Ein Forschungsteam der City University of Hong Kong hat eine Methode zur Reinigung von Solarmodulen entwickelt, die den Wasserverbrauch um mehr als 80 Prozent senkt. Das in Nature Sustainability veröffentlichte Verfahren erreicht eine Schadstoffentfernungsrate von bis zu 99.9 Prozent. Es basiert auf Prinzipien, die bei Schmetterlingsflügeln und Pflanzenblättern beobachtet wurden.
Ein wachsendes Problem für Solaranlagenbetreiber
Weltweit stehen Solaranlagen vor der ständigen Herausforderung der Instandhaltung. Staub, Sand und Verschmutzungen lagern sich auf den Paneeloberflächen ab und reduzieren die Energieausbeute. Derzeit verbraucht die globale Solarbranche jährlich über 12 Milliarden Gallonen Wasser für die Reinigung. Diese Menge wird mit dem Ausbau der Anlagen weiter steigen. In ariden Regionen, wo das Solarpotenzial am höchsten ist, macht die Wasserknappheit die herkömmliche Hochdruckreinigung zunehmend unwirtschaftlich.
Verschmutzungen an Solarmodulen können den Energieertrag erheblich reduzieren. Für große Solarparks mit geringen Gewinnmargen sind die finanziellen Folgen spürbar. Reinigungssysteme, die den Ertrag erhalten und gleichzeitig den Wasserverbrauch senken, sind daher sowohl aus ökologischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht von großer Bedeutung.
So funktioniert das Droplet Mop System
Das Team der City University of Hong Kong unter der Leitung von Professor Steven Wang arbeitete mit Forschern des Imperial College London und des Instituts für Verfahrenstechnik in Peking zusammen. Ihr System nutzt das physikalische Verhalten von Wassertropfen beim Aufprall. Trifft ein Tropfen auf eine Plattenoberfläche, breitet er sich aus und prallt dann zurück. Diese Ausbreitung und der Rückstoß erzeugen hydrodynamische Kräfte. Diese Kräfte heben Partikel von der Oberfläche ab und verdrängen sie.
Das Team nennt die Technik „Flüssigkeitstropfen-Wischmopp“. Sie benötigt nur etwa ein Zehntel der Wassermenge, die bei der herkömmlichen Wasserstrahlreinigung erforderlich ist. Die Forscher stellten fest, dass die Reinigungseffizienz einem nichtlinearen Muster folgt. Mäßige Aufprallenergie erzielte bessere Ergebnisse als maximale Kraft. In Tests mit Sandpartikeln, die Wüstenbedingungen simulierten, entfernten optimierte Tropfen Verunreinigungen zuverlässiger als Verfahren mit höherer Energie.
Professor Wang erklärte, das Team habe die Methode entwickelt, um Wasserressourcen zu schonen und gleichzeitig den Ausbau erneuerbarer Energien zu fördern. Das System könne auch schwerere Partikel verarbeiten, darunter solche mit einer um ein Vielfaches höheren Dichte als Wasser. Dadurch erweitere sich sein Anwendungsbereich über leichten Oberflächenstaub hinaus.
Was die Forschung herausgefunden hat
Die in Nature Sustainability veröffentlichte Studie berichtet von einer Schadstoffentfernung von bis zu 99.9 Prozent auf superhydrophob beschichteten Solarmodulen. Der Wasserverbrauch sank im Vergleich zu herkömmlichen Methoden um mehr als 80 Prozent. Diese Werte wurden unter Laborbedingungen ermittelt. Unabhängige Feldstudien im großen Maßstab stehen noch aus, und die tatsächliche Leistung kann je nach Modulbeschichtung, Partikelart und lokalen Klimabedingungen variieren.
Die Studie nutzt die Prinzipien der Biomimikry. Schmetterlingsflügel und bestimmte Pflanzenblätter weisen Wasser und Schmutz durch Oberflächenmikrostrukturen ab. Die Forscher übertrugen dieses physikalische Prinzip auf die Reinigung von Paneelen. Das Tropfensystem ahmt einige dieser Eigenschaften nach, ohne dass komplexe mechanische Komponenten erforderlich sind.
Auswirkungen auf die Solarindustrie
Die Solarbranche steht unter Druck, ihren ökologischen Fußabdruck zu verringern. Der Wasserverbrauch bei der Wartung von Solarmodulen ist ein Bereich, in dem dieser Druck deutlich wird. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert für die 2030er-Jahre ein rasantes Wachstum der Solarkapazität, insbesondere in sonnenreichen, aber wasserarmen Regionen im Nahen Osten, Nordafrika und Teilen Südasiens. Reinigungslösungen mit geringerem Wasserverbrauch sind für diese Einsatzgebiete daher besonders relevant.
Das Team der City University sieht in dem System besonders vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für große Solarparks in Trockengebieten. Dort ist die Staubbelastung hoch und der Zugang zu Wasser begrenzt. Ein Reinigungsverfahren, das beide Probleme gleichzeitig löst, bietet daher einen klaren praktischen Nutzen.
Die Forschung beinhaltet noch keinen Zeitplan für die kommerzielle Umsetzung. Das Team hat die Methode im Labormaßstab demonstriert. Ob sich der Ansatz kosteneffizient in großtechnischen Anlagen herstellen und einsetzen lässt, ist noch unklar. Investoren und Projektentwickler, die die Technologie in Betracht ziehen, werden Feldversuche und Kostenanalysen abwarten wollen, bevor sie endgültige Schlussfolgerungen ziehen.
Professor Wang und seine Kollegen haben ein technisch überzeugendes Ergebnis erzielt. Die Kombination aus hohen Reinigungsraten und geringem Wasserverbrauch löst ein echtes betriebliches Problem. Der Weg von der Laborforschung zur breiten Anwendung ist lang. Die bisherige Datenlage ist vielversprechend.
