Jun 07

Während auf Dächern weltweit zunehmend Photovoltaik-Anlagen installiert werden, um aus Sonnenlicht Strom zu produzieren, ist ein Ingenieur der Duke Universität davon überzeugt, mit einem innovativen hybriden Solarsystem noch mehr Energie aus den Sonnenstrahlen herausholen zu können.

Anstelle von Solarsystemen, die auf konventionellen Solarzellen beruhen, schlägt Duke Ingenieur Nico Hotz eine hybrides System vor, bei dem Sonnenlicht auf einem Dach installierte Glasröhren befüllt mit einer Kombination aus Wasser und Methanol erhitzt. Nach zwei katalytischen Reaktionen produziert das System wesentlich effizienter Wasserstoff als herkömmliche Techniken ohne signifikante Verunreinigungen. Der entstehende Wasserstoff kann gespeichert und bei Bedarf als Treibstoff in Brennstoffzellen genutzt werden.

Für seine Analysen verglich Hotz das Hybridsystem mit drei verschiedenen Techniken hinsichtlich ihrer exergetischen Eigenschaften. Exergie ist eine Masseinheit, um zu beschreiben, wie viel eines bestimmten Umfangs an Energie theoretisch in nützliche Arbeit umgewandelt werden könnte.

“Das Hybridsystem erreichte eine exegetische Effizienz von 28,5 Prozent im Sommer und 18,5 Prozent im Winter im Vergleich zu 5 bis 15 Prozent bei konventionellen Systemen im Sommer und 2,5 bis 5 Prozent im Winter“, so Hotz, Assistenzprofessor am Lehrstuhl für Mechanik und Materialwissenschaft an der zur Duke Universität gehörenden Pratt School of Engineering.

Das Paper, das Hotz Ergebnisse seiner Analysen beschreibt, wurde auf dem ASME Energy Sustainability Fuel Cell 2011 Kongress in Washington, D.C. zu einer der besten Arbeiten gekürt. Hotz der erst seit Kurzem an der Duke Universität forscht nachdem er seine post-graduierten Arbeiten an der Berkeley Universität in Kalifornien beendete, in denen er das Modell des neuen Hybridsystems analysierte. Im Moment konstruiert er einen Prototypen, um imExperiment die theoretischen Ergebnisse nachzuweisen.

Hotz Vergleiche fanden während Juli und Februar statt, um den jeweiligen Wirkungsgrad im Sommer und im Winter zu messen.

Wie auch andere solare Systeme beginnt das hybride System mit dem absorbieren von Sonnenenergie. Dann allerdings folgt bereits ein anderer Prozess. Das Hybridsystem sieht zwar aus der Ferne wie ein normaler Solarkollektor aus, in Wirklichkeit sind es eine Reihe von Kupferrohren, die mit einer dünnen Schicht aus Aluminium, Aluminiumoxid und katalytischen Nanopartikeln beschichtet sind. In den Kupferrohren fließt unter Luftabschluss eine Mischung aus Wasser und Methanol.

“Diese Konstruktion erlaubt eine 95 prozentige Absorption des Sonnenlichts ohne größeren Wärmeverlust”, sagt Hotz. „Das ist äußerst wichtig, da es Temperaturen in den Röhren von über 200°C erlaubt. Im Vergleich dazu kann ein Standard Solarkollektor das Wasser nur auf Temperaturen zwischen 60 und 70°C erhitzen.“

Ist die Flüssigkeit bei diesen Temperaturen verdampft, werden kleine Mengen eines Katalysators hinzugefügt, der dann Wasserstoff produziert. Diese Kombination aus hohen Temperaturen und dem Hinzufügen von Katalysatoren produziert Wasserstoff sehr effizient, sagt Hotz. Der entstehende Wasserstoff kann dann direkt in einer Brennstoffzelle in Strom umgewandelt werden oder in einem Tank zwischengelagert werden.

Die drei Systeme, die Hotz untersuchte, waren eine normale Solarzelle, die direct Sonnenlicht in Strom umwandelt um dann Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoof aufzuspalten; ein photokatalytisches System, das Wasserstoff ähnlich dem Hotz System produziert, aber einfacher konstruiert und noch nicht ausgereift; und ein System, in dem Solarzellen Strom produzieren, der dann in verschiedenen Batterien gespeichert wurde.

“Wir haben die Kosten analysiert und herausgefunden, dass das hybride Solar-Methanolsystem unter Berücksichtigung aller Installationskosten von 7.900$ die günstigste Lösung war, auch wenn das sehr viel teuerer als ein normal fossil betriebener Stromgenerator ist“, erklärt Hotz.

Kosten und Effizienz der Systeme variieren je nach Standort seitdem auf dem Dach gelagerte Kollektoren genug Energie im Sommer aber nicht genug Energie im Winter erzeugt. Ein Dachsystem, das groß genug ist auch im Winter den kompletten Strombedarf zu decken, würde mehr Energie im Sommer produzieren als gebraucht würde. Somit könnte der Besitzer sich entscheiden, einzelne Einheiten des Daches abzuschalten oder, sofern möglich, den überschüssigen Strom an das Netz zu verkaufen.

“Die Installationskosten pro Jahr inklusive der Brennstoffkosten, und dem Preis für die erzeugte Menge Strom, zeigten, dass das Hybridsystem bis zu einem gewissen Grad mit fossil betriebenen Systemen konkurrieren kann“, sagt Hotz. „Im Sommer war in einigen Szenarien das Hybridsystem sogar günstiger als Propan- oder Diesel-Generatoren“.

Das kann eine wichtige Versorgungsmöglichkeit insbesondere in abgelegenen Gebieten sein, in denen eine traditionelle Energieversorgung zu schwierig oder zu teuer umzusetzen wäre.

Über den Autor Robert

Robert ist Online-Redakteur für phovo.de - dem Blog für eine solare Zukunft.

Leave a Reply

preload preload preload