Innovativer Durchbruch in der Solartechnik

Das große Staubproblem der Solarenergie

Der Solarenergiemarkt ist in den letzten Jahren immer schneller gewachsen, wobei die Branche allein im letzten Jahrzehnt einen rasanten Kostenrückgang von 85 % verzeichnete.1

„Die weltweiten Übertragungsverluste durch Verschmutzung liegen bei 3–4 % und werden der Welt im Jahr 2023 voraussichtlich Kosten in Höhe von 4,1–7,2 Milliarden US-Dollar verursachen.“

– Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Obwohl Solarenergie immer leichter zugänglich wird, steht die Branche nach wie vor vor Herausforderungen und Wachstumsschwierigkeiten. Ein überraschend kniffliges Problem beeinträchtigt weltweit die Umwandlung von Solarenergie: Staub auf den Modulen. In der Branche als Verschmutzung der Solarmodule bezeichnet, sind Solarparkanlagen in allen Regionen der Welt von diesem Problem betroffen. Die Stromerzeugung durch Photovoltaik (PV) wird durch Staub und andere Partikel beeinträchtigt, die sich auf den Oberflächen der Module ansammeln, was je nach Region, in der sich der Solarpark befindet, zu Strahlungstransmissionsverlusten von 2–50 % führt2. Im Jahr 2019 berechnete das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP, dass die weltweiten Transmissionsverluste durch Verschmutzung bei 3–4 % liegen, was der Welt im Jahr 2023 voraussichtlich Kosten in Höhe von 4,1–7,2 Milliarden US-Dollar verursachen wird3.

1 Ausblick für die Branche der erneuerbaren Energien 2022. Deloitte, März 2022. 2 Leistungsverlust durch Verschmutzung von Solarmodulen: Eine Übersicht. Maghami et al., Universiti Putra Malaysia, Juni 2016. 3 Technisch-wirtschaftliche Bewertung von Verschmutzungsverlusten und Strategien zu deren Minderung bei der Solarstromerzeugung. Ilse et al., Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP, Sept. 2019.

Die Kosten durch übermäßigen Staub und Schadstoffe

Auch wenn die Antwort einfach erscheinen mag – nämlich die Paneele zu reinigen –, ist diese Lösung in folgender Hinsicht kostspielig:

Energie

Energie für den Betrieb der Reinigungsgeräte. Da sich Solarmodule nachts abkühlen und morgens Tau ansammeln, verfestigen sich Staub und andere Luftschadstoffe an den Oberflächen der Module, sodass sie ohne leistungsstarke Reinigungsroboter nur schwer zu entfernen sind. Diese Geräte können sowohl energie- als auch kostenintensiv sein, und der Reinigungsprozess selbst kann umweltschädlich sein.

Geld

Das National Renewable Energy Laboratory in Colorado, USA, schätzt, dass „eine einmalige Reinigung eines 10-Megawatt-Solarparks – der genug Strom liefert, um 2.000 Haushalte einen Tag lang mit Strom zu versorgen – schätzungsweise 5.000 US-Dollar kosten kann“4. Würde ein 10-MW-Solarpark seine Module einmal im Monat reinigen lassen, müsste er jährlich 60.000 US-Dollar einplanen.

Unser Kunde besitzt und betreibt über 45 Solarparks mit Tausenden von Solarmodulen, die in Regionen der Welt mit sehr hoher Luftfeuchtigkeit und erheblichen Mengen an Staub und Schadstoffen in der Luft liegen. Das Ingenieurteam musste eine Lösung finden, um zu verhindern, dass sich klebriger Staub auf den Modulen ansammelt, und so die Energieumwandlungsrate der Solarparks zu verbessern. Sie wandten sich an Goldfire, ein Produkt von Accuris, auf das sie sich bereits regelmäßig bei der Planung und Installation von Solaranlagen sowie anderen Aufgaben verlassen hatten, um zu prüfen, ob es ihnen auch in diesem Fall helfen könnte.

4 Wissenschaftler, die Solaranlagen erforschen, versuchen, ein staubiges Problem zu lösen. National Renewable Energy Laboratory. April 2021.

Das Problem

Der Kunde Ein führendes Unternehmen im Bereich erneuerbare Energien, das weltweit mehr als 45 Solarparks betreibt.

Anwender Vizepräsident für Innovation, Konstrukteure, Forschung und Entwicklung

Sie wandten sich mit folgenden Herausforderungen an Accuris:

• Eine Lösung in der Natur zu finden, die sie in ihrer Konstruktion nachahmen können – das ist für ihr Unternehmen wichtig.
• Die Suche nach relevanten Informationen war zeitaufwendig und erfolglos. Das Team suchte manuell nach Informationen und las die Dokumente nacheinander durch, um eine Antwort zu finden.
• Da es an Fachwissen in wissenschaftlichen Bereichen wie Biotechnologie, Botanik und Biomimikry mangelte, war es schwierig zu wissen, wo man nach der Antwort suchen sollte.
• Herkömmliche Suchmaschinen würden eine Liste mit Stichwörtern basierend auf der Suchanfrage ausgeben, jedoch ohne jeglichen Kontext
• Aufgrund der oben genannten Überlegungen bestand eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass dem Team etwas Wichtiges entgehen würde.

Die Lösung

Goldfire basiert auf modernsten Technologien im Bereich des maschinellen Lernens und der Verarbeitung natürlicher Sprache, die es ermöglichen, Informationen branchen- und fachübergreifend miteinander zu verknüpfen – ähnlich wie das menschliche Gehirn kognitive Verbindungen herstellt.

Ausgestattet mit den kognitiven Suchfunktionen von Goldfire wandte sich das Team der Pflanzenwelt zu, um eine Antwort zu finden. Es wurden relevante Informationen aus verschiedenen Ingenieursdisziplinen und wissenschaftlichen Bereichen zusammengetragen. Innerhalb von zwei Tagen stieß Goldfire auf eine wichtige Erkenntnis in einem Artikel aus dem Jahr 2019 über superhydrophobe Oberflächen, die dem Team die gesuchte Antwort lieferte. In dieser Veröffentlichung sprachen die Autoren über die Selbstreinigungsfähigkeit des Lotusblatts, das dank der mehrstufigen, wachsartigen Erhebungen auf seinen Blättern Wassertropfen, Schmutz und andere Partikel abweist. Dies ist als „Lotus-Effekt“ bekannt.

Das Team stieß daraufhin auf eine zweite Veröffentlichung aus dem Jahr 2015, in der eine superhydrophobe, transparente Beschichtung beschrieben wurde, die als Lack für Autos, Schiffsausrüstung, Windkraftanlagen – und Solarmodule – verwendet werden könnte. Ausgehend von den chemischen Eigenschaften der Lotuspflanze hatte ein Hersteller diese superhydrophobe Beschichtung entwickelt, die den Lotuseffekt nachahmt und so einen Selbstreinigungsmechanismus für jede Oberfläche schafft, auf der sie zum Einsatz kommt. Auf einem Solarmodul rollten Wassertropfen und Staubpartikel einfach von der Oberfläche ab, anstatt sich dort festzusetzen und zu verfestigen.

Unser Kunde hat diese Forschungsergebnisse mithilfe von Goldfire zutage gefördert und dabei Erkenntnisse genutzt, die sich über Milliarden von Jahren in der Natur gebildet haben, um einen innovativen Durchbruch im Bereich der alternativen und erneuerbaren Energien zu erzielen.

• Die KI-gestützte kognitive Suche von Goldfire führt den Nutzer direkt zur Antwort. Sie geht über eine einfache Liste von Stichwörtern hinaus, verbindet auf der Grundlage von Kontext und Semantik die Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Wissensbereichen, durchforstet Informationen und filtert relevante Inhalte heraus – ganz so, wie es das menschliche Gehirn tun würde.
• Mithilfe von maschinellem Lernen und natürlicher Sprachverarbeitung wird die Anfrage in ihrem Kontext in sechs verschiedenen Sprachen analysiert, um branchenübergreifend Antworten und relevantes Wissen bereitzustellen.
• Durch die Erfassung wissenschaftlicher und technischer Publikationen weltweit, branchenübergreifend und aus allen Bereichen der Ingenieurwissenschaften können Nutzer die gesuchten Antworten einfacher und zeitsparender finden.

Die Ergebnisse

Unser Kunde fand die gesuchte Antwort bereits innerhalb von zwei Tagen nach Beginn seiner Recherche. Ohne Goldfire hätte die Suche Wochen oder Monate gedauert. Mithilfe der in Goldfire indexierten Patente fand das Forschungsteam einen Hersteller der Farbe, die den Lotuseffekt nachahmt, und leitete diese Informationen an das Produktteam weiter, das das Wissen anschließend auf seine bestehenden Produkte anwenden konnte.

Mit Accuris hat das Forschungsteam:

• Durch den Einsatz der KI-Funktionen von Goldfire wertvolle Zeit, Energie und Geld gespart
• Ein in der Natur vorkommendes Selbstreinigungsverfahren identifiziert, das sich auf ihre Herausforderung anwenden lässt
• Einen Hersteller der superhydrophoben Beschichtung gefunden, der seinen Prozess optimierte, um das Problem zu lösen und eine Lösung auf das bestehende Produkt anzuwenden
• Mehrere Wochen an Entwicklungszeit eingespart, die nun für andere Herausforderungen genutzt werden konnten, wie beispielsweise die Planung von Solarparks und die Verkürzung der Amortisationszeit für neue Standorte
• Eine zuverlässige neue Methode zur Durchführung von Forschungsarbeiten mit Goldfire getestet und validiert, die auf andere innovative Projekte und Produktlinien im Bereich der erneuerbaren Energien übertragen werden kann

Über Accuris

Accuris ist ein auf das Ingenieurswesen spezialisiertes Technologieunternehmen, das mit KI-gestützten Daten- und Workflow-Lösungen einen jährlichen wiederkehrenden Umsatz von 500 Millionen US-Dollar erzielt. Seit über 60 Jahren vertrauen Ingenieure auf unsere Daten und Technologien, um Innovationen voranzutreiben und Probleme zu lösen. Dadurch verkürzt sich ihre Ideenfindungszeit um 70 % und Produkt- und Prozessfehler werden um das bis zu Fünffache reduziert.

Wir arbeiten mit über 6.000 Kunden weltweit und 650.000 Anwendern aus dem Ingenieurswesen in über 100 Ländern und Dutzenden von Branchen zusammen – darunter Luft- und Raumfahrt sowie Rüstung, Energie, Nachhaltigkeit, Bauwesen, Architektur und viele mehr.

Accuris arbeitet mit über 400 Normungsorganisationen zusammen, um deren gemeinnützige Arbeit zu unterstützen, und erleichtert Ihnen den Zugang zu 2,3 Millionen technischen Normen – für Innovation und Fortschritt auf der ganzen Welt. Accuris bietet Ihnen Technologie, in die das nötige Fachwissen bereits integriert ist – damit Sie eine bessere Welt gestalten können.