Sonnenenergie effizienter nutzen: Doppelnutzung und Tandemlösungen als mögliche Gamechanger im Klimawandel

„2030 will Österreich seinen Strombedarf zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien decken und ab 2040 klimaneutral sein. Um diese Ziele zu erreichen, braucht es einen Ausbau der PV-Anlagen bis 2030 von mindestens 11 Terrawattstunden (TWh) und bis 2040 von 41 TWh. Derzeit liegen wir in Österreich mit einer Leistung von 6,3 TWh und können damit ca. 10 % des Gesamtstrombedarfs und etwa knapp 2 % des Gesamtenergiebedarfs decken. Damit uns der Ausbau der Solarenergie jedoch besser gelingt, braucht es Innovationen. Wir sehen hier spannende Entwicklungen, allen voran in Tandem-Solarzellen, die eine höhere Ausnutzung der Sonnenenergie versprechen, visionäre Doppelnutzungskonzepte, die PV-Anlagen mit anderen Anwendungen kombinieren, und standortoptimierte Module, die so für mehr Langlebigkeit sorgen können,“ erklärt DI Dr. Gabriele C. Eder, Vorstandsmitglied der Austrian Technology Plattform Photovoltaic und Kongresspräsidentin der European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC).

Agri-Photovoltaik: bis zu 60 % mehr Effizienz durch Doppelnutzung

Die Landwirtschaft profitiert von der Doppelnutzung durch die so-genannte Agri-Photovoltaik. „Bei Agri-Photovoltaik wird der Nutzpflanzenanbau oder die Weidefläche mit PV-Anlagen kombiniert. So werden die Flächen effizienter genutzt, während die Solarmodule positiven Einfluss auf Ertragssicherheit und Mikroklima haben“, erklärt Eder. Die Verschattung durch die Module reduziert die Wasserverdunstung und kann den Bewässerungsbedarf um bis zu 20 % senken. Gleichzeitig kann, je nach Bauart der Module, die PV-Anlage die Böden und die Ernte vor Hagel,- Frost-, Dürreschäden und Winderosion schützen. „Hinzu kommt auch der Vorteil der Ausbeute. Gemische Flächennutzung – beispielsweise statt 1 Hektar Ackerland und 1 Hektar PV-Park nun 2 Hektar gemischte Fläche – kann die Effizienz der Energie- und Ernteausbeute um je bis zu 60 % steigern,“ erklärt die Expertin. In der Steiermark nutzen Obstplantagen so Agri-PV bereits als Hagelschutz und im Burgenland sorgt Agri-PV dafür, dass die Pflanzen in trockenen Gebieten mehr Bodenfeuchte haben. Noch werden viele Kombi-Pflanzprojekte wissenschaftlich begleitet, um herauszufinden, bei welchen Nutzpflanzen die kombinierte Nutzung besonders vorteilhaft ist. Bei der Weidetierhaltung bieten sich vor allem kombinierte Lösungen für Schafe, Ziegen, Geflügel und Bienen an.

Doppelnutzungskonzepte mit Infrastruktur als Win-Win-Situation

Gerade angesichts beschränkter Raumverfügbarkeit bieten kombinierte Doppelnutzungskonzepte mit anderer Infrastruktur neue Lösungen für den Ausbau von PV-Anlagen. So gibt es große Fortschritte für gebäudeintegrierte PV-Systeme, bei denen die PV-Module Teil der Gebäudehülle sind und deren Funktionen wie Witterungsschutz und Lichtmanagement übernehmen. Auch PV-Lärmschutz, PV-Anlagen auf Industriegebäuden, PV-Parkplatzüberdachung und PV-Überdachung an Haltestellen des öffentlichen Verkehrs sind stark im Kommen. „Für mich ist der PV-Parkplatz ein gutes Beispiel der Win-Win-Situation. Die Autos werden durch die PV-Anlage vor der Witterung geschützt, es werden wichtige Schattenplätze geschaffen und die durch die PV-Anlage gewonnene Energie kann gleich für das Auftanken von E-Fahrzeugen verwendet werden“, so die Expertin.

Österreichs größte schwimmende PV-Anlage versorgt 7.500 Haushalte

Doppelnutzung ist auch bei Schotterteichen, Speicherseen und Inseln mithilfe von schwimmenden PV-Anlagen möglich. In Grafenwörth wurde so kürzlich auf der brachliegenden Fläche eines Schotterteiches die größte schwimmende PV-Anlage Österreichs in Betrieb genommen, die nun 7.500 Haushalte mit Strom versorgt. Auch Stauseen bei Wasserkraftwerken oder Wasserbecken von Schneekanonen bieten sich für die Nutzung von schwimmenden PV-Anlagen an.

Tandem-Lösungen schaffen bis zu 1/3 höheren Wirkungsgrad

„Tandem-Solarzellen bestehen nicht nur aus einem Absorbermaterial, sondern aus zwei Materialien, die einen unterschiedlichen Absorptionsbereich der Sonne nutzen. Da jedes Absorbermaterial einen anderen Bereich des Sonnenspektrums nutzt, haben sie gemeinsam eine höher Gesamteffizienz“, so Eder. Schaffen herkömmliche, kommerzielle Solarmodule, die auf der bewährten kristallinen Siliziumtechnologie basieren, eine Effizienz von 22 bis 25 Prozent der Sonnenenergie, können Tandem-Solarzellen mithilfe eines weiteren Absorbermaterials im Labor bereits eine bemerkenswerte Effizienz von 34,6 Prozent erreichen. Das entspricht einem um bis zu einem Drittel höheren Wirkungsgrad. Sehr vielversprechend ist hier eine zusätzliche Schicht mit Perowskiten. „Obwohl hier in der Forschung schon sehr viel passiert ist, brauchen wir noch, bis diese Technologie auf einem industriellen Niveau ankommen kann. Grund dafür ist, dass hier noch an der Langzeitstabilität des zweiten Absorbermaterials für eine Jahrzehnte lange Lebensdauer gearbeitet werden muss,“ erklärt Eder.

Mehr Langlebigkeit durch standortspezifische PV-Anlagen

Wichtig für die Langlebigkeit von PV-Anlagen ist, sich nicht nur von den Kosten treiben zu lassen, sondern auch auf die Qualität zu achten. Die zunehmende Verbreitung von PV-Systemen in unterschiedlichen Klimazonen und unter unterschiedlichen Bedingungen weltweit hat gezeigt, dass es wichtig ist, nicht überall die gleichen PV-Module zu verwenden, sondern dass sich die PV-Module an die spezifischen Standortanforderungen wie etwa Temperatur, Feuchtigkeit, UV-Strahlung und Wetterbedingungen orientieren sollten. „In Gebieten, wo mit hoher Schneelast oder viel Hagel zu rechnen ist, braucht es beispielsweise PV-Module mit dickeren Glasfrontscheiben, während es in Wüstenregionen wichtig ist, Reinigungsverfahren für die PV-Module zu integrieren, die dafür sorgen, dass der feine Sand nicht an der PV-Oberfläche haften bleibt“, betont Eder.

Mehr Nachhaltigkeit – von Second-Life und Kreislaufwirtschaft

Derzeit weisen PV-Anlagen im Durchschnitt eine Langlebigkeit von 25 bis 30 Jahren auf. Darunter versteht man, dass die PV-Anlagen bis zu dieser Zeit mindestens 80 % ihrer Anfangsleistung erbringen. Bei vielen Anwendungen – wie der PV-Anlage für den Eigenbedarf – kann und sollen im Sinne der Nachhaltigkeit die prinzipiell funktionsfähigen Module auch weiterhin verwendet werden. Wichtig ist daher der Aufbau von Second-Life-Systemen. „PV-Parks, die mit ihren Anlagen hohe Gewinne erzielen wollen, tauschen oft schon früher – beispielsweise nach 10 Jahren – die PV-Module aus, um hier von leistungsfähigerer, neuer Technologie zu profitieren. Diese ausgetauschten Module könnten aber – ähnlich wie andere Gebrauchtwaren – noch gut von anderen als PV-Anlagen genutzt werden“, so die Diplomingenieurin. Essenziell ist auch, bereits in der Entwicklung und Produktion von PV-Anlagen darauf zu achten, dass die verwendeten Materialien gut recycelt werden können bzw. idealerweise im Sinne einer Kreislaufwirtschaft für die Herstellung neuer PV-Module genutzt werden können.

Über die IAKW-AG und den EU PVSEC

Die IAKW-AG (Internationales Amtssitz- und Konferenzzentrum Wien, Aktiengesellschaft) ist verantwortlich für die Erhaltung des Vienna International Centre (VIC) und den Betrieb des Austria Center Vienna. Das Austria Center Vienna ist mit 21 Sälen, 134 Meetingräumen sowie rund 26.000 m² Ausstellungsfläche Österreichs größtes Kongresszentrum und gehört zu den Top-Playern im internationalen Kongresswesen. Der EU PVSEC Kongress ist ein Weltklasse-Treffen von Experten, Forschern, Studenten und Branchenführern im Bereich der Photovoltaik-Solarenergie und thematisiert die neuesten Fortschritte in der PV-Branche.