(WK-intern) – Soll die Energiewende gelingen, ist der zügige Ausbau erneuerbarer Energien ein Muss. Eine Schlüsselrolle nimmt dabei die Photovoltaik ein, die vom 15. bis 18. November auf der EnergyDecentral 2022 von den ausstellenden Unternehmen intelligent und vernetzt gedacht wird. Die Fachmesse für die dezentrale Energieproduktion findet zeitgleich mit der EuroTier in Hannover statt und bietet einen Überblick über die aktuellen Trends in der Solarstrombranche und liefert Antworten auf die Frage, welche Potenziale sich daraus für eine autarke und klimaneutrale Energieversorgung ergeben.
 
Mit Blick auf die Lösungen der EnergyDecentral 2022 zeigt sich: Photovoltaikanlagen sind heute leistungsfähiger denn je und nutzen das Sonnenlicht besser, als es noch vor einigen Jahren der Fall war. Hocheffiziente monokristalline Solarmodule haben inzwischen weltweit einen höheren Marktanteil als multikristalline Module. Exemplarisch dafür stehen die sogenannten PERC-Module, die auch im Rahmen von Aufdachanlagen in der Landwirtschaft immer mehr Aufmerksamkeit erfahren. Die Abkürzung steht für „Passivated Emitter and Rear Cell“ – eine Technologie, die den Wirkungsgrad auf über 24 Prozent erhöht, indem sie einen Teil des Lichts, das bis zur Rückseite der Zelle gelangt, wieder in die Zelle reflektiert.
 
Solaranlagen sind gefragt wie nie
Die Aussteller auf dem Messegelände in Hannover, die sich auf die Projektierung, Installation und Wartung privater wie gewerblicher PV-Anlagen spezialisiert haben, treffen gegenwärtig auf einen Wachstumsmarkt. Im März 2022 waren auf deutschen Dächern und Grundstücken 2,2 Millionen Photovoltaikanlagen mit einer Nennleistung von insgesamt 58.400 Megawatt installiert. Mit ihnen konnten im 1. Quartal rund 8,8 Milliarden Kilowattstunden Strom aus Sonnenlicht ins Netz eingespeist werden – 34,7 Prozent mehr als im 1. Quartal 2021. Auch Marcus Vagt, Projektleiter der EnergyDecentral, nimmt ein gesteigertes Interesse an Photovoltaik wahr. Er bestätigt: „Die Effizienz moderner Solarmodule ist im Laufe der vergangenen Jahre deutlich gewachsen. Mit jeder Kilowattstunde Strom, welche Besitzer einer Photovoltaikanlage selbst erzeugen und verbrauchen, sparen sie im Vergleich zum Netzbezug Geld.“ Der Trend gehe weg von der klassischen reinen Solaranlage hin zu einem System, welches dafür sorgt, dass der Solarstrom bestmöglich genutzt wird. „Wer dann zusätzlich in einen Batteriespeicher investiert, macht sich langfristig unabhängiger von steigenden Strompreisen“, so der Experte von der DLG. Die Kombination aus Solaranlage, Stromspeicher, ergänzt um eine Wallbox, ist folglich einer der Trends, den die Technologieanbieter im Hannover in den Vordergrund rücken. „In gewerblichen und landwirtschaftlichen Bereichen erfreuen sich derartige netzunabhängige PV-Anlagen immer größerer Beliebtheit, nicht zuletzt auch aufgrund der jüngsten Turbulenzen an den Energiemärkten“, erläutert Vagt.
 
Nach wie vor basiert die PV-Technologie auf Silizium und dem Grundsatz: je mehr Solarzellen, desto mehr Strom erzeugen die Module. Ein neuer Weg ist die Teilung in Halbzellen. Dabei wird das Modul in zwei Zwillingshälften geteilt, bei denen die Solarzellen in Reihe geschaltet und in mehreren Strings segmentiert sind. Mit der Nutzung der Halbzellentechnologie lässt sich ein rund zwei bis drei Prozent höherer Solarertrag erzielen. Zudem ist das Verschattungsverhalten deutlich besser – wird nur eine Hälfte des Moduls verschattet, erbringt die andere Modulhälfte weiterhin ihre volle Leistung.
 
Im Tandem zu neuen Effizienzrekorden
Soll mehr Sonnenlicht in Elektrizität verwandelt werden, reicht es aber nicht, einfach die Fläche der Solarmodule zu vergrößern. Man muss vor allem ihren Wirkungsgrad erhöhen. Und hier sind sich die Branchenexperten einig: Mit Silizium allein lassen sich weitere Steigerungen bei den Wirkungsgraden kaum mehr erzielen. Wegen der physikalischen Materialeigenschaften liegt die theoretische Grenze solcher Module bei 29,3 Prozent. Große Hoffnungen ruhen momentan deshalb auf den Tandemzellen (Multi-Junction Solar Cells) – eine Technologie, mit der sich auch ein Team am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE beschäftigt. Dank einer neuen Antireflexbeschichtung ist es den Forschenden aus Freiburg gelungen, die Effizienz der bisher besten Vierfachsolarzelle von 46,1 auf 47,6 Prozent zu erhöhen.
 
Was nach einem kleinen Schritt kling, ist ein Meilenstein, denn gegenwärtig gibt es keine effizientere Solarzelle auf der Welt. Dabei handelt es sich um eine obere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), die auf eine untere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) gebondet wurde. Die Solarzellenschichten wurden mit verbesserten Kontaktschichten und einer vierlagigen Antireflexionsschicht versehen. Hierdurch sinken Widerstandsverluste ebenso wie die Reflexion an der Vorderseite der Zelle, welche in einem breiten Spektralbereich von 300 bis 1.780 Nanometern empfindlich ist. Herkömmliche Solarzellen aus Silizium absorbieren das Sonnenlicht nur bis zu einer Wellenlänge von 1.200 Nanometern und benötigen damit keine solch breitbandige Entspiegelung. „Zu den Anwendungsmöglichkeiten solcher höchsteffizienten Tandemsolarzellen gehören Konzentrator-Photovoltaik-Systeme, die in sonnenreichen Ländern zur effizienten Energieerzeugung beitragen. Mit der Tandemphotovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen“, sagt Prof. Dr. Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik Forschung am Fraunhofer ISE.
 
Digital und intelligent in die Zukunft
Die PV-Anlage von morgen ist digital und intelligent. KI-gestützte Systeme erlauben künftig eine frühzeitige Erkennung und Behebung von Störungen und eine automatische Ertragsoptimierung. Wie groß der Optimierungsbedarf ist, hat eine Studie des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg gezeigt. Rund acht Prozent der europäischen Solarmodule laufen demnach nicht bei voller Leistung. „Neben falsch eingestellten oder defekten Modulen können auch Umwelteinflüsse wie Staub, Pollen, Vogeldreck oder hochwachsende Bäume und Gräser dazu führen, dass die Anlagen weniger Strom liefern als eigentlich möglich wäre“, erklärt Dr. Claudia Buerhop-Lutz, Wissenschaftlerin am Helmholtz Institut, einer Einrichtung des Forschungszentrums Jülich. Mit moderner Messtechnik ist es prinzipiell heute schon möglich, fehlerhafte und nicht voll ausgelastete Module aufzuspüren, beispielsweise durch thermografische Analysen mit Drohnen aus der Luft. Doch die Verfahren sind teuer und aufwändig.
 
Künftig sollen KI-Messinstrumente mögliche Performance-Defizite unmittelbar an Ort und Stelle direkt aus den Monitoring-Daten der Solarmodule herauslesen – ein Ziel, das die Forschenden am Helmholtz-Institut mit dem Verbundprojekt Dig4morE verfolgen. Mithilfe des maschinellen Lernens wollen sie so Leistungsdefizite und Defekte frühzeitig erkennen. Für die Entwicklung der Algorithmen stehen Daten von insgesamt elf Solarparks zur Verfügung, die über ganz Europa verteilt sind. Je nach Anlagentyp und Umgebung liegen unterschiedliche Problemfelder für die Solarmodule vor. „Im mitteldeutschen Hessen spielen andere Faktoren eine Rolle als an der portugiesischen Westküste, wo die starken Winde die Module zum Schwingen bringen“, erläutert Buerhop-Lutz. Gegen Ende des Jahres sollen erste Ergebnisse vorliegen, aus denen sich dann Best-Practice-Beispiele und Empfehlungen für großflächige Solarparks ableiten lassen, beispielsweise um Wartungsarbeiten wie Reinigungsmaßnahmen wirtschaftlich zu planen.
 
Plattform für die Trends der PV-Branche
Doch damit ist das Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht. Künftig kann der Betreiber einer PV-Anlage in Bezug auf Witterungsverhältnisse und Verbrauchsgewohnheiten auf der Grundlage von Big-Data-Analysen die Stromerzeugung und den Stromverbrauch exakt vorhersagen. Entsprechend kann die KI das Laden und Entladen des Energiespeichers für verschiedene Szenarien – sonnige, bewölkte oder regnerische Tage – optimal steuern. So kann der Stromertrag in jedem Szenario maximiert und der Anteil für den Eigenverbrauch effektiv erhöht werden. Was die Künstliche Intelligenz noch alles für die Sonnenenergie bereithält, zeigt sich vom 15. bis 18. November auf der EnergyDecentral, wenn die Technologieanbieter ihre Produkte und Dienstleistungen aus den Bereichen Photovoltaik präsentieren. Auch die Themen Floating PV, auf Gewässer schwimmende PV-Anlagen und Agri-PV, Solaranlagen in Kombination mit landwirtschaftlich genutzten Flächen, sind auf dem Messegelände in Hannover vertreten.
 
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