Schwimmende Solarenergie: Vorteile, Schlüsselkomponenten und Herausforderungen

Die elektrischen Prinzipien schwimmender Solaranlagen ähneln denen von Freiflächen- und Dachanlagen. Das Besondere daran ist die abnehmbare Schwimmstruktur, die in ungenutzten Gewässern zur großflächigen Stromerzeugung installiert werden kann. Dieser Artikel erläutert die Vor- und Nachteile schwimmender Solaranlagen und bietet weitere nützliche Informationen.

Was ist schwimmende Solarenergie?

Schwimmende Solaranlagen, auch als schwimmende Photovoltaikanlagen (FPV) bekannt, sind Solaranlagen, die auf einer Wasseroberfläche platziert werden. Die Solarmodule sind sicher auf schwimmenden Plattformen montiert, die zwar leicht schwanken können, die stabile Stromerzeugung des Systems jedoch nicht beeinträchtigen. Typischerweise werden schwimmende Solaranlagen auf Teichen, Seen und Stauseen installiert, da diese Standorte im Allgemeinen weniger Wind ausgesetzt sind als offene Meere.

Schwimmende Solaranlagen sind eine umweltfreundliche Methode zur Stromerzeugung, die Meeres- und erneuerbare Energietechnologien kombiniert. Der von diesen schwimmenden Anlagen erzeugte Strom wird über Unterwasserkabel an dafür vorgesehene Strommasten übertragen.

Schlüsselkomponenten eines schwimmenden Solarsystems

Ähnlich wie bei Freiflächen- oder Dachanlagen fangen diese Module Sonnenlicht ein und wandeln es in Strom um. Effizientere Module ermöglichen eine maximale Energieausbeute auf begrenztem Raum.

Die schwimmenden Plattformen bestehen in der Regel aus langlebigen, hochdichten Materialien wie HDPE (Polyethylen hoher Dichte), um die Schwimmfähigkeit der Solarmodule zu gewährleisten. Aluminiumrahmen können zusätzlich angebracht werden, um die Stabilität zu erhöhen und eine stabile Montagestruktur für die Solarmodule zu schaffen.

Das Verankerungssystem hält die schwimmende Plattform sicher an ihrem Platz und verhindert, dass sie durch Wind oder Strömung abdriftet. Dies gewährleistet die Stabilität und präzise Positionierung der Solaranlage. Die Verankerungsseile können je nach Tiefe und Beschaffenheit des Gewässers aus Kunstfasern, Stahldrähten oder Ketten bestehen.

Der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom muss für die Nutzung in elektrischen Anlagen in Wechselstrom umgewandelt werden. Der Wechselrichter übernimmt diese wichtige Umwandlung und sorgt so für eine optimale Leistungsabgabe für das Stromnetz oder die Nutzung von Anlagen vor Ort.

Für die elektrischen Verbindungen innerhalb des Systems werden spezielle wasserdichte Kabel und langlebige Steckverbinder verwendet. Diese Kabel verbinden die Solarmodule miteinander und übertragen den erzeugten Strom zum Wechselrichter und Netzanschlusspunkt an Land. So wird eine sichere und effiziente Energieübertragung gewährleistet.

Vorteile von schwimmenden Solaranlagen

Schwimmende Solaranlagen nutzen den verfügbaren Platz optimal, insbesondere in Gebieten, in denen Land knapp oder zu teuer ist. Sie können in ungenutzten Gewässern wie Stauseen, Dämmen und Seen installiert werden, wodurch die Notwendigkeit der Landnutzung oder Rodung von Naturlandschaften für Solarkraftwerke reduziert wird. Dies ist ein erheblicher Vorteil, da so Strom erzeugt werden kann, ohne wertvolles Land zu beanspruchen, das für andere Zwecke genutzt werden kann.

Die symbiotische Beziehung zwischen Wasser und Solarmodulen trägt zur Steigerung der Solareffizienz bei. Der natürliche Kühleffekt des Wassers sorgt dafür, dass die Solarmodule eine niedrigere Betriebstemperatur haben und Überhitzungsprobleme vermieden werden. Diese Temperaturregulierung kann die Effizienz von Solarmodulen um bis zu 15 % steigern, was zu einer höheren Energieausbeute und einer besseren Kapitalrendite führt.

Gewässer verfügen über inhärente Reflexionseigenschaften, die den Albedo-Effekt verstärken und die Effizienz schwimmender Solarmodule steigern. Das von der Wasseroberfläche reflektierte Sonnenlicht führt den Solarmodulen mehr Photonen zu, wodurch die in Strom umwandelbare Lichtmenge erhöht wird. Diese für beide Seiten vorteilhafte Wechselwirkung steigert die Gesamtenergieausbeute und macht schwimmende Solaranlagen zu einer attraktiven Lösung zur Optimierung der Solarstromerzeugung.

Schwimmende Solarmodule reduzieren die Wasserverdunstung und schonen so die Wasserressourcen. Dies ist besonders in dürregefährdeten und halbtrockenen Regionen wertvoll, da der Schatteneffekt schwimmender Module den Wasserverlust deutlich reduzieren kann. Durch die Blockierung des Sonnenlichts tragen schwimmende Systeme zudem dazu bei, das Wachstum schädlicher Algen zu kontrollieren und so die Wasserqualität zu verbessern.

Im Vergleich zu bodenmontierten Solaranlagen sind schwimmende Solaranlagen tendenziell kostengünstiger. Da kein Land erworben oder große Flächen vorbereitet werden müssen, ist die Installation dieser Systeme wirtschaftlicher. Darüber hinaus können schwimmende Solaranlagen in der Nähe bestehender Wasserkraftwerke oder Wasseraufbereitungsanlagen Kosten für die Integration und Übertragungsinfrastruktur einsparen.

Erste Studien deuten darauf hin, dass schwimmende Solaranlagen im Vergleich zu anderen Wasser- oder Unterwasserstrukturen weniger Auswirkungen auf das Leben im Wasser haben. Design und Positionierung der schwimmenden Solarmodule sorgen für minimale Störungen der Wasserlebensräume und fördern so ein positives Zusammenleben mit aquatischen Ökosystemen.

Sie können mit einer kleinen schwimmenden Solaranlage beginnen und diese nach Bedarf erweitern. Der modulare Aufbau schwimmender Plattformen erleichtert die Anpassung und Skalierung des Systems an unterschiedliche Standortgrößen und -konfigurationen.

Nachteile von schwimmenden Solaranlagen

Im Vergleich zu herkömmlichen Freiflächensystemen sind schwimmende Solaranlagen mit ihren Plattformen, Ankern und Kabeln komplexer und verursachen höhere Anschaffungskosten. Einige Kostenanalysen deuten jedoch darauf hin, dass die Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer des Systems unter Berücksichtigung der Effizienzsteigerungen mit denen von Freiflächensystemen vergleichbar oder sogar etwas höher sein könnten.

Schwimmende Solaranlagen sind seit über einem Jahrzehnt in Pilotprojekten im Einsatz und haben ihre zuverlässige Leistung unter Beweis gestellt. Ihre langfristige Haltbarkeit ist jedoch noch nicht vollständig bestätigt. Es sind weitere Daten erforderlich, um zu verstehen, wie sich diese Systeme über mehrere Jahrzehnte hinweg bewähren, unter Berücksichtigung von Faktoren wie witterungsbedingtem Verschleiß, Leistungseinbußen im Laufe der Zeit und laufenden Wartungseinflüssen.

Diese Technologie ist nicht universell einsetzbar. Viele schwimmende Solaranlagen sind groß angelegt und für die Stromversorgung von Gewerbe- oder Versorgungsunternehmen konzipiert. Für Privatpersonen oder kleinere Unternehmen, die Solarstrom benötigen, sind Dach- oder Freiflächenanlagen in der Regel die praktischere Wahl.

Derzeit befinden sich die meisten schwimmenden Solaranlagen in künstlichen Gewässern, darunter Stauseen, Abwasserrückhaltebecken und landwirtschaftliche Bewässerungsteiche. Auch in Steinbrüchen, Bergbaustandorten, Staudämmen und Küstenregionen findet man solche Anlagen. Natürliche Gewässer bieten zwar Möglichkeiten für die Solarenergieentwicklung, künstliche Stauseen bieten jedoch einzigartige Vorteile. Diese Stauseen verfügen in der Regel über bereits vorhandene Infrastruktur und Wege, was die Installation und Wartung schwimmender Solaranlagen einfacher und kostengünstiger macht.

Schwimmende Systeme im Meeresbereich

Schwimmende Solaranlagen erobern zunehmend auch das Meer. Die meisten der größten Städte der Welt liegen an Küsten und sind derzeit mit starkem Bevölkerungswachstum, Flächenknappheit und der Herausforderung konfrontiert, den steigenden Energiebedarf zu decken. Dies hat zu einem gestiegenen Interesse an maritimen Anwendungen für schwimmende Photovoltaikanlagen (FPV) geführt.

Die für Süßwasserumgebungen geeignete Technologie ist nicht direkt auf Meeresumgebungen anwendbar, daher ist es notwendig, sich auf die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen für diese Umgebungen zu konzentrieren. Eine der Schlüsseltechnologien für den Einsatz schwimmender Systeme im Meer ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen, die Wind, Wellen, Gezeitenkräften und schiffsbedingten Wellen standhalten. Derzeit werden für schwimmende Solarsysteme in der Regel Pontons aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) verwendet, die für Süßwasserreservoirs geeignet sind und eine Verunreinigung des Trinkwassers verhindern. Bei der Wahl der Materialien für Meerwasser muss jedoch auch der Einfluss von Salzwasser auf die Langzeitbeständigkeit berücksichtigt werden.

Schlüsseltechnologien für schwimmende Offshore-Systeme

Je nach Region können die Wellenhöhen variieren, und Wellenbrecher können zu übermäßigen Belastungen der Struktur führen, was die Kosten für Material, Metallrahmen und Verankerungskabel sowie die Betriebskosten erhöht. Wie das Diagramm zeigt, können Wellen von 0,3 Metern Höhe zusammen mit Gezeitenströmungen und Windgeschwindigkeiten basierend auf hydrodynamischen Simulationen eine Aufprallkraft von etwa 14 kN2/Hz auf schwimmende Systeme ausüben.

JM Solar startet Offshore-Floating-System-Projekt

Schwimmende Solaranlagen (FPV) entwickeln sich zunehmend in Richtung des Einsatzes schwimmender Photovoltaikanlagen (FPV) im Meeresbereich. JM Solar arbeitet derzeit in Zusammenarbeit mit dem 725 Institute der China Shipbuilding Group am „Offshore Floating Photovoltaic Application Demonstration Project“, das sich in der Pilotphase befindet. Die Erfahrungen aus schwimmenden Solarprojekten im Inland ermöglichen die Skalierung und den Übergang auf küstennahe und Offshore-Bedingungen. Daher ist die Erforschung der technischen Machbarkeit und der Herausforderungen bei der Entwicklung schwimmender Systeme für den Meeresbereich von praktischer Bedeutung, wobei FPV-Anwendungen zunächst in küstennahen Umgebungen getestet werden.