Technologie

Wenn Solarzellen auch Wärme nutzen

10.05.2022 - Hybride Solarsysteme erreichen höhere Wirkungsgrade.

Erzeugen technische Geräte oder Prozesse ungenutzte Energie wie Abwärme oder Vibration, kann diese durch „Energy Harvesting“-Systeme in Elek­trizität umgewandelt werden. Die Technik dafür ist allerdings teuer und unzuverlässig. Im inter­nationalen Projekt Fast-Smart werden daher preiswerte und nachhaltige Materialien und Systeme für das Energy Harvesting entwickelt, die einen höheren Wirkungs­grad erzielen sollen. Die TH Köln ist im Vorhaben für die Implementierung der neuen Komponenten in konventionelle Photovoltaik­technik zuständig.

Beim Energy Harvesting werden Energie­quellen wie Licht, Umgebungs­temperatur oder Vibration mit Hilfe von geeigneten Wandlern in elektrische Energie umgesetzt. Die dafür notwendigen Materialien und Strukturen enthalten jedoch je nach Art des Wandlers seltene Rohstoffen wie Hafnium oder umwelt­kritische Substanzen wie Blei. „Es fehlen bisher effiziente Fertigungsprozesse, um für das Energy Harvesting zuverlässige Werkstoffe ohne seltene Elemente preiswert herzustellen“, sagt Christoph Hartl von der TH Köln. Zudem arbeiteten aktuelle Systeme aufgrund von Ausfällen, etwa durch Feuchtigkeit oder Korrosion, noch recht unzu­verlässig und ineffi­zient. In Fast-Smart arbeiten deshalb dreizehn internationale Kooperations­partner an neuen Werkstoffen und Kompo­nenten mit höherer Leistungsfähigkeit, für die keine seltenen Elemente benötigt werden und die zudem zuverlässig sowie wieder­verwertbar sind. Darüber hinaus werden neue hocheffiziente Herstellungs­verfahren erprobt und Energy Harvesting-Prototypen entwickelt.

Das Kölner Projektteam ist für die Imple­mentierung der neuen Materialien und Komponenten in konven­tionelle Photovoltaik­technik zuständig. Die Schwerpunkte liegen hierbei auf der Gestaltung seriennaher Fertigungs- und Montage­konzepte. „Eine besondere Heraus­forderung ist es, kostengünstige, aber langlebige und effiziente Fertigungslösungen zu liefern“, so Hartl. Photovoltaik alleine erlaube es nach neuesten Studien bereits heute, Strom zu Kosten von etwa drei bis elf Cent je Kilowattstunde zu erzeugen und zähle damit zu einer der günstigsten Energie­erzeugungs­formen, erläutert Hartl. „Solarpanels erwärmen sich aber im Betrieb, wodurch deren Wirkungsgrad verringert wird. Diese Erwärmung wird durch die Integration der Energie Harvesting-Systeme abgebaut. Das führt zu einer Steigerung der Energie­effizienz des Gesamtsystems in der Größenordnung von voraus­sichtlich 20 bis 25 Prozent und gibt Spielraum für Investitionen in hybride Ergänzungen.“

Erste Tests an Prototypen, die klassische Solarzellen mit Energy Harvesting-Komponenten zur Nutzung der Restwärme verbinden, verdeut­lichen das Potential der hybriden Technik: „Wir konnten dabei bereits einen um etwa 20 Prozent gesteigerten Ertrag an elektrischer Energie nachweisen“, sagt Hartl. Die Techno­logie soll nun in weiteren Schritten optimiert werden. Zudem ist vorgesehen, dass IoT-Elemente (Internet of Things) mit Sensoren zur Überwachung von Photovoltaik­anlagen und Elemente zur Daten­übertragung integriert werden, die mit Hilfe des Energy Harves­tings autonom versorgt werden können. „Das ist ein enormes Potential dieser Techno­logie: Durch die Möglichkeit, Anwendungen mit geringem Energiebedarf selbstständig mit Elek­trizität aus dem Energy Harvesting und damit vollständig kabel- und bat­terielos zu betreiben, werden Systeme unkom­plizierter und vor allem auch nachhaltiger“, so Hartl.

TH Köln / JOL

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