Effizienz auf allen Ebenen 17.03.2022, 16:16 Uhr

Endlich eine Lösung für die Reinigung von Solarmodulen – ganz ohne Wasser

Forschende vom MIT haben wieder eine erstaunliche Innovation vorgestellt. Sie haben eine Methode entwickelt, um Staubansammlungen auf Solarpaneelen zu verhindern. Das Wichtigste dabei: Die Reinigung kommt ohne das kostbare Wasser aus.

Solarpaneel

Diese Illustration zeigt das Prinzip: Der Staub wird abgestoßen.

Foto: MIT / Courtesy of the researchers

Der Anteil der Solarenergie wächst. Gleichzeitig sind viele Ingenieurinnen und Ingenieure damit beschäftigt, an Speichermöglichkeiten zu forschen. Die Expertinnen und Experten vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) schätzen, dass der Anteil der Solarenergie bis zum Jahr 2030 bei 10% liegen wird. Das Ziel ist klar: Sonnenergie in Regionen einfangen, wo die Module nicht stören und besonders viel UV-Licht die Erde erreicht – in der Wüste. Dafür muss jedoch zuerst ein naheliegendes Problem gelöst werden: Wie soll es gelingen, die Solarmodule sauber zu halten? Verschmutzungen durch Staub können die Leistung der Photovoltaikanlagen in nur einem Monat um bis zu 30% herabsetzen. Ein Forscherteam des MIT hat dafür ein geniales Konzept entwickelt.

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Unzureichende Reinigung von Solarmodulen führt zu hohen Einbußen

Mal 0,1% hier und mal 0,2% dort – es sind riesige Anstrengungen erforderlich, um den Wirkungsgrad von Solarmodulen weiter zu verbessern. Größere Sprünge gelingen selten. Umso verwunderlicher ist nach Ansicht von Kripa Varanasi, Professor für Maschinenbau am MIT, dass bislang noch keiner seiner Kolleginnen und Kollegen das Reinigungsproblem gelöst hat. „Ein so banales Problem wie Staub kann dem Ganzen einen Strich durch die Rechnung machen.“

Denn zusammen mit seinem Team hat er die Leistungsverluste detailliert berechnet und auf finanzielle Einbußen übertragen. Demnach würde schon ein Einbruch der Leistung um einen einzigen Prozentpunkt bei einer 150-Megawatt-Solaranlage zu jährlichen Einnahmeverlusten von 200.000 Dollar (rund 182.000 Euro) führen.

Der massive Ausbau von Solar- und Windenergie allein bringt gar nichts

Reinigung mit Wasser ist in trockenen Gegenden problematisch und teuer

Grundsätzlich ist den Betreibern von Solaranlagen dieses Problem natürlich bekannt. Viele der größten Solaranlagen der Welt, sind bereits in Wüstenregionen aufgestellt, etwa in China, Indien, den Vereinigten Arabischen Emiraten und den USA. Gereinigt werden sie bislang mit Wasser über ein Druckstrahlsystem. Teilweise schrubben Mitarbeitende die Paneele auch trocken, was den Staub aber nicht so gut entfernt, länger dauert und zu Schäden führen kann, die beispielsweise die Lichtdurchlässigkeit beeinträchtigen.

So logische es zu sein scheint, Solarmodule für die Reinigung mit Wasser abzuspülen, in der Wüste ist das kein effizientes System. Das Wasser muss über weite Strecken transportiert werden und macht nach Angaben von Varanasi leicht 10% der Betriebskosten aus. Zudem sei der Wasser-Fußabdruck der Solaranlagen dramatisch hoch. Er schätzt, dass aktuell bereits 10 Milliarden Liter Wasser für die Reinigung verbraucht werden – jedes Jahr. Das wäre genug Trinkwasser für ungefähr zwei Millionen Menschen.

Elektrostatisches System stößt den Staub ab

Das Team um Varanasi hat daher ein System entwickelt, das ganz ohne Wasser auskommt, weil es die elektrostatische Abstoßung nutzt. Es soll Staubpartikel dazu anregen, regelrecht von der Oberfläche des Paneels abzuspringen. Dafür wir eine einfache Elektrode direkt über der Oberfläche des Solarmoduls angebracht. Sie verleiht den Staubpartikeln eine elektrische Ladung. Im nächsten Schritt wird das Paneel unter Spannung gesetzt, sodass die Staubteilchen abgestoßen werden. Die Forschenden haben einen Spannungsbereich gefunden, der ausreicht, um die Schwerkraft und die Adhäsionskräfte zu überwinden. Die Ingenieurinnen und Ingenieure haben das Reinigungssystem so aufgebaut, dass es mit einem Elektromotor und Führungsschienen an der Seite des Panels automatisch betrieben werden kann.

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Die Idee an sich ist nicht neu. Andere Forscherteams haben sich bereits an elektrostatischen Lösungen versucht, aber diese beruhten nach Aussage der Expertinnen und Experten am MIT auf einer Schicht, die als elektrodynamisches Sieb bezeichnet wird und ineinandergreifende Elektroden verwendet. Dieses Sieb sei jedoch sehr fehleranfällig.

Labortests bestätigen zuverlässige Reinigung der Solarpaneele

Eine Testanlage im Originalmaßstab gibt es noch nicht, doch im Labor habe das System mit verschiedenen Partikelgrößen bereits gut funktioniert, berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Dabei habe sich herausgestellt, dass die Luftfeuchtigkeit für eine dünne Wasserschicht auf den Partikeln sorgte, was sich als entscheidend für den Reinigungseffekt erwies. Deswegen müsse die Luftfeuchtigkeit bei mindestens 30% liegen. Das sei selbst in der Wüste kein Problem. Dort ist die Luftfeuchtigkeit in den frühen Morgenstunden hoch genug. Der Zeitpunkt für die Reinigung der Solarmodule müsste nur entsprechend gewählt werden.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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