Solar-Innovationen für mehr Strom

(MP) Fachleute zeigen sich überzeugt: Die Leistung von Photovoltaik wird weiter steigen. Das heisst mehr elektrischer Strom bei gleichbleibender Gesamtmenge und gleichbleibendem Flächenanspruch von Photovoltaik-Modulen.

Grosse Erwartungen ruhen auf neuen Perowskit-Solarzellen. Sie bestehen aus ferroelektrischen Materialien wie Bariumnitrat, Strontium- und Calciumnitrat, die positive und negative Ladungen besitzen. Der Wirkungsgrad wird mit über 29 Prozent als beachtlich bezeichnet. Herkömmliche kristalline Solarmodule erreichen lediglich 15 bis 22 Prozent. Allerdings sind Perowskit-Solarzellen heute noch anfällig für Umwelteinflüsse und besitzen eine kürzere Lebensdauer als ihre kristallinen Pendants.

Auch in der Schweiz sind Solar-Innovationen zu verzeichnen: Der Start Up Insolight in Renens hat Module entwickelt, die das Sonnenlicht mit speziell geformten Glaskörpern bündeln. Auch hier ist von einem Wirkungsgrad von 29 Prozent die Rede, die Marktreife ist aber noch nicht erreicht. Der aktuelle Betrieb einer Pilotanlage stimmt zuversichtlich.

Bifaziale Photovoltaik-Module – Strom von vorn und von hinten

Bereits etabliert hat sich eine weitere Solar-Innovation: bifaziale Photovoltaik-Module. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl auf der Vorder- wie auch auf der Rückseite Strom produzieren – bifazial bedeutet so viel wie zwei Oberflächen. Die gleiche Menge an Modulen kann durch die Verdoppelung der «Produktionsfläche» wesentlich mehr elektrischen Strom produzieren. Während die Vorderseite wie bei konventionellen Photovoltaik-Modulen direkt vom Sonnenlicht bestrahlt wird, nutzt die Rückseite die Reflektion dieses Lichts. Dies bedingt, dass die Sonnenstrahlen die reflektierenden Flächen in der Nähe der Module erreichen können.

Entweder geschieht dies durch die Abstände zwischen den Modulen oder durch transparente Glaszwischenräume. Es kann aber auch diffuses, zenitales Himmelslicht sein, das auf die betreffende Oberfläche fällt und von ihr reflektiert wird. Faktoren wie die Albedo (das Rückstrahlvermögen) und der Abstand des Moduls vom Hintergrund bestimmen, wie hoch der Mehrertrag auf der Rückseite ist. Dabei gilt allgemein: je grösser der Abstand des Moduls zur reflektierenden Oberfläche, desto höher der Albedo. Desto grösser ist dann auch der Mehrertrag des Photovoltaik-Moduls. Vor allem morgens und abends und im Winter, wenn die Sonne sehr flach steht, kann die Rückseite einen bedeutenden Beitrag an die Stromproduktion leisten. Mit optimalen Bedingungen kann man mit dieser Solar-Innovation gegenüber monofazialen Photovoltaik-Modulen Mehrerträge von über 25% erwarten.

Besonders hohe Erträge versprechen verschneite Oberflächen durch reflektierende Schneedecken. Bei der Planung ist zu berücksichtigen, dass zwischen den Modulen und dem reflektierenden «Hintergrund» ein Raumbedarf besteht. Dachintegrierte Module können also nicht bifazial sein. Ein beliebter Anwendungsort für Bifaziale Photovoltaik-Module sind offene Carports, bei denen der Boden als reflektierende Fläche genutzt wird. Sinnvolle Anwendungsorte sind auch Treibhäuser oder Wintergärten.

Bidirektionales Laden – Versorgung aus der Autobatterie

Das zweite zukunftsträchtige «bi» betrifft nicht direkt die Photovoltaik, sein Erfolg ist aber ohne sie auch schwer vorstellbar. Beim bidirektonalen Laden handelt es sich zumindest im weiteren Sinn um eine Solar-Innovation: Es geht um die Speichermöglichkeiten des elektrischen Stroms – der natürlich idealerweise aus erneuerbaren Energiequellen kommt, und in diesem Fall sicher häufig von der Sonne.

Wie das erwähnte Anwendungsbeispiel Carport für bifaziale Module andeutet, ist es in vielen Situationen sinnvoll, die Elektromobilität mit der Stromerzeugung mittels Photovoltaik zu kombinieren. Denn die Batterie des Elektroautos kann die erzeugte Sonnenenergie speichern und sie zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung stellen. Die Grundidee des bidirektionalen Ladens ist einfach: Das Auto verwandelt sich vom Fahrzeug zur Stromversorgerin einer Liegenschaft. Seine Ladestation wird damit zur Strom-Abgabestelle.

Für das bidirektionale Laden bedarf es eines Lastmanagementsystems. Dieses koordiniert das Aufladen des E-Autos mit dem Verbrauch im Haushalt, oft auch mit der Stromproduktion über Photovoltaik und allenfalls zusätzlich mit dem Aufladen eines stationären Speichers. Es sorgt dafür, dass zu jenem Zeitpunkt viel Elektrizität für das Laden verwendet wird, wenn im Haushalt wenig Energie bezogen wird. Im umgekehrten Fall drosselt das System das Laden oder stellt es vorübergehend ganz ein, wenn der Solarstrom anderweitig gebraucht wird. Zudem kann das Lastmanagementsystem eben auch bestimmen, wann es sinnvoll ist, die Flussrichtung des Stroms umzukehren: vom Auto ins Haus.

Bidirektionales Laden steckt noch in den Kinderschuhen

So einfach das Prinzip tönt, die Umsetzung ist relativ komplex, wie der Bezug zum Lastmanagementsystem andeutet. So empfangen die Batterien von Elektrofahrzeugen beim Laden Gleichstrom. Beim Weg zurück in das Gebäude muss der Gleichstrom wieder in den dort verwendeten Wechselstrom umgewandelt werden, wozu es so genannte Wechselrichter braucht. Diese Rückwandler sind entweder im Auto selbst untergebracht oder in die bidirektionale Wallbox, die Ladestation, integriert. Es gibt in der Zwischenzeit auf dem Markt ein gutes halbes Dutzend Typen von Elektroautos, die bidirektional ladefähig sind. Ob dies der Fall ist und welches die Voraussetzungen für den bidirektionalen Ladebetrieb sind, muss beim Autokauf explizit abgeklärt werden.

So verheissungsvoll das bidirektionale Laden ist, es gibt rund darum noch viele Unklarheiten. Bei der Frage nach dem Einfluss des bidirektionalen Ladens auf die Lebensdauer der Autobatterie gehen die Meinungen beispielsweise noch auseinander. Teilweise wird von einer Beeinträchtigung der Lebensdauer durch das vermehrte Laden und Entladen gewarnt, teilweise vertritt man die Meinung, dass das bidirektionale Laden sogar das Potenzial hat, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, weil sie öfter im idealen Ladezustand ist.

In rechtlicher Hinsicht sind noch viele Fragen offen. Abgesehen von der internationalen Norm ISO 15118-20 gibt es keine einheitlichen Regulierungen und rechtlichen Rahmenbedingungen. Aktuell wird bei der Frage, ob und wann bidirektionale Ladevorrichtungen erlaubt ist, oft schlicht die Meinung vertreten, dass das bidirektionale Laden nicht verboten ist. Es gibt auf Gesetzesebene offenbar noch Lücken. Politik und Gesetzgebung müssen in der Schweiz noch konkrete, verbindliche Aussagen über die Bedeutung dieser Form des Energiemanagements machen.

Häufige Fragen