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Integrierte Solartechnik bei Fahrzeugen

Auto, lade dich!

Dass E-Autos an der Ladesäule mit Solarstrom betankt werden, ist heute keine Seltenheit mehr. Doch die Energie der Sonne kann auch direkt am Fahrzeug eingefangen und für zahlreiche Anwendungen genutzt werden. Aber wie alltagstauglich ist die Technologie?

Dr. Martin Heinrich vom Fraunhofer ISE
Dr. Martin Heinrich vom Fraunhofer ISE

Es klingt wie ein Zukunftstraum: Fahrzeuge, die ihre eigene saubere Energie produzieren. Auch optisch scheinen Autos mit dunklen, spiegelnden Photovoltaik-Oberflächen auf den Dächern einem Science-Fiction-Film entfahren zu sein. Tatsächlich aber ist die Technik heute schon Realität und findet bereits in der Praxis Anwendung. Müssen Autofahrer also schon bald nicht mehr an die Ladesäule? „So weit sind wir leider noch lange nicht und dafür ist die heutige fahrzeugintegrierte Photovoltaik in unseren Breitengraden auch nicht gedacht“, sagt Dr. Martin Heinrich, Koordinator für PV-Mobility am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. Wenn es aber darum geht, die Fahrleistung zu verlängern, die Klimaanlage oder das Entertainmentsystem mit Energie zu versorgen, kann Vehicle-Integrated Photovoltaics (VIPV) einen wichtigen Beitrag leisten. „Langsam erkennt die Fahrzeugindustrie, dass die Technologie der VIPV von großem Vorteil sein kann, insbesondere mit den politischen Vorgaben zur Energie- und Antriebswende“, sagt Heinrich.

Tatsächlich aber ist fahrzeugintegrierte Solarstromerzeugung nicht neu. Bereits vor 20 Jahren gab es kommerzielle Pkw mit einem Solarschiebedach, das die Klimaanlage versorgen konnte, etwa den Fisker Karma, aber auch Modelle von Audi oder Toyota. In der Masse konnte sich die Technologie bislang aber nicht durchsetzen. „Es war früher einfach zu teuer“, begründet Heinrich und ergänzt: „In den vergangenen Jahren hat die Photovoltaik-Industrie aufgrund der hohen Nachfrage und Massenproduktion für Freiflächenkraftwerke und Immobilien aber große Fortschritte gemacht, was die Kostenreduzierung angeht.“ Ein durch Solarstrom erzeugtes Watt habe vor 20 Jahren noch rund zehn Euro gekostet – heute seien es nur noch 30 Cent.

Robert Händel, CEO von OPES Solutions
Robert Händel, CEO von OPES Solutions

Solartechnik entwickelt sich rasant weiter

Die rasante Verbesserung der Technologie kann auch Robert Händel bestätigen, CEO des auf fahrzeugintegrierte Photovoltaik spezialisierten Unternehmens OPES Solutions aus Berlin. Für seine flexiblen und robusten Photovoltaik-Module für Fahrzeuge (SOLFLEX) wurde OPES Solutions gerade mit dem Sustainability Award in Automotive 2022 ausgezeichnet. „Die Solarzellentechnik entwickelt sich rasant weiter, mit dem SOLFELX erreichen wir heute schon einen Wirkungsgrad von über 22 Prozent, und mit der technologischen Weiterentwicklung wird dieser Wert künftig sicher noch steigen“, sagt Händel. Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von der theoretisch zur Verfügung stehenden Energie und dem Betrag, der am Ende tatsächlich als Strom genutzt werden kann. Zum Vergleich: Eine Glühbirne hat einen Wirkungsgrad von 5 Prozent, ein moderner Dieselmotor etwa 45 Prozent. Der große Unterschied von Photovoltaik zu fossilen Energieträgern ist dabei aber, dass die saubere Energie der Sonne quasi kostenlos bereitsteht und nicht erst durch Verbrennung erzeugt werden muss.

Auf Hausdächern sind Photovoltaik-Anlagen durch stetig gestiegenen Wirkungsgrad und gesunkene Kosten schon fast zur Normalität geworden – aber welche Anwendungen sind im Fahrzeugbereich sinnvoll? „Bei Nutzfahrzeugen wie Lkw oder Bussen steht viel Dachfläche zur Verfügung, das ist optimal für große Solarpanels, und die können im Prinzip so viel Strom wie eine Solaranlage auf einem Einfamilienhaus erzeugen“, sagt Fraunhofer-Experte Heinrich. Zudem würden bei Nutzfahrzeugen ästhetische Gesichtspunkte anders als bei Pkw keine so wichtige Rolle spielen. Bei Kühltransportern zum Beispiel kann die so erzeugte Energie zum Betreiben der Kühlung genutzt werden, egal ob es sich um ein elektrisch oder fossil betriebenes Fahrzeug handelt. „Aber richtig ausspielen kann die Technologie ihre Vorteile erst bei E-Fahrzeugen, da die großen erzeugten Energiemengen dort in leistungsfähigen Hochvoltbatterien gespeichert und zum Betreiben des Motors eingesetzt werden können.“

Modellversuch mit 18-Tonner

In einem Modellversuch hat das Fraunhofer ISE im vergangenen Jahr in Zusammenarbeit mit spezialisierten Unternehmen einen elektrischen 18t-Lkw mit einer leistungsstarken Photovoltaik-Anlage auf dem Dach ausgestattet, der seitdem für den Elektrogroßhändler Alexander Bürkle GmbH im Freiburger Umland unterwegs ist. „Die 3,5 Kilowattanlage mit integriertem Hochvolt-PV-System und Einspeisung in die 800 Volt Traktionsbatterie erzeugt bis zu zehn Prozent des gesamten Energiebedarfs des Fahrzeugs“, sagt Heinrich. Dabei wurde für den Einsatz im Straßenverkehr als Sicherheitsvorkehrung eigens eine Trennvorrichtung entwickelt, die die Stromverbindung der PV-Module im Fall eines Unfalls innerhalb von Millisekunden automatisch kappt, sodass am Fahrzeug nur noch eine ungefährliche Kleinstromspannung vorliegt.

Auch die PV-Module selbst müssen für den Einsatz bei Fahrzeugen eine andere Qualität als auf Hausdächern haben, erklärt OPES Solutions CEO Händel. „Normale PV-Module halten nur wenig Vibrationen aus, diese ist bei Fahrzeugen aber ein großer Faktor. Auch Robustheit, Biegsamkeit und leichtes Gewicht sind äußerst wichtig. Unser gemeinsam mit dem Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik entwickeltes SOLFLEX-Modul verwendet deshalb kratzfesten Kunststoff und vereint erstmals extreme Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse und Beschädigungen mit einer besondere Dioden-Technologie. Das macht es für den Einsatz im Fahrzeugmarkt ideal“, erklärt er. Die besondere Dioden-Technologie hängt mit einem natürlichen Gegner der Photovoltaik zusammen: dem Schatten. Denn bei normalen PV-Modulen sind Solarzellen in Serie geschaltet, gerät eine in den Schatten, zieht sie die Leistung aller anderen mit nach unten.

Innovation zahlt sich aus

Da auf Hausdächern meistens sowieso das gesamte Solarpanel entweder in der Sonne oder im Schatten ist, spielt das dort keine so große Rolle. „Fahrzeuge werden aber oft nur teilweise von Bäumen oder Gebäuden verschattet, deshalb ist das SOLFLEX-Modul so konstruiert, dass nur die betroffenen Zellen beeinträchtigt werden“, sagt Händel. So viel Innovation zahlt sich aus: OPES Solutions ist wirtschaftlich erfolgreich und konnte sich in vielen Bereichen einen hohen Marktanteil erarbeiten – etwa bei Wohnmobilen, wo der Hersteller Westfalia sie direkt ins Dach integriert, bei solargestützten Lastenrädern, und in Asien ist OPES Solutions Marktführer bei kleinen Solarmodulen in Sharebikes.

Bei Nutzfahrzeugen oder Lastenrädern, meinen die Mobility-PV-Experten Händel und Heinrich, würden sich die Zusatzkosten für fahrzeugintegrierte Photovoltaik bei den heutigen Strompreisen bereits nach wenigen Jahren amortisieren. Anders sieht es leider im Pkw-Bereich aus, wo die VIPV noch immer ein Schattendasein führt. Bei nur wenigen Modellen gibt es ein Solardach überhaupt als Option. Das Bekannteste ist wahrscheinlich das Elektroauto IONIQ 5 von Hyundai, wo es ein Solardach mit 205 Watt Leistung zu einem Aufpreis von knapp 1.300 Euro gibt. Laut Hersteller kann dies – rund fünf durchschnittliche Sonnenstunden pro Tag direkt aufs Dach vorausgesetzt – bis zu 2.000 Kilometer zusätzliche Reichweite pro Jahr bedeuten, die das Fahrzeug selbst generiert. Bei den derzeitigen Strompreisen würde sich das Solardach damit trotzdem erst nach über zehn Jahren rechnen.

Großes Potenzial auch für Pkw

Trotzdem sind die VIPV-Experten zuversichtlich, dass die Technologie auch im Pkw-Bereich in naher Zukunft wichtiger werden könnte. „Bislang sind die Elektromotoren von kommerziellen Pkw noch nicht auf Effizienz optimiert. Statt der derzeit üblichen mehr als 18 Kilowattstunden auf 100 Kilometer oder mehr könnte der Verbrauch durch Optimierung im einstelligen Kilowattstundenbereich liegen“, sagt Heinrich. Und Händel hält durch eine weitere Verbesserung der PV-Module und Ausnutzung größerer Flächen auch bei Kleinwagen leistungsstärkere Anlagen für möglich: „Neben dem Dach ist grundsätzlich auch die Motorhaube gut als Solarfläche geeignet. Irgendwann werden Solarzellen sogar direkt in die Fahrzeugkarosserie verbaut werden können. Mit solchen Methoden kann die Leistung von Kleinwagen-PV-Anlagen deutlich erhöht werden.“

Tatsächlich ist hier derzeit viel Bewegung im Pkw-Bereich. Der niederländische Hersteller Lightyear zum Beispiel baut mit dem „Lightyear 0“ ein futuristisches Langstrecken-E-Auto (+ 1.000 Kilometer), das auch aerodynamisch auf Effizienz optimiert ist und neben einem großen Solardach eine Solarmotorhaube zur Solarstromerzeugung einsetzt. Laut Hersteller kann der „Lightyear 0“ mit seiner fahrzeugintegrierten Photovoltaik pro Tag 70 Kilometer Reichweite erzeugen. Mit einem Preis von rund 250.000 Euro ist das Modell allerdings nicht für den Massenmarkt geeignet. Anders verhält es sich mit dem gerade erst präsentierten Modell „Sion“ des Münchener Unternehmens Sono Motors. Dieses neuartige, aber praxistaugliche Elektroauto ist beinahe vollständig mit Solarzellen überzogen, soll im Kurzstreckeneinsatz fast komplett mit autark erzeugter Sonnenenergie betrieben werden können (durchschnittlich 112 bis zu 245 Kilometer Reichweite pro Woche durch fahrzeuggenerierte Solarenergie) und ist mit einem Preis von knapp 30.000 Euro auch für Normalverdiener bezahlbar. Aber ob dieses revolutionär klingende Fahrzeug seine Versprechen halten kann, wird sich erst nach dem geplanten Produktionsstart 2023 zeigen. Auch auf dem Markt der Wohnmobile könnte die Technologie in Zukunft noch stärker Anwendung finden als bisher, wie das experimentelle Testfahrzeug „Stella Vita“ der Technischen Universität Eindhoven zeigt. Das futuristische E-Fahrzeug kann mit einer Solarstromerzeugerfläche von gut 17 Quadratmetern im Prinzip seinen gesamten Energiebedarf autark decken, inklusive E-Motor, Kühlschrank und Induktionskochplatte.

Die Zukunft der VIPV ist also vielversprechend, das glauben auch die PV-Experten Heinrich und Händel. Wer täglich nur kurze Strecken unter 50 Kilometer fährt, könnte im Frühjahr und Sommer in Deutschland seinen Energiebedarf vollständig damit decken – und in Regionen mit mehr Sonneneinstrahlung sogar ganzjährig. Nur bei langen Fahrstrecken von mehreren Hundert Kilometern werde der Griff zur Ladesäule weiter nötig bleiben. „Das Ziel von VIPV muss es sein, dass wir im Durchschnitt nur noch ein statt zehn Mal pro Monat an die Ladesäule müssen. Das wäre ein wichtiger Beitrag zur Energiewende“, sagt OPES Solutions CEO Händel, und Fraunhofer-Experte Heinrich fügt hinzu: „Die Potenziale der Technologie sind riesig und noch lange nicht ausgeschöpft. Zur Ausschöpfung braucht es aber die richtigen Signale aus Politik und Industrie.“

Thomas Hausch, COO von Sono Motors
Thomas Hausch, COO von Sono Motors

„Unsere Vision ist es, eine Welt ohne fossile Energien zu schaffen, indem wir Solarzellen auf allen Fahrzeugen integrieren. Wir sind der festen Überzeugung, dass heute Unabhängigkeit von Energielieferanten, Funktionalität und die konsequente Reduktion von Emissionen eine viel größere Rolle spielen als automobile Statussymbole. Für uns steht fest: Der herkömmliche Verbrennungsmotor ist bereits jetzt Vergangenheit, klassische Elektroautos sind die Gegenwart, aber die Zukunft gehört den Solar-Elektroautos (SEV). Der ,Sion‘ ist ein familienfreundliches, erschwingliches Elektroauto, das mit über 400 integrierten Solarzellen für eine zusätzlichen Reichweite von durchschnittlich 112 Kilometern pro Woche sorgt. Im zweiten Halbjahr 2023 soll der ,Sion‘ voraussichtlich auf die Straße kommen. Bis dahin zeigen wir mit unseren Partnern, wie vielfältig unsere Solartechnologie eingesetzt werden kann: Bereits jetzt sparen wir CO2-Emissionen auf Nutzfahrzeugen und im ÖPNV ein, zum Beispiel bei den Bussen der Münchner Verkehrsgesellschaft.“

Lotte van Dasler, Event & Public Relations Manager, Solar Team Eindhoven 2021
Lotte van Dasler, Event & Public Relations Manager, Solar Team Eindhoven 2021

„,Stella Vita‘ erzeugt Energie durch seine Solarzellen auf dem Dach und nutzt diese Energie sowohl zum Fahren als auch zum Wohnen. Die Energie wird für die Fahrt und die täglichen Bedürfnisse wie Kochen, Duschen und Fernsehen verwendet. Mit ,Stella Vita‘ ist man völlig autark und unabhängig von der Ladeinfrastruktur. Er inspiriert den aktuellen Caravan-Markt dazu, anders über die Konstruktion eines Fahrzeugs nachzudenken und leichte Materialien zu verwenden und zeigt, dass es möglich ist, auch mit einem größeren Fahrzeug mit Solarenergie zu fahren.“

Tom Selton, VP of Business Development, Lightyear
Tom Selton, VP of Business Development, Lightyear

„Lightyear ist ein niederländisches Hightech-Unternehmen, das das erste Solarauto der Welt, Lightyear 0, entwickelt. Die Produktion ist für diesen Herbst geplant, und der Zeitpunkt könnte nicht besser gewählt sein, da die Autoindustrie derzeit auf nachhaltigere Formen von Kraftstoff und Mobilität umstellt. Je mehr die Elektromobilität weltweit zunimmt, desto höher ist die Nachfrage nach Ladeinfrastruktur, Batterien und Seltenen Erden. Solarelektrische Fahrzeuge (SEV) sind eine praktikable Lösung, um die Abhängigkeit von der Infrastruktur zu verringern, da sie von sich aus hocheffizient sind. In Europa haben wir die ASOM (Alliance for Solar Mobility) gegründet, um die relevanten Branchenakteure in der Wertschöpfungskette der Solarmobilität zu vertreten. Heute ist Europa bei der Entwicklung der Solarmobilität schneller als die USA und China, was es uns ermöglicht, in dieser rasch aufstrebenden Branche weltweit führend zu sein. Lightyear hat sein serienreifes Fahrzeug, Lightyear 0, im Juni dieses Jahres auf den Markt gebracht, und die ersten Fahrzeuge werden bis Ende des Jahres auf den Straßen unterwegs sein. Fahrzeuge wie das Lightyear 0 und künftige Lightyear-Modelle optimieren die notwendige hohe Energieeffizienz eines Elektrofahrzeugs mit der fahrzeugeigenen Solarstromerzeugung. Für Lightyear-Kunden ergeben sich daraus klare Vorteile: mehr Reichweite, weniger Ladezeit und 6.000 bis 11.000 zusätzliche "Solarkilometer" pro Jahr.“

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  • Future Mobility
  • Alternative Antriebe