Gebündelte Kraft

Die Fahrt von Los Angeles nach Las Vegas kann eine trostlose Angelegenheit sein. Träge schiebt sich der Verkehr auf der Interstate 15 in Richtung Spielerparadies in Nevada. Auf halber Strecke ist das Solarkraftwerk von Newberry Springs zu sehen. Gut acht Meter ragen die einbeinigen Glaskolosse aus dem Sand der Mohave-Wüste. Es ist eines der jüngsten Projekte des Solarunternehmens Soitec mit Sitz im französischen Bernin.

Mit absoluter Präzision folgt der Modultisch exakt dem Lauf der Sonne am Himmel. Jeden Tag aufs Neue, 360 Tage im Jahr. So oft brennt die Sonne auf den Wüstensand. Nur an fünf Tagen im Jahr zeigen sich Wolken am Himmel.

Die Tracker dürfen sich nur 0,1 Grad Abweichung vom idealen Winkel zur Sonne erlauben. Sonst funktioniert das ganze System nicht mehr. Das ist eine Herausforderung. Schließlich sind die zwölf auf den Trackern montierten Module alles andere als leicht. Satte 210 Kilogramm bringt jedes von ihnen auf die Waage. Dazu kommen noch rund 2.500 Kilogramm für den Modultisch.

Die Anlagen glänzen in der Sonne. Auf der Oberseite fallen die vielen Fresnellinsen aus Silikon auf, die unter dem Frontglas liegen. Sie bündeln das einstrahlende Sonnenlicht. Mit 500-facher Konzentration trifft es auf die winzigen Solarzellen darunter. Das Licht muss die nur 25 Quadratmillimeter großen Zellen genau treffen. Die Zellen sind die kleinsten Teile des gesamten Systems, aber gleichzeitig das Herzstück. Mit höchster Effizienz wandeln sie das Sonnenlicht in Strom.

Mit einer Breite von 3,67 Metern, einer Höhe von 2,39 Metern und einer Dicke von gut zehn Zentimetern sind die Module der Soitec-Anlage zwar gut doppelt so groß wie ein Standardmodul. Dafür leisten sie aber fast 2,3 Kilowatt und ersetzen damit acht polykristalline Module der neuesten Generation. Zwölf von ihnen sind in Newberry Springs auf einen Modultisch geschraubt. Das ergibt pro Tisch eine Modulfläche von 110 Quadratmetern und eine Leistung von 28 Kilowatt. Für diese Leistung bräuchte man mit herkömmlichen Photovoltaikmodulen gut die doppelte Fläche, die die CPV-Anlagen belegen.

Höchste Zell- und Modulwirkungsgrade, genaue Trackersysteme, hohe Konzentration des Lichts auf kleinste Solarzellen – die konzentrierende Photovoltaik (CPV) kann mit vielen Superlativen aufwarten. Einzig mit dem Verkauf hat es bisher noch nicht so recht geklappt. Die Zubauzahlen sind ernüchternd. In diesem Jahr gingen weltweit neue CPV-Anlagen mit einer Gesamtleistung von nur gut 80 Megawatt ans Netz. Die Branche ist weit entfernt von einem jährlichen Zubau im Gigawattbereich, den die amerikanischen Marktforscher von GTM Research für das kommende Jahr prognostiziert haben.

Soitec bleibt dran

Die Zahl stammt aus dem Jahr 2011. Damals waren die Aussichten gut. Allein die Projektpipeline von Soitec belief sich auf mehrere Hundert Megawatt. Die Franzosen sammelten Strombezugsvereinbarungen (Power Purchase Agreements) mit San Diego Gas & Energy ein, die für Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von über 300 Megawatt ausreichen. Von diesen Projekten ist bisher noch kein einziges realisiert, weil die Finanzierung bisher nicht so richtig klappt. Deshalb lassen es auch die Marktforscher jetzt etwas vorsichtiger angehen. In der neuesten Studie gehen die Analysten von IHS von einem konstanten Marktwachstum aus. Erst im Jahr 2018 werde die Branche die Gigawattmarke knacken.

Trotzdem bleibt die Branche optimistisch. Das Kraftwerk in Newberry Springs ist mit seiner Gesamtleistung von 1,68 Megawatt nur ein kleiner Teil der Projekte, die Soitec gebaut hat. Die Franzosen haben insgesamt 30,83 Megawatt CPV-Leistung neu installiert. Die Projektpipeline ist üppig gefüllt. Allein in Südafrika soll das Kraftwerk Touwsriver von 23,8 auf 44 Megawatt ausgebaut werden. Selbst China ist für die CPV kein abgeschlossener Markt. Soitec hat im vergangenen Jahr dort 2,74 Megawatt installiert.

Volle Projektpipeline

In diesem Jahr kommen noch einmal gut 17 Megawatt dazu. Der chinesische Konkurrent Suncore Photovoltaics hat 2013 ein riesiges CPV-Kraftwerk in der Provinz Qinghai im Nordosten des Landes gebaut. Es leistet immerhin 50 Megawatt. „Dank der großen Projekte, die bisher umgesetzt wurden, wird 2014 das erste Jahr sein, in dem die CPV endgültig die Grenze von 100 Megawatt neu installierter Leistung überschreiten wird“, erklärt Geoffrey Kinsey, Photovoltaikexperte und ehemaliger Direktor des Fraunhofer-Zentrums für Nachhaltige Energiesysteme (CSE) in Boston, Massachusetts. Damit ist Kinsey aber noch vorsichtiger als die Analysten von IHS. Sie gehen davon aus, dass Soitec und Suncore allein jeweils 50 Megawatt neu installieren.

Zuvor war Kinsey Forschungsdirektor von Amonix, dem einst zweitgrößten CPV-Hersteller. Für das Unternehmen lief es im vergangenen Jahr aber nicht so gut. Immerhin hat es mit Arzon Solar einen Investor gefunden, der das CPV-Geschäft von Amonix weiterführt. Bei einem anderen großen Player der CPV-Branche, Solfocus, gingen 2013 die Lichter komplett aus.

Skalierungseffekte zahlen sich aus

Kinsey sieht vor allem Skalierungseffekte, die aus den bisherigen Installationen resultieren und sich letztlich auf den Preis für die Systeme auswirken. „In dem Ausmaß, wie im vergangenen Jahr neue Anlagen installiert wurden, kommt es auch zu Einsparungen bei einer Reihe von Systemkomponenten inklusive der Stapelzellen und der mehrachsigen Tracker, die in den hoch konzentrierten Anlagen verwendet werden“, sagt er. Kinsey vergleicht die derzeitige Marktentwicklung mit derjenigen der Siliziumphotovoltaik. „Wenn wir auf das Jahr 1996 zurückschauen, blicken wir auf eine Zeit, als die konventionelle Photovoltaik in den Größenordnungen installiert wurde wie heute die CPV“, erinnert er sich.

Danach ging es mit den Preisen rapide abwärts und mit der jährlich neu installierten Leistung stetig aufwärts. „Die Maschinen sind nicht teuer, das Material ist es auch nicht. Der Rest ist eine Sache des Designs und des Massengeschäfts“, ergänzt Hansjörg Lerchenmüller, Vizepräsident von Soitec und Geschäftsführer der Soitec-Niederlassung in Freiburg. Er geht davon aus, dass die Technologie das Potenzial hat, so preiswert zu werden wie LEDs.

Langsam ziehen die Banken mit

Die größere Anzahl der installierten Anlagen kann auch noch auf einem anderen Gebiet der CPV weiterhelfen. Bisher waren die Investoren skeptisch, was die Performance der Systeme betrifft. Die Technologie musste erst noch beweisen, dass sie dauerhaft und zuverlässig funktioniert. Nur so gewinnen die finanzierenden Banken auch Vertrauen in die CPV. Die fehlende Bankability hat sich bisher als Achillesferse erwiesen. Doch auch das könnte sich in naher Zukunft ändern.

Immerhin hat der Rückversicherer Munich Re schon vor zwei Jahren Leistungsgarantien auf die Konzentratorsysteme von Solfocus versichert. Zwar existiert das kalifornische Unternehmen nicht mehr. Doch im September des vergangenen Jahres versicherte die Munich Re auch die Konzentratorsysteme von Soitec. „Unsere CPV-Module haben sich als haltbar und zuverlässig erwiesen“, freut sich Gaetan Borgers, Vizepräsident der Solarenergiesparte von Soitec. „Wir haben inzwischen unsere Produkte in 18 Ländern installiert und hatten bisher noch keine Garantiefälle bezüglich der Moduldegradation.“ Die Franzosen erhoffen sich durch den Vertrag mit der Munich Re einen einfacheren Marktzugang. „Mit der Rückversicherung der Performance unserer Module wird auch die wirtschaftliche Sicherheit der CPV-Projekte untermauert“, sagt Borgers.

Weniger Modulfläche nötig

Die CPV hat aber nicht nur Superlative zu bieten, sondern auch erhebliche Vorteile. Die hohen Moduleffizienzen erlauben viel Leistung auf minimaler Fläche. Dazu kommen noch die im Vergleich zur herkömmlichen Photovoltaik geringeren Installationskosten. Damit können die Anbieter vor allem in Ländern punkten, wo die Löhne der Installateure hoch sind.

Neben den USA gehören damit auch südeuropäische Regionen wie Südfrankreich, Spanien oder Italien zu den Zielmärkten der CPV. Doch die Technologie hat auch ihre Grenzen, was den Einsatz betrifft. Niemand wird sich ein solches Modul aufs Hausdach schrauben. Die Sonnenstrahlen müssen genau senkrecht auf die Fresnellinsen fallen. Sonst verfehlt das gebündelte Licht die kleine Solarzelle. Deshalb sind die Marktchancen für die Technologie auf die sonnenreichen Regionen der Erde beschränkt und funktionieren nur als Freiflächen- oder große Anlagen auf Flachdächern.

Tatsächlich sehen die Marktanalysten von IHS die größten Chancen für die CPV in Nord- und Mittelamerika. So sind neben den großen Kraftwerken in den USA auch in Mexiko Anlagen mit einer Gesamtleistung von 450 Megawatt geplant. Für Südamerika prognostizieren die Analysten ein Wachstum des CPV-Marktes von 560 Prozent zwischen 2013 und 2017. Vor allem Chile wird den Markt dort antreiben. Die Marktforscher begründen das mit den extrem guten natürlichen Bedingungen dort aufgrund der weltweit höchsten Globalstrahlung.

Stapelzellen als Herzstück

Das größte Wachstum sehen die Analysten aber im Mittleren Osten und in Afrika. Gingen im Jahr 2012 noch CPV-Anlagen mit einer Gesamtleistung von 1,3 Megawatt in diesen Ländern ans Netz, werden es im Jahr 2017 immerhin schon 155 Megawatt CPV-Leistung sein, die neu installiert werden. Dort treiben vor allem Marokko und Saudi-Arabien den Markt an. Dazu kommen noch die Installationen in Südafrika, wo der Markt schon weiter gediehen ist.

Mit gut 30 Megawatt installierter Leistung im vergangenen Jahr ist Soitec allerdings nicht der Branchenprimus. Diesen Platz hat das chinesische Unternehmen Suncore inne. Die beiden Hersteller haben die Konkurrenz aber weit hinter sich gelassen, auch wenn Amonix – jetzt Arzon Solar – über die Jahre mehr installierte Leistung angesammelt hat. Nach eigenen Angaben haben die Amerikaner CPV-Anlagen mit einer Gesamtleistung von über 60 Megawatt installiert. Allein 30 Megawatt haben sie Ende 2012 in Alamosa, Colorado, aufgebaut. Soitec bringt es bisher auf 41,14 Megawatt. Doch sind die Steigerungsraten gut, nachdem das Unternehmen 2011 nur 1,3 Megawatt und 2012 immerhin schon 6,2 Megawatt CPV-Leistung installiert hat.

Ein neuer Meilenstein

In den USA wächst gerade ein neuer Konkurrent heran. Semprius mit Sitz in Durham, North Carolina, macht sich auf, die Nummer drei zu werden. Die Amerikaner wollen vor allem die Preisvorteile der CPV weiter ausbauen. Sie setzen auf die Herstellung von preiswerten Vierfach-Stapelzellen im selbst entwickelten Mikrotransferdruckverfahren. Dabei scheiden sie drei Halbleiterschichten auf eine Germaniumoberfläche ab.

Damit haben die Amerikaner einen neuen Meilenstein gesetzt. Sie erreichten auf Anhieb einen Wirkungsgrad von 43,9 Prozent in der Massenfertigung. Die Entwickler in Durham haben vor allem am Material für die Grenzschichten zwischen den Layern gearbeitet, um die Verluste innerhalb des gesamten Stapels zu minimieren und den Gesamtwirkungsgrad zu steigern.

Außerdem gönnen sie ihren Zellen vier statt bisher zwei Anschlüsse. Damit reduzieren sie die spektrale Abhängigkeit der Solarzelle und erhöhen insgesamt die Energieausbeute. „Diese Entwicklung ist insofern bemerkenswert, weil sie einen direkten Weg zu künftigen weiteren Wirkungsgradsteigerungen weist“, sagt Dan Friedman vom National Renewable Energy Laboratory (NREL), dem Forschungslabor für erneuerbare Energien des amerikanischen Energieministeriums. „Schließlich ist die Steigerung der Effizienz ein entscheidender Punkt, wenn Solarenergie preiswerter werden soll. Sie trägt dazu bei, nicht nur die Modulkosten zu senken, sondern auch viele andere Kostenbestandteile, inklusive der Kosten für die Flächen, die Installation und die Verkabelung.“

Semprius kann mit dem Verfahren auch die Herstellung beschleunigen, indem viele Zellen innerhalb kürzester Zeit gedruckt werden. Damit arbeiten sie hart an der Skalierung der Produktion, die in der CPV dringend notwendig ist, damit sich die Technologie gegen die Konkurrenz durchsetzen kann.

http://www.semprius.com

http://www.amonix.com

Preiswerte Flachmodule

Ein Schwerpunkt der Forschung ist die Entwicklung flacherer Module. Mit einer Höhe von 10 bis teilweise 40 Zentimetern sind die CPV-Module noch zu schwer und vor allem unhandlich. „Für flachere Module braucht man auch weniger Material“, sagt Andreas Bett vom Fraunhofer ISE. Die Schwierigkeit ist dabei die eingesetzte Optik. Die sehr hohen Module haben in der Regel eine größere Linse. Unter anderem die Linsengröße bestimmt die Fokuslänge und damit auch die Höhe des Moduls. Schließlich soll der Lichtstrahl mit maximaler Konzentration auf das Halbleitermaterial treffen. Ist das Modul zu flach, wird ein großer Teil des Lichts auf die Fläche neben den Zellen gestreut. „Da muss ein Systemdesigner sein optimales Design entwickeln“, sagt Bett. Das muss auch preiswert herzustellen sein. Ein weiterer Vorteil: Ein flaches Modul verschlingt weniger Material. Damit können die CPV-Hersteller die Preisschraube weiter nach unten drehen.

Ohne Mehrfachsolarzellen geht es nicht

Sogenannte Mehrfachsolarzellen sind ein Knackpunkt für die weiteren Wirkungsgradsteigerungen der CPV. „Der Vorteil der Mehrfachsolarzellentechnologie: Hier gibt es ein wesentlich höheres Wirkungsgradpotenzial zu heben als bei herkömmlichen Einfachsolarzellen“, erklärt Andreas Bett, Geschäftsfeldleiter für konzentrierende Photovoltaik am Fraunhofer ISE. „Bei Einfachsolarzellen gibt es ein physikalisches Limit, das bei etwa 33 Prozent liegt, unter konzentriertem Licht ist es etwas höher und liegt bei circa 40 Prozent.“ Stapelt man aber verschiedene Zellen übereinander, so kann das Sonnenlicht je nach Farbe des Lichtes in elektrische Energie umgewandelt werden.

So wird zunächst das blaue Licht in einer Teilsolarzelle, dann das gelbe und das rote Licht in weiteren Teilsolarzellen gewandelt. Dadurch lassen sich höhere Wandlungswirkungsgrade des Sonnenlichts erzielen. „Man kann eine ganz generelle absolute theoretische Obergrenze von 86 Prozent angeben“, weiß Bett. „Für Mehrfachsolarzellen mit sechs pn-Übergängen und unter konzentriertem Licht werden im theoretischen Limit etwa 68 Prozent errechnet. Wir erwarten, dass 70 bis 80 Prozent dieses Wertes in der Praxis erreicht werden können. Unser naheliegendes Ziel ist, mit Mehrfachsolarzellen die 50-Prozent-Marke zu erreichen. Wir sind sehr optimistisch, dass die wirklich realisierbar ist.“

Die Freiburger Forscher haben erst kürzlich Vierfach-Stapelzellen von Soitec zu einem Modul zusammengeschaltet. Damit erreichten sie einen Modulwirkungsgrad von 36,7 Prozent bei einer 500-fachen Konzentration des Sonnenlichts. Um der dabei entstehenden hohen Temperatur Herr zu werden, sind die Zellen auf ein Kupfersubstrat aufgebracht. „Dieses verteilt die Wärme wieder auf die gleiche Fläche, auf der das Licht eingefangen wird“, erklärt Bett. „Da die Zellen relativ klein sind, funktioniert diese passive Kühlung, weil die Wärme auf die gesamte Fläche sehr gut verteilt werden kann.“

Die im Fraunhofer ISE verwendeten Solarzellen hatten dabei eine Effizienz von immerhin 44,7 Prozent. Diese erreichten sie schon bei 297-facher Konzentration des Sonnenlichts. „Die neuen Rekordzellen bestehen aus Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Arsenid, Gallium-Indium-Arsenid und Indium-Phosphid“, weiß Andreas Bett. „Das sind alles sogenannte Verbindungshalbleiter aus der III. und V. Gruppe des Periodensystems. Im Gegensatz zum Elementhalbleiter Silizium werden hier eben mindestens zwei oder auch mehr Atome benötigt, um das Halbleitermaterial zu erhalten. Im Basishalbleitermaterial werden dann auch pn-Übergänge gefertigt wie bei den herkömmlichen Siliziumsolarzellen.“

Die Schwierigkeit besteht in der Verbindung der verschiedenen Halbleitermaterialien. Denn die einzelnen Halbleiterkristalle, die eigentlich von ihrer Gitterstruktur her nicht zueinander passen, können auf herkömmliche Weise nicht aufeinander abgeschieden werden. Das schafft Soitec mit dem sogenannten Wafer-Bonding-Verfahren, das sie zusammen mit dem französischen Forschungsinstitut für Atomenergie und Alternative Energien (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives – CEA) entwickelt haben. Dabei werden die Halbleiterkristalle mit unterschiedlicher Gitterkonstante so verpresst, dass sich an der Grenzfläche atomare Bindungen ausbilden.

https://www.ise.fraunhofer.de/

Französisches Doppel

Die französischen CPV-Modulbauer von Soitec haben sich mit ihren Landsleuten von Exosun zusammengetan. Exosun entwickelt und baut Solartracker für Freiflächenanlagen. Die beiden Partner bieten jetzt ein neues CPV-System an. Es besteht aus den 4,5 Meter hohen Solartrackern von Exosun, auf die 18 bis 24 Concentrix-Module von Soitec montiert werden. Ein solches System hat eine Leistung von bis zu 61,2 Kilowatt.

Die Module werden bereits verkauft und kommen hauptsächlich bei CPV-Projekten zum Einsatz, die aus einer französischen Solarausschreibung vom März 2013 hervorgingen. „Wir bieten Freiflächenanlagen mit einer Leistung von mehr als 250 Kilowatt und reagieren damit auf die Forderungen der Energieregulierer in Frankreich, die innovative Technologien wie CPV mit einer Gesamtleistung von 60 Megawatt gebaut haben wollen“, sagt Jean-Noël de Charentenay, Marketingleiter bei Exosun. „Die Partnerschaft mit Soitec zeigt, wie zwei französische Industrieunternehmen dazu beitragen können, einen starken Photovoltaiksektor in Frankreich aufzubauen, indem sie hoch qualitative und innovative Leistungen anbieten.“

Die Entwicklung des Systems hat immerhin zwei Jahre gedauert. Exosun hat dafür die zweiachsigen Solartracker beigesteuert, die bei der Nachführung der Module eine Genauigkeit von 0,1 Grad erreichen. Der Antriebsmechanismus, Toleranzteile und Umsetzungsverfahren wurden so konzipiert, dass sie den Ansprüchen einer flexiblen Entwicklung von CPV-Projekten genügen. Die hoch konzentrierende Photovoltaik kommt ohne die Nachführung nicht aus. Ab einer 500-fachen Lichtkonzentration müssen die Tracker sogar zweiachsig – also sowohl horizontal als auch vertikal – der Sonne folgen. Für Systeme, die das Sonnenlicht mit geringerer Konzentration auf die Solarzelle werfen, reicht eine einachsige Nachführung aus.

http://www.exosun.net