Forscher in Deutschland behaupten, vertikale Solarmodule könnten besser sein als horizontale Solarmodule. Typischerweise werden Sonnenkollektoren horizontal montiert und nach Süden ausgerichtet, um eine maximale Sonneneinstrahlung zu erhalten, wenn sie über den Himmel wandert. Anstatt flach zu liegen, sind sie zwischen 20 und 35 Grad angewinkelt, je nachdem, wie weit sie vom Äquator entfernt sind. Es gibt komplexe mathematische Formeln, die den Entwicklern von Solarparks den genauen Winkel mitteilen, in dem die Module in Pensacola, Peoria oder Penticton montiert werden sollten. Es gibt Nachführsysteme, die die Paneele tagsüber der Sonne nachführen können, aber sie sind teuer und müssen regelmäßig gewartet werden.
Aber was ist, wenn die herkömmliche Weisheit falsch ist? Forscher bei Fachhochschule Leipzig behaupten, dass die Montage bifazialer Solarmodule mit einer Seite nach Osten und der anderen nach Westen mehr erneuerbaren Strom produzieren und einen der Nebenwirkungen traditioneller Solarenergiefarmen reduzieren würde – eine Fülle von Strom am Mittag und nicht genug am Morgen oder Nachmittag. Ihre Studie wurde in der August-Ausgabe 2022 der Zeitschrift veröffentlicht Intelligente Energie.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus der vertikalen Montage von Solarmodulen ergibt, besteht darin, dass zwischen ihnen Raum für das Wachstum von Pflanzen bleibt, ohne dass hohe Montagesysteme erforderlich sind, mit denen landwirtschaftliche Maschinen darunter betrieben werden können.
„Bifaciale Solarmodule können Sonnenenergie von beiden Seiten nutzen. In Ost-West-Ausrichtung installiert, wird der meiste Strom morgens und abends erzeugt. Das würde den Bedarf an Stromspeichern reduzieren und gleichzeitig den Platzbedarf für die Stromerzeugung gering halten“, sagt Sophia Reker von der Hochschule Leipzig und Erstautorin der Studie. Die Forscher stützen ihre Forschung auf eine Simulation des deutschen Energiesystems EnergiePlan Software.
Ausbau der Erneuerbare-Energien-Politik in Deutschland
Da Deutschland aufgrund des kriminellen Angriffs von Wladimir Putin auf die Ukraine mit einer erheblichen Einschränkung der Methanversorgung konfrontiert ist, hat die deutsche Regierung diesen Monat neue Richtlinien erlassen, um das Land unabhängiger von Energieimporten zu machen und die CO2-Emissionen zu reduzieren. Die Politik fordert, den Anteil erneuerbarer Energien von heute knapp 50 % auf mindestens 80 % bis 2030 zu steigern.
„Bifaciale Solarmodule sind etwas teurer als herkömmliche Solarsysteme. Aber da sie die Anzahl der Stunden verfügbaren Solarstroms erhöhen, werden andere Strombedarfe wie Gaskraftwerke reduziert. Senkrecht installiert können die Solaranlagen problemlos auf landwirtschaftlichen Flächen aufgestellt werden. Das schafft zusätzliche Verdienstmöglichkeiten für Landwirte und vergrößert das Flächenpotenzial für Erneuerbare Energien in Deutschland so sehr, dass wir nur noch wenig zusätzliche Energie importieren müssten“, sagt Jens Schneider, Professor für Vernetzte Energiesysteme und Mitautor der Studie .
Auf landwirtschaftlichen Flächen installierte Sonnenkollektoren können das Wachstum bestimmter Pflanzen unterstützen, indem sie die Pflanzen vor Wind und Hitze schützen. Blühstreifen für mehr Biodiversität sind direkt unter den Modulen möglich. Die sogenannte Agri-Photovoltaik soll durch das neue Gesetzespaket der Bundesregierung künftig besonders gefördert werden, schlagen die Forscher vor.
Die Analyse vertikaler Solarmodule von EnergyPlan
Die Forscher Sophia Reker, Jens Schneider und Christoph Gerhards haben für ihre Studie mit der Software EnergyPlan ein Energiesystem für Deutschland modelliert, das im Jahr 2030 zu 80 Prozent weniger CO2-Emissionen im Vergleich zu 1990 führen würde. Die Forscher gehen von einem Anstieg von derzeit 64 auf 195 aus Gigawatt Windenergieleistung und von derzeit 58 auf 400 Gigawatt Solarenergieleistung.
Dieses Niveau an zusätzlicher erneuerbarer Energie würde normalerweise eine deutliche Erhöhung der Batteriespeicherung erfordern, aber die Forschung zeigt, dass der Speicherbedarf abnimmt, wenn der Großteil der zusätzlichen Solarkapazität vertikal in Ost-West-Ausrichtung installiert wird. In einem Szenario ohne zusätzlichen Stromspeicher können allein dadurch mehr als 10 Megatonnen CO₂ pro Jahr eingespart werden.
Die folgende Grafik zeigt eine typische Solarstromerzeugung mit konventioneller Ausrichtung, mit Ost-West-Ausrichtung, Nord-Süd-Ausrichtung und einer Kombination von Ausrichtungen. Die Ost-West-Ausrichtung beginnt viele Stunden früher mit der Stromerzeugung und produziert viele Stunden später Strom als ein herkömmlicher Solarpark. Allerdings gibt es in den Mittagsstunden einen großen Leistungseinbruch.
Bildnachweis: Hochschule Leipzig
In den Mittagsstunden übersteigt die Sonnenenergie häufig den Bedarf und muss entweder für eine spätere Nutzung gespeichert oder abgeregelt werden, wodurch sie oft verschwendet wird. Vertikal ausgerichtete Solarmodule könnten den Bedarf an Peaker-Anlagen reduzieren oder eliminieren, die normalerweise am späten Nachmittag und frühen Abend ans Netz gehen, wenn die Nachfrage steigt, aber das Angebot von Solarparks nachlässt.
„Es konnte gezeigt werden, dass vertikale PV-Anlagen geringere Speicherkapazitäten oder eine geringere Auslastung von Gaskraftwerken ermöglichen. Ohne Speichermöglichkeiten ist eine Reduzierung der gesamten Kohlendioxidemissionen um bis zu 10,2 Millionen Tonnen pro Jahr möglich“, so die Forscher.
„Gerade in Ländern mit einer hohen Einwohnerzahl pro Fläche ist die verfügbare Fläche für PV-Kraftwerke ein entscheidendes Thema. Oft wird diskutiert, ob eine Fläche der Nahrungsmittelproduktion oder der Stromerzeugung gewidmet werden soll. Außerdem brauchen wir mehr Raum für die Förderung der Biodiversität. Das theoretische Energiepotenzial, das von APV-Systemen erzeugt wird, ist aufgrund der großen Verfügbarkeit von landwirtschaftlichen Flächen sehr hoch – bis zu 1700 TWh pro Jahr für Deutschland, was mehr als das Dreifache des Strombedarfs des Landes im Jahr 2019 von rund 500 TWh pro Jahr ist.“
Das wegnehmen
Ist das ein „Ah, HAH!“ Moment für Solarstrom? Es könnte sein. Mehr als alles andere zeigt es, was passieren kann, wenn Menschen konventionelle Weisheiten in Frage stellen. Vertikal ausgerichtete Solarparks könnten den Konflikt zwischen Solarenergie und der Bauerngemeinschaft beenden, der in bestimmten Teilen der Vereinigten Staaten besonders virulent ist, wo viele mehr daran interessiert sind, ihre „Lebensweise“ zu bewahren, als sich mit der existenziellen Bedrohung eines überhitzten Planeten auseinanderzusetzen.
Es gibt viele Industrien, die bei der Aussicht auf reichlich (und daher billige) Sonnenenergie während der Mittagsstunden ins Schwärmen geraten, um Wasser in grünen Wasserstoff zu elektrolysieren oder die mit der Stahlherstellung verbundenen Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Aber mehr Solarenergie früher und später am Tag ans Netz zu bringen, könnte ein weiteres Instrument sein, um erneuerbare Energien zur bevorzugten Wahl gegenüber neuen thermischen oder nuklearen Kraftwerken zu machen.
Ein großes Lob an die Forscher, die über den Tellerrand hinaus denken und sich eine neue Art vorstellen, die unerschöpfliche (seit mindestens einigen Milliarden Jahren) Kraft der Sonne zu nutzen. Es wird alles kreative Denken erfordern, das die Menschen aufbringen können, um die Erde im nächsten Jahrhundert und darüber hinaus bewohnbar zu halten.
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