Forschung & Entwicklung : Hybride Solarkollektoren für optimiertes Energy Harvesting

Erzeugen technische Geräte oder Prozesse ungenutzte Energie wie Licht, Umgebungstemperatur oder Vibration, kann diese durch so genannte Energy Harvesting-Systeme in Elektrizität umgewandelt werden. Die dafür notwendigen Materialien und Strukturen enthalten jedoch je nach Art des Wandlers seltene Rohstoffen wie Hafnium oder umweltkritische Substanzen wie Blei. Im internationalen Projekt FAST-SMART werden daher preiswerte und nachhaltige Materialien und Systeme für das Energy Harvesting entwickelt, die einen höheren Wirkungsgrad erzielen sollen. Die TH Köln ist im Vorhaben für die Implementierung der neuen Komponenten in konventionelle Photovoltaiktechnik zuständig.

„Es fehlen bisher effiziente Fertigungsprozesse, um für das Energy Harvesting zuverlässige Werkstoffe ohne seltene Elemente preiswert herzustellen“, weiß Prof. Dr. Christoph Hartl vom Institut für Produktion der TH Köln. In FAST-SMART arbeiten deshalb insgesamt 13 internationale Kooperationspartner an neuen Werkstoffen und Komponenten mit höherer Leistungsfähigkeit, für die keine seltenen Elemente benötigt werden und die zudem zuverlässig sowie wiederverwertbar sind. Darüber hinaus werden neue Herstellungsverfahren erprobt und Energy Harvesting-Prototypen entwickelt.

Das Projektteam der TH Köln arbeitet an der Implementierung der neuen Materialien und Komponenten in konventionelle Photovoltaiktechnik. Die Schwerpunkte liegen dabei auf der Gestaltung seriennaher Fertigungs- und Montagekonzepte. „Eine besondere Herausforderung ist es, kostengünstige, aber langlebige und effiziente Fertigungslösungen zu liefern“, so Hartl. Photovoltaik alleine erlaube es nach neuesten Studien bereits heute, Strom zu Kosten von etwa 3,1 bis 11 Cent je Kilowattstunde zu erzeugen und zähle damit zu einer der günstigsten Energieerzeugungsformen, erläutert Hartl. „Solarpanels erwärmen sich aber im Betrieb, wodurch deren Wirkungsgrad verringert wird. Diese Erwärmung wird durch die Integration der Energie Harvesting-Systeme abgebaut. Das führt zu einer Steigerung der Energieeffizienz des Gesamtsystems in der Größenordnung von voraussichtlich 20 bis 25 Prozent und gibt Spielraum für Investitionen in hybride Ergänzungen.“

Erste Tests an Prototypen, die klassische Solarzellen mit Energy Harvesting-Komponenten zur Nutzung der Restwärme verbinden, verdeutlichen das Potential der hybriden Technik: „Wir konnten dabei bereits einen um etwa 20 Prozent gesteigerten Ertrag an elektrischer Energie nachweisen“, sagt Hartl. Die Technologie soll nun in weiteren Schritten optimiert werden. Zudem ist vorgesehen, dass IoT-Elemente (Internet of Things) mit Sensoren zur Überwachung von Photovoltaikanlagen und Elemente zur Datenübertragung integriert werden, die mit Hilfe des Energy Harvestings autonom versorgt werden können. „Das ist ein enormes Potential dieser Technologie: Durch die Möglichkeit, Anwendungen mit geringem Energiebedarf selbstständig mit Elektrizität aus dem Energy Harvesting und damit vollständig kabel- und batterielos zu betreiben, werden Systeme unkomplizierter und vor allem auch nachhaltiger“, erläutert Hartl.