Sonnenkollektoren halten die Klimaanlagen in Texas bei Rekordtemperaturen eingeschaltet und helfen der EU, Stromausfälle aufgrund von Putins Krieg gegen die Ukraine zu verhindern. Die US-Regierung bietet Unternehmen zahlreiche Anreize, sie in Amerika statt in China herzustellen. Obwohl Solarenergie schnell zu einer wichtigen Stromquelle für die Welt wird, ist sie noch eine relativ junge Technologie mit viel Raum für Innovationen, um die Effizienz von Solarmodulen zu steigern und die Kosten zu senken.
Es gibt noch etwas anderes bei Solarmodulen, das berücksichtigt werden muss, bevor wir sie zum Schlüssel für eine CO2-freie Zukunft erklären. Heute haben sie in großen kommerziellen Anwendungen eine Nutzungsdauer von etwa 10 bis 15 Jahren. Das bedeutet nicht, dass sie die Stromproduktion komplett einstellen. Die meisten Panels funktionieren auch nach 25 Jahren noch. Einige unserer Leser berichten, dass sie über 50 Jahre alte Solarmodule verfügen, die immer noch Strom produzieren.
Aber wenn es sich um einen großen kommerziellen Solarpark handelt, bei dem ein Unterschied von 1 % den Unterschied zwischen Rentabilität und Unrentabilität ausmachen kann, kommt irgendwann der Punkt, an dem es wirtschaftlich sinnvoll ist, sie durch neuere, effizientere Module zu ersetzen. Das heißt, wenn wir heute Millionen von Solarmodulen installieren, müssen in Zukunft Millionen davon recycelt werden.
Diese Woche brachte zwei Ankündigungen, die für die Solarbranche von Interesse waren. Bei einem davon handelt es sich um Hybrid-Solarmodule, die deutlich effizienter sind als die heutigen herkömmlichen Module. Zum anderen geht es um eine neue Art des Recyclings älterer Platten. Hier ist mehr.
Hybride Silizium/Perowskit-Solarmodule
Herkömmliche Panels nutzen Silizium, um Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln. Der theoretische Grenzwert für Silizium liegt bei etwa 29 %, was bedeutet, dass weniger als 30 % des einfallenden Sonnenlichts in Elektrizität umgewandelt werden. Der aktuelle Wirkungsgradrekord für reine Silizium-Solarzellen liegt bei 24,5 % in kommerziellen Zellen und 27 % im Labor. Silizium reagiert auf bestimmte Wellenlängen im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Aber Sonnenlicht hat mehr zu bieten als das, was das menschliche Auge sehen kann. Ein Teil davon fällt in den „blauen“ Teil des Spektrums, den wir Ultraviolett nennen, und ein Teil in den „roten“ Teil des Spektrums, den wir Infrarot nennen.
Perowskite erzeugen Strom aus dem „blauen“ Teil des Spektrums. Kombinieren Sie sie mit herkömmlichen Silizium-Solarzellen und das Ergebnis ist ein Solarpanel, das effizienter ist als Silizium allein. Entsprechend Der WächterMehrere Forscher haben genau das getan, um Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von 30 % oder mehr herzustellen. Experten sagten, wenn die Ausweitung der Produktion der Tandemzellen reibungslos verläuft, könnten sie innerhalb von fünf Jahren kommerziell verfügbar sein, etwa zur gleichen Zeit, zu der reine Siliziumzellen ihre maximale Effizienz erreichen. Das ist natürlich ein großes „Wenn“.
Zwei Gruppen veröffentlichten die Einzelheiten ihrer Effizienzdurchbrüche in der Zeitschrift Wissenschaft am Donnerstag. Eine Gruppe unter der Leitung von Professor Steve Albrecht am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie in Deutschland gibt an, bei Silizium-/Perowskit-Zellen Wirkungsgrade von bis zu 32,5 % erreicht zu haben. Die andere Gruppe unter der Leitung von Dr. Xin Yu Chin von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne, Schweiz, gezeigt ein Wirkungsgrad von 31,25 %. Es hieß, Tandemzellen hätten „das Potenzial sowohl für einen hohen Wirkungsgrad als auch für niedrige Herstellungskosten“.
„Dieses Jahr ist ein revolutionäres Jahr“, sagte Prof. Stefaan De Wolf von der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien. „Es ist sehr aufregend, dass sich die Dinge bei mehreren Gruppen schnell entwickeln. Was diese beiden Gruppen gezeigt haben, sind wirklich Meilensteine. Das Überschreiten der 30-Prozent-Grenze schafft Vertrauen, dass leistungsstarke und kostengünstige PV-Anlagen auf den Markt gebracht werden können. „Die Branche entwickelt sich sehr, sehr schnell“, sagte De Wolf. „Und ich bin sicher, dass in China mehrere Unternehmen daran arbeiten.“
Regelmäßige Leser wissen, dass die Haltbarkeit eines der Probleme ist, die Perowskite bisher von der großtechnischen kommerziellen Produktion abgehalten haben. Die Forscher in Deutschland und der Schweiz arbeiten daran, winzige Defekte auf der Oberfläche der Perowskitschicht zu beseitigen, die es einigen durch Sonnenphotonen freigesetzten Elektronen ermöglichen, in den Perowskit zurückzufließen, anstatt zum elektrischen Strom der Zelle beizutragen und deren Effizienz zu verringern.
Alle Forscher verwenden unterschiedliche Techniken, um die Leistung und Langlebigkeit von Perowskit-Solarzellen zu maximieren, was darauf hindeutet, dass weitere Verbesserungen möglich sind. „Es gibt noch viel Spielraum, um weiter zu gehen“, sagte DeWolf. „Ich glaube, dass die praktische Grenze weit über 35 % liegt.“
Kochen von Sonnenkollektoren in der Mikrowelle
Die Entsorgung alter Solarmodule ist eine Herausforderung. Die darin enthaltenen Materialien mögen 3 bis 5 US-Dollar wert sein, aber der Prozess ihrer Rückgewinnung kostet bis zu 30 US-Dollar pro Panel. Die Solarmodulindustrie „arbeitet daran, das Richtige zu tun, weil es sich um ein sehr beherrschbares Problem handelt“, sagte Teresa Barnes, Photovoltaik-Expertin beim National Renewable Energy Laboratory des Energieministeriums Washington Post. „Es ist ein technologisch lösbares Problem. Es ist ein wirtschaftlich lösbares Problem.“
Die Herausforderung bei Silizium-Solarmodulen besteht darin, dass „die Leute nicht genau wissen, wie sie damit umgehen sollen“, sagte Barnes. „Es gibt eine echte Mischung an Vorschriften. Da kann ein Materialmix drin sein.“ Ein typisches Solarpanel besteht aus Aluminium, Glas, Silizium, Kunststoff sowie Kupfer, Silber und etwas Blei. Die Schichten sind miteinander versiegelt, um die Platten wetterfest zu machen, aber das bedeutet, dass es schwierig ist, sie auseinanderzunehmen. Zum einen ist das Glas an der Außenseite mit den darunter liegenden Materialien verbunden, so dass es nahezu unmöglich ist, es in einem Stück zu entfernen.
Forscher in Australien sagen, sie hätten einen Weg gefunden, der zur Lösung dieses Problems beitragen könnte. „Wir begannen unsere Arbeit mit einer modifizierten Küchenmikrowelle“, sagte Binesh Puthen Veettil, Dozent an der School of Engineering der Macquarie University, der die Forschung leitete. „Das Prinzip ist das gleiche und die Frequenz, die wir verwenden, ist 2,45 Gigahertz, also die gleiche Frequenz wie die einer Küchenmikrowelle.“
Die Forscher fanden heraus, dass die schützende Kunststoffbeschichtung eines Solarpanels bei der Mikrowellenbehandlung so weich wurde, dass sie sich ablösen ließ, was bedeutete, dass das Panel leicht delaminiert und seine Teile ohne den Einsatz aggressiver Chemikalien entnommen werden konnten. Dieser Ansatz könnte es Recyclern ermöglichen, das hochwertige Glas aus ganzen Paneelen zurückzugewinnen, anstatt es zerkleinern und die Stücke als Rohmaterial verkaufen zu müssen. „Allein durch die unversehrte Gewinnung des Glases wird das Recycling von Solarmodulen wirtschaftlich rentabler“, sagte Veettil.
Lebendiger? Ja. Profitabel? Vielleicht. Die Forscher schätzen, dass ihr Prozess Materialien im Wert von etwa 12 US-Dollar aus jedem Solarpanel freisetzen könnte. Aber wenn das Recycling eines Panels bis zu 30 US-Dollar kostet, gibt es dafür noch keine guten Geschäftsgründe. Barnes vom NREL ist in dieser Angelegenheit ziemlich unbekümmert. „Die Vorteile eines dekarbonisierten Stromsystems überwiegen bei weitem die Risiken, die entstehen, wenn am Ende der Nutzungsdauer feste Abfälle anfallen, insbesondere wenn wir bereits die Infrastruktur aufbauen, um mit der Bewältigung dieses Problems zu beginnen“, sagte sie.
Aber wenn durch neue Möglichkeiten des Recyclings alter Platten mehr Materialien zurückgewonnen werden können und die Kosten für deren Demontage sinken, wird das Recycling möglicherweise irgendwann wirtschaftlich machbar. Dekarbonisierung ist schön und gut, aber was die Menschheit braucht, ist eine vollständige Kreislaufwirtschaft, in der alte Dinge nicht einfach auf Mülldeponien vergraben werden, sondern zur Grundlage für neue Dinge werden. Dann, und nur dann, werden wir ein Gleichgewicht mit der Natur erreichen, das es den Menschen ermöglicht, weiterhin auf der Erde zu leben.
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