Dr. Bruno Michel, Manager der Advanced Micro Integration-Gruppe bei IBM Research – Zürich.
Zürich – Der im Tessin ansässige Anbieter von Solarkrafttechnologie Airlight Energy und IBM Research planen bis 2017 die Markteinführung eines gemeinsam entwickelten kostengünstigen Solarkonzentrator-Systems. Das so genannte High Concentration PhotoVoltaic Thermal (HCPVT)-System kann durch 2’000-fache Konzentration des Sonnenlichts und innovative Heisswasserkühlung 80% der einfallenden Strahlung in nutzbare Energie umwandeln. An einem sonnigen Tag werden so 12 Kilowatt elektrische Energie und 20 Kilowatt Wärme erzeugt — genügend um mehrere durchschnittliche Haushalte zu versorgen.
Herzstück des zehn Meter hohen HCPVT-Systems ist eine 40 qm grosse Parabolschüssel aus speziell von Airlight Energy entwickeltem und patentiertem Beton. Die faserhaltige Mischung härtet in weniger als vier Stunden in jeder beliebigen Form aus und verfügt dann über ähnliche mechanische Eigenschaften wie Aluminium — bei nur einem Fünftel des Preises. Ein Tracking-System richtet die Parabolschüssel immer optimal zur Sonne aus. In der Schüssel selbst befinden sich 36 elliptische Spiegel, die aus einer 0.2 mm dicken, mit Silber beschichteten, recyclierbaren Plastikfolie bestehen. Das Material ist damit nur geringfügig dicker als die Verpackungsfolie von Schokolade.
Menschliches Blutsystem als Inspiration
Die Spiegelflächen, die durch einen kontrollierten Unterdruck verformt werden, konzentrieren das Sonnenlicht sehr präzise auf mehrere heisswassergekühlte Photovoltaik-thermische Multizellen-Empfänger mit so genannten Multi-Junction-Zellen. Im Laufe eines durchschnittlichen sonnigen Tages kann jede der 1×1 cm2 grossen Zellen bis zu 57 Watt elektrische Leistung produzieren. Mikrokanäle unter den Zellen bringen 85–90°C heisses Wasser bis auf wenige Zehntelmillimeter an diese heran. Die Betriebstemperatur wird so unter 105°C gehalten. Ohne Kühlung würden die Zellen sich auf über 1500°C erhitzen und verglühen. Wasser ist für diesen Zweck besonders geeignet, da es die Wärme zehnmal effektiver abtransportiert als Luft. „Inspiration für diese Kühltechnologie, die für den Transport des Wasser nur eine sehr geringe Pumpleistung benötigt, war das hierarchisch verzweigte Blutsystem des menschlichen Körpers“, erklärt Dr. Bruno Michel, Manager der Advanced Micro Integration-Gruppe bei IBM Research – Zürich und Erfinder der Technologie.
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Die gesamte Parabolschüssel und die Solar-Empfänger befinden sich unter einer luftgefüllten Plastikhülle, die einerseits das System vor Regen, Hagel und Staub und anderseits aber auch Vögel und andere Tiere vor Verletzungen durch die konzentrierte Sonnenstrahlung schützt.
Langlebig und kostengünstig
Durch die hohe Konzentration des Sonnenlichts und dank dem radikal kostengünstigen Design gehen die Wissenschaftler davon aus, dass der Preis für die neue Technologie in der Massenproduktion zwei- bis dreimal günstiger als für vergleichbare Systeme sein wird. „Mit HCPVT führen wir eine neue Generation von Solartechnologie ein“, sagt Dr. Gianluca Ambrosetti, Leiter der Forschung von Airlight Energy und verantwortlich für den Aufbau von Dsolar, dem neu gegründeten Spin-Off-Unternehmen zur Vermarktung der Technologie. „Das System ist nicht nur sehr kostengünstig, es schafft auch neue Arbeitsplätze in Regionen, in denen es installiert wird, da viele Materialen direkt aus lokalen Quellen bezogen werden können. Wir planen Partnerschaften mit Unternehmen auf der ganzen Welt, um das System bis 2017 kommerziell anbieten zu können.“ Auf der Basis des aktuellen Designs erwarten die Wissenschaftler, dass Teile des HCPVT-Systems bei entsprechender Wartung eine Lebensdauer von bis zu 60 Jahren erreichen. Die Schutzhülle und die beschichteten Plastikfolienspiegel müssen allerdings umgebungsabhängig nach 10 bis 15 Jahren ersetzt werden, die Photovoltaikzellen nach 25 Jahren. Natürlich wird das System während seiner ganzen Lebensdauer von Verbesserungen in Design und Herstellung profitieren, um so die Effizienz weiter zu steigern.
Wasseraufbereitung und klimatisierte Luft
Aktuelle Solarkonzentratorsysteme liefern nur elektrische Energie und führen die Wärme ungenutzt in die Atmosphäre ab was zu einer lokalen und globalen Erwärmung beiträgt. Das innovative Packaging-Konzept des HCPVT-Systems löst nicht nur das Überhitzungsproblem der Solarzellen, sondern ermöglicht auch die Nutzung der thermischen Energie für die Wasseraufbereitung oder zur Kühlung. So kann es je nach Kundenwunsch erweitert und angepasst werden. Für den Einsatz in Städten ist es zum Beispiel möglich, die Parabolschüssel mit einer transparenten Rückwand auszurüsten.
Für die Produktion von Trinkwasser kann zum Beispiel ein thermisches Membran-Entsalzungs-System zur Verdampfung, Reinigung und Entsalzung von Grund- oder Meerwasser betrieben werden. Ein derartiges System könnte 30–40 Liter Trinkwasser pro Quadratmeter Empfängerfläche und Tag liefern, während es netto immer noch Strom in der Grössenordung von etwa zwei Kilowattstunden pro Tag produziert. Dies ist fast die Hälfte der Menge Wasser und elektrische Energie, die nach Angaben der Vereinten Nationen eine Durchschnittsperson pro Tag benötigt. Eine grössere Anlage mit mehreren Systemen könnte dementsprechend genug Wasser und Strom für eine ganze Stadt liefern.
Das HCPVT-System kann durch den Einsatz von thermisch betriebenen Adsorptionskühlern auch zur Kälteerzeugung genutzt werden. Mittels eines Adsorbers wandelt dazu ein Adsorptionskühler die von der Solaranlage gelieferte Hitze in Kälte um. So könnten Kompressionskühler ersetzt werden, die mit Ozonschicht schädigenden Kühlmittel betrieben werden und viel Strom verbrauchen. In den ersten Phasen der Vermarktung werden HCPVT-Systeme mit noch nicht optimierten Vorstufen der Destillations- und Sorptionskühlsysteme zur Verfügung stehen. Die Entwicklung von Systemen mit optimierter Wasseraufbereitungs- und Sorptionskühltechnik wird noch zwei bis drei Jahre zusätzlicher Entwicklungszeit sowie weitere Partnerunternehmen benötigen.
Bewerbung von Gemeinden demnächst möglich
Im Rahmen eines IBM Corporate Service Corps (CSC)-Wettbewerbs können sich Gemeinden weltweit demnächst um einen von zwei Solarkonzentrator-Prototypen bewerben. Airlight Energy wird die Systeme zur Verfügung stellen und IBM CSC wird deren Installation für vier Wochen mit Trainings und Schulungen unterstützen. Die Gewinner werden im Dezember 2015 bekannt gegeben und der Aufbau der HCPVT-Systeme wird 2016 beginnen. Die Wissenschaftler von Airlight und IBM sehen den weltweiten Einsatz der HCPVT-Systeme zur Herstellung von nachhaltig erzeugtem Strom vor allem in klimatisch trockenen Gegenden wie Südeuropa, Afrika, der Arabischen Halbinsel, dem Südwesten der USA, Südamerika, Japan und Australien. Einsatzbereich sind z.B. auch abgelegene Spitäler, medizinische Einrichtungen, Hotels und Ferienanlagen, Einkaufszentren und generell Orte mit geringen Landreserven.
Die Erforschung und Entwicklung des HCPVT-Systems wird seit 2013 durch die Schweizer Kommission für Technologie und Innovation mit einer über drei Jahre laufenden Anschubfinanzierung unterstützt. An dem Projekt sind neben Wissenschaftlern von IBM Research – Zürich und Airlight Energy auch Forscher des Lehrstuhls für Erneuerbare Energieträger der ETH Zürich und des Instituts für Mikro- und Nanotechnologie MNT der Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs beteiligt. Ein erster Demonstrator des Multizellen-Solarempfängers entstand im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen IBM Research – Zürich und dem Egypt Nanotechnology Research Center.
Zur Photovoltaikzellen-Kühlung und Wärmewiederverwendung wird eine weltweit führende Technologie eingesetzt, die von IBM Research – Zürich für warmwassergekühlte Supercomputer entwickelt wurde. Im SuperMUC im Leibniz-Rechenzentrum bei München, einem der grössten Supercomputer Europas, wird warmes Wasser zur direkten Kühlung der Prozessorchips eingesetzt. Die abtransportierte Wärme wird anschliessend für die Gebäudeheizung verwendet. (IBM/mc/hfu)
Über Airlight Energy
Airlight Energy ist ein Schweizer Unternehmen mit Sitz in Biasca (Tessin), das patentierte Technologien zur Gewinnung von Elektrizität aus Solartechnologie im industriellen Massstab und zur Energiespeicherung anbietet. Das Unternehmen hat eine innovative Komplettlösung für den Concentrated Solar Power (CSP)-Markt entwickelt.
