Konzentration auf den Markt

Die Freude über den Innovationspreis blieb nicht lange ungetrübt: Wenige Tage nach der Preisverleihung meldete sich Concentrix-Wettbewerber Solartec aus München zu Wort und warf den Freiburgern vor, eine vom Ioffe-Institut in St. Petersburg bereits vor Jahrzehnten entwickelte Technologie als Neuheit ausgeben zu wollen (siehe hierzu auch PHOTOVOLTAIK 01 / 2008, Seite 38 / 39).
Tatsächlich konnte man die Pressemitteilung zur Preisverleihung so verstehen, als hätten Concentrix und das Fraunhofer ISE, aus dem heraus Concentrix im Jahr 2005 gegründet wurde, alles alleine erfunden. Auf Nachfrage bestreitet Concentrix-Geschäftsführer Hansjörg Lerchenmüller die Verdienste des Ioffe-Instituts zwar nicht, weist aber den Vorwurf des Plagiats zurück: Am Ioffe-Institut seien zwar die festkörperphysikalischen Grundlagen für die Entwicklung der Stapelsolarzel len geschaffen worden, die heute von den meisten Anbietern von Konzentratormodulen eingesetzt würden, aber auch andere Forschungsinstitute wie die Universidad Politécnica de Madrid (UPM) und das ISE hätten wichtige Beiträge zur Konzentratortechnik geleistet.

Details machen den Unterschied

Das ISE selbst reagierte auf den Vorwurf von Solartec mit der Präzisierung, der Preis sei nicht für die Technologieentwicklung verliehen worden, sondern „für die herausragende Leistung, eine vielversprechende, aber komplexe Technologie aus dem Labor in die Serienfertigung überführt zu haben“. Concentrix zähle „in Bezug auf Wirkungsgrad und installierte Systemleistung zu den am weitesten fortgeschrittenen Unternehmen“.
Tatsache ist, dass heute nicht nur Concentrix und Solartec, sonderen eine ganze Reihe von Unternehmen an Konzentratormodulen arbeiten und dabei zum Teil ähnliche Komponenten und Fertigungstechniken verwenden (siehe Kasten). Unabhängig von der Bewertung, wer nun am innovativsten ist, zeigt die Kontroverse daher vor allem eines: Die Technik hat gute Chancen, in den nächsten Jahren ordentliche Renditen einzufahren, und das Wettrennen um die besten Plätze hat begonnen. Die nötigen finanziellen Mittel für den Auf- und Ausbau der Produktion sicherte sich Concentrix über eine Beteiligung des Investors Good Energies, der bereits an Q-Cells und weiteren PV-Unternehmen Beteiligungen hält, während Konkurrent Solartec im Laufe des Jahres den Gang an die Börse plant.

Vom Weltraum auf die Erde

Die Konzentratortechnik, die Concentrix einsetzt, basiert auf einem einfachen physikalischen Prinzip: Über der Solarzelle wird in einigen Zentimetern Abstand eine flache Sammellinse, die so genannte Fresnel-Linse angebracht, die das einfallende Sonnenlicht über einen großen Winkelbereich „einfängt“ und auf die Zelle bündelt, welche im Brennfleck der Linse positioniert wird. Eine rechteckige Anordnung vieler Linsen-Zell-Einheiten – bei Concentrix sind es 150 – bildet ein Modul. Da ein einzelnes Modul nur eine geringe Leistung – bei Concentrix knapp 50 Watt – erreicht, werden wiederum eine Vielzahl von Modulen auf einer Nachführeinheit (Tracker) zusammengeschaltet.
Die spezielle Optik ist aber nur die halbe Miete: Wichtig für die Erzielung hoher Wirkungsgrade ist die Wahl der richtigen
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• Wissenschaftler des russischen Ioffe-Instituts arbeiten in St. Petersburg schon seit Mitte der 1960er Jahre mit Konzentratorzellen. Pionierarbeit leistete hier vor allem der Physik-Nobelpreisträger Zhores Alferov. Das Prinzip: Licht wird durch eine sehr leicht zu produzierende Fresnel-Konzentrator-Linse aus Kunststoff mit mehrhundertfacher Bündelung auf eine nur wenige Quadratmillimeter kleine Solarzelle gelenkt. Die Zelle kann aus verschiedensten, mehrschichtigen Halbleitermaterialien bestehen. Unter anderem arbeiten Systeme von Concentrix und Solartec nach diesem Prinzip.
• Beim kalifornischen Unternehmen Solfocus wird jede einzelne Dünnschichtzelle in den Brennpunkt zweier aufeinander abgestimmter kleiner Spie Solarzelle. Die meisten Hersteller von Konzentratormodulen verwenden zwei- oder dreischichtige Zellen aus III-V-Halbleitern wie Galliumarsenid, auch Tandem-, Tripel- oder Stapelzellen genannt.

Teure Stapelzellen rechnen sich

Der Vorteil dieser Zellen ist, dass sie einen breiteren Anteil des Lichtspektrums verwerten können als herkömmliche Siliziumzellen – jede Schicht besteht aus einem anderen Halbleitermaterial und ist in einem bestimmten Spektralbereich empfindlich. Die vergleichsweise teuren Stapelzellen wurden bisher überwiegend im Weltraum eingesetzt, wo möglichst viel Leistung pro Flächeneinheit gefordert wurde und Geld nicht die entscheidende
gel montiert. Die Abdeckungen der Einzelzellen bestehen aus Glas.
• Die Konzentratoren der texanischen Entech arbeiten nach einem völlig anderen, wesentlich größer dimensionierten Prinzip: Die Zellen werden in der Fokussierungsebene von mehreren Meter langen Halbröhren montiert. Der Konzentrationsgrad ist im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Systemen lediglich zwanzigfach.
• Den Wirkungsgrad-Weltrekord bei Konzentratorzellen reklamiert Flugzeugbauer Boeing-Spectrolab mit „über 40 Prozent“ für sich. Die anderen Hersteller geben in Serie erreichte Wirkungsgrade einzelner Zellen mit jeweils rund 35 Prozent an.
• Alle Konzentratorsysteme haben ein großes Problem: Durch unterschied Rolle spielte. Da durch die mehrhundertfache Konzentration der Strahlung im Vergleich zu den üblichen Flachmodulen nur wenig Zellenfläche benötigt wird, rechnet sich die Technik nun auch in irdischen Anwendungen. „Wenn ich eine sehr kleine Solarzelle verwende, kann ich mir die beste leisten, die es gibt“, sagt Hansjörg Lerchenmüller. Und die beste sei nun mal die Triple-Junction-Zelle.
Durch die – im Concentrix-Modul knapp 400-fache – Konzentration der Strahlung wird im Vergleich zu den üblichen Flachmodulen nur eine sehr kleine photoaktive Fläche von zwei Millimetern Durchmesser benötigt. Die Systemkosten pro installiertem Watt sind daher laut Lerchenmüller trotz der teuren Zellen vergleichbar
liche Konzentrationsfaktoren differieren die Einzelzellen oft stark in ihren Effektivitäten. Aber um nutzbare Systemspannungen und -leistungen zu erreichen, müssen die Zellen in Reihe und/oder parallel verschaltet werden. Der Effekt: Der Modulwirkungsgrad fällt deutlich ab.
• Alle Konzentratorsysteme müssen der Sonne nachgeführt werden, weshalb sie nur in Gegenden rentabel sind, wo die Sonne lange scheint.
mit denen einer nachgeführten Flachmodulanlage.
Concentrix hat sein Modul „Flatcon“ genannt, was für „Fresnel Lens All-glass Tandem Cell Concentrator“ steht. Es besteht aus zwei planparallelen Glasplatten, die über einen Metallrahmen verbunden sind. Unter der oberen, der Sonne zugewandten Scheibe sitzen die Fresnel-Linsen, die aus transparentem, UV-beständigen Silikon bestehen. Alle 150 Linsen eines Moduls werden „am Stück“ in einem Prägeprozess hergestellt, ein aufwändiges Zusammenfügen und Justieren von Einzellinsen entfällt. Auf der unteren Scheibe sitzen quadratische Kupferplatten, auf denen die Zellen mittels Wärmeleitpaste befestigt sind. Das Kupfer hat die Aufgabe, die Wärme abzuleiten, eine aktive Kühlung ist nicht erforderlich.
Mit diesem Konzept wird laut Concentrix-Chef Lerchenmüller in der aktuellen Fertigung – einer Pilotlinie mit einer Kapazität von einem Megawatt pro Jahr – ein Modulwirkungsgrad von 25 Prozent erreicht. Eine Verbesserung in kleinen Schritten bis etwa 30 Prozent sei über die nächsten Jahre vorstellbar: „Wir sind noch lange nicht am Ende.“ Die Technologie werde sich zwar nicht mehr prinzipiell ändern, aber es gebe „hundert Stellschrauben“, deren Zusammenspiel noch optimiert werden müsse. Der Wirkungsgrad sei nun mal die entscheidende Größe, um sich am Markt durchzusetzen: „Es ist keineswegs egal, ob ein Modul 26 oder nur 22 Prozent Wirkungsgrad erreicht.“

Bei grauem Himmel unrentabel

Bis vor kurzem stand zwar noch eine Versuchsanlage auf dem Dach des ISE in Freiburg, aber auch das sonnige Südbaden ist für die Konzentratortechnik nicht sonnig genug. Und ohne starke Sonneneinstrahlung rentieren sich die Systeme trotz ihres hohen Wirkungsgrades nicht, da sie im Unterschied zu Flachmodulen nur direkt einfallende und keine diffuse Sonnenstrahlung in Strom verwandeln können. Ideale Einsatzgebiete liegen daher nicht im wolkigen Mitteleuropa, sondern in südeuropäischen Ländern wie Spanien, Italien und Griechenland, in den arabischen Ländern oder in den südlichen US-Staaten.
Somit ist es kein Zufall, dass sich die meisten aktuellen Versuchsinstallationen von Concentrix in Spanien befinden. Nach einer im letzten Jahr im südspanischen Lorca errichteten Demonstrationsanlage mit drei Trackern à 5,7 Kilowatt Leistung dürfen die Freiburger jetzt an einem von der spanischen Regierung finanzierten Drei-Megawatt-Konzentratorkraftwerk mitbauen, das im Auftrag des Instituto de Sistemas Fotovoltaicos de Concentración (ISFOC) in der Region La Mancha errichtet wird. An der ersten Ausbaustufe mit 1,7 Megawatt Leistung sind neben Concentrix die Solarunternehmen Isofoton (Spanien) und SolFocus (USA) beteiligt, weitere 1,3 Megawatt sollen im Laufe dieses Jahres von vier weiteren Firmen hinzukommen.
Die Concentrix-Anlage wird im Endausbau 500 Kilowatt leisten; 18 Tracker mit rund 100 Kilowatt Leistung stehen schon, die restlichen sollen bis Juli aufgestellt werden. Anschließend wird das ISFOC die Anlagen der verschiedenen Hersteller unter Praxisbedingungen auf ihre Performance testen. Für Hansjörg Lerchenmüller ein wichtiger Test, wo Concentrix wirklich steht: „Das wird ein ganz hartes Formel-1-Rennen.“

Flexibler als Thermie

Wurde die Demonstrationsanlage in Lorca noch im Wesentlichen aus Fördermitteln der Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) finanziert, erhält Concentrix für die Anlage in La Mancha sechs Euro pro installiertem Watt, insgesamt also drei Millionen Euro. Wenn die Konzentratorkraftwerke dereinst in Serie gehen, wird die Vergütung für Solarstrom voraussichtlich deutlich geringer ausfallen. Trotzdem ist Lerchenmüller zuversichtlich: „Wir werden in den nächsten drei bis fünf Jahren in der Photovoltaik eine enorme Entwicklung sehen, von der alle heutigen Technologien profitieren werden. Von diesem großen Kuchen wird auch die Konzentratortechnik ein ordentliches Stück abbekommen.“
Der große Vorteil eines Konzentratorkraftwerks sei, dass es aufgrund seines höheren Wirkungsgrads weniger Fläche verbrauche als andere Solarkraftwerke. Zudem sei die Konzentratortechnik flexibler einsetzbar als beispielsweise solarthermische Anlagen, die große ebene Flächen, viel Wasser und einen langen zeitlichen Vorlauf benötigten. „Ein paar Tracker können auch zwischen zwei Hügeln stehen.“
Um die erhoffte Nachfrage decken zu können, baut Concentrix derzeit eine eigene Modulproduktion auf. Bis August sollen in einer neuen Fertigungsanlage in Freiburg 25 Megawatt pro Jahr hergestellt werden, die Anlage ist jedoch bereits für eine Kapazität von jährlich 50 Megawatt ausgelegt. „Wir müssen jetzt richtig Gas geben und schnell Volumen aufbauen“, ist Lerchenmüller überzeugt, der es durchaus für möglich hält, dass spätere Fertigungserweiterungen auch vor Ort in Spanien oder anderen Einsatzländern gebaut werden. Um seinen Zugang zum spanischen Markt zu verbessern, werde Concentrix außerdem in Kürze eine Kooperation mit einem „führenden spanischen Solarunternehmen“ eingehen. Wegen der engen Anbindung ans ISE will man aber auf jeden Fall einen Fuß in Freiburg behalten", versichert Lerchenmüller.

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