Mit leichterem Solarglas Energie sparen – höhere Festigkeit ermöglicht dünnere und leichtere Verglasung für PV-Module
Der Ausbau der Photovoltaik ist ein wesentlicher Baustein der Energiewende. Gleichzeitig werden auch für die Herstellung von PV-Modulen erhebliche Mengen an Rohstoffen und Energie benötigt. Einen erheblichen Anteil daran hat das eisenarme Solarglas, das die Zellen und die elektrisch leitenden Komponenten im Modul vor Witterungseinflüssen schützt und zugleich eine hohe Lichttransmission gewährleisten muss. Auch die Stabilitätsanforderungen bei großflächigen PV-Modulen sind anspruchsvoll. Je nach Bauweise und mechanischen Anforderungen liegt die Flächenmasse heutiger PV-Module typischerweise im Bereich von etwa 11 bis 13 kg/m²; besonders robust ausgelegte Module können Werte bis etwa 16 kg/m² erreichen. Das verbraucht Ressourcen, verursacht Transportkosten und für die Montage sind entsprechend massive Unterkonstruktionen notwendig. »Weniger Glas« bedeutet deshalb weniger Materialeinsatz und Prozessenergie sowie ein geringeres Gewicht bei Transport und Montage.
Dünn, aber stabil?
Ein möglicher Lösungsansatz besteht darin, dünneres Glas für Solarmodule zu verwenden. Mit einem Gewichtsanteil von 70 bis 80 % ist Glas bei heutigen PV-Modulen eine der wichtigsten Stellschrauben in Bezug auf Materialeinsatz und Modulgewicht. Eine Reduktion der Glasstärke spart entsprechend Gewicht und Ressourcen bei der Herstellung sowie bei Transport und Montage. Darüber hinaus wird weniger Energie bei der Herstellung verbraucht. Die Herausforderung besteht darin, die Festigkeit des Glases so weit zu erhöhen, dass auch dünne Glasscheiben stabil genug gegen Hagel, Schnee- und Windlast sind.
Thermische Vorspannung stößt bei dünnem Glas an Grenzen
Ein Standardverfahren für die Erhöhung der Stabilität und Bruchfestigkeit bei Flachglas ist die thermische Vorspannung. Ein durch Anblasen mit kalter Luft gesteuertes Abkühlen im Produktionsprozess führt zu einer definierten thermischen Vorspannung. Dabei entstehen Druckspannungen an der Oberfläche, die das Wachstum von Rissen erschweren. Das Glas wird bruchfester. So behandeltes Glas wird beispielsweise als »Einscheiben-Sicherheitsglas« (ESG) als Architekturglas, im Automobilbau oder in der Möbelindustrie eingesetzt. Bei Solarglas ist 3,2 mm eine gängige Nennstärke; eine weitere Reduktion auf 2 mm und darunter lässt sich mit konventioneller thermischer Vorspannung jedoch nur eingeschränkt, wenn überhaupt realisieren.
Ein weiteres Vorspannungsverfahren, das vor allem bei dünnem Glas eingesetzt werden kann, ist die sogenannte chemische Härtung. Hier wird die Oberflächenspannung auf chemischem Weg durch Ionenaustausch an der Glasoberfläche erzielt, bei dem Natriumionen durch Kaliumionen ersetzt werden. Dadurch werden hohe Druckspannungen in der oberflächennahen Glasschicht erzeugt. Ein Vorteil dabei ist, dass weniger optische Verzerrungen als bei einer thermischen Vorspannung entstehen. Das Verfahren ist jedoch relativ aufwändig, energie- und zeitintensiv und für den großflächigen Einsatz nur eingeschränkt einsetzbar.
Rissausheilung durch neue Beschichtung
Da herstellungsbedingte Mikrorisse bei Flachglas eine entscheidende Rolle für die Glasfestigkeit spielen, setzt hier auch das neue Verfahren von EXXERGY und der für die Industrialisierung und Vermarktung des Verfahrens ausgegründete EXXOSQEL GmbH an. Mit einer Kombination von neuem Beschichtungsmaterial und angepasstem Applikationsverfahren können Oberflächendefekte nicht nur überdeckt, sondern teilweise gleichsam ausgeheilt werden. »Konkret erzeugen wir aus mehreren Komponenten ein dreidimensional vernetztes Komposit, dessen Matrix nach der Beschichtungsapplikation auf molekularer Ebene kovalente Brücken in den Mikrorissen bildet«, so Thomas Sauer, Geschäftsführer von EXXOSQEL. Dadurch erhöhe sich die zum Bruch notwendige Energie erheblich. Laborversuche hätten bereits deutliche Verbesserungen der Glasfestigkeit gezeigt: Nach mehreren iterativen Verbesserungen in den Rezepturen und Verfahren konnte die Festigkeit bei 2 mm dicken Glasproben um einen Faktor von bis zu 4 gesteigert werden, bei 1 mm dicken Glasproben sogar um einen Faktor von bis zu 7, jeweils gerechnet gegenüber einer nicht vorgespannten Referenz. Das Unternehmen schätzt, dass dünnere Glassubstrate Materialeinsatz und Energieverbrauch sowie CO₂-Emissionen deutlich senken könnten. Eine Reduktion der Glasmasse um bis zu 40 % könnte – je nach Modulaufbau – die Gesamtmasse des Moduls um rund 30 % verringern. Bei einem schweren Modul mit beispielsweise 16 kg/m² entspräche dies einer Reduktion auf rund 11 kg/m². Auch die Unterkonstruktionen könnten dadurch wegen der geringeren statischen Lasten entsprechend leichter ausgelegt werden.
Vom Labormaßstab zum Prototyp
Die nächsten Entwicklungsschritte zielen auf die Übertragung der Technologie von kleinen Glasproben auf größere Formate und schließlich auf Solarmodule in kommerzieller Größe. Die Material- und Beschichtungsentwicklung wurde bislang überwiegend von EXXERGY in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISC durchgeführt. »Die Schritte vom Labormuster bis zum großen Solarmodul erfordern viel Knowhow beim Hochskalieren der Materialsynthesen, der Applikationstechnik und der Modulfertigung«, so Thomas Sauer. Das Fraunhofer ISC bringt seine Erfahrung bei Synthesen bis zum 100-Liter-Maßstab und bei der Beschichtungsapplikation ein. Hier arbeiten beide Partner eng zusammen an Materialformulierung und Technologieentwicklung. Auch die Automatisierung der Beschichtung unterstützen die Würzburger Forscherinnen und Forscher: »Wir wollen die Anwendung der neuen Beschichtung so gestalten, dass sie leicht in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden kann«, unterstreicht Dr. Ferdinand Somorowsky, Leiter der Beschichtungstechnologie am Fraunhofer ISC, den Anwendungsaspekt. Für die Übertragung auf Modulformate und die Prüfung größerer Formate arbeitet EXXERGY zudem mit dem Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle zusammen. Gemeinsam treiben die Partner nun den nächsten Skalierungsschritt voran. Was das bedeutet, erklärt Thomas Sauer: »Wir sind mit unserer Beschichtungsentwicklung für Flachglas inzwischen in Richtung TRL 6 auf der international gebräuchlichen Skala des Technology Readiness Level unterwegs. Das heißt, wir haben erste Prototypen im Normmaß bereits erfolgreich unter praxisnahen Bedingungen hergestellt, die Belastungs-tests laufen derzeit. Mit dem nächsten Entwicklungsschritt zielen wir auf TRL 7 und damit auf die tatsächliche Einsatzumgebung.« EXXOSQEL bereitet die nächsten Schritte hinsichtlich Industrialisierung und Vermarktung vor.
Projektinformation
Die bisherigen Arbeiten wurden unter anderem in den Projekten Green Solar Modules (Förderkennzeichen 03EE1161E) und Green Solar Modules Glass II (Förderkennzeichen 03EEM1003) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert sowie durch das Unternehmen EXXERGY, einer mit der EXXOSQEL GmbH verbundenen Gesellschaft, finanziert.