreifache Erträge fördern soll, hat sich jedoch schon teilweise Skepsis eingestellt, unter anderem deswegen, weil dem Abstrahlungs- und Spiegelungseffekt der Konstruktion nur begrenzten Glauben geschenkt wird. Leistungsstarke Module verfügen nämlich eigentlich über Antireflexbeschichtungen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzeugen und Erzeugungsverluste durch absorbierte Strahlen zu unterbinden. Weiterführend wird der behauptete Wirkungsgrad der Module, der bei 60% liegen soll angezweifelt, da Module mit Silizium-Solarzellen eigentlich maximal 29,3% des einfallenden Lichts aufgrund Ihrer eingeschränkten Wellenbereiche nutzen können. Der Hersteller liefert aber keine konkreten Anhaltspunkte, dass er mit einer anderen Technologie als Silizium-Solarzellen arbeitet. Ob und wann die Technologie ausgereift und marktfähig ist, wird die Zeit zeigen. Nach Ende der Finanzierungsphase im Mai 2024 sollten die ersten Nutzungseindrücke das Bild zur neuen Technologie verfestigen.
Fraunhofer-Institut entwickelt Solarzelle mit 47,6% Wirkungsgrad
Im Mai 2022 ist dem deutschen Fraunhofer Institut ein Weltrekord in Bezug auf Photovoltaiktechnik gelungen. Das Münchener Forschungsinstitut hat eine Solarzelle mit einem bis dato unschlagbarem Wirkungsgrad von 47,6% entwickelt. Zentraler Hebel dafür war der Verbau einer neuen Antireflexschicht. In einer mehrere Jahre umfassenden Kooperationsarbeit wurde die Schichtstruktur von PV-Modulen komplett überarbeitet, optimiert und mit Augenmerk auf mehr Effizienz erforscht.
Im Endprodukt fanden neue Halbleitermaterialen aus unterschiedlichen Gallium-Indium- und Gallium-Arsenid-Verbindungen Anwendung. Über neue Kontaktschichten und eine innovative, vierlagige Reflexionsschicht gelang es den Forschern, Widerstandsverluste und Reflexionseffekte zu minimieren, da die Zellen einen höheren Wellenbereich aufwiesen, als herkömmliche Siliziumzellen und somit mehr Sonnenlicht verarbeiten konnten. Die Solarzellen wurden als Tandemsolarzellen konzipiert, die dann am ertragreichsten arbeiten, wenn die Sonnenstrahlen durch zusätzliche Linsen auf kleinste Flächen gebündelt werden.
Concentrated Photovoltaics / CPV-Technologie
Dieses Prinzip der Strahlenbündelung auf kleinste Flächen machen sich mittlerweile auch schon andere Hersteller zu Nutze, um Ihre PV-Technik mit mehr Leistungsfähigkeit auszustatten und diese Energieerwirtschaftungsform noch attraktiver und wirtschaftlicher zu machen. Damit schlagen Sie also zwei Fliegen mit einer Klappe: PV-Technik wird leistungsstärker UND beansprucht weniger Platz, sodass neue Kundensegmente erschlossen werden können.
Bei Ihren Experimenten fahren die Hersteller bereits Wirkungsgrade von circa 40% ein. Am Markt sind schon Module mit Wirkungsgraden von circa 30% erhältlich. Ähnlich wie bei den Forschungsaktivitäten des Fraunhofer Instituts kommen Halbleiter zum Einsatz, die sich amalgamartig aus Gallium, Indium und Germanium zusammensetzen. Sie legen dabei verschiedene Halbleiter schichtförmig übereinander und nutzen deren verschiedene Wellenbereiche aus, die sich in Summe zu einem größeren Gesamtspektralbereich erstrecken.
Perowskit-Zellen
Sie haben die Aufmerksamkeit von niemand geringerem als Bill Gates erweckt, der in diese Minerale investiert: Die Gruppe der Perowskite sind Titansäureester mit kristallinen Strukturen, die aus Anionen und Kationen bestehen und sich durch sehr gute elektrische Leitfähigkeiten auszeichnen. Die Herstellung der Perowskite ist außerdem vergleichsweise einfach und kostengünstig.
Laborversuche haben ergeben, das Perowskit-Solarzellen zukunftsfähige Wirkungsgrade zwischen fast 26% und 31% aufweisen. Auch ihr Spektralbereich ist höher als bei normalen Silizium-Solarzellen, sodass sie aus den Photonen des Sonnenlichtes mehr Energie herstellen können. Bill Gates unterstützt mit seinem Breakthrough Energy Ventures Fond das Unternehmen Cubic PV und seine 25 Millionen US-Dollar schwere Finanzierungskampagne. Dieses Unternehmen aus Massachusetts will Tandemsolarzellen mit Halbleiterschichten aus Silizium und Perowskit herstellen und damit serienmäßige Wirkungsgrade von 30% aufstellen. Auch eine neue Fabrik zur Silizium-Wafer-Herstellung mit 10 Gigawatt Leistung soll mit dem Geld entstehen. Nach aktuellem Forschungsstand weisen Solarzellen, die ausschließlich aus Perowskit als Halbleitermaterial bestehen, noch eine zu geringe Haltbarkeit auf, sodass Kombinationen mit anderen bewährten Halbleitermaterialien erst einmal alternativlos bleiben.
Auch europäische Hersteller erkennen die Innovationskraft hinter den Perowskit-Solarzellen, wie zum Beispiel Oxford PV. Stramm ambitioniert wollen die Briten, die auch ein Werk in Brandenburg unterhalten, Mehrschichthalbleiter-Solarzellen mit Wirkungsgraden von 37% entwickeln.
Während einige Forscher und auch der Erfinder der Perowskit-Solarzelle selbst, Tsutomu Miyasaka, sich des zukunftsweisenden Charakters der Photovoltaik-Neuheit sicher sind, existieren aktuell noch Gegenpositionen. Neben der bereits erwähnten geringen Haltbarkeit wachsen Perowskit-Kristalle unregelmäßig, wodurch keine ausreichende Stabilität gewährleistet werden kann. Weitere Kritikpunkte sind der rasche Leistungsverlust sowie die Verarbeitung von umweltschädlichem Blei. Auch hier wird die Zeit zeigen, wo die Reise für diese „Hoffnungsträger“ hingehen wird.
Weitere Technologien & Innovationen
Schwimmende Photovoltaik-Systeme sind schon in fernöstlichen Ländern wie China, Singapur und Thailand im Einsatz, teils mit erheblichen Leistungsvolumina von über 100 Megawatt. Vorteilhaft daran ist, dass die Module ständig mit Wasser gekühlt und damit vor Überhitzung geschützt werden können und keine Landflächen für Photovoltaik beansprucht werden, die für die Landwirtschaft oder den Wohnungsbau benötigt werden.
Als Überdach-Lösungen für Pflanzen-/Gemüsezuchtstätten spenden die Photovoltaikanlagen den Anbauprodukten genügend Schatten und versorgen diese über durchlässige Schichten mit ausreichend Licht und Wasser. Schutz bietet Agri-Photovoltaik den Pflanzen gegen Extremwetterlagen wie starke Winde, Hagel und Schnee.
Nicht einmal ein Millimeter dick ist sie und kann an Fensterscheiben und Fassaden anbebracht werden: Die Solarfolie soll Strom für all diejenigen erzeugbar machen, die auf dem Dach keinen Platz für Photovoltaik haben oder denen die Anschaffung zu teuer ist. Aber auch Photovoltaikbesitzer können mit Solarfolien Ihre Gesamtanlagenleistung aufbessern. Allerdings behindern die niedrigen Wirkungsgrade noch die ernst zu nehmende Verbreitung von Solarfolien. Südkoreanische Forscher von der University of Ulsan (UNIST – Ulsan National Institute of Science & Technology) konnten aber schon Solarfolien mit Wirkungsgraden von immerhin 12,2 % herstellen.
Auch diese auf den ersten Blick geniale Idee steckt, volksmündig ausgedrückt, technologisch noch in den Kinderschuhen. Den ersten wichtigen Markstein lieferte hier wieder das Fraunhofer Institut, dass 2019 ein Photovoltaik-Autodach präsentierte, welches Fahrten bis 10 km ermöglichte. Mittlerweile gibt es japanische Automodelle von Toyota und Hyundai, die über Solardächer verfügen, die im Jahr Leistungen liefern, mit denen man mehr als 1.000 km weit fahren kann. Ob andere Autohersteller diese Technologie für sich bald auch nutzen wollen, wird die Zukunft zeigen.
Photovoltaik vs. Solarthermie: Das sind die Unterschiede:
Viele Menschen fragen sich, worin der Unterschied zwischen Photovoltaik-Technik und Solarthermie liegt – manche verwenden beide Begriffe sogar synonym, ohne es zu merken und damit liegen sie falsch, denn Photovoltaik und Solarthermie sind eben nicht ein und dasselbe.
Beiden Systemen ist zunächst gemein, dass sie jeweils das Licht der Sonne als Energiequelle nutzen und die abgestrahlte Wärme adsorbieren, also über Kollektoren aufnehmen. Über verschiedene chemische und physikalische Vorgänge findet dann jedoch in den PV-Modulen der Photovoltaikanlagen eine Umwandlung der Sonnenergie in elektrischen Strom statt. Solarpanels von Solarthermieanlagen transformieren das Sonnenlicht dagegen in Warmwasserreserven für hausinterne Heizsysteme, wie zum Beispiel Fußbodenheizungen.
Photovoltaik
Photovoltaik funktioniert so:
Die Module, die sich aus vielen einzelnen Solarzellen zusammensetzen, nehmen eingangs die Photonen auf, welche die Sonnenstrahlen mit sich führen. Im Inneren der Solarzellen werden dann Elektronen angeregt, die elektrischen Strom mit einer Gleichspannung erzeugen und über lange elektrische Leiter transportieren. Dies führt dazu, dass die Spannung zunimmt.
Da elektrische Haushaltsgeräte jedoch nur mit Wechselstrom funktionieren, wird der vorhandene Gleichstrom im Wechselrichter noch in Wechselstrom konvertiert. Danach steht den Hausbesitzern der verwendungstaugliche Strom zur Verfügung.
Überschüsse können gegen Vergütung ins öffentliche Stromnetz eingeschleust werden. Optisch lassen sich Photovoltaik-Module leicht an Ihren quadratischen Musterungen erkennen.
Solarthermie
Eine etwas andere Funktionsweise verbirgt sich dagegen hinter der Solarthermie: Hier fällt das Sonnenlicht nicht auf leitfähige Zellen, sondern auf intelligente Röhrensysteme, die eine frostresistente Flüssigkeit auf Wasserbasis erhitzen.
Damit kann dann die gesamte Warmwasserversorgung im Haus sichergestellt werden, die als Raum- oder (Trink-)Wasserwärme in Erscheinung tritt. Im Regelfall sind dabei Wärmetauscher und/oder Wärmepumpen als Verteil- und Aufbereitungsmechanismen zwischengeschalten.
Anders als Photovoltaikmodule sind Solarmodule auf ihrer Oberfläche von Linien und nicht von Quadraten durchzogen.
In etwa 10 % aller Solarthermie-Anlagen in Deutschland werden nicht mit den bereits erwähnten Flachkollektoren, sondern mit Vakuumröhrenkollektoren betrieben. Diese Röhren sind von außen auffällig sichtbar. Im Inneren dieser Röhren befinden sich luftleere Kammern, die über einen Absorber die Sonnenenergie aufnehmen und über die durchströmende Solarflüssigkeit in thermische Energie umwandeln und an die wärmespendenden Medien im Haus abgeben. Vorteilhaft an Vakuumkollektoren ist ihr beeindruckender Wirkungsgrad, der sich auf mindestens 90% beläuft. In Folge beanspruchen Vakuumkollektoren weniger Platz, da für den gleichen Bedarf im Vergleich zu Flachkollektoren weniger Einheiten mit geringerer Fläche beansprucht werden.
Leider verhält es sich bei Vakuumkollektoren so wie bei allen leistungsstärkeren Produkten: Sie kosten beträchtlich mehr als Flachkollektoren und wiegen aufgrund der starken Röhren in etwa das 1,5 bis 2-Fache.
Kombinationen aus Photovoltaikanlagen und Solaranlagen
Beide Techniken können auch als Hybridvariante miteinander kombiniert werden. Zur Leistungs- und Effizienzsteigerung können nicht nur Solaranlagen, sondern auch Photovoltaikanlagen mit häuslichen Wärmepumpen verbunden werden. Wenn Sie diese Kombination auf Ihrem Dach anbringen wollen, müssen Sie jedoch beachten, dass die Teilfläche für die Photovoltaik-Module um ein Vielfaches größer sein muss, als die der Solarthermie-Module, weil Photovoltaiktechnik einen niedrigeren Wirkungsgrad von circa 7 % bis 26% hat. Solarthermie verfügt zumeist über einen Wirkungsgrad von 40 % bis 50%. Solarheizungen, also Kombination aus Photovoltaik und Wärmepumpe erreichen dagegen einen mittleren Wirkungsgrad, in etwa um 25 % bis 30 %.
Ein weiteres ausgeklügeltes System stellt die Kopplung von PV-Modulen mit einer Infratrotheizung dar. Diese Infrarotheizung benötigt Strom, den sie dann in wärmeintensive Strahlung umwandelt und direkt auf Gegenstände und die Personen, die sich im Haushalt befinden, überträgt. In Kombination mit ausreichender Lüftung können Probleme wie Schimmelbefall oder unzureichende Luftzirkulation reduziert werden. Vorteilhaft ist bei Infrarotheizungen, dass sie die Wärme im Raum gleichmäßiger verteilen und weniger unterschiedlich temperierte Luftschichten entstehen. Wird die Infrarotheizung mit dem Strom aus Ihren PV-Modulen versorgt, sparen Sie neben Stromkosten auch noch zusätzlich Heizkosten ein.
Welche Investition lohnt sich mehr - Photovoltaik oder Solarthermie?
Zu dieser brennenden und berechtigten Frage können wir Ihnen eine entschiedene Antwort liefern:
Investieren Sie lieber in Photovoltaiktechnik anstatt in Solarthermie!
Das liegt daran, dass Sie mit der Photovoltaiktechnologie auf Ihren Dächern einen viel größeren Funktionsumfang erhalten, als mit Solarmodulen. Zeitgenössische PV-Anlagen sind mittlerweile sowohl dazu in der Lage, umweltfreundlichen Strom zu generieren, als auch die Warmwasserversorgung sicherzustellen. Solarthermie ist nur zu Letzterem im Stande.
Jeder, der im Haus über einen Heizstab, eine Wärmepumpe oder einen Wärmespeicher verfügt, kann den gewonnenen Strom für die Wassererwärmung nutzen, womit Sie den Eigenverbrauchsanteil Ihres Stroms steigern und damit einhergehend auch die Rentabilität Ihrer PV-Anlage. Der elektrische Strom transportiert eine gewaltige Menge an Wärme mit sich, die er dann an die genannten Schnittstellen abgibt.
Der entscheidende Vorteil gegenüber Solarthermie besteht bei der PV-basierten Lösung darin, dass nicht extra separate Leitungen für die Transportflüssigkeiten (s.o.) gelegt werden müssen. Im Zuge der vielfältigeren Einsetzbarkeit von PV-Energie ist Photovoltaiktechnik gegenüber Solarthermie nicht nur zukunftsfähiger, sondern auch wirtschaftlicher und kann die Kosten für extern zugeführte Energie noch besser eindämmen, da insbesondere Stromkosten nachhaltig ansteigen.
Wer von Ihnen also seine Photovoltaikanlage zusätzlich mit Stromspeichern ausrüstet und an hauseigene Wärmesysteme koppelt, kann seinen Eigenverbrauch mehr als verdoppeln und Eigenverbrauchsquoten von bis zu 85% erreichen!
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