ERNEUERBARE ENERGIEN

Hochpräzise Messungen zur Identifizierung der Solarplatten mit bester Leistung (und Haltbarkeit)

Das PVLab der SUPSI in Mendrisio ist als einziges in der Schweiz zertifiziert, um Tests an Photovoltaikplatten mit sehr geringen Fehlerquoten durchzuführen. Simulationen auch widriger Witterungserscheinungen

von Monica Nardone

Angesichts der anhaltenden Energiekrise, steigender Gaspreise und des Klimawandels, der die Temperaturen durcheinanderbringt, wird der Einsatz erneuerbarer Energiequellen immer zwingender. Einer der Sektoren in diesem Bereich, der mit Rekordgeschwindigkeit wächst, ist die Photovoltaik. 

In den 70er Jahren entwickelt, um die Satelliten mit Strom zu versorgen, sind die Solarplatten in den 80er Jahren „auf der Erde gelandet“ und haben immer höhere Leistungen erreicht, die sich in den letzten 15 Jahren fast verdoppelt haben (auch wenn sie anderen Systemen zur Energieerzeugung in puncto Ertrag immer noch unterlegen sind). Derzeit liegt die maximale Effizienz bei fast 25 % (während sie im Jahr 2008 bei ungefähr 15 % lag), aber Ziel ist es, bald 30 % zu erreichen, dank der Forschung, die grosse Fortschritte macht und auch von den starken Investitionen in der Branche angetrieben wird. Laut der jährlichen Aktualisierung der Prognosen für den europäischen Photovoltaikmarkt, beispielsweise des EU Market Outlook for Solar Power, war 2021 für Europa das beste Jahr aller Zeiten mit der Installation von Anlagen für eine Leistung von 25,9 GW.
In Sachen Photovoltaik ist auch die Schweiz, mit dem Kanton Tessin an der Spitze, seit vielen Jahren führend. Insbesondere auf dem Campus der Fachhochschule der italienischen Schweiz (SUPSI - Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana) in Mendrisio gibt es eine Exzellenz auf europäischem Niveau: Eines der Zentren, das berechtigt ist, die Leistung und Haltbarkeit von Photovoltaikplatten zu zertifizieren, und das einzige dieser Art in der Schweiz (akkreditiert, Fachsprache zu verwenden, ISO 17025).

Das Foto vergrössern Mauro Caccivio Das Foto vergrössern

«Unsere Geschichte – erklärt Mauro Caccivio, Leiter des PVLab am Campus von Mendrisio, wo diese Zertifizierungen durchgeführt werden – beginnt im Jahr 1982, als die SUPSI noch nicht existierte. Sie begann mit einem Pionierprojekt namens TISO (TIcino SOlare), einer Photovoltaikanlage, die noch heute funktioniert und als erste an das Stromnetz in Europa angeschlossen wurde. Vor TISO waren die Photovoltaikanlagen isoliert, wie man technisch sagt: In der Praxis wurden sie hier in der Schweiz auf Berghütten verwendet, um 12-Volt-Batterien aufzuladen, die das Haus mit Strom versorgten». Das Projekt TISO, das auf Initiative von Mario Camani, ehemaliger Leiter der Abteilung Luft, Wasser und Boden des Departements für Umwelt des Kantons Tessin, durchgeführt wurde, «war die Grundlage für unsere Forschungstätigkeit – fährt Caccivio fort. – Mit der Installation dieser Anlage haben wir begonnen, mit dem Gemeinsamen Forschungszentrum (CCR - Centro Comune di Ricerca) der Europäischen Kommission in Italien, in Ispra, in der Provinz Varese, zusammenzuarbeiten, um die Platten einmal jährlich zu überwachen, um die Verschlechterung zu überprüfen, die Sicherheit zu untersuchen und ihre Lebensdauer abzuschätzen». Aus dieser Tätigkeit entstand dann das Zentrum zur Zertifizierung von Solarplatten.

Damit eine Photovoltaikanlage kostengünstig ist, betont Caccivio, muss sie lange halten, «25-30, vielleicht sogar 40 Jahre. Die TISO-Anlage beispielsweise produziert seit 40 Jahren gut, obwohl heute nur die besten Module weiterhin überwacht werden, um zu verstehen, wie weit wir mit dieser Technologie gehen können».

In diesem Bereich ist in der Tat die Investitionsrendite wichtig. «In der Schweiz – fügt Caccivio hinzu – amortisiert sich die Anfangsinvestition heute in ungefähr 10 Jahren. Dies natürlich, wenn die Anlage direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist und die Materialien von guter Qualität sind, und dann verdient man für die nächsten 15 Jahre. Die lange Haltbarkeit der Anlage ist auch aus Sicht der Umweltauswirkungen wichtig, da auf diese Weise die für die Herstellung der Platten aufgewendete Energie in den ersten anderthalb Jahren zurückerstattet wird und sich dann über einen langen Zeitraum für die Umwelt kostenlos multipliziert». Die Haltbarkeit wird auch dank der Überprüfung der Anfangsleistungen der Platten garantiert, die durch einen Impuls-Sonnensimulator umgesetzt wird, eine Art künstliche Sonne mit einem sehr kurzen Blitz von 10 Millisekunden, um die Platte nicht zu erhitzen und ihre Leistungen nicht zu verändern. 

Um die Platten zu testen ist es sehr wichtig, auch mögliche Widrigkeiten, wie zum Beispiel Hagel, zu simulieren. «Mit der globalen Erwärmung – erklärt der Experte – erleben wir eine Zunahme der Häufigkeit von katastrophalen Ereignissen wie Hagel mit sehr grossen Körnern. Wir simulieren im Labor die Auswirkung mit Eiskugeln mit einem Durchmesser von 25 bis 70 Millimetern, und untersuchen und verbessern den Prozess, um auch bei Durchmessern von bis zu 100 Millimetern wiederholbare Ergebnisse zu erzielen».

Die Messungen in einem akkreditierten Labor sehen sehr geringe Fehlerquoten vor, da selbst eine minimale Unsicherheit einen erheblichen wirtschaftlichen Einfluss auf die über 30 Jahre erzeugte Energie hat. In diesem Moment liegt die Unsicherheit bei ungefähr 1 %. Das heisst, dass die Messgenauigkeit 99 % beträgt. Ein sehr wichtiger Wert für einen schnell wachsenden Markt. Und das Labor der SUPSI ist in der Lage, innerhalb dieser nicht leicht einzuhaltenden Grenzen zu bleiben.

Dennoch sind trotz der starken Expansion des Sektors noch einige Herausforderungen zu bewältigen beginnend bei der Suche nach neuen Materialien, die mit Silizium kombiniert werden können, um die intrinsischen Grenzen zu überwinden, die seine Effizienz auf circa 25 % beschränken. Eine der vielversprechendsten Technologien ist die der Photovoltaikzellen, die ein Calcium-Titandioxid-Mineral namens Perowskit nutzen, das im Labor äusserst vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die Effizienz liefert und daher für den Bereich der erneuerbaren Energien interessant ist. Insbesondere wird die Möglichkeit ausgenutzt, eine dünne Schicht aus Perowskit auf dem Silizium abzulegen, das die Zellen bildet, um eine zweite Verbindung hinzuzufügen, die für sichtbares Licht empfindlicher ist. «Zum Beispiel – erklärt Caccivio – hat das Zentrum Csem der Technischen Hochschule Lausanne kürzlich einen Prototyp von Perowskit/Silizium-Doppelsolarzellen entwickelt, der eine Effizienz von 30 % erreicht hat und effektiv verspricht, Silizium zu übertreffen. Das Material ist jedoch immer noch sehr instabil und es ist nicht möglich, die Haltbarkeitstests zu bestehen».

Ein weiteres wichtiges Thema der alternativen Energie ist, wie die erzeugte Energie gespeichert werden kann, um das Netz zu stabilisieren und ungenutzte Energie für Zeiten aufzubewahren, in denen die Nachfrage das Angebot übersteigt oder wenn die Quellen nicht verfügbar sind. Momentan wird die Energie in Anlagen gespeichert, die auf grossen Lithiumbatterien basieren, es werden jedoch auch andere Lösungen gesucht. Die grössten, noch existierenden Speicherbatterien wurden von Tesla hergestellt, dem von Elon Musk gegründeten Unternehmen. Und genau dieser visionäre Unternehmer hat in Kalifornien das „Moss Landing Megapack“ gebaut, die grösste jemals gebaute Energiespeicheranlage, die 256 containergrosse Akkumulatoren verwendet. 

Immer wichtiger wird auch die Integration von Photovoltaik in Gebäude, so dass es in Europa, so Caccivio abschliessend, zwei grosse Themen gibt: Building-Integrated Photovoltaik, also direkt in die Materialien eingefügt, die für die Verkleidung von Gebäuden benutzt werden (und nicht mehr nur in den Platten auf dem Dach) und Agri-Photovoltaik, bei der unbebaute Nutzflächen genutzt werden, oder die Installation von Photovoltaikplatten auf Gewächshäusern oder Lagerhallen. 

SUPSI selbst entwickelt in diesem Bereich intelligente Fenster, die zusätzlich zu ihrer Funktion auch in der Lage sind, Energie aus der Sonne zu gewinnen, indem spezielle „Jalousien“ verwendet werden, deren Lamellen in Wahrheit Photovoltaikplatten sind.