Der anhaltende Preisverfall für Solarmodule macht neue Technologiekonzepte für das „Gebäude der Zukunft“ zunehmend attraktiv. Die Aufmerksamkeit richtet sich dabei zunehmend auf die Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV), bei der Solarzellen direkt in Baumaterialien wie Fenster oder Carportdächer integriert werden. Wie sich die BIPV in Kombination mit Speichertechnologien und einem intelligenten Gebäude-Energiemanagement zu einem Eckpfeiler der zukünftigen Energieversorgung von Gebäuden entwickeln lässt, erläutert das EWE-Forschungszentrum NEXT ENERGY vom 4. bis zum 6. Juni 2014 auf der Intersolar Europe in München in Halle A2 an Messestand 550.
Angesichts der aktuellen Marktsituation sehen die Oldenburger Energieforscher bei der Entwicklung neuartiger gebäudeintegrierter PV-Anwendungen einen entscheidenden Vorteil der Kenngrößen „Preis pro Fläche“ und „Haltbarkeit“ gegenüber Aspekten wie „Modulwirkungsgrad“ oder „installierte Gesamtleistung“. Vergleicht man die mittlerweile erreichten Quadratmeter-Preise bei Solarmodulen mit denen von Dachziegeln oder Fassaden, so lässt sich erkennen, dass insbesondere die Silizium-Dünnschichttechnologie ein hohes Potenzial besitzt, BIPV-Lösungen zu realisieren, die konkurrenzfähig zu konventionellen Elementen der Gebäudehülle sind.
Entsprechend rücken Anwendungen wie In-Dach-Konstruktionen oder flexible Solarmodule für die Gebäudehülle auf Basis der Silizium-Dünnschichtphotovoltaik in den Fokus der Forscher. „Vor diesem Hintergrund befassen wir uns vor allem mit materialwissenschaftlichen Fragestellungen. So entwickeln wir beispielsweise halbtransparente Solarzellen, die sich für Fenster und Oberlichter eignen“, sagt Dr. Martin Vehse, Leiter des Themenfeldes „Alternative Substrate und Lichtmanagement“ bei NEXT ENERGY.
Problem: Lebensdauer von Batterien
Wesentliche Zielsetzung der Integration von BIPV, Batteriespeichersystemen und einem intelligenten Gebäude-Energiemanagement ist es, für den vor Ort produzierten Strom möglichst hohe Autarkie- und Eigenverbrauchsgrade zu erzielen. Um mögliche Energie-Überschüsse auch mit zeitlicher Verzögerung noch nutzen zu können, liegt die Kombination mit einem elektrischen Energiespeicher auf der Hand. Ein Problem stellt hier jedoch die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien dar: „Sie hängt auch von der Endladetiefe ab“, erläutert Frank Schuldt, Themenfeldleiter „Batteriespeichersysteme“ bei NEXT ENERGY. „Nutzen wir die volle Kapazität aus, verringert sich die Lebensdauer deutlich. Die Optimierung der Betriebsstrategien von Energiespeichern ist daher ein zentraler Gegenstand unserer Arbeit.“
Derzeit erstellen die Wissenschaftler ein Alterungsmodell, das Batterieherstellern Optionen für die Entwicklung wirtschaftlicher und kostengünstiger Systeme aufzeigt. Zudem haben die NEXT ENERGY-Forscher einen Batteriesimulator entwickelt, mit dem sich das Verhalten einer beschädigten Batteriezelle detailliert nachstellen lässt. Batteriemanagementsysteme, die Energiespeicher überwachen und sie in gefährlichen Situationen vom Verbraucher oder dem Ladegerät trennen, können damit auf ihre Funktionalität überprüft werden.
Kapazitäten für ganze Wohnsiedlungen
Während die Kombination aus PV-Anlagen und Energiespeichern vorrangig für einzelne Wohnhäuser konzipiert wird, entwickeln die Forscher bei NEXT ENERGY Modelle, mit denen sich dieses Konzept auf ganze Wohnsiedlungen übertragen lassen könnte. In diesem Modell wären alle Erzeuger- und Speicherkomponenten sowie die steuerbaren Verbraucher eines Quartiers miteinander vernetzt. Entsprechend ließen sich Kapazitäten bündeln und Kosten reduzieren. Darüber hinaus könnten Wohnsiedlungen als „gebündelte Akteure“ gegenüber dem vorgelagerten Verteilnetz agieren und somit einen entsprechenden Beitrag für die Netzintegration dezentraler und regenerativer Energieversorgungsstrukturen liefern.
Für die Versorgung netzferner Regionen arbeiten die NEXT ENERGY-Wissenschaftler zudem an der Optimierung sogenannter PV-Inselsysteme. Um sie als preiswertere und umweltfreundlichere Alternative zum Dieselgenerator durchzusetzen, muss es vor allem gelingen, die Komponenten der PV-Anlagen an die regionalen Gegebenheiten – insbesondere die klimatischen Bedingungen – anzupassen. Nur so lassen sich hohe Jahresenergieerträge, ein störungsfreier Betrieb und eine lange Lebensdauer realisieren.
„Bei der Entwicklung von PV-Inselsystemen für Gegenden mit hohen Umgebungstemperaturen arbeiten wir unter anderem an ertragsoptimierten Silizium-Dünnschichtsolarmodulen mit Triple-Junction-Technologie“, sagt Thilo Kilper, Themenfeldleiter „Photovoltaische Systeme“ bei NEXT ENERGY. „Wenn beim PV-Anlagenbetrieb häufig hohe Zelltemperaturen auftreten, lassen sich mit diesem Modultyp aufgrund des geringen Temperaturkoeffizienten die höchsten spezifischen Jahresenergieerträge aller PV-Technologien erzielen“.
(EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie e. V., 16.05.2014 – AKR)
