Donnerstag, 18. September 2014

Mehrertrag und Quantensprung

Die Erträge von PV-Anlagen in Deutschland (und vermutlich auch in der Schweiz) fallen regelmäßig höher aus als erwartet. Eine Untersuchung des Fraunhofer ISE belegt, dass diese Mehrerträge auf einen steigenden Trend bei der Sonneneinstrahlung zurückzuführen sind. Gleichzeitig ist von Wirkungsgradsteigerungen jenseits der Shockley-Queisser-Grenze zu berichten. Mit den richtigen Konzepten lässt sich dieses Limit überwinden, wie es gerade wieder in der jüngsten Weltrekordsolarzelle mit Beteiligung der Projektpartner des Forschungsvorhabens nano-III-V-pins gezeigt wurde – fast 45 Prozent in einer Stapelsolarzelle.

Da Ertragsprognosen bisher in der Regel einen langjährigen Mittelwert verwenden, übertreffen die tatsächlichen Erträge von PV-Kraftwerken die Prognosen um etwa fünf Prozent. Die PV-Kraftwerke sind damit wirtschaftlicher als angenommen. Um diesem Effekt Rechnung zu tragen, haben die Freiburger Forscher ihr Serviceangebot zur Qualitätssicherung von PV-Anlagen angepasst. Sie verwenden nun Solarstrahlungsdaten aus den letzten zehn Jahren als Basis für ihre Ertragsgutachten.

Bislang gingen Experten bei der Prognose der Solarstrahlung davon aus, dass sich langjährige Mittelwerte aus der Vergangenheit nicht signifikant von der möglichen Einstrahlung in der Zukunft unterscheiden. Die Solarstrahlung unterliegt jedoch langfristigen Trends – dem so genannten »Global Dimming and Brightening« –, die bewirken, dass sich die Strahlungsmittelwerte im Zeitverlauf verändern. Als Ursachen dieser Veränderungen werden u. a. zu- bzw. abnehmende Luftverschmutzung und Aerosolgehalte in der Atmosphäre angesehen.

Forscher des Fraunhofer ISE haben in Kooperation mit der ETH Zürich und dem Deutschen Wetterdienst (DWD) wissenschaftlich untersucht, wie hoch die Abweichungen zwischen historischen Mittelwerten und aktuellen Einstrahlungswerten ausfallen und welche Auswirkungen diese Abweichungen auf Ertragsprognosen von Solaranlagen haben. Das Team hat dazu langjährige Strahlungs-Messdaten (1951-2010) des Deutschen Wetter- dienstes für ausgewählte Standorte in Deutschland analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass seit etwa Mitte der 1980er Jahre ein Anstieg der Solarstrahlung (Brightening) zu beobachten ist. Das derzeitige Strahlungsniveau an den betrachteten Standorten liegt daher etwa fünf Prozent über dem Mittelwert des Untersuchungszeitraums.

Dieses Fazit nahmen die Forscher des Fraunhofer ISE zum Anlass, Ertragsgutachten für Anlagen, die ein Monitoring des Fraunhofer ISE durchlaufen, zu analysieren. Danach zeigen sich Prognoseabweichungen zwischen bislang erstellten Ertragsgutachten und realen Einstrahlungs- und Ertragsmessungen in etwa gleicher Höhe. »Die Verwendung von Strahlungsmittelwerten mit einem Zeithorizont von 30 Jahren führt zu einer systematischen Unterschätzung der tatsächlichen Erträge von PV-Anlagen in Deutschland um etwa fünf Prozent«, so Björn Müller, Projektleiter am Fraunhofer ISE. »Unterschätzungen in ähnlicher Höhe sind auch in anderen Regionen, in denen der Brightening-Effekt zu beobachten ist, zu erwarten.«

Die Physik setzt dem Wirkungsgrad von Solarzellen bekanntlich Grenzen. Maximal etwa 30 Prozent, mehr ist nach dem sogenannten Shockley-Queisser-Limit mit einer konventionellen Solarzelle nicht möglich. Doch mit den richtigen Konzepten lässt sich dieses Limit überwinden, wie es gerade wieder in der jüngsten Weltrekordsolarzelle mit Beteiligung der Projektpartner des Forschungsvorhabens nano-III-V-pins gezeigt wurde – fast 45 Prozent in einer Stapelsolarzelle.

Das Projekt gehört zu den Grundlagenforschungsvorhaben der Innovationsallianz Photovoltaik. Bahnbrechend könnten die Ergebnisse der Forscher aus Ilmenau, Duisburg, Heilbronn, Erfurt und Berlin sein. Erstmals wäre es mit Einzelzellen möglich, die berühmte Shockley-Queisser-Grenze zu durchbrechen. Dünnste Schichten, die als Quantentöpfe bezeichnet werden, mit ganz speziellen elektronischen Eigenschaften, ermöglichen eine effizientere Ausnutzung des Sonnenlichts. Diesen Tuning-Effekt haben die Forscher jetzt erstmals mit nanoskaligen Solarzellen nachgewiesen, bei denen die Quantentopfstruktur in einem 2D-Schichtsystem realisiert wurde. „Mit Nanotechnik kann ein größerer Teil des solaren Spektrums kostengünstig in Elektrizität umgewandelt werden.

Quantentopfsysteme könnten sich in Zukunft den gegenwärtig effizientesten Solarzellen als ebenbürtig erweisen“, freut sich Projektkoordinator Thomas Hannappel von der Technischen Universität Ilmenau. „Durch eine Übertragung auf radiale Nanodrahtstrukturen verkürzen sich zudem die Transportwege in der Solarzelle, so dass  sich Verluste weiter verringern lassen. Theoretisch sind damit Wirkungsgrade über dem sogenannten Shockley-Queisser-Limit von 30 Prozent zu erreichen", so der Sprecher des Forschungsverbunds. Im Rahmen der Innovationsallianz Photovoltaik wurde das Projekt mit 6,8 Millionen Euro gefördert. Das Förderprogramm wird vom Bundeswirtschaftsministerium und Bundesforschungsministerium getragen.

Quellen:
- Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE 2014
- Innovationsallianz Photovoltaik 2014

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