Erzeugen technische Geräte oder Prozesse ungenutzte Energie wie Abwärme oder Vibration, können so genannte Energy Harvesting-Systeme diese in Elektrizität umwandeln. Die Technik dafür ist derzeit allerdings teuer und unzuverlässig. Das internationale Projekt FAST-SMART soll daher preiswerte und nachhaltige Materialien und Systeme für das Energy Harvesting entwickeln, die einen höheren Wirkungsgrad erzielen sollen. Die TH Köln ist im Vorhaben für die Implementierung der neuen Komponenten in konventionelle Photovoltaiktechnik zuständig.

Beim Energy Harvesting setzen Wandler Energie wie Licht, Umgebungstemperatur oder Vibration in elektrische Energie um. Die dafür notwendigen Materialien und Strukturen enthalten jedoch je nach Art des Wandlers seltene Rohstoffen wie Hafnium oder umweltkritische Substanzen wie Blei. „Es fehlen bisher effiziente Fertigungsprozesse, um für das Energy Harvesting zuverlässige Werkstoffe ohne seltene Elemente preiswert herzustellen“, sagt Christoph Hartl, Professor vom Institut für Produktion der TH Köln. Zudem arbeiteten aktuelle Systeme aufgrund von Ausfällen, etwa durch Feuchtigkeit oder Korrosion, noch recht unzuverlässig und ineffizient.

In FAST-SMART arbeiten deshalb insgesamt 13 internationale Kooperationspartner an neuen Werkstoffen und Komponenten mit höherer Leistungsfähigkeit. Für die neuartigen Wandler will man ohne seltene Elemente auskommen. Zudem sollen sie zuverlässig sowie wiederverwertbar sind. Darüber hinaus wollen die Forscher:innen neue hocheffiziente Herstellungsverfahren erproben und Energy Harvesting-Prototypen entwickeln.

Energy Harvesting für Photovoltaik-Systeme

Das Projektteam der TH Köln ist für die Implementierung der neuen Materialien und Komponenten in konventionelle Photovoltaiktechnik zuständig. Die Schwerpunkte liegen hierbei auf der Gestaltung seriennaher Fertigungs- und Montagekonzepte. „Eine besondere Herausforderung ist es, kostengünstige, aber langlebige und effiziente Fertigungslösungen zu liefern“, so Hartl.

Photovoltaik alleine erlaube es nach neuesten Studien bereits heute, Strom zu Kosten von etwa 3,1 bis 11 Cent je Kilowattstunde zu erzeugen. Sie zähle damit zu einer der günstigsten Energieerzeugungsformen, erläutert Hartl. „Solarpanels erwärmen sich aber im Betrieb, wodurch deren Wirkungsgrad verringert wird. Diese Erwärmung wird durch die Integration der Energie Harvesting-Systeme abgebaut. Das führt zu einer Steigerung der Energieeffizienz des Gesamtsystems in der Größenordnung von voraussichtlich 20 bis 25 Prozent und gibt Spielraum für Investitionen in hybride Ergänzungen.“

Prototypentests verdeutlichen Potential der Technik

Erste Tests an Prototypen, die klassische Solarzellen mit Energy Harvesting-Komponenten zur Nutzung der Restwärme verbinden, verdeutlichen das Potential der hybriden Technik: „Wir konnten dabei bereits einen um etwa 20 Prozent gesteigerten Ertrag an elektrischer Energie nachweisen“, sagt Hartl. Die Technologie wollen die Forscher:innen nun in weiteren Schritten optimieren.

Zudem will man IoT-Elemente (Internet of Things) mit Sensoren zur Überwachung von Photovoltaikanlagen und Elemente zur Datenübertragung integrieren, die das Energy Harvesting autonom mit Strom versorgt. „Das ist ein enormes Potential dieser Technologie. Durch die Möglichkeit, Anwendungen mit geringem Energiebedarf selbstständig mit Elektrizität aus dem Energy Harvesting und damit vollständig kabel- und batterielos zu betreiben, werden Systeme unkomplizierter und vor allem auch nachhaltiger“, so Hartl.

10.5.2022 | Quelle: TH Köln | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH