Höchste Effizienz für die Energiewende
Hocheffiziente Solarzellen, nahezu verlustfreier Stromtransport, innovative Energiespeicher: Das WSS100-Finalprojekt «Solarenergie» schlägt vor, diverse neue Technologien zu entwickeln, um die Energiewende zu beschleunigen.
Die Solarenergie boomt. Sie gilt als wichtigster Pfeiler eines zukünftigen CO2-neutralen Energiesystems. Um den Energiehunger der Welt zu stillen, werden in Zukunft riesige Photovoltaik-Flächen benötigt. «Ab 2037 rechnen wir mit einem jährlichen Zubau von 3,4 Terrawatt an neuen Solarmodulen. Das entspräche bei heutiger Technologie einer Modulfläche, die grösser ist als ein Drittel der Landesfläche der Schweiz», sagt Frank Dimroth vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg (D).
Das bedeutet nicht nur einen riesigen Flächen-, sondern auch einen enormen Material- und Energieverbrauch. Zumal es mit der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom nicht getan ist, wie Andreas Bett vom ISE Freiburg und von der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg ergänzt. «Es braucht Systeme, um den Strom zu transportieren – oder um mit seiner Hilfe Energieträger wie Wasserstoff oder Synthesegase herzustellen.»
Ein Team um Dimroth und Bett hat für seinen WSS100-Antrag ein Konzept ausgearbeitet, um für eine nachhaltige Energiewende effizientere und ressourcenschonendere Technologien zu entwickeln. Ein erster Schwerpunkt liegt auf der Photovoltaik. Heutige Solarzellen bestehen meist aus kristallinem Silizium. Ihr Wirkungsgrad ist aus physikalischen Gründen auf unter 30 Prozent beschränkt und die Aufreinigung des Siliziums ist ein energieintensiver Prozess.
Ultradünne Solarzellen
Das Freiburger Team schlägt eine effizientere und ressourcenschonendere Alternative vor: die sogenannte III-V-Tandem-Photovoltaik. Bei ihr bestehen die Solarzellen aus mehreren Halbleiterschichten, die sich aus Elementen der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems zusammensetzen; zum Beispiel Gallium, Indium, Arsen oder Phosphor. Weil jede der Schichten einen anderen Anteil des Sonnenlicht-Spektrums aufnimmt, erreichen solche Tandemsolarzellen sehr hohe Wirkungsgrade. «Man kann mit ihnen ungefähr ein Drittel mehr Leistung pro Fläche herausholen», sagt Frank Dimroth.
Gleichzeitig sollen diese Solarzellen ultradünn werden, um mit extrem geringen Materialmengen auszukommen. Eine heutige Silizium-Solarzelle ist etwa 150 Mikrometer dick; künftige III-V-Halbleiter sollen noch 1,5 Mikrometer messen. Hierfür haben die Forschenden eine Methode entwickelt, mit der sich die dünnen Halbleiterschichten von ihrem Wachstumssubstrat ablösen lassen. So kann dieses mehrfach wiederverwendet werden, was wertvolle Ressourcen einspart.
Besonders vielversprechend ist die Kombination der III-V-Halbleiter-Tandemsolarzellen mit einer weiteren Technik, der hochkonzentrierenden Photovoltaik (CPV). Dabei verstärken kostengünstige Linsen das Sonnenlicht tausendfach, bevor es durch eine winzige Solarzelle in Strom umgewandelt wird. «Wir brauchen dafür zwar etwas Silikon auf Glas, um die Linsen zu bauen, aber dafür 1000 Mal weniger Halbleitermaterial», sagt Andreas Bett. Das Freiburger Team hat kürzlich eine solche CPV-Solarzelle hergestellt, die unter 665-fach konzentriertem Sonnenlicht einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent erreicht – ein Weltrekord. Insgesamt, schätzen die Forschenden, lässt sich der Energieverbrauch für die Solarzellen-Produktion mit den neuen Techniken um 75 Prozent verringern.
Wasserstoff und Synthesegase
Wer Solarstrom produziert, muss diesen auch ins Verteilnetz einspeisen können. Dieser Stromtransport ist ein zweiter Schwerpunkt des Teams. Eine Idee ist es, auf die Transformation von Gleichstrom in Wechselstrom zu verzichten und erhöhte Spannungen in Solarzellen, Modulen und Leitungen zu realisieren. «Das vermindert die Widerstandsverluste, man kann dünnere Kabel verwenden», erklärt Andreas Bett. So lassen sich grosse Mengen von Kupfer und Aluminium einsparen, insbesondere wenn die Nutzung der Energie wiederum Gleichstrom benötigt, so wie es zum Beispiel bei der Elektrolyse der Fall ist.
Gerade die hochkonzentrierende Photovoltaik funktioniert dort sehr gut, wo die Sonneneinstrahlung intensiv ist – also etwa im südlichen Afrika oder in Australien. Solche Länder eignen sich auch bestens, um die günstige Sonnenenergie in Wasserstoff oder andere Energieträger umzuwandeln, die gut transportier- und speicherbar sind.
Hier setzen die Forschenden aus Freiburg weitere Schwerpunkte. Ihr Ziel ist es einerseits, neue Systeme für die Wasserstofferzeugung zu erforschen, allen voran Elektrolyseure mit einer ionenleitenden Membran, welche die Wasserstoffseite von der Sauerstoffseite trennt. «Wir werden neue Polymere für stabile, umweltfreundlichere Membranen entwickeln und verbinden diese mit Katalysatoren aus unkritischen Metallen wie Nickel und Eisen», sagt Frank Dimroth.
Nachgelagert sollen nachhaltige und energiesparende Syntheseprozesse entwickelt werden, die Moleküle wie Ammoniak, Methanol oder Dimethylether erzeugen. Mit solchen Molekülen lässt sich Wasserstoff – und damit Energie – speichern und über weite Strecken transportieren.
Höchste Effizienz, Hochspannung und innovative Technologien: Das sind die Komponenten, mit denen die Freiburger Forschenden die Energiewende beschleunigen wollen.
