Wenn Photovoltaik Baden geht...
Forscher der finnischen Universität Lappeenranta-Lahti wollen schwimmende Solaranlagen mit Wasserkraft kombinieren. Das hätte viele Vorteile.
TEXT Kristina Simons

hotovoltaik (PV) wird im zukünftigen Energiesystem eine zentrale Rolle spielen. 2030 sollen alle Erneuerbaren einen Anteil von 65 Prozent am deutschen Bruttostromverbrauch haben. Nach Berechnungen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE müssen dafür jährlich zwischen fünf und zehn Gigawatt (GW) allein an Photovoltaikanlagen zugebaut werden.

Doch Sonnen- wie auch Windenergie sind wetterabhängig und werden nicht immer in gleicher Menge erzeugt. So wächst der Bedarf an Speichern, die in sonnigen Zeiten oder bei starkem Wind überschüssigen Solar- und Windstrom aufnehmen – und bei trübem Wetter oder Flaute wieder ins Stromnetz speisen. Javier Farfan Orozco und Christian Breyer, zwei Forscher der finnischen Lappeenranta-Lahti University of Technology (LUT), wollen jetzt schwimmende Photovoltaikanlagen mit speicherbasierter Wasserkraft kombinieren und damit zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen.
Schwimmende Solaranlagen (Floating Photovoltaic, FPV) gibt es bereits seit 2008. Damals wurde in Kalifornien die erste FPV-Anlage errichtet. Heute sind es weltweit rund 100 Anlagen mit einer Gesamtkapazität von einem GW. Die meisten davon befinden sich in Asien, wo man vor allem aufgrund knapper geeigneter Landflächen mit der Photovoltaik aufs Wasser ausweicht. Farfan Orozco und Breyer möchten solche Anlagen, und das ist das Neue, mit Wasserkraftwerken kombinieren: Denn werden die FPV-Anlagen auf Stauseen installiert, lassen sich die dortigen Speicherkraftwerke als virtuelle Batterien für den Sonnenstrom nutzen. Diese flexibel nutzbaren Wasserspeicher bedecken weltweit eine Fläche von rund 265.700 Quadratkilometern, schreibt das Wissenschaftler-Duo in seiner Studie. Würde nur ein Viertel der Stauseen mit schwimmender Photovoltaik bedeckt, wäre Platz für Module mit einer Gesamtleistung von 4.400 GW. Diese könnten pro Jahr knapp 6.300 Terawattstunden (TWh) Strom erzeugen. Würden die vorhandenen Wasserkraftspeicher sogar zur Hälfte mit FPV-Modulen bedeckt, ließen sich damit jährlich 12.540 TWh Solarstrom erzeugen. Javier Farfan Orozco und Christian Breyer gehen allerdings in dem Fall von möglichen sozialen oder ökologischen Schwierigkeiten aus. „Da die FPV-Technologie noch relativ neu ist, wurden bislang weder die Umweltverträglichkeit noch die Langzeitwirkungen solcher Systeme untersucht“, erläutert Farfan Orozco. „Außerdem werden solche Staudammkraftwerke ja teilweise für Freizeitaktivitäten genutzt oder sind nach wie vor über Schleusen schiffbar“, ergänzt Breyer.
Mehr Energie, weniger Kosten
Neben der Stromerzeugung hat schwimmende Photovoltaik weitere Vorteile: Der Netzanschluss mit Übertragungsleitungen und Transformatoren ist bereits vorhanden, das senkt Kosten und Aufwand. Dadurch, dass das Wasser das Sonnenlicht reflektiert und es außerdem die Solarzellen kühlt, liefern schwimmende Photovoltaikanlagen darüber hinaus im Schnitt 10 Prozent mehr Energie als solche auf dem Land. Zudem fungieren die FPV-Anlagen als Schattenspender, sodass weniger Wasser aus dem Stausee verdunstet und mehr Wasserkraft produziert werden kann. Große Möglichkeiten für die Kombination aus Wasserkraft und Solar sehen die beiden Wissenschaftler in den wasserreichen Gegenden Sibiriens, in Osteuropa, in den nordischen Ländern, in der Schweiz, in Österreich, in Teilen Nord- und Südamerikas, außerdem in Zentralafrika sowie in Kenia und Uganda. Von technischer Seite lassen sich Wasserkraftspeicher problemlos als virtuelle Batterie für schwimmende Solaranlagen nutzen. Es komme darauf an, wie das Staudammwasserkraftwerk betrieben werde, sagt Breyer. „Wird der Wasserkraftstrom während des Tages genutzt, wenn auch Photovoltaikstrom zur Verfügung steht, ist das machbar. In diesem Fall muss die Wasserkrafterzeugung heruntergeregelt werden, damit effektiv nur der Solarstrom genutzt wird.“ Da FPV-Anlagen im Regelfall nur einen Teil der Wasseroberfläche bedeckten, sollten sie dort installiert werden, wo es nicht schlimm sei, wenn der Wasserspiegel variiere.
„Diese flexibel
nutzbaren
Wasserspeicher bedecken
weltweit eine
Fläche von
rund 265.700
Quadrat-
kilometern.“

Christian Breyer,
Forscher der finnischen Lappeenranta-Lahti
University of Technology (LUT)
Möglichkeiten in Deutschland
In Deutschland hat die Kombination aus Wasserkraft und Solar nur bedingt Potenzial. „Hier gibt es einfach nicht besonders viele Staudammkraftwerke“, erläutert Breyer. Sein Kollege Javier Farfan Orozco schätzt, dass in Deutschland bei einer 25-Prozent-Abdeckung der Wasserspeicher jedoch mindestens 3,5 TWh Solarstrom möglich sind. Größer ist hierzulande das Potenzial für schwimmende Photovoltaik ohne Wasserkraft. „Hierfür eignen sich vornehmlich Süßwasserseen mit einer geringen Strömung und einer mäßigen Windlast“, sagt Verena Busse, die sich bei der Energieagentur NRW schon intensiv mit schwimmender Photovoltaik befasst hat. Besonders geeignet seien geflutete Tagebaugebiete und Kiesabbauflächen. In Deutschland wurde erstmals im Oktober 2018 eine 46-Kilowatt-Versuchsanlage auf einer gefluteten Fläche im Niederrheinischen Tagebaurevier errichtet. „Hier wird in erster Linie das Material getestet“, sagt Busse. Eine vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie in Auftrag gegebene Studie sieht allein in den niederrheinischen Revieren Platz für aktuell 35 MW schwimmende Photo­voltaikanlagen. Für ganz Deutschland hat das Fraunhofer ISE ein technisches Potenzial von 55 GW errechnet. „Verschiedene Zukunftsszenarien zeigen, dass die heutigen Tagebaugebiete in Zukunft flächendeckend von schwimmenden Photovoltaikanlagen geprägt sein könnten“, meint Busse. Ob diese tatsächlich erschlossen werden, sei jedoch von vielen verschiedenen Faktoren abhängig. Dazu gehören beispielsweise Vorgaben des Wasserhaushaltsgesetzes, die jeweiligen Landeswasserrechte, Schifffahrts- und Fischfangrechte. „Aufgrund der aktuellen rechtlichen Rahmenbedingungen ist es fast ausschließlich möglich, auf künstlichen und erheblich veränderten Gewässern Photovoltaikanlagen zu errichten.“ Als eine Ergänzung zu den herkömmlichen Erneuerbare-Energien-Anlagen sollten FPV-Anlagen aber auf jeden Fall in Betracht gezogen werden, um neue Flächen für die Energieerzeugung zu erschließen, betont die Energieexpertin. 
„Werden die
FPV-Anlagen auf Stauseen installiert, lassen sich die
dortigen Speicherkraftwerke als virtuelle Batterien für den Sonnenstrom nutzen.“
Javier Farfan Orozco,
Forscher der finnischen Lappeenranta-Lahti
University of Technology (LUT)
Kluge Kombination:
Photovoltaik-Module, montiert auf schwimmenden Pontons in Stauseen (wie etwa im Umland der Stadt Cixi in der chinesischen Provinz Zhejiang), könnten aus Sicht finnischer Forscher künftig einen wichtigen Beitrag zur globalen Stromerzeugung liefern.