Photovoltaik: Im Wasser statt an Land

Neuer Ansatz für die Solarenergie: Wenn man Solarmodule nicht auf Landflächen, sondern auf dem Wasser installiert, könnte das entscheidende Vorteile bringen. Denn die Anlagen belegen keine Landflächen und werden natürlich gekühlt, was ihren Wirkungsgrad erhöht. Allein in den USA könnten durch die konsequente Installation solcher schwimmenden Solarmodule zehn Prozent des gesamten Jahresstrombedarfs produziert werden, wie US-Forscher nun ausgerechnet haben.

Die Photovoltaik – die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom – ist eine der weltweit am stärksten wachsenden Formen der erneuerbaren Energiegewinnung. Bis 2050 könnte sie weltweit sogar 30 bis 50 Prozent des Strombedarfs allein decken, wie Forscher jüngst prognostizierten. Doch es gibt einen Nachteil: Die Solarmodule benötigen wegen ihres geringen Wirkungsgrads große Flächen – und treten so oft in Konkurrenz zu Landwirtschaft und anderen Landnutzungsformen.

Mehrfache Vorteile

Doch es gibt eine Alternative: schwimmende Solaranlagen. „Solche wasserbasierten Photovoltaiksysteme können in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft sein“, erklären Robert Spencer und seine Kollegen vom US National Renewable Energy Laboratory (NREL). „Das Wasser senkt die Betriebstemperaturen der Module, gleichzeitig hemmen diese die Verdunstung und das Algenwachstum in den Gewässern.“ Letzteres ist gerade bei Zisternen und für Wasserkraft genutzten Stauseen eher unerwünscht.

Die Solarmodule schwimmen bei dieser Anlagenform auf der Wasseroberfläche von künstlich angelegten Gewässern wie Stauseen oder Zisternen. Dadurch stören sie keine natürlichen Wasserökosysteme, blockieren aber auch kein Ackerland und anderweitig benötigte Flächen. „Die Kosten für das Land machen heute einen immer größeren Teil der Kosten eines Solarprojekts aus“, erklärt Adam Warren vom NREL.

Japan als Vorreiter

Gerade dort, wo Land teuer sei, lohne sich daher ein Ausweichen auf das Wasser in besonderem Maße. Schon jetzt haben einige Länder begonnen, vermehrt schwimmende Solaranlagen zu installieren. Vor allem Japan hat in den letzten Jahren stark in diese Technologie investiert, wie die Forscher berichten. 56 der 70 größten schwimmenden Photovoltaik-Anlagen weltweit liegen inzwischen dort.

Doch in vielen anderen Regionen ist diese Technik trotz vieler Vorteile noch kaum bekannt und genutzt. Welche Leistung sich mit solchen schwimmenden Solaranlagen erzielen ließe und welche Einsparungen dies brächte, haben die Wissenschaftler deshalb nun exemplarisch für die USA ermittelt. Dort wurde zwar die Technologie vor rund zehn Jahren erfunden, seither aber sind gerade einmal sieben solcher Anlagen installiert worden.

Genug für zehn Prozent des Jahresstrombedarfs

Das Ergebnis: Rund 24.000 menschengemachte Wasserflächen in den USA – Stauseen, Wasserspeicher oder andere künstlich angelegte Gewässer – würden sich für schwimmende Solaranlagen eignen, wie die Forscher ermittelten. „Viele dieser Gewässer liegen in trockenen Gebieten mit hohen Landpreisen und Stromkosten“, so Spencer und sein Team. „Dort könnte die schwimmende Photovoltaik daher besonders Vorteile bringen.“

Würde man auf diesen Wasserflächen Photovoltaik betreiben, dann könnte man damit rund zehn Prozent des jährlichen Strombedarfs der USA decken – mindestens. „Unsere Abschätzungen der Leistung und Vorteile sind bewusst sehr konservativ gehalten“, sagt Spencer. Gleichzeitig würde die Installation dieser Photovoltaikleistung auf dem Wasser rund 2,1 Millionen Hektar Land einsparen.

Kombination mit Wasserkraft

Besonders sinnvoll könnte nach Ansicht der Forscher die Kombination von schwimmender Photovoltaik und Wasserkraft-Anlagen sein: Werden die Solaranlagen auf den Stauseen der Wasserkraftwerke installiert, können sie die für die Ableitung des Stroms bestehende Infrastruktur nutzen und das spart zusätzlich Kosten, so Spencer und sein Team.

Die Wissenschaftler sehen in den schwimmenden Solaranlagen eine zukunftsträchtige Alternative zur klassischen Photovoltaik. Ihrer Ansicht nach könnte diese Technologie auch in anderen Regionen viele Vorteile bringen. „Die schwimmenden Solaranlagen sind eine neue Industrie, die erst durch den rapiden Abfall der Solarmodul-Preise ermöglicht wurde“, sagt Warren. „Wir prognostizieren eine schnelle Verbreitung der wasserbasierten Photovoltaik gerade dort, wo Bodenpreise hoch sind.“ (Environmental Science and Technology, 2018; doi: 10.1021/acs.est.8b04735)

DOE/National Renewable Energy Laboratory