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Wirtschaft

09. Dezember 2016 | 18:22 Uhr

Technik : Solarstrom bei jedem Wetter

vom
Aus der Redaktion der Zeitung für die Landeshauptstadt

Im Regen versagen herkömmliche Fotovoltaikanlagen. Forscher wollen das ändern – und arbeiten an Geräten, die nicht auf Sonne angewiesen sind. Prototypen gibt es schon.

Der Pfingstsonntag 2016 war ein historischer Tag. Am 16. Mai wurde hierzulande der gesamte Stromverbrauch erstmals komplett aus erneuerbaren Energien gedeckt. Das gelang, weil zum einen an jenem Tag mit etwa 47 Gigawatt relativ wenig Strom verbraucht wurde. Und zugleich war es sonnig und windig – die Solar- und Windkraftanlagen im Land konnten auf Hochtouren arbeiten.

Das ist einerseits eine gute Nachricht, schließlich ist es das erklärte Ziel der Bundesregierung, im Zuge der Energiewende den Anteil erneuerbarer Energien am Strommix signifikant zu erhöhen. Andererseits verdeutlicht es auch das Dilemma der erneuerbaren Energieträger: Wenn das Wetter nicht mitspielt, also der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint, liefern sie auch keinen Strom. Daher lag der Anteil erneuerbarer Energien am deutschen Strommix im vergangenen Jahr laut Angaben des Umweltbundesamtes auch bei lediglich 33 Prozent. Auch das ist zwar schon beachtlich – 2014 lag der Anteil der erneuerbaren Energien noch bei 27 Prozent. Doch die restlichen zwei Drittel des Stroms steuern immer noch herkömmliche Kohle-, Gas- und Atomkraftwerke bei.

Chinesische Forscher wollen das Problem mithilfe einer Allwetter-Solarzelle lösen, die auch bei Regen Strom produzieren soll, sodass ein Ausweichen auf andere Energieträger bei schlechtem Wetter unterbleiben kann. Das Team um den Materialwissenschaftler Qunwei Tang vom Institute of Materials Science and Engineering der Ocean University of China in Qingdao hat daher in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Yunnan Normal University in Kunming ein System entwickelt, das sowohl Lichtstrahlen als auch Regentropfen in Strom verwandelt.

Dafür haben die Wissenschaftler zunächst Solarzellen mit einem hauchdünnen Film aus Graphen überzogen. Graphen gilt als eine Art Wundermaterial: Die zweidimensionale Verbindung aus Kohlenstoffatomen hat beeindruckende optische Eigenschaften – das freut die Physiker. Zugleich ist sie stabil, aber leicht formbar – deshalb sind Materialwissenschaftler davon begeistert. Zudem zeichnet sich Graphen durch außergewöhnliche elektronische Eigenschaften aus – das kommt den Elektrotechnikern zugute. Denn Graphen ist sehr leitfähig und reich an Elektronen, die über die gesamte Schicht frei beweglich sind. In wässriger Lösung kann Graphen zudem mit seinen Elektronen positiv geladene Ionen binden.

Durch das Graphen würden die Fotovoltaikmodule zu einer Art Kondensator, heißt es in der im Fachblatt „Angewandte Chemie“ erschienenen Studie des chinesischen Forscherteams. „Das neue Konzept könnte die Entwicklung einer fortschrittlichen Allwetter-Solarzelle einleiten.“ Diese soll dann ständig Strom erzeugen – nicht nur, wenn die Sonne scheint.
Was sich bei schlechtem Wetter in der graphenbeschichteten Solarzelle abspielt, ist als Lewis-Säure-Base-Reaktion bekannt, die sonst unter anderem zum Entfernen organischer Farben aus Lösungen verwendet wird. Denn Regentropfen sind kein reines Wasser, sondern enthalten positiv und negativ geladene Ionen. Die positiv geladenen Ionen, beispielsweise Natrium-, Calcium- und Ammonium-Ionen, können an der hochleitfähigen Graphen-Oberfläche gebunden werden.

An der Kontaktstelle zwischen Regentropfen und Graphen reichern sich auf der Wasserseite positive Ionen an, auf der Graphen-Seite frei bewegliche Elektronen. So entsteht eine elektrische Doppelschicht aus Elektronen und positiv geladenen Ionen – ein sogenannter Pseudokondensator. Die damit verbundene elektrische Potenzialdifferenz reicht aus, um eine Spannung und somit einen Stromfluss zu erzeugen. In Laborversuchen mit einer mit Graphen überzogenen Grätzel-Zelle, einer Farbstoff-Solarzelle, wurden den Forschern zufolge immerhin mehrere 100 Mikrovolt Strom erzeugt. Zum Einsatz kam dabei leicht salziges Wasser. Tests jenseits des Labors mit echtem Regenwasser sollen folgen.

Doch trotz des geglückten Konzeptbeweises sind die praktischen Anwendungen des Systems ungewiss. Denn die Zelle wandelte nur 6,5 Prozent der vorhandenen Energie in Elektrizität um – reguläre Solarzellen schaffen hingegen einen Wirkungsgrad von 20 Prozent und mehr. Der bislang geringe Wirkungsgrad soll sich aber steigern lassen, um eine echte Allwetter-Solarzelle zu schaffen, hoffen die Forscher.

Einen ganz ähnlichen Ansatz verfolgt ein chinesisch-amerikanisches Wissenschaftlerteam vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und der Shanghai University of Electric Power. Sie haben eine Hybridzelle entwickelt, die zugleich aus Sonne, Wind und Regen elektrischen Strom erzeugen kann. Ihren Prototypen haben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ vorgestellt. Demnach besteht das kleine Allwetter-Kraftwerk aus einer herkömmlichen, zehn mal zehn Zentimeter großen Silizium-Solarzelle, deren Oberfläche mit winzigen, pyramidenförmigen Ausbuchtungen bedeckt ist, um mehr Sonnenlicht einfangen zu können.

Darüber legten die Wissenschaftler mehrere transparente Kunststoffschichten, die Regen- und Windstrom einsammelten. Die Schichten fungieren dabei als sogenannter triboelektrischer Generator: Sie nutzen die geringe elektrostatische Ladung von Wassertropfen, um Strom zu erzeugen. Unter dieses Regentropfen-Kraftwerk packten die Forscher weitere dünne Schichten aus Polymer und Nylon. Drückt nun Wind die obere Kunststoffschicht nach unten auf die Nylon-Folie, entsteht abermals eine elektrostatische Aufladung. Über angeschlossene Elektroden lässt sich der so erzeugte Strom abschöpfen.

Alle drei Methoden – die Solarzelle, die Tropfenaufladung und die Kontaktaufladung – wurden von dem Forscherteam auf ihre Effizienz hin untersucht. Bei schwachem Wind lieferte die Kontaktmethode eine elektrische Leistung von etwa acht Milliwatt pro Quadratmeter. Bei leichtem Regen ließ sich die Ausbeute auf fast 90 Milliwatt pro Quadratmeter steigern. Bei Sonnenschein erreichte die zuunterst liegende Solarzelle eine vergleichbare Ausbeute. Ihr Minikraftwerk nutzten die Forscher sowohl dazu, einen Kondensator aufzuladen, als auch dazu, Leuchtdioden mit Strom zu versorgen. Trotz der insgesamt noch geringen Stromausbeute konnten sie damit zudem bei jeder Witterung ihre Handyakkus aufladen – allerdings sehr langsam. Den Forschern zufolge soll das kleine Allwetter-Kraftwerk künftig vor allem Wanderern und Campern helfen, die dann auch bei schlechter Witterung Strom für Beleuchtung oder Handyakkus erzeugen können.

Auch das Schweizer Start-up-Unternehmen Anerdgy setzt bei seinem Modul WindRail auf die Kombination mehrerer regenerativer Energieträger. WindRail kann auf Hausdächern installiert werden, ähnelt auf den ersten Blick einem Aufsatz eines Lüftungsschachts. Das drei Meter hohe und zwei Meter breite, kastenförmige Gebilde nutzt gleichzeitig Solar- und Windenergie. Den Solarstrom erzeugen herkömmliche Silizium-Solarzellen. Daneben macht sich das System die Luftströmungen zunutze, die durch Temperatur- und Druckunterschiede entlang einer Dachkante entstehen.

Technisch nutzen die Schweizer Tüftler dabei das Prinzip einer sogenannten Venturi-Düse: Die Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten oder Gasen erhöht sich, wenn sie eine Engstelle passieren. Bei WindRail strömt die Luft durch einen zweieinhalb Meter langen Kanal, der immer enger wird. Dadurch wird sie gebündelt. „Durch den Druckunterschied zwischen den Bereichen vor und hinter dem Kanal erhöht sich die Windgeschwindigkeit um den Faktor zwei“, erklärt Anerdgy-Gründer Sven Köhler. Dass das System funktioniert, zeigt ein Prototyp mit einer Nennleistung von 2,5 Kilowatt, den Anerdgy seit Februar vergangenen Jahres auf einem Getreidesilo am Bahnhof Marthalen nahe der deutsch-schweizerischen Grenze betreibt. „Fotovoltaik ist gut, aber simultan Windenergie zu ernten, nützt noch mehr“, sagt Köhler. „Vor allem, wenn die Sonne nicht scheint.“

Auch die Solarthermie ermöglicht einen Allwetterbetrieb: Die durch die Module erzeugte Wärme kann nämlich mithilfe von Salzhydrat-Speichern zwischengespeichert werden. Das Prinzip ist von Taschenwärmern bekannt: Wärme verflüssigt die Salzhydrate und lässt sich auf diese Weise nahezu unbegrenzt speichern. Mithilfe eines Kristallisationsauslösers – beim Taschenwärmer ist das ein kleines Metallplättchen, das geknickt wird – werden die Kristalle wieder fest, wobei die gespeicherte Wärme freigesetzt wird. Diese könnte dann genutzt werden, um Dampf für eine Turbine zu erzeugen, die dann auch bei schlechtem Wetter oder in der Nacht Strom erzeugt.

China will diese Methode verstärkt zur solaren Stromerzeugung nutzen: Die Regierung in Peking plant dafür bis 2020 den Bau von Solarthermiekraftwerken mit einer Leistung von 10  000 Megawatt. 16 Anlagen sind derzeit geplant oder im Bau. Einige Pilotanlagen, die allerdings nur mit einer Leistung von einem Megawatt oder weniger arbeiten, sind sogar bereits am Netz.

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erstellt am 19.Nov.2016 | 16:00 Uhr

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