Anbau von Agri-PV-Tomaten bei gleichzeitiger Produktion von Wasserstoff für intelligente Fenster

Eine Forschungsgruppe an der University of Exeter untersuchte ein modulares, landwirtschaftlich betriebenes Wasserstoffproduktionskonzept für Haushalte. Agri-PV auf dem Dach versorgt einen Elektrolyseur mit Strom, der Wasserstoff für Wasserstofffahrzeuge und für isolierte gasochrome intelligente Fenster produziert. Bei den Fenstern handelt es sich um eine Form von wärmeisolierendem Glas, das durch reversible Reaktionen mit Wasserstoff und Sauerstoff dunkler oder klarer wird und so die Kontrolle von Licht und Wärme ermöglicht.

„Diese Forschung stellt ein neues gebäudeintegriertes Energiekonzept vor, das Agrarvoltaik, Wasserstoff, intelligente Fassaden und Mobilität miteinander verbindet. Es bietet eine neue Perspektive darauf, wie Gebäude zu aktiven, multifunktionalen Energiezentren werden könnten, eine Idee mit wachsender Relevanz für zukünftige städtische Energiesysteme“, sagte Forscherin Aritra Ghosh gegenüber pv magazine. „Während die begrenzte Dachfläche natürlich die gesamte Wasserstoffproduktion einschränkt, liegt der Wert des Konzepts in seiner Systemintegration und Neuheit und nicht in der Produktion im großen Maßstab.“

Mit mehreren Softwaretools simulierte das Team ein echtes zweistöckiges Wohnhaus in Birmingham, England. Das Gebäude verfügt über eine Gesamtgrundfläche von rund 142,7 Quadratmetern, eine Höhe von 4,8 Metern und 55 Quadratmeter Dachfläche, die für die Agri-PV zur Verfügung stehen. Es umfasst 16 Fenster in neun Wärmezonen. In Birmingham herrschen moderate Temperaturextreme mit Höchsttemperaturen im Sommer von etwa 21 Grad Celsius und Tiefsttemperaturen im Winter von etwa 1 Grad.

Auf dem Flachdach wurden 12 Solarmodule in drei Konfigurationen installiert: vertikal, kuppelförmig mit einer Neigung von 20 Grad oder einer optimierten Neigung von 30 Grad. Jede Konfiguration wurde entweder mit monofazialen 600-W-Modulen oder bifazialen 605-W-Modulen getestet. Unter den Paneelen wurden Tomaten angebaut, was sechs bis acht Stunden direktes Sonnenlicht pro Tag und Nachttemperaturen von etwa 13 Grad erforderte.

Zur Herstellung von Wasserstoff aus der Solarleistung wurde ein 7-kW-Elektrolyseur mit einem Wirkungsgrad von 88 % eingesetzt. Der Wasserstoff wurde für drei Verwendungszwecke modelliert: Betankung eines 2017er Toyota Mirai, Antrieb der gasochromen Fensterheber oder beides. Die Leistung von Vakuum-Gasochrom-Fenstern wurde auch mit Doppelverglasungs-, Elektrochrom- und Standard-Gasochrom-Alternativen verglichen.

„Auf einer Dachfläche von 55 m2 war das System in der Lage, genug Wasserstoff zu produzieren, um den jährlichen Bedarf der intelligenten Verglasung zu decken, der schätzungsweise nur 52,56 Gramm pro Jahr betrug“, sagte Ghosh. „Wenn außerdem der Wasserstoffausstoß im Hinblick auf die Mobilität bewertet wird, könnte das gleiche Dachsystem - mit einer um 30 Grad geneigten bifazialen PV-Konfiguration theoretisch bis zu 64,23 km Fahrt pro Tag unterstützen. Diese Schätzung basiert auf der Leistung eines Toyota Mirai aus dem Jahr 2017, der eine Wasserstofftankkapazität von 5,6 kg hat.“

Die Ergebnisse zeigten, dass das bifaziale System bei einer Neigung von 30-Grad mit 7.919 kWh pro Jahr den meisten Strom erzeugte, während die monofaziale Konfiguration mit 30-Grad mit 0,061 GBP (0,082 $)/kWh die niedrigsten Stromgestehungskosten lieferte. Die Tomatenerträge waren in allen Konfigurationen konstant bei 0,31 kg pro Quadratmeter. Unter den Verglasungsoptionen erzielten Vakuum-Gasochrom-Fenster mit einem U-Wert von 1,32 W pro Quadratmeter Kelvin die beste Wärmeleistung, allerdings bei einer größeren Dicke von 24,62 mm.

„Während die absoluten Wasserstoffmengen bescheiden sind, zeigen die Ergebnisse, wie kleine Dachflächen mehrere Wasserstoffanwendungen im Gebäudemaßstab unterstützen können, was das Potenzial modularer PV-Wasserstoffsysteme vor Ort stärkt“, sagte Ghosh. „Der Einfluss der Agri-PV auf die Hausisolierung und die optimale Nutzung des produzierten Wasserstoffs für die Hausheizung wird das Ziel unserer weiteren Forschung sein.“

Die Ergebnisse wurden in Energy and Buildings unter dem Titel „Vor-Ort-Wasserstoffproduktion auf dem Dach mit Agri-PV für isolierte gasochrome Smart Glazing- und Wasserstofffahrzeuge: Ein ganzheitlicher Ansatz für nachhaltiges Wohngebäude“ veröffentlicht.