Ein heißerer Planet wird Solarenergie weniger effizient machen

Solarenergie ist eine grüne, erneuerbare Energiequelle und ein wichtiger Weg, um die Abhängigkeit des Planeten von fossilen Brennstoffen zu verringern. Die große Hoffnung ist, dass diese und andere erneuerbare Quellen dazu beitragen können, die Erwärmung umzukehren, die unser Klima bedroht.

Aber es gibt ein Problem: Der Klimawandel wird voraussichtlich erhebliche Auswirkungen auf die Solarstromerzeugung haben, nicht zuletzt aufgrund von Änderungen in der Menge des einfallenden Sonnenlichts in verschiedenen Teilen der Welt. Einige Gebiete werden aufgrund von Änderungen der Wolkendecke, des atmosphärischen Wassergehalts, der Aerosole usw. mehr Sonnenlicht und andere weniger sehen. An den meisten Orten wird es eine größere Variabilität geben.

Die genauen Veränderungen an bestimmten Orten sind schwer zu berechnen. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler, politische Entscheidungsträger, Energieversorger und andere Schwierigkeiten, vorherzusagen, wie ihre Gebiete betroffen sein werden.

Heute zeigen Ian Peters und Tonio Buonassisi am MIT, warum ein weiterer Faktor berücksichtigt werden muss: die Temperatur. Die Leistung von Photovoltaikzellen sinkt, wenn sie heißer werden. Aber wie sich dies bei Erwärmung des Planeten häufen wird, ist kaum bekannt, und hier kommen Peters und Buonassisi ins Spiel.

Photovoltaikzellen erzeugen Strom, wenn Sonnenlicht Energie auf Elektronen im Material überträgt. Dieser Prozess erzeugt auch positiv geladene Löcher in der Struktur, die in die entgegengesetzte Richtung zu Elektronen fließen.

Ein wichtiger Faktor für die Effizienz von Photovoltaikzellen ist die Rate, mit der Elektronen mit den Löchern rekombinieren, ein Prozess, der sie aus dem Leitungsband nimmt und so die Leistung verringert. Diese Rate ist sehr temperaturempfindlich: Je heißer es ist, desto höher ist die Rekombinationsrate.

Das wird wahrscheinlich eine bedeutende Rolle spielen, wenn sich der Planet erwärmt, sagen Peters und Buonassisi. Sie rechnen damit, dass sich die Photovoltaik-Leistung pro Grad Temperaturerhöhung im Durchschnitt um 0,45 % verringert.

Anschließend untersuchen sie die Auswirkungen dieser Änderung anhand der vom International Panel on Climate Change vorhergesagten Temperaturänderung. Das IPCC hat mehrere Vorhersagen gemacht, die auf unterschiedlichen Schätzungen zukünftiger Treibhausgasemissionen basieren. Peters und Buonassisi verwenden das sogenannte „Representative Concentration Pathway 4.5“-Szenario, in dem die Emissionen im Jahr 2040 ihren Höhepunkt erreichen und die globale Durchschnittstemperatur bis 2100 um 1,8 Grad Kelvin ansteigen.

Da die Temperaturen fast überall auf der Landmasse unseres Planeten steigen, wird die Energieabgabe überall reduziert, sagen sie. Aber einige Bereiche werden schlechter dran sein als andere. Besonders betroffen sind die südlichen Vereinigten Staaten, das südliche Afrika und Zentralasien.

Anschließend erstellen sie eine globale Karte, die das Ausmaß der Veränderung der Leistungsabgabe in jedem Gebiet zeigt.

Natürlich weisen die Forscher auf eine Reihe von Vorbehalten hin. Sie sagen, dass auch andere Faktoren die Leistungsabgabe von Photovoltaikzellen beeinflussen werden. Insbesondere hängt die Menge des einfallenden Sonnenlichts von der Wolkendecke und dem atmosphärischen Wassergehalt (d. h. Feuchtigkeit) ab.

Und sie weisen darauf hin, dass die Zahl von -0,45 %/K, die sie zur Berechnung des Leistungsabfalls verwenden, nur eine repräsentative Zahl ist. Durchbrüche in der Materialwissenschaft könnten sie in Zukunft entscheidend verändern. Beispielsweise haben Materialien mit einer höheren Bandlücke wie Cadmiumtellurid einen deutlich geringeren Abfall der Effizienz.

Trotzdem ist die Botschaft klar. Die globale Erwärmung wird die Strommenge, die Photovoltaikzellen produzieren können, an manchen Orten erheblich reduzieren. Und das muss bei der zukünftigen Energieplanung berücksichtigt werden.

Ref: arxiv.org/abs/1908.00622 : Die Auswirkungen der globalen Erwärmung auf den Silizium-PV-Energieertrag im Jahr 2100

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