Solaranlagen haben 2024 weltweit über 2000 Twattstunden Strom geliefert. Alleine dadurch konnten knapp 7% der weltweiten Stromerzeugung gedeckt werden. Aber trotzdem ist da noch super viel Luft nach oben. Gerade haben die PVMule nämlich selbst unter besten Bedingungen im Mittel nur ein Wirkungsgrad von rund 22%. Das Problem ist da vor allem Hitze. Also je heißer es wird, desto weniger effizient sind die Module und dieses Problem wird in den nächsten Jahren durch die extremen Wetterbedingung wahrscheinlich noch schlimmer. Deswegen ist die Wissenschaft natürlich auf der Suche nach Lösung, um die Wärme von Solaranlagen abzuleiten. Wie wir PV-Anlagen in Zukunft kühler halten können, wie eine Innovation, die ich vor einigen Jahren hier auf dem Kanal vorgestellt habe, nun Realität wird und dabei helfen kann. Und wie das die Effizienz steigert, das erfahrt ihr in diesem Video. Und damit willkommen bei Breaking Lab. Jakob hier und los geht's. Solaranlagen sind einer der wichtigsten Wege für eine nachhaltige Energieproduktion. In den letzten Jahren wurden die PVMule dabei immer effizienter und günstiger und Solarparks, die werden immer größer, was ich ja neulich erst haut erleben durfte bei meinem Besuch von einem der größten Solarparks der Welt, der natürlich an einem Ort war, an dem die Sonne besonders intensiv ist und zwar in einer Wüstengegend. [musik] Im ersten Moment würde man ja denken, je mehr Sonne, desto mehr Stromproduktion. Aber ganz so simpel ist es dann doch nicht, denn nicht nur die Sonneneinstrahlung hat Auswirkung auf die Effizienz, sondern auch die Hitze. Die meisten Module, die funktionieren tatsächlich bei einer Betriebstemperatur zwischen 20 und 25° am besten. Sobald es heißer wird und die Betriebstemperatur zunimmt, werden PV-Anlagen immer ineffizienter. In konkreten Zahlen heißt das, mit jedem zusätzlichen Grad sinkt der Wirkungsgrad um ca. 0,5%. Dazu kommt dann auch noch, dass PVM Module deutlich schneller altern, je heißer es ist. Um dieses Problem zu umgehen, muss die Betriebstemperatur von Solarmodulen deswegen am besten im optimalen Bereich gehalten werden und dafür braucht es Kühlsystem. Eine Möglichkeit [musik] für so ein Kühlsystem ist eine Beschichtung aus Hydrogel. Und genauso ein Konzept haben Forscher aus Hongkong entwickelt und die sagen, diese Hydrogelbeschichtung, die verbessert nicht nur die Stromproduktion, sondern auch die Lebensdauer der PVMule. Wie genau das funktionieren soll, dazu kommen wir gleich. Erstmal müssen wir aber erklären, warum die Effizienz von Solaranlagen eigentlich so unter Hitze leidet, denn das ist ein sehr, sehr wichtiger Effekt, über den gar nicht so viel gesprochen wird. Also normalerweise nutzen Solarzellen ja Licht, also Photonen, um Elektronen im Halbleiter anzuregen und so Strom zu erzeugen. Treffen die Photonen auf diesen Halbleiter, können sie Elektronen aus ihren Bindung lösen und dabei entstehen dann freie Elektronen und Elektronenlöcher, also Stellen, an denen dann diese Elektronen fehlen. Und durch diese Ladungstrennung kann der Strom dann fließen. Wenn jetzt die Betriebstemperatur der Zelle steigt, liefert aber auch die Wärme zusätzliche Energie für die Ladungsträger. Dadurch ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters. Es gibt also einen Elektronenüberschuss. Bei höheren Temperaturen kommt es jetzt aber leichter zu Rekombination, also dazu, dass Elektronen wieder in diese Löcher zurückfallen und dadurch kann die Zelle die Spannung schlechter aufrechterhalten und durch den Spannungsverlust sinkt am Ende halt auch die Leistung. Aber das ist nicht das einzige Problem durch Jitze. Ein anderes Problem sind Hotspots. Also vor allem bei Solarzellen, die nicht auf Freiflächen, sondern z.B. auf so Dächern angebracht sind, kommt es durch andere Häuser, Bäume oder auch sowas wie ein Schornstein oder so immer wieder zu Teilverschattung. Das heißt, einige Stellen sind beschattet und andere kriegen die pralle Sonne ab. Durch die ungleichmäßige Verteilung können genau die Bereiche, die die Sonne abkriegen, dann überhitzen. Ein Drittel aller Defekte von Solaranlagen passiert einfach durch die Hitze und durch solche Defekte altern Module dann ebenfalls halt auch schneller als sie sollten und Hotspots erhöhen einfach dann auch noch gleichzeitig das Risiko für Brände, also ziemlich viele Punkte, die man nicht haben möchte. Das Problem bei solchen Defekten und Hotspots ist ja, man braucht Soforthilfe, damit kein größerer Schaden entsteht. Und diese Soforthorthilfe, die vermisst man im Alltag oft, vor allem beim Thema Finanzen. Und genau da kommt unser heutiger Sponsor ins Spiel, Trade Republic. [musik] Seit neuesten bieten sie einen eigenen und komplett kostenfreien 24 Stunden Telefonservice für alle Kunden. Eine super wichtige und richtige Sache, weil dahinter halt echte Menschen sitzen und keine Chatbots. Wenn eure Anfrage mal nicht direkt beantwortet werden kann, dann könnt ihr aber den Status eurer Anfrage ganz einfach direkt in der App abfragen. Ich selber nutze Trade Republic, es ist nicht gelogen, schon echt mehrere Jahre mittlerweile. Bin super zufrieden dort [musik] und neben dem neuen Telefonservice habt ihr natürlich auch die gewohnten Vorteile, die das Sparen wirklich einfach machen. Ihr bekommt 2,25% Zinsen auf euer gesamtes Guthaben und zwar ohne Obergrenze und monatlich ausgezahlt. [musik] Außerdem gibt es ein kostenloses Girokonto mit 1% Safeback auf Kartenzahlung. Das heißt, das Geld, das wird euch geschenkt sozusagen und automatisch in einen Sparplan eurer Wahl investiert. [musik] Und wo wir gerade beim Investieren sind, die Sparplanausführung für Aktien, ETFs und Krypto sind komplett kostenlos. Das ist natürlich super praktisch. Wenn ihr auch davon profitieren wollt, klickt einfach auf den Link in der Videobeschreibung oder auf den angepinnten Kommentar. Die Anmeldung, die geht unkompliziert in nur 5 Minuten, ganz einfach online und super schnell. Für [musik] uns geht's jetzt weiter mit den überhitzten Solaranlagen. Und hier kommen natürlich Kühlsysteme ins Spiel. Die sollen die Betriebstemperatur im optimalen Bereich halten und so die Effizienz und die Lebensdauer der PV-Anlagen erhöhen. Es gibt da natürlich ganz verschiedene Modelle. Grob unterteilt man die aber in aktive und passive Kühlsysteme. Die aktiven Kühlsysteme sind relativ komplex und brauchen ziemlich viel externe Energie. Dafür können sie aber auch präzise gesteuert werden. Solche aktiven Systeme, die können die Betriebstemperatur um bis zu 30° CSUS runterbringen. Aber es gibt halt auch passive Kühlsysteme. Die nutzen die Materialeigenschaften der Solarpaneele, um daraus Wärme abzuführen. Dafür brauchen sie keine externe Energie, aber die Kühlleistung ist natürlich auch ein bisschen geringer, je nach System zwischen 6, [räuspern] aber auch 20° CSUS, was ich ehrlicherweise schon ziemlich krass finde und zu diesem passiven System gehören jetzt halt auch die Hydrogele. Hydrogele sind ja weiche und biegsame Gele, die aus einem Netzwerk aus hydrophilen, also wasserliebenden Polymeren bestehen. Polymere sind ja kettenartige Makromoleküle, die aus kleineren Untereinheiten bestehen. Und dieses Polymernetzwerk verleit dem Hydrogel jetzt auch seine wichtigste Eigenschaft. Es funktioniert so ein bisschen wie einen Schwamm. Es kann also super viel Wasser aufnehmen, in manchen Fällen bis zu 99% des eigenen Gewichts, ohne dass ich das Hydrogel dabei selbst im Wasser auflöst. Wie viel Wasser die Hydrogele tatsächlich aufnehmen können, ist bestimmt die Vernetzungsdichte des Polymers, also wie eng oder weitmaschig das Netzwerk ist. Dabei gilt, wenn das Netzwerk zu engmaschig ist, ist das Gel zwar sehr stabil, aber kann dann auch kaum Wasser speichern. Und wenn es zu weitmaschig ist, speichert es zwar viel Wasser, aber ist mechanisch schwach und kann die Form nicht halten. Deswegen ist es für die Benutzung von Hydrogelen total wichtig, dass man [musik] genau die richtige Vernetzungsdichte findet. Das Spannende dabei finde ich ist, Hydrogele sind ja an sich jetzt erstmal nichts Neues. Man kennt das Material schon aus anderen Bereichen, vor allem der Medizin z.B. zur Regeneration von Organen oder auch in der Wundversorgung. Und ich habe ja auch in den vergangenen Jahren schon mehrmals Videos dazu gemacht, auch einfach crazy an der Stelle, dass ich einfach schon seit 8 Jahren YouTube mache. Sieht man vielleicht auch an der einen oder anderen Stelle seit neuesten hier könnt ihr mal sagen, was ihr davon haltet. Aber vor 5 Jahren wurde Hydrogel halt zum ersten Mal in Zusammenhang mit Solaranlagen eingesetzt und zwar in Saudi-Arabien. Die Idee war die Rückseite der Module mit dem Hydrogel zu beschichten und sie dadurch quasi zum Schwitzen zu bringen. Nachts saugt das Hydrogel die Feuchtigkeit aus der Luft. Sobald die Sonne dann tagsüber auf die PVM Module scheint und die Betriebstemperatur zu hoch wird, verdampft das Wasser aus den Hydrogelen. Der Wasserdampf wird dann z.B. durch den Wind abgetragen und durch diese Verdunstung wird das Modul runtergekühlt. Also so wie wenn wir schwitzen oder wenn Pflanzen uns in der Stadt kühlen. Das funktioniert, weil das Polymernetzwerk aus winzigen Kanälen besteht, durch die das Wasser fließen kann, also aus dem Inneren des Gels an die Oberfläche und andersum. Diese Kanäle bestimmen auch, wie viel Wasser das Hydrogel dann überhaupt aufnehmen kann, wie schnell die Wärme transportiert wird und damit eben auch wie gut das Hydrogel kühlen kann. In Saudi-Arabien konnte der Stromertrag und das muss ich sagen, fand ich wirklich krass tatsächlich um knapp 10 % Punkte gesteigert werden durch diese Technologie. Soviel erstmal zur Physik der Hydrogele. Das Projekt aus Saudi-Arabien, das klingt wie gesagt ziemlich spannend für das Hitzeproblem, aber auch da gibt es natürlich noch ein paar Stellschrauben, an denen gedreht werden muss. Das größte Problem der ersten Hydrogel PV Module war nämlich die mechanische Instabilität. Irgendwann haben sich halt Risse gebildet, das Hydrogel ist ausgetrocknet und dadurch geschrumpft. Das Kühlsystem hielt also nicht super lange und das ist jetzt natürlich was, wo das neue Projekt spannt wird. Die Forscher aus Hong Kong, die wollten die Hydrogele upgraden, effizienter, wirtschaftlicher und vor allem stabiler machen. Dafür nutzen sie zusätzlich eine Mischung aus drei Stoffen, also Hydroxythylzellulose, Baumwolle und Teflon. Hydroxythylzellulose ist so ein natürliches Bindemittel und hier quasi so ein Grundbaustein. In der Medizin benutzt man diese Zellulose z.B., um Flüssigkeiten dickflüssiger zu machen. Und auch im Hydrogel wird diese Eigenschaft eingesetzt. Durch die Zellulose kommt es seltener zu rissen und das Gel schrumpft nicht mehr so schnell zusammen. Das erste Problem ist damit tatsächlich schon mal gelöst. Als nächstes kommen die Baumwollfäden ins Spiel, was auch wieder mega simpel ist. Also, die sollen einfach dabei helfen, das Wasser zu den heißesten Bereichen des Solarmoduls zu transportieren, damit die Paneele gleichmäßig gekühlt werden. [musik] Und dann haben wir noch diese Teflon Beschichtung, die kommt ganz oben auf das Hydrogel und soll die Lebensdauer verlängern. Teflon ist ja ein extrem wasserabweisendes Material. Wasser und Schmutz perlen also eher ab, anstatt sich auf der Oberfläche festzusetzen. Dadurch schützt die Tefhlonschicht einerseits vor Verschmutzung durch Staub. Andererseits sorgt sie dafür, dass nicht das ganze Wasser auf einmal austritt und dadurch wird dann die Kühlwirkung halt verloren gehen und so geht sie halt nicht verloren. Und die Modifikation, die haben sich tatsächlich ausgezahlt, also die Forscher aus Hong Kong, die berichten, dass sie die Betriebstemperatur an den Hotspots um bis zu 16° senken konnten und die elektrische Leistung der PVMule einfach um 13% steigern konnten. Und das wurde jetzt nicht nur im Labor gezeigt, sondern tatsächlich unter echten Bedingungen. Wir haben die ersten Prototypen in Hongkong und Singapur schon ausprobiert. Das sind Orte mit einer recht hohen Luftfeuchtigkeit. die das Hydrogel natürlich braucht. Also es sind schon Realbedingungen, aber es ist jetzt natürlich auch nicht die Wüste. Dort an diesen Orten konnte tatsächlich die Effizienz um bis zu 7 % Punkte gesteigert werden durch diese hydrogel Solarzellen. Wir können an der Stelle also schon mal festhalten, diese Hydrogelbeschichtung, die erfüllt auf jeden Fall schon mal ihren Zweck. Jetzt stellt man sich natürlich ein paar Fragen dabei. Z.B. kann die Beschichtung auch noch nachträglich eingebaut werden? Und das ist schon krass, weil das wäre jetzt natürlich ein großes Aber, was ich anbieten würde, aber laut den Forschern ist das gut möglich. [musik] Also die Integration von hydrogelen in PV-Anlagen soll relativ easy sein, das eben nicht nur bei neuen Modulen, sondern auch bei bestehenden Anlagen. Das Material, das hat viele hydrophile Funktionsgruppen. [musik] Die Wechselwirkung zwischen diesen Funktionsgruppen und denen in der Rückseite von so einer PVMUL, da so eine Folie drauf, die sind ziemlich stark. Dadurch haften die Hydrogele einfach sehr gut an den Solarzellen. Theoretisch sind Hydrogele also eine relativ günstige sogenannte Drop-in Lösung. Die zweite große Frage ist dann, was kostet das Ganze? Und jetzt kommen wir dann doch mal zum großen Aber von diesem Video. Es ist nicht so groß wie normalerweise, deswegen keine Sorge. Vorher lasst gerne noch ein Abo da und aktiviert die Glocke, damit ihr kein Video mehr verpasst. Und wenn ihr seriösen Science Content auf YouTube supporten wollt, weil ehrlich gesagt glaube ich, das brauchen wir dringender als hier zuvor, denn ich habe man das Gefühl, YouTube wird gerade ein bisschen crazy mit KI und crazy Clickbait und so weiter und so fort. Ich versuche da ja nicht mitzumachen. Ich hoffe, das seht ihr und ich hoffe, das wertschätzt ihr. Da würde ich mich sehr drüber freuen. Okay, bevor wir gleich zu den Kosten kommen, sprechen wir erstmal noch über zwei andere Kritikpunkte. Die Langzeitstabilität und die Kapazität. [musik] Der erste Prototyp, der wurde wie gesagt schon unter realen Bedingungen ausprobiert. Damit sich die Hydrogelbeschichtung aber wirklich lohnt, sollte sie natürlich so lange wie möglich halten. Und das ist gerade noch nicht der Fall. Also je nachdem, wo es eingesetzt wird, schrumpft auch dieses Gel, fällt in sich zusammen oder verliert an Flexibilität. Hier gab es [musik] zwar Verbesserungen, aber ob das Hydrogel dann wirklich über mehrere Jahre hält, das ist einfach noch nicht ganz klar. Das heißt, hier muss noch optimiert werden und natürlich Langzeitstudien gemacht werden. Und auch wechselnde Wetterbedingungen sind nicht ideal. Also tatsächlich ist ein Problem, wenn es zu [musik] kalt ist, dann kommt es zu Frostschäden. Wenn es jetzt viel zu heiß ist, trocknet das Geld wie gesagt aus. Also, man hat noch nicht diese krasse Range, die man abdeckt. Was ich aber spannend fand, die Hitze selbst, die ist gar nicht mal das größte Problem wohl, sondern vor allem sehr starke UV-Strahlung, weil dadurch das Polymernetzwerk angegriffen wird. Die Forschungsgruppe, die arbeitet da natürlich auch schon an Lösung, z.B. selbstheilende Hydrogele. Generell wird hier noch viel optimiert, z.B. auch sowas wie viel Wasser kann das Hydrogel dann aufnehmen? Das ist eine Eigenschaft, die man z.B. durch die Porosität, also wie schwammartig das Ding ist, gut beeinflussen kann. Da wird gerade noch dran getriftet. Deswegen würde ich sagen, all tatsächlich eher ein kleineres aber, weil da haben wir ganz ganz viele Ansätze, wie wir das lösen können. Kommen wir jetzt mal zu den Kosten und ihr kennt es aus meinen Videos oft ein ganz ganz großer Punkt. Hier ist es ja so eine Abwergungssache. Also die Forscher aus Hong Kong, die sagen, mit ihrem Hydrogel steigen die Kosten für Solarmodule um knapp 11%. Ist auf jeden Fall klar, dass Hydrogele günstiger sind als aktive Kühlsysteme. Ich habe mir das noch mal genauer angeschaut. Aktive Kühlsysteme fangen so bei 68$ pro quadratmet an. Hydrogele sollen dagegen nur so 37$ pro quadratmet kosten. Das ist aber keine Angabe von den Forschern aus Hong Kong, sondern die Zahl, die kommt aus einer anderen Studie zu Hydrogelen. An der Stelle auch noch mal der Hinweis, ich blende ja immer meine Quellen ein. Habe ich schon immer so gemacht, werde ich auch immer so machen. Und wir achten auch darauf, dass es möglichst seriöse Quellen sind, also kein Wikipedia oder so, sondern wir arbeiten wirklich mit Studien. An der Stelle noch mal, wenn ihr das wert schätzt, es ist vielleicht ein Abowert. Okay, was sagen uns jetzt diese Kosten? Also, sprechen wir mal über die Amortisationszeit, also der Zeitpunkt, ab dem sich die höheren Kosten ausgleichen. Der ist laut den Forschern aus Hongkong mit drei bis viereinhalb Jahren vergleichsweise kurz. Da kommt es aber natürlich auch sehr auf die Strompreise und die Umweltbedingung vor an. Also, das macht natürlich an Orten vor allen Dingen dann Sinn, wenn die Hitze ein ganz ganz großes Problem ist. Könnte man sich jetzt fragen, ob das in Deutschland so ein Riesenthema ist, aber bei diesen XXL Solarparks z.B. spielt in Wüsten ist das natürlich eine sehr sehr interessante Geschichte. Na und dann gibt's noch ein Problem, was ich ansprechen muss, was ihr auch aus den Videos kennt, die ich mache. Bei neuen Technologien ist die Produktion oft noch ziemlich teuer. Das liegt unter anderem daran, dass die Herstellungsprozesse noch nicht optimiert sind und die Herstellung von kleinen Stückzahlen, die ist natürlich immer super teuer. Die Wirtschaftlichkeit, die hängt also auch immer davon ab, wie kann man das Ganze hochskalieren jetzt nicht nur von den Materialkosten. Ich glaube persönlich aber auch wieder da und das sage ich eigentlich auch bei jeder Technologie, wenn das relevant wird, dann wird es hochskaliert, dann wird das nicht mehr so ein Problem sein. Und gerade bei der Technologie, weil die kann man ja wirklich auf alle möglichen Solarpaneele anwenden, sogar auf bereits bestehende, ist das wahrscheinlich ein ganz ganz kleines großes Aber was sich langfristig lösen wird. Deswegen ist mein Fazit auch, dass das große aber heute wirklich nicht riesig ist und ich glaube, dass die Technologie sich sehr wahrscheinlich langfristig durchsetzen wird in der Form oder eine andere. Muss jetzt nicht die Zusammensetzung von der Forschung aus Hong Kong sein, aber sozusagen passive Kühlung macht super viel Sinn, gerade für diese XXL Solarps. Die Forschung zeigt, Kühlung kann Solarzellen effizienter machen. Das heißt, wir haben wirklich sozusagen Werte dazu und vor allem die Fortschritte, die gerade gemacht werden, wie z.B. in Hong Kong, die zeigen, dass diese Hydrogele immer besser werden und [musik] auf der einen Seite die Effizienz steigern und dann noch die Langlebigkeit große Probleme wie z.B. die Hotspots reduzieren können. Das schon wirklich was ziemlich ziemlich cooles. Also, ich bin super gespannt, wie es damit in den nächsten Jahren weitergeht und an der Stelle schreibt gerne mal in die Kommentare, was ihr glaubt. Also haben Hydrogele eine echte Chance. Ich bin gespannt, was ihr sagt. Auch da wieder, ihr habt wirklich immer Topkmentare. Das finde ich mega geil auch, dass wir in der Community so diskutieren können und ganz oft ja auch wirklich Input von euch kommt, weil ihr in dem Bereich arbeitet. Ich lieb es einfach. Also, vielen Dank dafür. Und hier noch mal der Reminder, wenn ihr eure Finanzen unkompliziert aufstellen wollt, wert auf schnelle Hilfe rund um die Uhr legt und Zinsen mitnehmen wollt, dann probiert doch mal Trade Republic aus und klickt auf den Link in der Videobeschreibung oder im angepinnten Kommentar. Die Anmeldung, die dauert wirklich nur 5 Minuten. Wie gesagt, ich selbst kann es wirklich nur besten Gewissens empfehlen. Ich bin seit vielen Jahren dort, mittlerweile sind einige aus dem Team auch dort. Ich hatte noch nie ein Problem. Und an der Stelle bleibt mir jetzt noch zu sagen, danke fürs Zuschauen, macht's gut und bis zum nächsten Mal. Euer Jakob. M.