Was sind bifaziale Solarmodule? Überblick, Funktionsweise und Ausblick

Wie schneiden diese Module im Vergleich zu monofazialen Solarmodulen ab?

David Kuchta, Ph.D. verfügt über 10 Jahre Erfahrung im Gartenbau und hat viel über Umweltgeschichte und Energiewende gelesen. Er ist seit den 1970er Jahren ein Umweltaktivist und außerdem Historiker, Autor, Gärtner und Pädagoge.

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Bifaziale Solarmodule erzeugen Sonnenenergie sowohl aus direktem Sonnenlicht als auch aus reflektiertem Licht (Albedo), was bedeutet, dass es sich im Wesentlichen um doppelseitige Solarmodule handelt.

Das ist ein großer Unterschied zu den üblicheren monofazialen Solarmodulen, die Strom nur von der der Sonne zugewandten Seite erzeugen.

Bifaziale Solarenergie ist nicht neu. Tatsächlich waren die ersten Solarzellen, die 1954 von Bell Laboratories hergestellt wurden, bifazial. Trotz ihres Potenzials für eine höhere Effizienz sind bifaziale Solarmodule jedoch nicht so weit verbreitet wie monofaziale Solarmodule, was teilweise auf ihre relativen Kosten und die spezifischeren Umgebungsbedingungen zurückzuführen ist, die sie erfordern.

Durch die Erfassung der Albedo sowie des direkten Sonnenlichts erhöht sich die von jedem bifazialen Modul erzeugte Strommenge, was bedeutet, dass weniger Solarmodule installiert werden müssen.

Im Gegensatz zu einseitigen Solarmodulen bestehen sie aus transparentem Glas, das einen Teil des Lichts durchlässt und von der darunter liegenden Oberfläche reflektiert wird. Um den Lichtdurchlass noch weiter zu erhöhen, verwenden sie Glas anstelle von Metallrahmen oder Gitterlinien, die sie an Ort und Stelle halten. Das Glas besteht aus gehärtetem Glas und reduziert Kratzer. Ansonsten funktionieren sie genauso wie andere Photovoltaikmodule (PV), indem sie kristallines Silizium nutzen, um Sonnenlicht zu absorbieren und es in elektrischen Strom umzuwandeln. Die Rückseite eines bifazialen Solarmoduls teilt sich in der Regel den Schaltkreis mit der Vorderseite, wodurch die Effizienz erhöht wird, ohne den Schaltkreis zu vergrößern.

Laut einer aktuellen Studie des National Renewable Energy Laboratory (NREL), einer Abteilung des US-Energieministeriums, können bifaziale Panels bis zu 9 % mehr Strom erzeugen als monofaziale Panels. Wie bei monofazialen Modulen mit höherer Effizienz bedeutet dies, dass weniger Module installiert werden müssen – ebenso wie die damit verbundene Hardware wie Panelhalterungen, Wechselrichter und Kabel –, was sowohl die Hardware- als auch die Arbeitskosten senkt.

Die Solar-PV-Technologie ist bei höheren Temperaturen weniger effizient, was bifazialen Modulen einen weiteren Vorteil verschafft. Da sie aus Glas ohne die wärmeabsorbierende Aluminiumrückseite einseitiger Paneele bestehen, haben sie niedrigere Betriebstemperaturen, was zu ihrer Effizienz beiträgt.

Bifaziale Module müssen nicht geerdet werden, da sie keinen Metallrahmen haben, der potenziell Strom leiten könnte. Und da sie aufgrund ihrer Konstruktion langlebiger sind, verfügen sie oft über längere Garantien – 30 statt 25 Jahre für einseitige Paneele.

Da bifaziale Module stärker auf diffuser Sonneneinstrahlung basieren, sind sie in bewölkten Klimazonen oder überall dort, wo weniger direktes Sonnenlicht und ein höherer Prozentsatz indirekter, diffuser Sonneneinstrahlung herrscht, effizienter als monofaziale Module. Aus dem gleichen Grund sind bifaziale Paneele für längere Tageszeiten effizienter, wenn zwar noch diffuses Sonnenlicht, aber kein direktes Sonnenlicht auf die Paneele fällt.

Bifaziale Module können auch besser von Solartrackern profitieren, um der Sonne den ganzen Tag über zu folgen. Eine Studie hat gezeigt, dass die erzeugte Elektrizität mit Tracking um 27 % gegenüber monofazialen Panels und um 45 % gegenüber bifazialen Panels mit fester Neigung steigt. Eine andere Studie mit ähnlichen Ergebnissen ergab, dass bifaziale Module auf Solartrackern die Stromkosten um 16 % senkten.

Bifaziale Solarmodule eignen sich am besten über stark reflektierenden Oberflächen wie Sand, Beton oder Schnee. Wüsten wie die oben abgebildete Atacama-Wüste in Chile weisen aufgrund ihrer minimalen Baumbedeckung hohe Albedoraten auf, ebenso wie Regionen, in denen das Gras im Sommer braun wird, beispielsweise an den Hängen Kaliforniens.

NREL hat eine Datenbank erstellt, in der die Reflexionsgrade verschiedener Materialien verglichen werden, und sie auf der DuraMAT-Website verfügbar gemacht. Solarinstallateure können die Daten über die Luftfeuchtigkeit, die durchschnittliche Wolkendecke, die Art des ökologischen Bioms, die Windgeschwindigkeit und andere Parameter eines Gebiets nutzen, um die relative Effizienz der Platzierung bifazialer Solarmodule an verschiedenen Standorten zu berechnen.

Das Gleiche gilt auch für höhergelegene Regionen mit langen Schneebedeckungsperioden. Solarmodule produzieren im Winter typischerweise etwa 40–60 % weniger Strom, dennoch sind Solarmodule bei kühleren Temperaturen effizienter und verringern die atmosphärischen Störungen in höheren Breiten. In winterlichen Klimazonen verbessert die Erfassung des vom Schnee reflektierten Sonnenlichts diese Effizienz in einer Jahreszeit, in der Licht am besten in Elektrizität umgewandelt werden kann.

Im Allgemeinen sind bifaziale Paneele aus mehreren Gründen nicht gut für Wohndächer geeignet. Um die Verschattung unter ihnen zu reduzieren, müssen bifaziale Solarmodule in der Regel höher als die reflektierende Oberfläche darunter angebracht werden, sodass sie nicht in der Nähe einer Dachoberfläche installiert werden können. Selbst wenn sie es könnten, absorbieren dunkle Dächer Licht, anstatt es zu reflektieren. Bifaziale Paneele sind außerdem schwerer, was ihre Installation erschwert und ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt. Ältere Dächer sind möglicherweise auch nicht in der Lage, das zusätzliche Gewicht zu tragen oder die Stützstrukturen aufzunehmen, die für bifaziale Paneele erforderlich sind.

Schließlich sind bifaziale Panels teurer und die Arbeitskosten höher, sodass die höheren Gesamtvorabkosten für viele kleinere Privatkunden unerschwinglich sind. Dennoch belaufen sich die zusätzlichen Kosten der Panels laut derselben oben zitierten NREL-Studie auf weniger als 10 %, sodass sie durch die zusätzliche Effizienz der Module ausgeglichen werden. Wenn ein Hausbesitzer über ein Dach verfügt, das eine bifaziale Solaranlage unterstützt, und die Möglichkeit hat, die Investition zu finanzieren, ist es die Kosten wert.

Andere Oberflächen sind jedoch ideale Standorte. Auf Gebäuden mit flachem Dach, die in helleren Farben gestrichen sind, können bifaziale Paneele montiert werden, ebenso wie Parküberdachungen, Poolterrassen, Terrassen, Pergolen, Veranden, Markisen und andere Schattenstrukturen. Bodenbasierte Systeme, die leichte Materialien wie Beton, Sand, Kies oder Fliesen abdecken, sind ebenfalls gute Kandidaten.

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Aufgrund der bevorzugten Anwendungsfälle von bifazialen Solaranlagen haben Groß- und Gemeinschaftssolarparks die Technologie schneller übernommen, da ihre Optionen für Montagedesign und Standortwahl nicht auf Dächer beschränkt sind. In diesen Situationen können die Pauschalkosten für bifaziale Paneele 2–6 % niedriger sein als für monofaziale Paneele. Die Clearway Energy Group, ein Entwickler von groß angelegten und kommunalen Solarprojekten, sieht die höhere Energieausbeute von bifazialen Solaranlagen in Kombination mit Trackern als entscheidend für die weiterhin sinkenden Kosten von Solaranlagen an, die in den meisten Teilen der Welt bereits die günstigste Stromquelle sind .

Was eine Einschränkung sein kann, kann auch eine Tugend sein. Bifaziale Solarmodule erfordern höhere Halterungen als monofaziale Solarmodule und können einfacher in ein Agrarphotovoltaiksystem integriert werden, das Landwirtschaft mit Solarenergieerzeugung kombiniert. Rund um die höher gelegenen Hügel können Pflanzen einfacher angebaut werden, während grasende Kühe und Schafe von dem Schatten profitieren, den die Paneele spenden, wodurch das Land durch die Kombination beider Funktionen um 60 % produktiver wird.

Laut NREL wird „bifaziale PV mit installierten Projekten im Gigawatt-Bereich zum Mainstream.“ Marktforscher gehen davon aus, dass die bifaziale Solarenergie im Prognosezeitraum 2020–2027 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 15 % aufweisen wird. Und NREL prognostiziert, dass bifaziale Solarmodule bis zum Ende des Jahrzehnts 60 % des Solar-PV-Marktes ausmachen werden, gegenüber etwa 15 % im Jahr 2019. Da die Solarenergie mit zunehmender Marktnachfrage und staatlicher Unterstützung zunimmt und der Klimawandel zunimmt die Notwendigkeit, alles überall zu elektrifizieren, Platzbeschränkungen und zunehmend umstrittene Fragen der Landnutzung und könnten weniger, aber effizientere bifaziale Panels begünstigen.

Wie bei der Solartechnologie im Allgemeinen werden die Kosten für bifaziale Module mit zunehmendem Produktionsvolumen zwangsläufig sinken, und es wird prognostiziert, dass die Preisparität mit monofazialen Solarmodulen den Markt bald zugunsten bifazialer Module beeinflussen wird. Laut Lazards Levelized Cost of Energy sind die Kosten für Solarstrom zwischen 2009 und 2020 um 90 % gesunken. Dies macht bifaziale Module besonders attraktiv für groß angelegte und kommunale Solarparks, bei denen Skaleneffekte dazu führen, dass die höhere Energieausbeute nur geringfügig höhere Kosten verursacht.

Der Kostenunterschied würde sich auch verringern, wenn die US-Regierung die 2018 eingeführten Zölle abschaffen würde. Bisher hat die Biden-Regierung die Zölle unterstützt, da sie mit Unterstützung von die in den USA hergestellte Produktion von Solarmodulen gegenüber Importen aus China fördern will einige in den USA ansässige Solarhersteller. Bisher ist keine solche Aufhebung des Tarifs geplant, da sich die Angelegenheit durch das Gerichtssystem schlängelt. Allerdings sind die Kosten für bifaziale Systeme bereits jetzt konkurrenzfähig gegenüber monofazialen Systemen. NREL prognostiziert, dass „Bifacial nach dem Zolltarif ein klarer Gewinner ist“.

Im Gegensatz zu anderen Versuchen, die Effizienz von Solarmodulen zu steigern, wie beispielsweise Perowskit-Solarzellen, gibt es die bifaziale Technologie bereits, sie ist in großem Maßstab einsetzbar und schnell einsetzbar. Da die Dringlichkeit von Maßnahmen gegen den Klimawandel immer klarer wird, stellt die bifaziale Solartechnologie eines der wirksamsten Mittel zur Reduzierung der CO2-Emissionen im Energiesektor dar.

Bifaziale Module eignen sich zwar nicht für jedes Dach oder gar jede Bodenmontage, doch ihre höhere Effizienz ermöglicht es Solarentwicklern im Kraftwerksmaßstab, eine schnellere Kapitalrendite zu erzielen – und so Investoren anzulocken, die auf der Suche nach kurzfristigen Gewinnen sind. Ihre geringere Stellfläche im Vergleich zu monofazialen Modulen ermöglicht es Eigentümern von Mehrfamilienhäusern, Solarstrom effizient zu ihren Mietern zu bringen, und ermöglicht den Bau gemeinschaftlicher Solarparks in der Nähe der Kunden, die sie benötigen, und das alles, ohne dass umfangreiche Modernisierungen der Stromübertragung erforderlich sind. Bifaziale Solarenergie ist eine Zukunftstechnologie, die schon heute existiert.

Bifaziale Solarmodule erzeugen Solarstrom von beiden Seiten des Moduls, während monofaziale Solarmodule nur Strom von der der Sonne zugewandten Seite erzeugen.

Untersuchungen zeigen, dass bifaziale Solarmodule bis zu 9 % mehr Strom erzeugen können als ihre monofazialen Gegenstücke.

Bifaziale Solarmodule sind nicht ideal für die Montage auf geneigten Dächern. Am besten schweben sie hoch über reflektierenden Oberflächen wie Sand oder Schnee. Sie können wie jedes andere Solarmodul montiert werden, aber je geneigter sie sind, desto mehr Energie liefern sie.

Bifaziale Solarmodule kosten im Voraus bis zu 10 % mehr als herkömmliche monofaziale Solarmodule.

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