Das 2014 gegründete deutsche Start-up Solmove will das Ladeinfrastruktur-Problem auf ganz neue Weise lösen: Mit Solarmodulen sollen Straßen in Solarkraftwerke verwandelt werden und Elektroautos mit Strom versorgen. Wie funktioniert das?

 Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal 03/2018 erschienen.

1.1. Was sind Solarstraßen?

Konventionelle Photovoltaik (PV) leistet bereits einen wichtigen Beitrag zur Stromversorgung. Das Potenzial der PV hängt allerdings von Größe und Verfügbarkeit geeigneter Flächen ab.

Das Start-up Solmove verfolgt das Ziel, die Strom­erzeugung durch PV auch auf horizontale Flächen wie Straßen zu ermöglichen. Dafür entwickelt Gründer Donald Müller-Judex zusammen mit seinem ­vierköpfigen Team befahrbare PV-Module, die wie ein Teppich horizontal auf dem üblichen Straßenbelag ins­talliert werden können. Statt auf Dächern kann dadurch auch auf Radwegen, Straßen, Plätzen oder Gleisanlagen Strom erneuerbar erzeugt und versiegelte Flächen ­somit doppelt genutzt werden. Der Belag ist dabei nicht nur rutschfest und bruchfest, sondern besitzt auch eine spe­zielle Oberfläche, die das schräg einfallende Sonnen­licht optimal für die Stromerzeugung nutzen kann.

In Deutschland gibt es rund 1,4 Milliarden Quadrat­meter horizontale Flächen, die für die Installation von lie­genden PV-Modulen in Frage kämen [Fraunhofer ISE 2012].

2.2. Die Technik

Solmove entwickelt zwei Produkte für Straßen und Wege: die Gehwegplatte Solwalk und das größere Voltstreet-Modul.Solwalk, eine Gehwegplatte mit 60 x 60 cm großen Modulen (siehe Bild 1), lässt sich auf Gehwege, Rad­wege und Plätze verlegen, ist befahrbar und kann op­tional beleuchtet und beheizt werden. Das Produkt soll noch in diesem Jahr erhältlich sein.

Bild 1: Das Solwalk-Modul im Anwendungsbeispiel für eine Garageneinfahrt. (Quelle: Solmove)

Voltstreet ist ein Solar-Modul, das sich besonders für Straßen und große Flächen eignet. Die quadratischen Module haben eine Größe von je 1,2 x 1,2 m, lassen sich mit einem Stecksystem einfach verbinden und kön­nen ans Stromnetz oder direkt bei Verbrauchern an­geschlossen werden. Die Glasoberfläche der Module ist rutschfest und lenkt das Licht in optimierter Weise auf die Unterseite der Glasfläche.

Das Profil ist dabei so gestaltet, dass Regenwasser gut abfließen kann und dadurch die Selbstreinigung begünstigt wird. Darunter liegen eine PV-Schicht, die Strom erzeugt und gegen mechanische Belastungen und Erschütterungen ge­schützt ist, eine Unterbauplatte, die eine kraftschlüs­sige Verbindung zur vorhandenen Fläche darstellt und ein Fasernetz, das alle Bauteile mechanisch und elek­trisch verbindet sowie Scherkräfte aufnimmt und die „Fliesen“ im Verbund hält (siehe Bild 2).

Bild 2: Voltstreet eignet sich besonders für Straßen und große Flächen. (Quelle: Solmove)

3.3. Eigenschaften und Funktionen

3.1 Erscheinungsbild

Die grundlegende Gestaltungsidee von Solmove ist ein dezentes und elegantes Anlagenbild. Entsprechend werden technische Komponenten unterirdisch, in ­Gebäuden oder in Gehäusen installiert, sofern sie nicht der Außenkommunikation dienen. Für Verkehrsteil­nehmer werden somit lediglich die solare Ober­fläche selbst und gegebenen­falls ein Informationsdisplay wahrgenommen.

Für die Ausstattung von Projektfläche mit einer so­laren Straßenoberfläche besteht eine Herausforderung in der Freihaltung der existierenden Schachtdeckel, die eine Verlegung einer durchgängig geschlossenen ­Solaroberfläche verhindern. Die Schachtdeckel können jedoch durch Aussparungen einzelner Module und ge­stalterische Übergänge – beispielsweise Auffüllung mit ­Solmove-Glasfliesen ohne Solarzellen oder Kleinpflaster – problemlos in die Solarfläche integriert werden.

Bild 3: Ein an der Unterseite angebrachtes Gitternetz verbindet die einzelnen Module. (Quelle: Solmove)

3.2 Energieertrag und Wirtschaftlichkeit

Der zu erwartende Energieertrag der Solarstraße kann nicht vorhergesagt, aber anhand umfangreicher Er­fahrungswerte aus der Planung und dem Betrieb kon­ventioneller PV-Anlagen zunächst geschätzt werden. Auf Basis der bisher erfolgten Laboruntersuchungen der speziell gestalteten Solmove-Deckgläser wird vor­läufig ein jährlicher Energieertrag in Höhe von rund 100 kWh/m2 angenommen.

Der von der Solarstraße regenerativ erzeugte Strom kann beispielsweise in das öffentliche Stromnetz ein­gespeist und entsprechend den Regelungen des ­Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) dem Anlagen­betreiber vergütet werden. Alternativ kann der ­erzeugte Solarstrom auch direkt vor Ort genutzt wer­den und ­somit zur Einsparung von Strombezugskosten führen. Je nach Bezugskonditionen liegen die dadurch erzielbaren Einsparungen in einer Größenordnung von schätzungsweise 0,14 – 0,18 Euro/kWh.

3.3 Nutzung und Wartung

Die solare Straßenoberfläche wird die bisherige Nut­zung der Verkehrsfläche uneingeschränkt ermöglichen. Dies gilt sowohl für die Höhe als auch die Anzahl der Einzelbelastungen (Achsübergänge) entsprechend der Belastungsklasse der aktuellen Verkehrsfläche.

Im Winter kann im Falle der Realisierung der Heizfunk­tion der Aufwand für die bisherige Schnee- und Eisbesei­tigung entfallen. Das Abstreuen der Fläche mit Granulat wäre nicht erforderlich und nicht zu empfehlen, um den Lichteintrag in die Solarzellen nicht unnötig zu behindern.

Die Deckgläser der Solarstraße werden durch ein spezielles Härtungsverfahren bestmöglich gegenüber mechanischen Einwirkungen geschützt. Vereinzelte Beschädigungen der Deckgläser durch die gewöhn­liche Nutzung der Verkehrsfläche können dennoch nicht ausgeschlossen werden und werden von Solmove erwartet. Daher wird Solmove die Solarstraße regel­mäßig warten und bei Bedarf instand setzen. Hierfür entwickelt das Unternehmen eine Möglichkeit, die Deckgläser oder möglichst kleinteilige Einheiten der Solarstraße im Falle einer Beschädigung ersetzen zu können, und dabei die Gesamtfunktion der Anlage oder den Ver­kehrsfluss nur minimal zu beeinträchtigen.

Umfang, Dauer und Kosten der Wartungs- und Instandsetzungs­leistungen über die gesetzliche Gewährleis­tung hinaus werden mit dem Auftraggeber im Rahmen der Vorberei­tungsphase gemeinsam abgestimmt.

4.4. Systembeschreibung

Bei der solaren Straßenoberfläche von Solmove handelt es sich grundsätzlich um eine PV-Anlage, die mittels ­Solarzellen aus Solarstrahlung elektrische Energie erzeugt und als Wechselstrom in ein vorhandenes Stromnetz ein­speist. Die flexiblen PV-Module werden jedoch horizontal als befahrbare Verkehrsfläche installiert und sind daher mit herkömmlichen PV-Modulen nicht zu vergleichen.

Die Technologie befindet sich noch in der Entwicklungs- und Testphase. Daher können sich für die technologische Ausprägung des Systems noch Änderungen ergeben.

Komponenten

PV-Modul: Die quadratischen Solmove-Module mit rund 1,2 m Kantenlänge bestehen aus vielen, mit einem Gitter­netz flexibel verbundenen Fliesen, in denen eine Solar­zelle zwischen zwei Glasscheiben eingebettet und somit vor mechanischer Belastung und Witterung geschützt ist. Materialauswahl, Modulaufbau und Oberflächengestal­tung garantieren die Einhaltung aller sicherheitsrelevan­ter normativer Anforderungen an Straßenoberflächen, zum Beispiel Griffigkeit und ­mechanische Belastbarkeit. Die Solmove-Module generieren aus Sicherheitsgründen eine Kleinschutzspannung von maximal 30 Volt, die im Falle einer mechanischen Beschädigung und Freilegung elektrischer Kontakte eine Gefährdung durch elektri­schen Schlag ausschließt.

Griffigkeit: Die oberen Glasscheiben (Deckgläser) bil­den die Kontaktfläche zu Fahrzeugreifen und Schuh­sohlen und verfügen zur Sicherstellung der erforder­lichen Griffigkeit und Rutschhemmung über eine spezielle ­Mikro- und Makrotextur. Durch diese Profilierung werden sowohl eine hervorragende Kontaktreibung zwischen Gummi und Glas als auch eine sehr effektive Wasserdrai­nage erreicht. Das Zusammenspiel beider Faktoren ist zur Erzielung einer hohen Griffigkeit entscheidend und wird mit dem Solmove-Glasprofil erreicht.

Bruchfestigkeit: Durch eine Vorspannung der Glas­fliesen wird die Bruch- und Druckfestigkeit optimiert und somit eine dauerhafte mechanische Widerstands­fähigkeit garantiert.

Lichttransmission: Bei den Deckgläsern handelt es sich um hochtransparentes Solarglas. Die speziell ent­wickelte Oberfläche des Glases sorgt für eine gezielte, effektive Lenkung der Einstrahlung auf die horizontal liegenden Solarzellen und erhöht somit den optischen Wirkungsgrad. Die wesentliche Lichtein­kopplung ­erfolgt dabei über die geometrisch geschützten ­Seitenflächen des Glasprofils. Ein nutzungsbedingtes ­partielles Erblinden der Glasoberflächen im Bereich des Reifenkontakts kann die Lichttransmission daher nur geringfügig beeinflussen.

Selbstreinigung: Die Deckgläser sind mit einer photo­katalytischen und hydrophoben Beschichtung ausge­stattet, die die dauerhafte Anhaftung organischen Mate­rials erheblich reduziert. In Verbindung mit der offenen, ­wasserableitenden Struktur der Profilierung wirkt dies einer Verschmutzung der Solaroberfläche entgegen und unterstützt den Erhalt der hohen Lichttransmission.

Schichtenverbund: Mit der Auswahl leistungsfähiger Verbindungsmaterialien stellt Solmove sicher, dass die So­larmodule auch unter höchsten mechanischen Belastun­gen funktionsfähig bleiben, sich nicht von der Straße lö­sen und ein dauerhaft sicherer Betrieb der ­Verkehrsfläche gewährleistet ist. Die einzelnen Schichten des Verbund­systems aus Gläsern und Solarzelle sind mit funktions­spezifischen Materialien widerstandsfähig und dauerhaft zusammengefügt (siehe Bild 3). ­Solmove-Module werden vollflächig mit Spezialkleber auf vorhandene Asphalt- oder Betonoberflächen geklebt.

Solarzellen: Solmove verbaut hocheffiziente mono­kristalline Solarzellen, um einen höchstmöglichen Stromertrag der solaren Verkehrsfläche zu erzielen. Dies fördert die langfristige Wirtschaftlichkeit des Sys­tems. Die Größe der Solarzellen wird zur Verwendung in den Modulen per Laser passgenau zugeschnitten. Jedes Modul setzt sich aus vier Zellsträngen zusammen, die je­weils an eine der vier Moduldosen angeschlossen sind.

Anschlussdosen: Die Solmove-Module verfügen über eine Anschlussdose an jeder Ecke, in denen die Terminalkontakte je eines Zellstrangs, die Bypass­diode und die Terminals der Sammelkabel untergebracht sind. Je nach Modulausführung werden weitere Kom­ponenten in die Anschlussdose integriert, beispiels­weise die Ansteuerung der Modulbeleuchtung. Bei der Montage werden die Module so ausgerichtet, dass die Anschlussdosen benachbarter Module nebeneinander­liegen. Benachbarte Dosen werden mit einem gemein­samen Deckel verschlossen. So werden die elektrische und mechanische Verbindung der Module in einem Arbeitsgang hergestellt. Dies ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Montage ohne Eingriff in die vorhan­dene Straßenoberfläche. 

Zusatzfunktion Beleuchtung: Die Solmove-Module kön­nen mit einer integrierten blendfreien LED-­Beleuchtung ausgestattet werden (siehe Bild 4). Sie ermöglicht die farbige Illumination der Verkehrsfläche nach individuell gestaltbaren Mustern. Die Technologie ist in einer separa­ten Installationsebene untergebracht und äußerst robust gegenüber mechanischen Beanspruchungen.

Bild 4: Die PV-Module können mit LED beleuchtet werden. (Quelle: Solmove)

Zusatzfunktion Beheizung: Mit ergänzenden Steue­rungs- und Regelungskomponenten (siehe Bild 5) kön­nen die Solarzellen bei Bedarf erwärmt werden. Dabei wird Strom in umgekehrter Richtung durch die Solarzel­len geleitet. Der Heizstrom kann beispielsweise gespei­cherter Solarstrom sein. Die Heizfunktion ermöglicht eine automatisierte Freihaltung der Verkehrsfläche von Schnee und Eis, erhöht somit die Verkehrssicherheit und reduziert die Kosten für Schneeräumung.

Zusatzfunktion induktive Energieübertragung: Die solaren Verkehrsflächen von Solmove können mit Systemen zur induktiven (kabellosen) Energieüber­tragung kombiniert werden. Dabei besteht sowohl die Möglichkeit, stationäre Ladeplatten zwischen die Solmove-­Module zu legen, als auch mittig in der Solar­straße eine Kette von Induktionsschleifen in Spezialbe­ton zu integrieren, die Elektrofahrzeuge während der Fahrt mit Energie versorgen.

Leistungsumfang: Solmove entwickelt, produziert und vertreibt solare Straßenoberflächen. Projektspezifisch wer­den auch Anlagenplanung, Baumaßnahmen, Montage­arbeiten und Projektmanagement übernommen und je nach Erfordernis an Nachunternehmer beauftragt.

Bild 5:Solwalk kann optional auch beheizt werden. (Quelle: Solmove)

5.5. Markt

Der Bedarf an Strom wächst kontinuierlich und wird durch zwei Trends noch verstärkt. Die Energiewende schafft mit dem Verzicht auf Atom­kraft einen großen Bedarf alternativer Stromquellen (16,1 %, etwa 100 TWh, [Quelle: Statistisches Bundes­amt 2012]). Der Trend zur Elektromobilität steigert den Bedarf langfristig um zusätzliche 15 % Strom / 92 TWh [Quelle: Agentur erneuerbare Energien 2010].

Die potenzielle Fläche für die horizontale PV-Nutzung wird vom Fraunhofer ISE [Studie 2012] auf rund 1.400 km2 geschätzt. Die potenzielle Dachfläche auf 1.200 m2. In 2012 waren rund 8 % der bebaubaren Dachflächen mit PV-Anlagen bebaut. Bis 2020 soll sich das Stromvolumen aus PV von 25 TWh in 2012 auf 78 TWh quasi verdrei­fachen (Ziele des Bundes). Bei diesen Prognosen kann davon ausgegangen werden, dass in zwei Jahren (2020) die besten Lagen (1A) bebaut sein werden und nur noch eingeschränkt attraktive Dächer (1B und 1C Lagen) zur Verfügung stehen. Der jährliche Zubau von PV-Modulen von rund 50 Millionen Quadratmeter wird zunehmend auch horizontale Flächen betreffen.

Die ersten Projekte mit Gemeinden zeigen, dass es eine hohe Bereitschaft gibt, wenig genutzte ­Flächen für die Stromerzeugung zu nutzen. Dazu zählen Park­plätze an Sportstätten, Rad- und Fußwege sowie ­Anliegerstraßen. Kommunen erkennen in der Solar­straße eine Chance, die Kosten für den Straßenbau zu refinanzieren und gleichzeitig sauberen Strom für die Bürger zu produzieren.

6.6. Anwendbarkeit für Kommunen

Städte und Gemeinden sind Flächenbesitzer und ­verantwortlich für den Erhalt und weiteren Ausbau. ­Horizontale PV eignet sich nicht für belastete Verkehrs­wege und macht nur dort Sinn, wo wenig ­Schatten ­auftritt. Trotz dieser Einschränkungen gibt es viele ­potenzielle Flächen. Dazu gehören Fuß- und Radwege, Plätze, wenig befahrene Straßen und Flachdächer.

Eine herkömmliche Straße kostet Geld, eine Solar­straße dagegen wirft Erträge ab. Im Lebenszyklus von rund 25 Jahren ergibt das ein Plus von rund 200 Euro/m2. Der damit produzierte Strom kann lokal genutzt wer­den und Verluste durch Stromtransport und (teilweise) Netzentgelt entfallen.

Gemeinden können damit einen Beitrag zur Energie­wende leisten und die örtlichen Stadtwerke sowie Energiegenossenschaften stärken. Die Wirtschaft vor Ort kann durch Mitarbeit am Bau und Wartung der Solarflächen beteiligt werden. Im Unterschied zu Dach­installationen lassen sich mit Solarwegen und -straßen großflächige Kraftwerke errichten. Der gesamte Über­zeugungs-, Finanzierungs- und Planungsaufwand muss nur einmal erfolgen und nicht für jeden (meist privaten) Dachbesitzer einzeln.

Perspektivisch werden aus dem Solarstraßennetz ein Stromnetz und auch ein Datennetz, die vorhandene Netze unterstützen können.

7.7. Finanzierung

Solarstraßen sind aus geschäftlicher Perspektive Kraft­werke wie andere Solaranlagen auch. Ein Quadrat­meter wird bei Serienproduktion voraussichtlich rund 250 – 350 Euro kosten, später weniger. Die Kosten ­amortisieren sich nach 12 – 16 Jahren.

Für die Finanzierung und den Betrieb kommen Partnerschaften aus öffentlichen und privaten Institu­tionen in Frage. Partner können sein: Kommunen, Energieversorger, Netzbetreiber, Stadtwerke, Genos­senschaften, Beteiligungsgesellschaften, KfW- und Öko-Banken.