Elektromobilität Wie sich Solarstrom in Transportmitteln sinnvoll nutzen lässt

Autor / Redakteur: Utz Täuber, Juliane Kläs * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die Nutzung von Photovoltaik in Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen kann die Bord-Energieversorgung entlasten. Eine Studie zeigt, wie sich die Anforderungen unterscheiden und welche Marktpotenziale zu erwarten sind.

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Der Katamaran Tûranor PlanetSolar: ist mit 38.000 Photovoltaikzellen und einer PV-Spitzenleistung von 93,5 kW derzeit das größte von Solarenergie angetriebene Wasserfahrzeug.
Der Katamaran Tûranor PlanetSolar: ist mit 38.000 Photovoltaikzellen und einer PV-Spitzenleistung von 93,5 kW derzeit das größte von Solarenergie angetriebene Wasserfahrzeug.
(Bild: Planetsolar)

In Zeiten knapper werdender Ressourcen und immer strengerer Emissionsauflagen ist jeder Beitrag zur Kraftstoffreduktion von Verkehrsmitteln willkommen. Dazu gehört auch, den Verbrauch von Bordnetzen zu reduzieren oder Teile der notwendigen Energie über alternative Energiequellen zu generieren.

Eine Studie des ADAC hat gezeigt, dass Heckscheiben- und Sitzheizung, Lüftung und Beleuchtung circa 500 W elektrische Leistung benötigen und damit zu einem Mehrverbrauch von 0,5 l/100 km führen. Hinzu kommen antriebsnahe Verbraucher, wie Kraftstoff- und Servopumpen und nicht zuletzt extern angeschlossene DVD-Player, Kühlboxen und Ladegeräte für Mobiltelefone. Die Bordnetzleistung kann zu bestimmten Zeitpunkten gut und gern 2,5 kW und darüber betragen.

Photovoltaik macht Sonnenenergie nutzbar

Wir sind zwar noch ein Stück von serienfähigen Solarautos oder Solarflugzeugen entfernt, jedoch denken viele Original Equipment Manufacturer (OEM) im Bereich Transportation über die Nutzung der Sonnenenergie mittels Photovoltaik nach. Die Sonne stellt der Erde jährlich mehr Energie zur Verfügung als weltweit Nachfrage besteht.

Die aktuelle Diskussion zum Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) zeigt, dass die Kosten von Solarenergie so weit gesenkt werden können, dass sie mit konventionellen Energien mithalten oder diese schlagen können. Jedoch gilt dies nur für den stationären Betrieb, bei dem ein Netzanschluss die Lückenversorgung bei fehlender Sonneneinstrahlung übernimmt. Besondere und bisher nur in der Nische existierende Anwendungsfälle sind jene Applikationen, die über keine Netzanschlüsse verfügen und in Transportmitteln wie Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen, Booten und Flugzeugen integriert sind.

Diesen Anwendungsfällen kommt in jüngster Zeit eine stetig wachsende Bedeutung zu. Daher bestehen beträchtliche Marktchancen für Hersteller und Lieferanten solcher hochwertigen Photovoltaik-Systeme. Viele Hersteller von Fahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen arbeiten bereits an Konzepten zur photovoltaischen Nutzung der Sonnenenergie. Hinzu kommt, insbesondere bei Pkw und Nutzfahrzeugen, ein klarer Trend zum elektrifizierten Antriebsstrang in Form von Batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) oder Hybridfahrzeugen (HEV). Die hier vorhandenen Konzepte zum Energie-management und die zusätzlichen Kapazitäten zur Speicherung der elektrischen Energie legen ebenfalls nahe, die Sonnenenergie über direkte Umwandlung in elektrische Energie zu nutzen.

PV-Nutzung kann sehr effizient sein

Konzeptstudien unterschiedlicher Verkehrsmittel zeigen, dass die Nutzung sehr effizient sein kann. In Einzelfällen wird die gesamte Vortriebsenergie über integrierte PV-Systeme erzeugt. So konnte die Solar Impulse 2011 ihren ersten Interkontinentalflug absolvieren (Bild 1).

Bild 1: Das ausschließlich per Sonnenenergie angetriebene Flugzeug Solar Impulse startete 2011 zu seinem ersten Interkontinentalflug
Bild 1: Das ausschließlich per Sonnenenergie angetriebene Flugzeug Solar Impulse startete 2011 zu seinem ersten Interkontinentalflug
(Bild: Solar Impulse)
Die World Solar Challenge zeigt seit 1987 das steigende Potenzial der Solarfahrzeuge. Die Triebfedern für den Einsatz von PV in Fahrzeugen können unterschiedlich sein. PV-Systeme können als Designelemente und zur Unterstützung eines grünen Images von Autoherstellern dienen. Sie können aber auch einer messbaren Kraftstoffreduktion und der damit verbundenen Reduktion der Emissionen dienen. Die EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen sieht ausdrücklich vor, einen Beitrag von bis zu 7 g/km für Ökoinnovationen auf die CO2-Bilanz anzurechnen. Neben LED-Scheinwerfern und Nutzung topographischer Navigationsdaten können auch Solar-Dächer zu diesen Ökoinnovationen werden, vorausgesetzt, die EU-Kommission erkennt diese an.

Ein Beispiel zur Abschätzung: 2 m2 waagerechte Dachfläche können in Deutschland pro Jahr circa 200 kWh Sonnenenergie umwandeln. Ein Nissan Leaf verbraucht circa 20 kWh/100 km. Trotz eines angenommenen Verlustes von 50% der Energie durch Verschattung (Garage, Tunnel, Schatten) sowie die Begrenzung der Energieaufnahme durch eine volle Batterie stehen dem Fahrer so jährlich immer noch circa 500 km kostenlose Zusatzreichweite zur Verfügung. Dies entspricht bei einer Laufleistung von 10.000 km/Jahr einer Einsparung von 5%.

Studie analysiert die verschiedenen Anforderungen

In ihrer Studie hat die Technologieberatungsgesellschaft Invensity die Anforderungen an PV-Systeme auf Transportmitteln analysiert und aufgezeigt, welchen Beitrag diese Innovation für eine umwelt-schonendere Fortbewegung leisten kann. Hohe Wachstumsraten des PV-Marktes innerhalb der letzten zehn Jahre verhalfen dem deutschen Markt zu einem der wichtigsten Akteure im Weltmarkt zu werden. Jedoch zeigen die Entwicklungen der letzten drei Jahre, dass deutsche Hersteller dem zunehmend über den Preis geführten Wettbewerb nur noch sehr schwer gewachsen sind. Die Überkapazitäten scheinen weltweit weiter zu steigen.

Im Gegensatz dazu ist das Produkt „Solarmodul zur Integration in Transportmittel“ ein hochwertiges und damit auch hochpreisiges Derivat aus den inzwischen etablierten Solarmodulen für Dach und Bodenmontage. Es bietet somit neue Marktchancen, nicht nur für Automobilzulieferer, sondern auch für PV-Hersteller.

Die Anforderungen der Transportmittel im Detail

Befragt man Experten dazu, welche Anforderungen die unterschiedlichen Transportmittel zu Wasser, zu Luft und zu Land an PV-Systeme stellen, so erhält man ein recht einheitliches Bild. Nutzfahrzeuge und Pkw besitzen ein grundsätzlich ähnliches Anforderungsprofil. Insbesondere sind die Umweltbedingungen, der Fremdkörperschutz und die Art der Einbindung in das Bordnetz vergleichbar. Erhebliche Abweichungen gibt es aber beim Flächenpotenzial, der notwendigen Flächenbelastung und nahezu allen finanziellen Aspekten. Ersatzkosten und Amortisierung spielen bei Nutzfahrzeugen die entscheidende Rolle. Bei PKW ist die Entscheidungen zur Integration eines PV-Systems eher emotionaler Natur bzw. wird über die Verringerung der CO2-Flottenemission getrieben.

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