Vom Flachdach zum Kraftwerk mit „leichten Solar-Sonnenblumen“

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation mit ihrem ThinKing im September 2022. Mit diesem Label gibt die Leichtbau BW GmbH monatlich innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform.

Auf einen Blick:

• Materialeffizienter Leichtbau: Knapp zehn Kilogramm Gewicht und damit eine erhebliche Gewichtsreduzierung im Vergleich zu bisherigen Sun-Tracking-Systemen.
• Keine Flächenversiegelung: Dank Leichtbau reicht die Statik bestehender Dachflächen aus.
• Hohe Energieausbeute: Bis zu 45 Prozent höhere Energieausbeute bei gleicher Fläche durch eine zweiachsige Nachführung der optimierten Solarzelle.
• Klimaschonend: Angestrebte CO2-Senke in der Produktion, keine CO2-Emissionen im Betrieb
• Lange Lebensdauer: Korrosionsbeständig, langlebig, stabil und recycelbar

Was haben effiziente Solarzellen und junge, energiehungrige Sonnenblumen gemeinsam? Sie nutzen das Sonnenlicht im Tagesverlauf maximal aus, in dem sie sich nach dem Sonnenstand ausrichten. Den Tanz der Sonnenblumen bildet der leichte, filigranen TAO SunTracker effizient nach – und erschließt durch sein geringes Gewicht neue Flächen für die Solarenergie: Flachdächer. „Wenn die Statik eine Nutzung mit effizienter Photovoltaik verhindert – dann müssen wir eben nachführende Systeme sehr leicht bauen“, beschreibt Regine C. Henschel, Geschäftsführung bei TAO Trans Atmospheric Operations GmbH, die Produktidee.

Nachgeführte Solarsysteme sind schwer

Zwar gibt es bereits Solarsysteme, die sich nach dem Sonnenlicht ausrichten, doch sie wiegen mit ihrem Standfuß in der Regel etwa 500 Kilogramm und mehr. Nicht nur die dynamischen Kräfte aus der Bewegung der an ein Segel erinnernden massigen Photovoltaik (PV)-Module, sondern auch das Abfangen der auftretenden Windlasten bedingen eine stabile Mechanik und eine hohe Standfestigkeit. Erreicht wird diese durch einen massiven Betonfuß samt Fundament als Gegengewicht. Die Installationen mit solchen Solarsystemen versiegeln deshalb neue Flächen – ein entscheidender Nachteil, der zusammen mit dem hohen CO2-Footprint bei Produktion und Bau die Umweltbilanz der Photovoltaik verderben kann.

Dank Leichtbau Flachdach- und Wasserflächen nutzen

Dabei gibt es viel ungenutzte, bereits versiegelte Fläche: Allein in Deutschland sind 1.200.000.000 Quadratmeter Flachdachfläche1 verfügbar, die bisher mangels Neigung nicht sinnvoll für starre und aufgrund der Statik nicht für die effizienteren nachgeführten Solarmodule genutzt werden kann.

Der TAO SunTracker kann jedoch – dank vielfachem Leichtbau – auf diesen Flächen montiert werden. Denn das gesamte System ist erheblich leichter: knappe zehn Kilogramm bringt der TAO SunTracker noch auf die Waage. Die um 30 bis 45 Prozent höhere Energieausbeute im Vergleich zu starren dachmontierten Solarmodulen erreicht er mit speziellen Solarmodulen sowie einer doppelachsigen Nachführung. TAO baut die Solarmodule selbst und verwendet die derzeit effizientesten am Markt verfügbaren Zellen mit einem Wirkungsgrad von 24,5 Prozent. Ein Modul mit etwas mehr als einem Quadratmeter Fläche hat eine Kapazität von maximal 400 Watt. Das Verhältnis zwischen Leistung und Gewicht einer PV-Anlage kann mit dem TAO SunTracker verzehnfacht werden.

Eher an eine Seerose denn an eine Sonnenblume erinnern die leichten Systeme, wenn aus ihnen ein Floating-PV-System aufgebaut wird. Dann reihen sich die Kuppeln wie in einem Mosaik auf schwimmenden Plattformen aneinander und nutzen brachliegende Wasseroberflächen, beispielsweise industrieller Baggerseen oder Kiesgruben. In dieser Konstellation ermöglicht die Leichtbauweise, dass bei der Bewegung der Module nach dem Sonnenstand nicht zugleich die tragenden Plattformen ihrerseits in Bewegung geraten.

Der Windlast ein Schnippchen geschlagen

Die für beide Aufstellsituationen wichtige Gewichtsreduktion entstand gleichermaßen durch konstruktiven wie durch Material-Leichtbau sowie einen bionischen Ansatz bei der Produktentwicklung.

Das hohe Gewicht bisheriger Sun-Tracking-Anlagen ist vor allem bedingt durch das notwendige Aufnehmen der Windlast. Die TAO SunTracker-Systeme müssen den Wind konstruktionsbedingt jedoch nicht fürchten, denn die Solarzellen sind in einem leichten sogenannten Shelter, einer Einhausung, untergebracht. Diese könnte aus einem beschichteten, volltransparenten und UV-beständigen Kunststoff – einem ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer) – bestehen und durch die kuppelartige Form einen perfekten Windschutz bieten. Zudem bewahrt das Shelter die Solarzellen vor Verschmutzung und verlängert Wartungsintervalle und die Lebensdauer der PV-Zellen.

„Der SunTracker ist ein ZIM-Projekt (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) und die TAO Trans Atmospheric Operations GmbH der Ideengeber, Entwickler. Wir werden später den SunTracker produzieren und vermarkten. Frau Prof. Dr. Rosemarie Wagner vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Fakultät für Architektur Institut für Entwerfen und Bautechnik, ist als unser Partner im ZIM-Projekt für den Shelter, dessen Formgebung und Konstruktion zuständig. Das ZIM-Projekt wird im Februar nächsten Jahres abgeschlossen sein“, plant Regine C. Henschel.

Der konstruktive Leichtbau findet seine Fortsetzung unter der Kuppel: Die effizienten Solarmodule wiegen lediglich etwa 2,5 Kilogramm pro Quadratmeter. Ein Leichtbau-Tulpenfuß dient als Aufständerung. Das filigrane Nachführsystem ist mit gewichtssparenden, miniaturisierten Motoren und Aktuatoren ausgerüstet, die die Solarmodule horizontal und vertikal dem Sonnenstand nachführen.

Null-Emissionen oder CO2-Senke angestrebt

Die TAO SunTracker erhöhen die Energieausbeute pro Flächeneinheit und verursachen dank ihrer kleinen Baugröße, des geringen Gewichts und des damit einhergehenden niedrigen Materialeinsatzes in der Produktion deutlich weniger CO2-Emissionen. Da das System selbst im Betrieb nur einen sehr geringen Eigenenergiebedarf hat, kann es autark betrieben werden.

Gefertigt werden sollen alle notwendigen Bauteile in Deutschland – regional und mit möglichst kurzen Lieferwegen. Die Solarpanelfläche ist optimal auf die Größe des Shelters abgestimmt und mit einer besonders leichten Unterkonstruktion für die Module versehen.

Für die Zukunft plant die TAO Trans Atmospheric Operations GmbH die SunTracker zu 100 Prozent recycelbar und in wesentlichen Bauteilen aus Carbon-Minus-Werkstoff im Spritzguss zu fertigen. Damit könnten aus den kleinen Kraftwerken sogar CO2-Senken werden.

Potenzial gemeinsam nutzen

Die optisch attraktiven Solaranlagen sind für Privatpersonen wie für Unternehmen und Industriebauten geeignet. Privatkunden erhalten mit dem TAO SunTracker ein leichtes und förderfähiges sogenanntes Terrassenkraftwerk, das modular dem persönlichen Energiebedarf angepasst werden kann. Es besitzt außerdem eine deutlich höhere Effizienz als bisher verfügbare Anlagen vergleichbarer Größe und amortisiert sich durch die höhere Strommenge weitaus schneller. Industriekunden können ihre firmeneigenen Flachdachflächen mit den leichten, flexibel modular anpassbaren Solaranlagen wirtschaftlich nutzen und den erzeugten Strom für den eigenen Verbrauch einsetzen.

Die TAO SunTracker sind seit einigen Monaten in Testinstallationen im Einsatz, die bis zum Ende des ZIM-Projekts weitergeführt und messtechnisch ausgewertet werden. „Im nächsten Jahr werden wir die (Vor)serien-Produktion starten. Wenn die Tests auf den neuen Versuchsdächern weiterhin so positiv verlaufen, steht einer Vorserienproduktion ab Herbst 2023 nichts mehr im Weg“, sagt Regine C. Henschel.

Um das klimaschützende Potenzial der leichten PV-Anlage für Flachdächer und Wasserflächen baldmöglichst ausschöpfen zu können, werden zum Serienstart Partner für Montage und Aufbau der Solaranlagen auf den Dächern sowie Flachdachflächen gesucht.

Über TAO Trans Atmospheric Operations GmbH

Alle solaren Anwendungen zur Energiegewinnung, Speicherung und Heizung sowie Meerwasserentsalzung und Trinkwasserreinigung sind – neben den Leichtbaukonstruktionen für die Luft- und Raumfahrt – aktuelle Projekt- und Produkt-Themen der TAO, die im Stuttgarter Labor umgesetzt werden.

Seit über 20 Jahren entwickelt die mittelständische Stuttgarter Firma Technologien auf Basis regenerativer Energien für die Zukunft. Gestartet ist das Team mit dem ersten Solarluftschiff der Welt und setzt jetzt als TAO zahlreiche Leichtbaulösungen um, die von der Luft- und Raumfahrt inspiriert werden: neue Leichtbaumaterialien, neue Energiekonzepte und innovative Projektideen.

1 Quelle: Das Dachdecker Handwerk (https://www.ddh.de/…)