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Fraunhofer Venture

Hochspezialisierte Solarkraftwerke an sonnenintensiven Standorten zeigen den Weg in die Zukunft

et Energiewirtschaftliche Tagesfragen: Juli 2009

Die Gretchenfrage der Solarindustrie – wie kann Grid Parity erreicht werden, also Solarstrom hergestellt werden, der wettbewerbsfähig ist  – wird nicht auf einzelnen Häuserdächern in unseren Breitengraden entschieden werden. Dem Aufbau von Solarkraftwerken in sonnenintensiven Gegenden kommt hier besondere Bedeutung zu.

Die Concentrix Solar GmbH hat sich auf den Bau und Betrieb von Solar-Kraftwerken spezialisiert, bei denen eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE zum Einsatz kommt, die sogenannte Konzentrator-Technologie FLATCON. Damit ausgestattete Systeme eignen sich besonders für den Einsatz in Gegenden mit intensiver Sonneneinstrahlung – es handelt sich um komplexe, großflächige Module, bestehend aus Fresnel-Linsen und einer gläsernen Bodenplatte, die mit Mehrfachsolarzellen bestückt ist. Die Module werden  mittels spezieller Nachführ-Technik stets optimal auf die Sonne ausgerichtet.

Intensive Forschungsarbeit zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Solarzellen hatte am Fraunhofer-Institut ISE bereits Anfang der 90er Jahre begonnen. Im Januar 2009 konnten die Forscher den aktuellen Weltrekord aufstellen: Im Labor wurde ein Wirkungsgrad von 41,1% erreicht, beim Einsatz von Mehrfach- oder Stapelsolarzellen, die aus sogenannten III-V-Halbleitern bestehen. Mit Hilfe von Fresnel-Linsen wird das Sonnenlicht hundertfach auf hocheffiziente Solarzellen konzentriert. Ursprünglich wurden diese Zellen nur im Weltraum eingesetzt, die Weiterentwicklung des Instituts macht die terrestrische Anwendung möglich. Das konzentrierte Sonnenlicht wird auf die Zellen gebündelt und direkt in elektrische Energie umgewandelt. Setzt man diese Zellen in ein Modul ein, das mittels Nachführsystem bestmöglich auf die Sonne ausgerichtet ist, wird ein Systemwirkungsgrad von 23% AC (Wechselstrom) unter realen Betriebsbedingungen im Feld erreicht. Das bedeutet, dass der Wirkungsgrad fast doppelt so hoch ist wie bei konventioneller Silizium-Technologie. Um diesen technologischen Vorsprung, unter dem Namen FLATCON patentiert, auf den Markt zu bringen, wurde im Februar 2005 die Concentrix Solar GmbH von Fraunhofer-Mitarbeitern gegründet. Unterstützung kam von Fraunhofer Venture, einer Abteilung der Fraunhofer-Gesellschaft, das den Technologietransfer in Neugründungen begleitet und so den Start-ups den Markteinstieg ermöglicht.

Für die entwickelte Spitzentechnik wurde zunächst die richtige Anwendung definiert. Die Zellen eignen sich ideal für den Einsatz in Solar-Kraftwerken in Regionen mit hohem solaren Direktstrahlungsanteil wie etwa Südeuropa, Nord- und Südafrika, dem Südwesten der USA, dem Nahen Osten oder Australien. Nur hier entwickelt die Technik ihre vollen Möglichkeiten, wenn viel Sonnenlicht, möglichst unbeschattet etwa durch Gebäude, zur Verfügung steht. Erklärtes Unternehmensziel soll der Verkauf von „schlüsselfertigen“ Konzentrator-Photovoltaik-Kraftwerken werden. Concentrix Solar oder ein Marktpartner plant und baut das Kraftwerk und koordiniert die Projektentwicklung und Installation bis zur Inbetriebnahme. Bei Bedarf wird auch das komplette Control & Monitoring übernommen.

Der Machbarkeitsbeweis stand bei Gründung noch aus, und so folgten den theoretischen Möglichkeiten der Technik intensive Praxistests in Feldstudien. Ein erstes Testkraftwerk wurde in Lorca (Spanien) im Eigenbetrieb zusammen mit der Deutschen Bundesstiftung Umwelt errichtet und im August 2007 in Betrieb genommen. Die Anlage produzierte gerade einmal 17 kW, ermöglichte aber die erfolgreiche Erprobung unter realen Bedingungen. So wurden nächste Schritte bei der Gewinnung von praktischem Know-how in der Kraftwerkserstellung möglich, durch die Beteiligung an zwei Anlagen in Spanien (Puertollano und Sevilla).

In Puertollano realisierte das spanische Institut für konzentrierte Photovoltaiksysteme (ISFOC) ein ehrgeiziges Kraftwerk-Projekt, in dem Konzentrator-Photovoltaik-Systeme (CPV) verschiedener Lieferanten, zusammen mit intelligenten Nachführsystemen eingesetzt werden. Das Projekt soll die Entwicklung und Anwendung der CPV-Technologie vorantreiben.  Insgesamt wird die Anlage im spanischen Kastilien einmal 3 Megawatt produzieren, davon steuert Concentrix Solar mit einer FLATCON-Anlage 500 kW bei. Das ISFOC-Programm unterstützt die Partnerunternehmen bei der Durchführung wichtiger Forschungs- und Entwicklungsaufgaben an den installierten Systemen. Dazu zählen Studien und Normvorschriften, messtechnologische Entwicklungen für Großanlagen, technische Prüfungen sowie Wartung und Analyse der Solarstrahlung und des erzeugten Solarstroms. ISFOC ist überzeugt, dass die CPV-Technologie bahnbrechend ist auf dem Weg, Solarenergie in eine kostengünstige und kontrollierbare Hauptenergiequelle zu verwandeln.

In Sanlúcar la Mayor bei Sevilla nahm Concentrix Solar Ende 2008 gemeinsam mit dem Unternehmen Abengoa Solar ein kommerzielles 2-MW-Kraftwerk in Betrieb. In diesem Kraftwerk werden sowohl nachgeführte Photovoltaik-Systeme mit Siliziumflachmodulen als auch Konzentrator-Photovoltaik-Systeme eingesetzt, eines der ersten Kombinationskraftwerke dieser Art. Derzeit werden 100 kW der 2 MW von FLATCON-Modulen produziert. Bis 2013 wird das Kraftwerk auf 300 MW ausgebaut, um dann 153.000 Haushalte versorgen zu können. Das Kraftwerk soll zeigen, dass es sich bei Konzentrator-Systemen um eine konkurrenzfähige Alternative zu herkömmlicher Photovoltaik-Technologie handelt, die sich in einem kommerziellen Kraftwerk bewährt. Auch Fernando Celaya, PV Director bei Abengoa Solar, freut sich über die gelungene Zusammenarbeit: „Concentrix Solar erzielt mit seiner Technologie beeindruckende Wirkungsgrade. Die hervorragenden Ergebnisse des Testtrackers auf dem Forschungsgelände haben uns bestärkt, die Technologie in das Projekt einzubinden.“

Die Anlage bei Sevilla wurde noch im Rahmen des damals gültigen ersten spanischen Einspeisegesetzes (Real Decreto 661 /2007) in Betrieb genommen; derzeit aber hat die spanische Regierung die Einspeisetarife gedeckelt. Daher sind Solarinvestitionen in Spanien derzeit nicht attraktiv. Für die weitere Marktentwicklung sind die Regelungen der jeweiligen Staaten zu Einspeiseentgelten von Bedeutung. In Europa ist für Concentrix Solar vor allem Italien interessant, aber auch andere europäische Staaten entwickeln Konzepte für Einspeisetarife, wie etwa Israel oder auch Griechenland, und werden damit zu attraktiven Märkten. Es trifft aber nicht zu, dass die Installationen von Solar-Kraftwerken erst durch Einspeisetarifen möglich gemacht wird. Für große Installationen und generell bei Installationen an sehr guten Standorten, beispielsweise in Nordafrika, kann Grid Parity bereits in zwei bis drei Jahren erreicht werden. Das bedeutet, dass dort Strom ohne jegliche Förderung für unter 15 ct/kWh hergestellt werden kann. Vorausgesetzt, es kommen innovative Kraftwerkssysteme zum Einsatz.

Zur Herstellung der FLATCON-Module betreibt Concentrix Solar seit September 2008 eine vollautomatisierte Produktionslinie mit einer nominalen jährlichen Produktionskapazität von 25 MW am Standort Freiburg. Inzwischen produziert Concentrix Solar im Mehrschichtbetrieb; die Zahl der Beschäftigten wird von derzeit 60 Mitarbeitern bald weiter ansteigen.