Tag: Solaranlage

Categories
etplus ticker wissen

Ende der Silizium-Ära? Perowskit als nächste Solar-Revolution

Ein Schweizer Forschungsteam hat eine Perowskit-Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 30 Prozent entwickelt. - Foto: EPFL, The triple-junction solar cell (54 cm2). © Kerem Artuk; CC BY-SA 4.0

In Kürze:

  • Geschichtete Perowskitsolarzellen versprechen leichtere, kompaktere und günstigere Solarzellen.
  • Durch die Schichtung mehrerer Zellen übereinander steigt der Wirkungsgrad um 50 bis 100 Prozent gegenüber einfachen Siliziumzellen.
  • Großer Nachteil sind Stabilität und Haltbarkeit des Materials, woran noch geforscht wird.
  • Eine erste Auslieferung der neuartigen Solarmodule hat ein deutsches Solarunternehmen bereits getätigt.
 
Der Solar-Boom setzt sich sowohl in Deutschland als auch in anderen Ländern weiter fort. Silizium ist hierbei das dominierende Material, das das Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln kann.
Doch das Element könnte schon bald Konkurrenz bekommen und sogar abgelöst werden. Denn bei der Suche nach immer höheren Wirkungsgraden stehen Forscher mit Perowskitsolarzellen vor einer der vielversprechendsten Effizienzsteigerungen in der Photovoltaik.

Was ist Perowskit?

Perowskit ist ein natürliches Mineral. Chemisch gesehen handelt es sich um ein Calcium-Titan-Oxid beziehungsweise Calciumtitanat. Dieses Mineral selbst hat nichts mit Photovoltaik zu tun.
Seine Kristallgitterstruktur dient jedoch als Vorbild für das künstlich hergestellte Material, das letztlich für Perowskitsolarzellen zum Einsatz kommt. Die Forscher verwenden dafür Stoffe wie Blei, Zinn, Methylammonium, Caesium sowie Chlor, Brom oder Jod. Diese können in Kombination mit der Kristallgitterstruktur Sonnenlicht besonders effektiv in Strom umwandeln.
Mehr dazu
Im Gegensatz zum Halbleitermaterial Silizium ist die Herstellung von Perowskitsolarzellen deutlich einfacher.Silizium muss bei Temperaturen von rund 1.400 Grad Celsius geschlozen werden. Anschließend entstehen bei der Weiterverarbeitung in aufwendigen Schritten die bekannten Solarwafer, die gut 150 Mikrometer (µm) dick sind.
Für die Verarbeitung von Perowskit sind hingegen weniger als 200 Grad Celsius erforderlich. Zudem ist die aufgetragene Perowskitschicht nur rund 0,5 µm dick. Das birgt das Potenzial, bei der Herstellung viel Energie und Material einsparen zu können.

Fortschritt beim Wirkungsgrad

Heutige gängige Solarmodule erreichen je nach Herstellungsart einen Wirkungsgrad von 10 bis 22 Prozent erreichen – nur selten liegt dieser darüber. Die theoretische Obergrenze des Wirkungsgrads von Silizium liegt bei 29,3 Prozent.
Eine Möglichkeit, diesen Wert zu erhöhen, ist der Einsatz von sogenannten Mehrschichtsolarzellen. Dabei legen die Entwickler zwei oder mehr Schichten unterschiedlicher Wafer übereinander, die verschiedene Bereiche des Lichtspektrums in Strom umwandeln können.

Grafische Darstellung des Aufbaus einer Einzelsolarzelle und einer Tandemsolarzelle sowie deren Lichtspektrennutzung.

Foto: Epoch Times; erstellt nach UCL NEWS und gemeinfrei

Erst im Frühling dieses Jahres haben Schweizer Forscher auf diese Art eine neue Solarzelle entwickelt, die eine hohe Effizienz und skalierbare Fertigung kombiniert. Der Zellaufbau ist dreiteilig. Die untere Zelle besteht aus Silizium. Darauf sind als mittlere und obere Zellschicht dünne Perowskitfilme aufgetragen.
Die beiden oberen Perowskitschichten, nutzen sie das kurzwellige Licht, also eher die Blau- und Grünanteile. Das Silizium hingegen verwendet eher die langwelligen roten Lichtanteile.

Fast die Hälfte des Sonnenlichts in Strom umgewandelt

Die neue Zelle erreicht laut dem entsprechenden Papier beim Wissenschaftsportal „Nature“ einen zertifizierten Wirkungsgrad von 30,02 Prozent. Damit übertrifft es den früheren Rekordwert für jene Anordnung von 27,1 Prozent. Zugleich besteht noch Luft nach oben. Theoretisch wäre mit solchen Zellen ein Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent möglich.
Der bisherige Wirkungsgradweltrekord liegt sogar bei 47,6 Prozent – aufgestellt von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE.
Im Mai 2022 haben sie diese hohe Effizienz unter optimierten Bedingung im Labor mit einer Vierfachsolarzelle, über 600-facher Konzentration des Sonnenlichtes und einer neuen Antireflexbeschichtung erreichen können. Dennoch ist der Wert beachtenswert. Das bedeutet, dass diese Zellen 1.000 Watt Lichtleistung in 476 Watt elektrische Leistung umwandeln können.

Dank verbesserter Antireflexionsschichten erzielten Forscher des Fraunhofer ISE den bisher höchsten Wirkungsgrad einer Solarzelle in Höhe von 47,6 Prozent.

Foto: Fraunhofer ISE

Einen ähnlich hohen Wirkungsgrad mit 46 Prozent erreichte das Fraunhofer-Institut bereits im Jahr 2014. Auch hier verwendeten die Forscher Mehrfachsolarzellen, jedoch ohne Perowskitstruktur. Es handelte sich um eine Vierfachsolarzelle, wobei jede Teilzelle exakt ein Viertel der Lichtphotonen im Wellenlängenbereich zwischen 200 und 1750 nm in elektrische Energie umwandelte. Der damalige Rekordwert wurde bei einer rund 500-fachen Konzentration erzielt.
Darüber hinaus schafften die Forscher in den vergangenen Jahren weitere Rekordwirkungsgrade unter der 40-Prozent-Marke. So etwa 2021 mit einer Dreischichtsolarzelle mit einer Effizienz von 35,9 Prozent, allerdings ebenfalls ausschließlich auf Siliziumbasis.
Mehr dazu

Noch niedrigere Preise möglich

Auch bei der Kostenfrage soll Perowskit gegenüber Silizium einen Vorteil haben. Bei herkömmlichen Standard-Siliziummodulen kostet das Watt an Nennleistung (Wp) 0,13 bis 0,22 Euro.
Aktuell sind Tandemzellen noch 10 bis 30 Prozent teurer pro Wp. Allerdings ist praktisch jede neue Technologie vom Übergang von der Entwicklungs- zur Marktphase vergleichsweise teuer.
Durch einfachere Herstellung und günstigen Materialaufwand dürften sie aber auf lange Sicht die Siliziummodule im Preis deutlich unterbieten. Das sollte spätestens mit der Serienproduktion und weiteren technischen Fortschritten erfolgen. Die Stromgestehungskosten können dadurch nochmals günstiger werden.

Herausforderung Haltbarkeit

Doch bei den Perowskitmodulen gibt es noch technische Probleme zu lösen, besonders was Materialstabiliät und Haltbarkeit angeht. Als Schwachstellen sind hier verschiedene Wettereinflüsse wie Feuchtigkeit, Oxidation – sprich die Reaktion mit Sauerstoff –, UV-Strahlung und Hitze zu nennen.
Der Grund für das Stabilitätsproblem liegt in der Atomstruktur des Perowskitkristalls. Der organisch-anorganische Aufbau, der diesem Material seine starken elektronischen Eigenschaften verleiht, ist auch die Erklärung seiner Zerbrechlichkeit.
So hat das ursprüngliche Material – Methylammonium-Blei-Iodid – eine entscheidende Schwäche: Das Methylammonium-Kation ist flüchtig und entweicht dem Kristallgitter bei höheren Temperaturen. Das führt zu einem schnellen Leistungsrückgang.
Mehr dazu
Ein weiterer Nachteil ist der giftige Bleigehalt. Aus diesem Grund suchen Forscher bereits nach ungiftigen Alternativen. Bisher am weitesten fortgeschritten ist diesbezüglich die Zinnhalogenid-Perowskit-Familie. Ebenso konnten Forscher die Schichtung verbessern.
Mit den bisher erreichten Verbesserungen und weiteren Optimierungen strebt das deutsche Solarunternehmen Oxford PV eine 25-jährige Betriebsgarantie für seine Tandemmodule an. Dies entspricht der heute üblichen Lebensdauer von Siliziummodulen.

Wann können wir sie kaufen?

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen haben bereits den Sprung vom Labor auf den Markt geschafft – zumindest in einem ersten Schritt. Im September 2024 hat Oxford PV die ersten Tandemsolarmodule mit einem Wirkungsgrad von 24,5 Prozent an US-Versorgerkunden ausgeliefert.
Mehr dazu
Weitere Großproduktionen und Auslieferungen stehen noch aus. Bisher haben sich nur rund ein Dutzend Marktakteure mit der neuartigen Perowskittechnologie beschäftigt. Neben dem Versand von Oxford PV gibt es vereinzelte Produktionen, Forschungen und Partnerschaften. Erste Pilotlinien laufen.
Somit befindet sich der Marktanteil von Perowskitsolarmodulen noch bei nahezu 0 Prozent. Bis 2031 soll dieser allerdings schon auf rund 31 Prozent anwachsen. Im vergangenen Jahr dominierten Solarmodule mit monokristallinem Silizium mit einem Marktanteil von 86,1 Prozent. Der Rest entfällt vor allem auf Module auf Basis von polykristallinem Silizium.

Vorteile und Nachteile von Perowskitsolarzellen im Vergleich zu Siliziumsolarzellen

Vorteile:
    • Leichtere und kompaktere Module, somit bessere Integrationsmöglichkeiten in Gebäuden und Fahrzeugen denkbar.
    • Materialbedingt hat Perowskit einen niedrigeren Wirkungsgrad als Silizium. Dank der Schichtung können Perowskitmehrfachzellen aber eine höhere Gesamteffizienz erzielen.
    • Hohes Lichtabsorptionsvermögen. Die Zellen reflektieren weniger Sonnenlicht, sodass ein höherer Anteil des Lichts zur Umwandlung in Strom zur Verfügung steht.
    • Einsparung von Energie und Material, dadurch günstigere Herstellung absehbar.
Nachteile:
    • Erste Materialien waren empfindlich gegen Feuchtigkeit, Sauerstoff, UV-Strahlung und Hitze. Hier ist weitere Entwicklungsarbeit nötig.
    • Effizienzverlust von bis zu 10 Prozent in den ersten Monaten.
    • Giftige und umweltschädliche Bestandteile wie Blei erfordern mehr Forschung hinsichtlich alternativer Elemente und bleifreier Varianten.
    • Bisher kaum auf dem regulären Markt vorhanden, in der Raumfahrt aber bereits etabliert.
Categories
deutschland

So können Sie Solarstrom mit den Nachbarn teilen

In Kürze:

  • Ab 1. Juni können Solaranlagenbesitzer ihren Überschussstrom an Nachbarn abgeben.
  • Das „Energy Sharing“ stellt eine weitere Vermarktungsmethode dar.
  • Es gibt aber Hindernisse wie die noch geringe Verbreitung der dafür nötigen Smart Meter.
  • Für Strombezieher ist diese Variante eine Ergänzung, aber kein Ersatz zum bestehenden Stromvertrag.
 
Hohe Stromüberschüsse durch den Betrieb von Solaranlagen, speziell in den Mittagsstunden, sind eine zunehmende Belastung für das deutsche Stromnetz. Eine Reform des Energiewirtschaftsgesetzes könnte nun für Entlastung sorgen und helfen, den Geldbeutel zu füllen.
Ab sofort können Betreiber einer Photovoltaikanlage in Deutschland den zu viel produzierten Strom einfacher an ihre Nachbarn weitergeben.

Überschussmanagement durch „Energy Sharing“

Seit dem 1. Juni 2026 sind in Deutschland Energiegemeinschaften, auch Energy Sharing Communities genannt, möglich. Geregelt werden diese durch eine Novelle von Paragraf 42c des Energiewirtschaftsgesetzes, wofür die EU-Richtlinie 2018/2001 (RED II) in nationales Recht umgesetzt wurde.
Durch das Teilen von Strom können Betreiber von Solaranlagen oder anderen „erneuerbaren“ Anlagen den überschüssigen Strom an einen oder mehrere andere Haushalte oder kleine Unternehmen in ihrer Umgebung verkaufen oder verschenken. Auch Betreiber einer Energiespeicheranlage mit erneuerbarem Strom können diese Möglichkeit nutzen.
Oftmals konnten Besitzer einer Solaranlage den selbst produzierten Strom bei viel Sonne bisher nur teilweise nutzen. Der entstehende Überschuss fließt dabei unkontrolliert in das öffentliche Stromnetz, egal ob der Strom benötigt wird oder nicht.
Mehr dazu

Wie funktioniert das Energy Sharing?

Zur Umsetzung des Energy Sharing ist eine vertragliche Vereinbarung mit dem Nachbarn oder der Hausgemeinschaft nötig. Das beschränkt sich jedoch nicht auf die direkten Nachbarn. Es kann auch ein Freund, Bekannter oder ein Café um die Ecke im gleichen Verteilnetzgebiet sein, das heißt im Gebiet desselben Verteilnetzbetreibers.
Eine weitere Voraussetzung ist, dass in allen beteiligten Haushalten ein Smart Meter installiert sein muss, der die Stromflüsse misst. Danach kann künftig eine entsprechende Abrechnung erfolgen.
Solaranlagenbesitzer oder Haushalte, die am Energy Sharing teilnehmen wollen, sollten sich zunächst beim Netz- und Messstellenbetreiber melden. Dieser informiert die Interessenten über die nötigen weiteren Maßnahmen und Möglichkeiten im lokalen Verteilnetz.

Welche Hindernisse gibt es?

Die Umsetzung dürfte anfangs holprig sein. Das fängt schon bei der Markteinführung der Smart Meter an, die hinterherhinkt. Bisher sind nur rund 5,5 Prozent aller Haushalte in der Bundesrepublik mit diesen intelligenten Stromzählern ausgestattet. Zudem kann der Einbau eines Smart Meters von der Beantragung bis zur Installation rund drei bis sechs Monate dauern.
Doch selbst ein installierter Smart Meter bedeutet nicht immer grünes Licht für die Nutzung. Laut der Verbraucherzentrale funktionieren viele dieser Geräte nach Einbau teils über Monate oder Jahre nicht.
Ein weiteres Problem können die Abrechnungsprozesse darstellen. Sie basieren auf Viertelstundenwerten, was die Sache kompliziert macht. Eine manuelle Abrechnung ist nicht möglich.
Die Energieversorgungsunternehmen verweisen zudem darauf, dass für die Umsetzung des Energy Sharing noch verlässliche Vorgaben und Rahmenbedingungen fehlen. Daher sei mit Verzögerungen beim Start zu rechnen.
Mehr dazu

Gebühren fallen weiterhin an

Da beim Energy Sharing der Strom, zumindest buchhalterisch, meist von einem Gebäude zu einem anderen fließt, beansprucht er das öffentliche Stromnetz. Daher wird der Netzbetreiber dafür künftig weiterhin Netzentgelte, Steuern und Umlagen in Rechnung stellen.
Sollte der Strom innerhalb desselben Gebäudes fließen, können die Beteiligten bereits bestehende Regelungen anwenden: den Mieterstrom sowie die gemeinschaftliche Gebäudeversorgung.
Bei beiden Varianten muss der verrechnete Strom das Hausnetz nicht verlassen. Die Versorgung findet im Haus statt. Weil sie das öffentliche Stromnetz nicht betrifft, fallen keine zusätzlichen Netzentgelte an.

Wer profitiert wie stark davon?

Laut der Verbraucherzentrale kann das neue Energy Sharing für den Betreiber von Solaranlagen eine zusätzliche Einnahmequelle darstellen. Aktuell erhält er für den in das öffentliche Netz eingespeisten Strom 7,78 Cent pro Kilowattstunde (kWh) für eine Teileinspeisung. Seit 2020 liegt diese Einspeisevergütung unter 10 Cent für Anlagen bis 10 Kilowatt Nennleistung (kWp).
Teilt er seinen Strom nun aber mit den Menschen in seiner Umgebung, kann er einen deutlich höheren Preis vereinbaren. Dadurch kann sich die Investition in die Solaranlage schneller amortisieren.
Das kann auch für den Stromabnehmer von Vorteil sein, da er sonst normalerweise, je nach Tarif, Preise im Bereich von 25 bis 40 Cent pro kWh für seinen Netzstrom vom Versorger bezahlen muss.
Allzu billig wird der Strom aufgrund von Gebühren jedoch nicht. „In der Summe können diese Nebenkosten des Energy Sharing zehn bis 15 Cent pro Kilowattstunde betragen“, sagte Matthias Bauer, Energieexperte der Verbraucherzentrale Baden-Württemberg.
Mehr dazu
Liegt der vereinbarte Preis für den Solarstrom bei 12 Cent pro kWh und kommen 10 Cent Nebenkosten hinzu, profitieren beide Seiten. Der Anlagenbetreiber bekommt 4,2 Cent mehr, eine Steigerung um 54,2 Prozent. Überdies spart der Strombezieher 3 bis 18 Cent pro kWh.
Liegen die Nebenkosten bei 15 Cent, lohnt sich das Energy Sharing für den „Nachbarn“ erst, wenn er aktuell mehr als 27 Cent pro kWh für seinen Strom bezahlt.
Möglich wäre für den Anlagenbetreiber auch ein Strompreis von 15 Cent, also 92,8 Prozent Ertragssteigerung. Da viele Stromkunden aktuell mehr als 30 Cent bezahlen, kann er auch damit einige Interessenten finden.
Die Abnehmer haben somit auch ohne eigenes Hausdach die Möglichkeit, lokalen sogenannten grünen Strom zu beziehen. Bisher haben Mieter oft nur durch ein Balkonkraftwerk an der „Energiewende“ partizipieren können.
Ebenso können natürliche Personen, kleine Unternehmen, gemeinnützige Organisationen, Genossenschaften und Kommunen von dem Modell profitieren. Beispielsweise kann ein Gewerbebetrieb mit eigener Solaranlage einer Schule Strom anbieten oder umgekehrt, je nachdem, wer erneuerbaren Strom anbieten kann und wer Interesse an dessen Bezug hat.
Der Betrieb der Anlage darf dabei weder „überwiegend der gewerblichen noch überwiegend der selbstständigen beruflichen Tätigkeit des Betreibers“ dienen.
Der Betreiber hat zudem den Vorteil, dass er deutlich weniger Bürokratie stemmen muss. Anzeigepflichten, Vorgaben zur Rechnungsgestaltung und Stromkennzeichnung entfallen. Auch gilt für Anlagen bis 30 kWp eine vollständige Einkommensteuerbefreiung.

Nur eine Ergänzung

Allerdings werden Anlagenbetreiber die Stromversorgung ihrer „Nachbarn“ nicht dauerhaft mit ihrer Solaranlage gewährleisten können. Da die Sonne auch ihre Solarmodule nicht immer gleichmäßig bestrahlt, steht der Strom nur gelegentlich zur Verfügung. Nachts und im Winter gibt es keinen oder eher selten einen Stromüberschuss. Zudem kann die Anlage durch einen Defekt plötzlich ausfallen.
Daher verpflichtet das Energy Sharing die Anlagenbetreiber nicht zur vollständigen Stromversorgung der beteiligten Nachbarn. Für sie gilt keinerlei Versorgungsgarantie.
Somit benötigen die beteiligten Haushalte zusätzlich einen Stromliefervertrag mit einem selbst gewählten Stromanbieter. Dieser muss die Strommengen liefern, die nicht aus der Solaranlage kommen. Bereits geltende Stromlieferverträge können bestehen bleiben.
Mehr dazu

Eine Entlastung für die Netze?

Überschüssiger Strom durch Solaranlagen stellt ein zunehmendes Problem für unsere Stromnetze dar. Er drückt den Börsenstrompreis weit nach unten, oftmals sogar in den Minusbereich. Um die Netze noch stabil zu halten, müssen Netzbetreiber den Überschuss ins Ausland ableiten oder Anlagen abschalten, sofern sie darauf zugreifen können.
Mit dem Energy Sharing kann sich der lokale Verbrauch von Solarstrom erhöhen, weil dieser günstigere Strom nur bei Stromüberschuss zur Verfügung steht. Die Strombezieher haben somit eine finanzielle Motivation, größere Stromverbraucher dann einzuschalten, wenn gerade ein hohes Stromangebot aus den Erneuerbaren besteht. Das reduziert die Belastung der regionalen Verteilnetze.
Das kann die Anzahl der Abregelungen von Solaranlagen reduzieren und somit die Systemeffizienz verbessern.
Mehr dazu

Alle solaren Werkzeuge im Überblick

Wer eine Solaranlage besitzt oder sich eine zulegen möchte, verfügt mit dem Energy Sharing über eine weitere Möglichkeit, seinen Strom gewinnbringend zu vermarkten. Die bisherigen Werkzeuge bleiben dabei bestehen. Die bestehenden Vermarktungsoptionen lauten wie folgt:
  • Eigenverbrauch: Die Selbstnutzung des Solarstroms bringt laut Sanierungsdienstleister Reduco eine Ersparnis von rund 35 Cent pro kWh – der durchschnittliche Preis des Netzstroms. Dies ist das stärkste wirtschaftliche Werkzeug.
  • Batteriespeicher: Wer den Strom bei Überschuss in eine Batterie führt und beispielsweise am Abend, wenn die Sonne nicht oder kaum mehr scheint, den Überschussstrom verbraucht, kann weitere rund 30 Cent pro kWh sparen. Das ergibt sich aus dem Preis des Netzstroms abzüglich der Speicherkosten. Ein Batteriespeicher erweitert somit den Eigenverbrauch.
  • Energy Sharing: Hieraus entsteht ein zusätzlicher Erlös von möglicherweise rund 15 Cent pro kWh. Der Anlagenbesitzer gibt den Überschussstrom, den er nicht selbst verbraucht oder speichert, ab.
  • Netzeinspeisung: Falls nach Einsatz der genannten Instrumente weiterhin Überschussstrom anfällt, kann dieser für 7,78 Cent pro kWh – bei Anlagen bis 10 kWp – in das öffentliche Stromnetz fließen.